CAPÍTULO 40: Membranas: estructura y función

Las membranas son estructuras dinámicas, altamente fluidas, que constan de una bicapa lipídica y proteínas asociadas. Las membranas plasmáticas forman compartimentos cerrados alrededor del citoplasma para definir los límites de la célula. La membrana plasmática tiene permeabilidades selectivas y actúa como una barrera, lo que mantiene diferencias de la composición entre el interior y el exterior de la célula. La permeabilidad molecular de membrana selectiva es generada por medio de la acción de transportadores y canales de iones específicos. La membrana plasmática también intercambia material con el ambiente extracelular por medio de exocitosis y endocitosis, y hay áreas especiales de la estructura de la membrana (las uniones intercelulares comunicantes o conexiones comunicantes) a través de las cuales células adyacentes intercambian material. Además, la membrana plasmática desempeña funciones clave en las interacciones entre una célula y otra y en la señalización transmembrana.

Las membranas también forman compartimientos especializados dentro de la célula. Esas membranas intracelulares ayudan a formar muchas de las estructuras distinguibles desde el punto de vista morfológico (organelos), por ejemplo, mitocondrias, retículo endoplásmico (ER), complejos de Golgi, gránulos secretorios, lisosomas y núcleo. Las membranas localizan enzimas; funcionan como elementos esenciales en el acoplamiento entre excitación y respuesta, y proporcionan sitios de transducción de energía, como en la fotosíntesis (cloroplastos) y la fosforilación oxidativa (mitocondria).

Los cambios en los componentes de la membrana pueden afectar el equilibrio de agua y el flujo de ion y, en consecuencia, muchos de los procesos dentro de la célula. Deficiencias o alteraciones específicas de ciertos componentes de membrana (p. ej., originadas por genes con mutaciones que codifican para proteínas de membrana) conducen a diversas enfermedades (cuadro 40-7). En pocas palabras, la función celular normal depende de membranas normales.

La vida se originó en un ambiente acuoso, por ende, las reacciones enzimáticas, los procesos celulares y subcelulares, y así sucesivamente, han evolucionado para trabajar en este medio, encapsulados en una célula.

El agua interna del organismo está compartimentalizada

El agua constituye alrededor de 60% de la masa corporal magra del cuerpo humano, y está distribuida en dos compartimientos grandes.

Líquido intracelular (ICF)

Este compartimiento constituye dos terceras partes del agua corporal total, y proporciona un ambiente especializado para que la célula: 1) produzca, almacene y utilice energía; 2) se repare a sí misma; 3) se replique y 4) desempeñe funciones especiales.

Líquido extracelular (ECF)

Este compartimiento contiene alrededor de una tercera parte del agua corporal total, y está distribuido entre los compartimientos plasmático e intersticial. El líquido extracelular es un sistema de suministro. Lleva a las células nutrientes (p. ej., glucosa, ácidos grasos, aminoácidos), oxígeno, diversos iones y oligominerales, y diversas moléculas reguladoras (hormonas) que coordinan las funciones de células que están ampliamente separadas. El líquido extracelular elimina del ambiente celular inmediato CO₂, productos de desecho, y materiales tóxicos o destoxificados.

Las composiciones iónicas de los líquidos intracelular y extracelular difieren mucho

El ambiente interno es rico en K⁺ y Mg²⁺, y el fosfato es su principal anión inorgánico (cuadro 40-1). El citosol de las células contiene una concentración alta de proteína que actúa como un importante amortiguador intracelular. El líquido extracelular se caracteriza por un contenido alto de Na⁺ y Ca²⁺, y el Cl^– es el principal anión. Estas diferencias iónicas se mantienen debido a diversas membranas que se encuentran en las células; dichas membranas tienen composiciones singulares de lípidos y proteínas. Una fracción de los constituyentes proteínicos de las proteínas de membrana está especializada para generar las composiciones iónicas diferenciales de los compartimentos extracelular e intracelular, y mantenerlas.

Se comentarán principalmente las membranas presentes en células eucariontes, aunque muchos de los principios descritos también se aplican a las membranas de procariontes. Las diversas membranas celulares tienen diferentes composiciones de lípidos (véase más adelante) y proteínas. La proporción entre proteína y lípido en diferentes membranas se presenta en la figura 40-1 y es la causa de las muchas funciones divergentes de orgánulos celulares. Las membranas son estructuras encerradas tipo lámina que constan de una bicapa lipídica asimétrica con superficies o caras interna y externa separadas. Estas estructuras y superficies son montajes no covalentes, tipo lámina, tachonados de proteínas, que se forman de manera espontánea en agua debido a la naturaleza anfipática de los lípidos y las proteínas contenidos dentro de la membrana.

Los principales lípidos en membranas de mamífero son fosfolípidos, glucoesfingolípidos y colesterol

Fosfolípidos

De las dos clases principales de fosfolípido presentes en las membranas, los fosfoglicéridos son los más frecuentes, y constan de un esqueleto de glicerol al cual están fijos dos ácidos grasos en enlace éster, y un alcohol fosforilado (figura 40-2). Los constituyentes ácido graso por lo general son moléculas de carbono con números pares, que contienen con mayor frecuencia 16 o 18 carbonos. Son no ramificadas y pueden estar saturadas o insaturadas con uno o más dobles enlaces cis. El fosfoglicérido más simple es el ácido fosfatídico, que es el 1,2-diacilglicerol 3-fosfato, un intermediario clave en la formación de otros fosfoglicéridos (capítulo 24). En casi todos los fosfoglicéridos presentes en membranas, el 3-fosfato se esterifica hacia un alcohol como etanolamina, colina, serina, glicerol o inositol (capítulo 21). La fosfatidilcolina en general es el principal fosfoglicérido por masa en las membranas de células de humano.

La segunda clase principal de fosfolípidos comprende esfingomielina (figura 21-13), un fosfolípido que contiene una esfingosina en lugar de un esqueleto de glicerol. Un ácido graso está unido mediante un enlace amida al grupo amino de la esfingosina, lo cual forma ceramida. Cuando el grupo hidroxilo primario de la esfingosina es esterificado a fosforilcolina, se forma esfingomielina; como su nombre lo sugiere, la esfingomielina es prominente en vainas de mielina.

Glucoesfingolípidos

Los glucoesfingolípidos (GSL) son lípidos que contienen azúcar, construidos sobre un esqueleto de ceramida. GSL incluyen la galactosil ceramida y la glucosil ceramida (cerebrósidos) y los gangliósidos (véase estructuras en capítulo 21) y están ubicados principalmente en las membranas plasmáticas de células, y despliegan sus componentes azúcar hacia el exterior de la célula.

Esteroles

El esterol más común en las membranas de células animales es el colesterol (capítulo 21). Casi todo el colesterol reside dentro de membranas plasmáticas, pero se encuentran cantidades más pequeñas dentro de membranas mitocondriales, del complejo de Golgi y nucleares. El colesterol se intercala entre los fosfolípidos de la membrana, con su grupo hidroxilo en la interfase acuosa y el resto de la molécula dentro de la capa. Desde un punto de vista nutricional, tiene importancia saber que el colesterol no está presente en vegetales.

Los lípidos se pueden separar uno de otro y cuantificar mediante técnicas como cromatografía en columna, en capa delgada, y en gas-líquido, y su estructura puede establecerse mediante espectrometría de masa y otras técnicas (capítulo 4).

Los lípidos de membrana son anfipáticos

Todos los lípidos importantes en las membranas contienen regiones tanto hidrofóbica como hidrofílica y, por tanto, se llaman anfipáticos. Si la región hidrofóbica se separara del resto de la molécula, sería insoluble en agua pero soluble en solventes orgánicos. Por el contrario, si la región hidrofílica se separara del resto de la molécula, sería insoluble en aceite pero soluble en agua. En la figura 40-3 y en la figura 21-24 se representa la naturaleza anfipática de un fosfolípido. Así, los grupos de la cabeza polar de los fosfolípidos y el grupo hidroxilo del colesterol hacen interfaz con el ambiente acuoso; una situación similar se aplica a las porciones azúcar de los GSL (véase más adelante).

Los ácidos grasos saturados forman colas relativamente rectas, mientras que los ácidos grasos insaturados, que por lo general existen en la forma cis en las membranas, forman colas “curvadas” (figura 40-3; véanse también las figuras 21-1 y 21-6). A medida que aumenta el número de dobles enlaces dentro de las cadenas laterales de lípido, también lo hace el número de curvas en las colas. Como consecuencia, los lípidos de la membrana quedan empacados de manera menos estrecha y la membrana se hace más fluida. En el capítulo 21 se describe el problema causado por la presencia de ácidos grasos trans en lípidos de membrana.

Los detergentes son moléculas anfipáticas importantes en bioquímica así como en el hogar. La estructura molecular de un detergente se parece a la de un fosfolípido. Ciertos detergentes se usan de modo amplio para solubilizar y purificar proteínas de membrana. El extremo hidrofóbico del detergente se une a las regiones hidrofóbicas de las proteínas, y desplaza casi todos sus lípidos unidos. El extremo polar del detergente es libre, y lleva a las proteínas hacia solución como complejos de detergente-proteína, que por lo general también contienen algunos lípidos residuales.

Los lípidos de membrana forman bicapas

El carácter anfipática de los fosfolípidos sugiere que las dos regiones de la molécula tienen solubilidades incompatibles; sin embargo, en un solvente como el agua, los fosfolípidos se organizan por sí mismos de manera espontánea hacia micelas (figura 40-4 y figura 21-24), un montaje que satisface termodinámicamente los requerimientos de solubilidad de las dos regiones químicamente distintas de estas moléculas. Dentro de la micela las regiones hidrofóbicas de los fosfolípidos anfipáticos están protegidas del agua, mientras que los grupos polares hidrofílicos están inmersos en el ambiente acuoso. Las micelas por lo general son relativamente pequeñas (p. ej., alrededor de 200 nm) y, de esta manera, están limitadas en su potencial para formar membranas. Los detergentes suelen formar micelas.

Los fosfolípidos y moléculas anfipáticas similares pueden formar otra estructura, la bicapa lipídica bimolecular, que también satisface los requerimientos termodinámicos de moléculas anfipáticas en un ambiente acuoso. Las bicapa son estructuras clave en membranas biológicas. Las bicapas existen como láminas donde las regiones hidrofóbicas de los fosfolípidos son secuestradas desde el ambiente acuoso, mientras que las porciones hidrofílicas, cargadas, están expuestas a agua (figura 40-5 y figura 21-24). Los extremos o bordes de la hoja de bicapa pueden eliminarse al plegar la hoja sobre sí misma para formar una vesícula encerrada sin bordes. La bicapa cerrada proporciona una de las propiedades más esenciales de las membranas. Es impermeable a casi todas las moléculas hidrosolubles, puesto que serían insolubles en el centro hidrofóbico de la bicapa. El automontaje de bicapas lipídicas es impulsado por el efecto hidrofóbico (capítulo 2). Cuando moléculas de lípido se juntan en una bicapa, la entropía de las moléculas de solvente circundantes aumenta debido a la liberación de agua inmovilizada.

Surgen dos preguntas a partir de la consideración de esta información. En primer lugar, ¿cuántos materiales biológicos son liposolubles y, por ende, pueden entrar con facilidad en la célula? Los gases como el oxígeno, CO₂ y nitrógeno (moléculas pequeñas con poca interacción con solventes) se difunden con facilidad a través de las regiones hidrofóbicas de la membrana. En la figura 40-6 se muestran los coeficientes de permeabilidad de varios iones y de varias otras moléculas en una bicapa lipídica. Los tres electrólitos que se muestran, Na⁺, K⁺ y Cl^–, cruzan la bicapa con mucho mayor lentitud que el agua. En general, los coeficientes de permeabilidad de moléculas pequeñas en una bicapa lipídica se correlacionan con sus solubilidades en solventes no polares; por ejemplo, los esteroides cruzan con mayor facilidad la bicapa lipídica en comparación con los electrólitos. El coeficiente de permeabilidad alto del agua en sí es sorprendente, pero se explica en parte por su tamaño pequeño y falta relativa de carga. Muchos fármacos son hidrofóbicos y pueden cruzar con facilidad las membranas y entrar en las células.

La segunda pregunta se refiere a las moléculas que no son liposolubles: ¿de qué modo se mantienen los gradientes de concentración transmembrana de moléculas no liposolubles? La respuesta es que las membranas contienen proteínas, muchas de las cuales están insertas en la bicapa lipídica en orientaciones singulares. Estas proteínas forman canales para el movimiento de iones y moléculas pequeñas o sirven como transportadores para moléculas que por lo demás no podrían cruzar con facilidad la bicapa lipídica (membrana). A continuación se describen la naturaleza, las propiedades y las estructuras de canales y transportadores de membrana.

Las proteínas de membrana se relacionan con la bicapa lipídica

Los fosfolípidos de membrana actúan como un solvente para proteínas de membrana, y crean un ambiente en el cual estas últimas pueden funcionar. Como se describe en el capítulo 5, la estructura helicoidal α de las proteínas minimiza la naturaleza hidrofílica de los enlaces peptídicos en sí. De este modo, las proteínas pueden ser anfipáticas y formar una parte integral de la membrana al tener regiones hidrofílicas que sobresalen en las caras interna y externa de la membrana, pero que están conectadas por una región hidrofóbica que atraviesa el centro hidrofóbico de la bicapa. De hecho, esas porciones de las proteínas de membrana que cruzan membranas contienen números considerables de aminoácidos hidrofóbicos y casi siempre tienen un contenido helicoidal α alto. Para la mayoría de las membranas, un tramo de alrededor de 20 aminoácidos en una hélice a abarcará la bicapa.

Es posible calcular si una secuencia particular de aminoácidos presente en una proteína es congruente con una ubicación transmembrana; esto puede efectuarse al consultar un cuadro que lista las hidrofobicidades de cada uno de los 20 aminoácidos comunes y los valores de energía libre para su transferencia desde el interior de una membrana hacia agua. Los aminoácidos hidrofóbicos tienen valores positivos; los aminoácidos polares tienen valores negativos. Los valores de energía libre total para transferir secuencias sucesivas de 20 aminoácidos en la proteína se grafican, lo que da un denominado gráfico de hidropatía. Los valores de más de 20 kcal/mol⁻¹ son congruentes con la interpretación de que la secuencia hidrofóbica es un segmento transmembrana, mas no la prueban.

Otro aspecto de la interacción de lípidos y proteínas es que algunas proteínas están ancladas a una cara de la bicapa mediante enlaces covalentes a ciertos lípidos; este proceso se denomina lipidación de proteína. La lipidación puede ocurrir en terminaciones de proteína (N o C) o internamente. Los eventos de lipidación de proteína comunes son: isoprenilación, colesterilación y glicofosfatidilinositol (GPI; capítulo 46) de proteína C terminal; miristoilación de proteína N terminal, y S-prenilación y S-acilación de cisteína interna. Esa lipidación sólo ocurre en un subgrupo específico de proteínas.

Diferentes membranas tienen diferentes composiciones de proteína

El número de proteínas diferentes en una membrana varía desde menos de una docena muy abundantes proteínas en el retículo sarcoplasmático de células musculares hasta cientos en las membranas plasmáticas. Las proteínas son las principales moléculas funcionales de las membranas, y constan de enzimas, bombas y transportadores, canales, componentes estructurales, antígenos (p. ej., para histocompatibilidad) y receptores para diversas moléculas. Dado que cada tipo de membrana posee una totalidad diferente de proteínas, no existe una estructura de membrana típica. En el cuadro 40-2 se muestran las enzimas asociadas con propiedades enzimáticas de varias membranas.

Las membranas son estructuras dinámicas

Las membranas y sus componentes son estructuras dinámicas. Los lípidos y las proteínas en las membranas sufren recambio, de la misma manera que lo hacen en otros compartimientos de la célula. Diferentes lípidos tienen distintos índices de recambio, y los índices de recambio de especies individuales de proteínas de membrana pueden variar ampliamente. En algunas instancias la membrana en sí puede sufrir recambio con aún más rapidez que cualquiera de sus constituyentes; esto se comenta con mayor detalle en la sección sobre endocitosis.

Otro indicador de la naturaleza dinámica de las membranas es que diversos estudios han mostrado que los lípidos y ciertas proteínas muestran difusión lateral en el plano de sus membranas. Muchas proteínas inmóviles no muestran difusión lateral porque están fijas al citoesqueleto de actina subyacente. En contraste, el movimiento transversal de lípidos a través de la membrana (“flip-flop”) es en extremo lento (véase más adelante), y no ocurre en absoluto en el caso de las proteínas de membrana.

Las membranas son estructuras asimétricas

Las proteínas tienen orientaciones singulares en las membranas, lo que hace que las superficies externas sean diferentes de las internas. La ubicación externa de los carbohidratos fijos a las proteínas de membrana también proporciona una asimetría de interior-exterior. Más aún, proteínas específicas están localizadas de modo exclusivo en el exterior o el interior de las membranas.

Hay heterogeneidades regionales en las membranas. Algunas, como sucede en los bordes vellosos de las células mucosas, son visibles casi macroscópicamente. Otras, como las que están en uniones intercelulares comunicantes, zonas de oclusión (uniones intercelulares herméticas), y sinapsis, ocupan regiones de tamaño mucho menor de la membrana, y generan asimetrías locales correspondientemente de menor tamaño.

También hay asimetría de los fosfolípidos interna-externa (transversal). Los fosfolípidos que contienen colina (fosfatidilcolina y esfingomielina) están localizados principalmente en la capa molecular externa; los aminofosfolípidos (fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina) están ubicados de preferencia en la hojuela interna. Es obvio que, si esta asimetría existe en absoluto, debe haber movilidad transversal limitada (“flip-flop”) de los fosfolípidos de membrana. En realidad, los fosfolípidos en bicapas sintéticas muestran un índice de “flip-flop” extraordinariamente lento; la vida media de la asimetría puede medirse en varias semanas.

No se entienden del todo los mecanismos comprendidos en el establecimiento de asimetría de lípido. Las enzimas involucradas en la síntesis de fosfolípidos están situadas en el lado citoplásmico de las vesículas de membrana microsómica. Hay translocasas (flipasas) que transfieren ciertos fosfolípidos (p. ej., fosfatidilcolina) desde la hojuela interna hacia la externa. Proteínas específicas que se unen de preferencia a fosfolípidos individuales también parecen estar presentes en las dos hojuelas, lo que contribuye a la distribución asimétrica de estas moléculas lípidas. Además, las proteínas de intercambio de fosfolípido reconocen fosfolípidos específicos y los transfieren desde una membrana (p. ej., el retículo endoplásmico [ER]) hacia otras (p. ej., mitocondrial y peroxisómica). Un tema relacionado es cómo entran los lípidos a las membranas; esto no se ha estudiado de manera tan intensiva como el tema de cómo entran las proteínas a las membranas (capítulo 46), y el conocimiento aún es relativamente escaso. Muchos lípidos de membrana se sintetizan en el ER. Se han reconocido al menos tres vías. 1) transporte desde el ER en vesículas, que a continuación transfieren los lípidos contenidos hacia la membrana receptora; 2) entrada mediante contacto directo de una membrana (p. ej., el ER) con otra, facilitada por proteínas específicas y 3) transporte por medio de las proteínas de intercambio de fosfolípido (también conocidas como las proteínas de transferencia de lípido) antes mencionadas. Esto sólo intercambia lípidos, pero no causa transferencia neta.

Hay asimetría adicional respecto a los glucoesfingolípidos y las glucoproteínas; las porciones azúcar de estas moléculas sobresalen hacia afuera de la membrana plasmática, y están ausentes de su cara interna.

Las membranas contienen proteínas integrales y periféricas

Es útil clasificar a las proteínas de membrana en dos tipos: integrales y periféricas (figura 40-7). Casi todas las proteínas de membrana caen dentro de la clase integral, lo que significa que interactúan de manera extensa con los fosfolípidos y requieren el uso de detergentes para su solubilización. Asimismo, por lo general abarcan la bicapa como un haz de segmentos transmembrana α-helicoidales. Las proteínas integrales regularmente son globulares y son por sí mismas anfipáticas. Constan de dos extremos hidrofílicos separados por una región hidrofóbica interpuesta que atraviesa el centro hidrofóbico de la bicapa. Conforme se estuvieron elucidando las estructuras de las proteínas de membrana integrales, quedó de manifiesto que algunas (p. ej., proteínas transportadoras, canales de ion, diversos receptores, y proteínas G) abarcan la bicapa muchas veces, mientras que otras proteínas de membrana simples, (p. ej., glicoforina A) abarcan la membrana únicamente una vez (figuras 42-4 y 52-5). Las proteínas esenciales también tienen distribución asimétrica a través de la bicapa de la membrana. Esta orientación asimétrica se confiere en el momento de su inserción en la bicapa lipídica durante la biosíntesis en el ER. Los mecanismos moleculares incluidos en la inserción de proteínas hacia membranas, y el tema del montaje de membrana, se comentan en el capítulo 49.

Las proteínas periféricas no interactúan de modo directo con los centros hidrofóbicos de los fosfolípidos en la bicapa y, de esta manera, no necesitan el uso de detergentes para su liberación. Están unidas a las regiones hidrofílicas de proteínas integrales específicas y grupos de cabeza de fosfolípidos, y pueden liberarse de ellos mediante tratamiento con soluciones salinas de alta fuerza iónica. Por ejemplo, la anquirina, una proteína periférica, está unida a la cara interna de la proteína integral “banda 3” de la membrana de los eritrocitos. La espectrina, una estructura citoesquelética dentro del eritrocito, a su vez está unida a la anquirina y, de este modo, tiene importancia en el mantenimiento de la forma bicóncava del eritrocito.

Es posible preparar sistemas de membranas artificiales por medio de técnicas apropiadas. Estos sistemas por lo general constan de mezclas de uno o más fosfolípidos de origen natural o sintético que pueden tratarse por usar sonicación leve para inducir la formación de vesículas esféricas en las cuales los lípidos forman una bicapa. Esas vesículas, rodeadas por una bicapa lipídica con un interior acuoso, se llaman liposomas (figura 21-24).

Las ventajas y usos de los sistemas de membrana artificial para el estudio bioquímico de la función de membrana son:

1. El contenido de lípido de las membranas se puede variar, lo que permite el examen sistemático de los efectos de la variación de la composición de lípido sobre ciertas funciones.

2. Las proteínas o enzimas de membranas purificadas pueden incorporarse hacia estas vesículas para evaluar qué factores (p. ej., lípidos específicos o proteínas auxiliares) requieren las proteínas para reconstituir su función.

3. El ambiente de estos sistemas se puede controlar de manera rígida y variar de modo sistemático (p. ej., concentraciones de ion, ligandos).

4. Cuando se forman liposomas, puede hacerse que atrapen ciertos compuestos dentro de sí mismos, como medicamentos y genes aislados. Hay interés por el uso de liposomas para distribuir fármacos hacia ciertos tejidos y si los componentes (p. ej., anticuerpos contra ciertas moléculas de superficie celular) pudieran incorporarse hacia lisosomas de manera que se dirigieran hacia tejidos o tumores específicos, las repercusiones terapéuticas serían considerables. El DNA atrapado dentro de liposomas parece ser menos sensible al ataque por nucleasas; este método puede resultar útil en intentos de terapia génica.

El modelo de mosaico fluido de la estructura de membrana propuesto en 1972 por Singer y Nicolson (figura 40-7) ahora es ampliamente aceptado. El modelo a menudo se compara con “icebergs” de proteína de membrana integral que flotan en un mar de (predominantemente) moléculas de fosfolípido fluidas. La evidencia temprana para el modelo fue el hallazgo de que podía verse al microscopio que proteínas de membrana integrales marcadas con fluorescencia, bien caracterizadas, se redistribuyen con rapidez y al azar dentro de la membrana plasmática de una célula híbrida formada por la fusión artificial de dos células parentales (murina y de humano) diferentes (una marcada y la otra no). Posteriormente se ha demostrado que los fosfolípidos pasan por difusión lateral aún más rápida con redistribución subsiguiente dentro del plano de la membrana. Las mediciones indican que dentro de dicho plano, una molécula de fosfolípido puede moverse varios micrómetros por segundo.

Los cambios de fase (y, así, la fluidez de las membranas) dependen en gran parte de la composición de lípido de la membrana. En una bicapa lipídica, las cadenas hidrofóbicas de los ácidos grasos pueden estar muy alineadas u ordenadas para proporcionar una estructura más bien rígida. A medida que se incrementa la temperatura, las cadenas laterales hidrofóbicas pasan por una transición desde el estado ordenado (fase más parecida a gel o cristalina) hacia uno desordenado, adoptando una disposición más parecida a líquido o fluida. La temperatura a la cual la estructura pasa por la transición desde ordenada hacia desordenada (es decir, se fusiona) se llama la “temperatura de transición” (T_m). Las cadenas de ácidos grasos más largas y más saturadas interactúan más fuertemente entre sí mediante sus cadenas de hidrocarburo más largas y, de este modo, causan valores más altos de T_m; esto es, se necesitan temperaturas más altas para aumentar la fluidez de la bicapa. Por otro lado, los enlaces insaturados que existen en la configuración cis tienden a incrementar la fluidez de una bicapa al disminuir lo compacto de la aglomeración de la cadena lateral sin producir decremento de la hidrofobicidad (figuras 40-3 y 40-5). Los fosfolípidos de membranas celulares generalmente contienen al menos un ácido graso insaturado con por lo menos un enlace doble cis.

El colesterol actúa como un amortiguador que modifica la fluidez de las membranas. A temperaturas por debajo de la T_m, interfiere con la interacción de las colas de hidrocarburo de ácidos grasos y, de esta manera, aumenta la fluidez. A temperaturas por arriba de T_m, limita el desorden porque es más rígido que las colas de hidrocarburo de los ácidos grasos y no puede moverse en la membrana al mismo grado, lo que limita la fluidez. A proporciones altas entre colesterol y fosfolípidos, las temperaturas de transición son del todo indistinguibles.

La fluidez de una membrana afecta de modo significativo sus funciones. Conforme la fluidez de membrana se incrementa, también lo hace su permeabilidad al agua y otras moléculas hidrofílicas pequeñas. La movilidad lateral de proteínas integrales aumenta a medida que la fluidez de la membrana se incrementa. Si el sitio activo de una proteína integral involucrada en una función dada está exclusivamente en sus regiones hidrofílicas, el cambio de la fluidez de lípido quizá tendrá poco efecto sobre la actividad de la proteína; con todo, si la proteína participa en una función de transporte en la cual los componentes de transporte abarcan la membrana, los efectos de la fase lipídica pueden alterar de manera importante el índice de transporte. El receptor de insulina es un excelente ejemplo de función alterada con los cambios de la fluidez. Conforme se aumenta la concentración de ácidos grasos insaturados en la membrana (al cultivar células en un medio rico en esas moléculas), la fluidez se incrementa. La fluidez aumentada altera el receptor de modo que se une a más insulina. A la temperatura corporal normal (37 °C), la bicapa lipídica se encuentra en un estado fluido. Se ha mostrado que las bacterias pueden modificar la composición de sus lípidos de membrana para adaptarse a cambios de temperatura, lo que subraya la importancia de la fluidez de membrana.

Las balsas de lípido, caveolas y zonas de oclusión (uniones intercelulares herméticas) son características especializadas de las membranas plasmáticas

Las membranas plasmáticas contienen ciertas estructuras especializadas cuyas naturalezas bioquímicas se han investigado con cierto detalle.

Las balsas de lípido son áreas especializadas de la hojuela exoplásmica de la bicapa lipídica, enriquecidas con colesterol, esfingolípidos y ciertas proteínas (figura 40-8). Participan en la transducción de señal y en otros procesos. Se cree que la agrupación de ciertos componentes de sistemas de señalización estrechamente juntos quizás aumente la eficiencia de su función.

Las caveolas pueden derivarse de las balsas de lípido. Muchas, si no es que todas, contienen la proteína caveolina-1, que tal vez participe en su formación a partir de balsas. Las caveolas son observables por medio de microscopia electrónica como indentaciones en forma de matraz de la membrana celular que miran hacia el citosol (figura 40-9). Las proteínas detectadas en caveolas comprenden varios componentes del sistema de transducción de señal (p. ej., el receptor de insulina y algunas proteínas G), el receptor de folato, y la óxido nítrico sintasa endotelial (eNOS). Las caveolas y las balsas de lípido son áreas de investigación activa, y las ideas respecto a ellas y sus posibles funciones en diversos procesos biológicos están evolucionando con rapidez.

Las zonas de oclusión (uniones intercelulares herméticas) son otras estructuras que se encuentran en membranas de superficie. A menudo están localizadas por debajo de las superficies apicales de células epiteliales y evitan la difusión de macromoléculas entre células. Están compuestas de diversas proteínas, entre ellas ocludina, diversas claudinas y moléculas de adherencia de unión.

Aún otras estructuras especializadas que se encuentran en membranas de superficie son desmosomas, uniones adherentes y microvellosidades; sus naturalezas y funciones químicas no se comentan aquí. La naturaleza de las uniones intercelulares comunicantes se describe más adelante.

Si la membrana plasmática es relativamente impermeable, ¿de qué manera casi todas las moléculas entran en una célula? ¿De qué modo se establece la selectividad de este movimiento? Las respuestas a esas preguntas son importantes para entender cómo las células se ajustan a un ambiente extracelular en cambio constante. Los organismos metazoarios también deben tener medios de comunicación entre células adyacentes y distantes, de modo que puedan coordinarse los procesos biológicos complejos; estas señales deben llegar a la membrana y ser transmitidas por la misma, o generarse como consecuencia de alguna interacción con la membrana. En el cuadro 40-3 se listan algunos de los mecanismos principales usados para lograr estos tres diferentes objetivos.

La difusión pasiva que incluye transportadores y canales de ion mueve muchas moléculas pequeñas a través de membranas

Las moléculas pueden atravesar de manera pasiva la bicapa a favor de gradientes electroquímicos mediante difusión simple o por medio de difusión facilitada. Este movimiento espontáneo hacia el equilibrio contrasta con el transporte activo, que requiere energía porque constituye movimiento contra un gradiente electroquímico. En la figura 40-10 se proporciona una representación esquemática de estos mecanismos.

La difusión simple es el flujo pasivo de un soluto desde una concentración más alta hacia una más baja debido al movimiento térmico al azar. En contraste, la difusión facilitada es el transporte pasivo de un soluto desde una concentración más alta hacia una más baja, mediado por un transportador proteínico específico. El transporte activo es el transporte de un soluto a través de una membrana contra un gradiente de concentración y, así, necesita energía (que suele derivarse de la hidrólisis de ATP); participa un transportador específico (bomba).

Como se mencionó en este capítulo, algunos solutos, como los gases, pueden entrar en la célula mediante difusión a favor de un gradiente electroquímico a través de la membrana, y no requieren energía metabólica. La difusión simple de un soluto a través de la membrana está limitada por tres factores: 1) la agitación térmica de esa molécula específica, 2) por el gradiente de concentración a través de la membrana, y 3) por la solubilidad de ese soluto (el coeficiente de permeabilidad, figura 40-6) en el centro hidrofóbico de la bicapa de la membrana. La solubilidad es inversamente proporcional al número de enlaces de hidrógeno que es necesario que se rompan para que un soluto en la fase acuosa externa quede incorporado en la bicapa hidrofóbica. Los electrólitos, poco solubles en lípido, no forman enlaces de hidrógeno con agua, pero adquieren una concha de agua por hidratación por medio de interacción electrostática. El tamaño de la concha es directamente proporcional a la densidad de carga del electrólito. Los electrólitos con una densidad de carga grande tienen una concha de hidratación de mayor tamaño y, de este modo, un índice de difusión más lento; por ejemplo, el Na⁺ tiene una densidad de carga más alta que el K⁺. Así, el Na⁺ hidratado es de mayor tamaño que el K⁺ hidratado; por tanto, este último tiende a moverse con mayor facilidad a través de la membrana.

Los factores que siguen afectan la difusión neta de una sustancia: 1) su gradiente de concentración a través de la membrana. Los solutos se mueven desde concentración alta hacia baja. 2) El potencial eléctrico a través de la membrana. Los solutos se mueven hacia la solución que tiene la carga opuesta. El interior de la célula por lo general tiene una carga negativa. 3) El coeficiente de permeabilidad de la sustancia para la membrana. 4) El gradiente de presión hidrostático a través de la membrana. La presión incrementada aumentará el índice y la fuerza de la colisión entre las moléculas y la membrana. 5) Temperatura. La temperatura incrementada aumentará el movimiento de partículas y, de esta manera, incrementará la frecuencia de las colisiones entre partículas externas y la membrana.

La difusión facilitada comprende sea ciertos transportadores o canales iónicos (figura 40-11). El transporte activo está mediado por otros transportadores, la mayor parte de los cuales están impulsados por ATP. Muchos transportadores y canales existen en las membranas biológicas que dirigen la entrada de iones a las células y la salida de iones desde estas últimas. En el cuadro 40-4 se resumen algunos puntos importantes de la diferencia entre transportadores y canales de ion.

Los transportadores son proteínas específicas involucradas en la difusión facilitada y en el transporte activo

Los sistemas de transporte pueden describirse en un sentido funcional de acuerdo con el número de moléculas movidas y la dirección del movimiento (figura 40-12), o de acuerdo con si el movimiento es hacia el equilibrio o en dirección contraria a este último. La clasificación que sigue depende principalmente del primer aspecto. Un sistema de uniporte mueve un tipo de molécula de modo bidireccional. En sistemas de cotransporte, la transferencia de un soluto depende de la transferencia simultánea o secuencial estoiquiométrica de otro soluto. Un simporte mueve dos solutos en la misma dirección. Los ejemplos son el transportador de protón-azúcar en bacterias, y los transportadores de NA⁺-azúcar (para glucosa y algunos otros azúcares), y transportadores de Na⁺-aminoácido en células de mamífero. Los sistemas de antiporte mueven dos moléculas en direcciones opuestas (p. ej., Na⁺ hacia adentro, y Ca²⁺ hacia afuera).

Las moléculas hidrofílicas que no pueden pasar libremente a través de la membrana bicapa lipídica lo hacen de manera pasiva mediante difusión facilitada o por medio de transporte activo. El transporte pasivo es impulsado por el gradiente transmembrana del sustrato. El transporte activo siempre ocurre contra un gradiente eléctrico o químico y, así, necesita energía, regularmente ATP. Ambos tipos de transporte incluyen proteínas acarreadoras específicas (transportadores), y ambos muestran especificidad por iones, azúcares y aminoácidos. El transporte pasivo y activo semeja una interacción entre sustrato y enzima. Los puntos de semejanza de ambos con la acción enzimática son: 1) hay un sitio de unión específico para el soluto. 2) El acarreador es saturable, de modo que hay un índice de transporte máximo (V_máx; figura 40-13). 3) Hay una constante de unión (K_m) para el soluto y, de esta manera, todo el sistema tiene una K_m (figura 40-13). 4) Inhibidores competitivos similares en el aspecto estructural bloquean el transporte. De este modo, los transportadores son como enzimas, pero en general no modifican sus sustratos.

Los cotransportadores usan el gradiente de un sustrato creado mediante transporte activo para impulsar el movimiento del otro sustrato. El gradiente de Na⁺ producido por la Na⁺-K⁺-ATPasa se usa para impulsar el transporte de diversos metabolitos importantes. La ATPasa es un ejemplo muy importante de transporte primario, mientras que los sistemas dependientes de Na⁺ son ejemplos de transporte secundario que depende del gradiente producido por otro sistema. Así, la inhibición de la Na⁺-K⁺-ATPasa en las células también bloquea la captación (dependiente de Na⁺) de sustancias como la glucosa.

La difusión facilitada está mediada por diversos transportadores específicos

Algunos solutos específicos se difunden a favor de gradientes electroquímicos a través de membranas con mayor rapidez de lo que podría esperarse a partir de su tamaño, carga, o coeficiente de partición; esto se debe a la participación de transportadores específicos. Esta difusión facilitada muestra proteínas distintas de las de la difusión simple. El índice de difusión facilitada, un sistema de uniporte, se puede saturar; de modo que el número de sitios involucrados en la difusión de los solutos específicos parece ser finito. Muchos sistemas de difusión facilitada son estereoespecíficos pero, al igual que la difusión simple, están impulsados por el gradiente electroquímico transmembrana.

Un mecanismo de “ping-pong” (figura 40-14) ayuda a explicar la difusión facilitada. En este modelo, la proteína acarreadora existe en dos conformaciones principales. En el estado “ping”, está expuesta a cifras altas de soluto, y las moléculas de este último se unen a sitios específicos en la proteína acarreadora. La unión induce un cambio conformacional que expone al acarreador a una concentración más baja de soluto (estado “pong”). Este proceso es por completo reversible, y el flujo neto a través de la membrana depende del gradiente de concentración. El índice al cual los solutos entran en una célula por medio de difusión facilitada está determinado por: 1) el gradiente de concentración a través de la membrana. 2) La cantidad de acarreador disponible (éste es un paso de control clave). 3) La afinidad de la interacción entre soluto y acarreador. 4) La rapidez del cambio conformacional para el acarreador tanto cargado como el descargado.

Las hormonas pueden regular la difusión facilitada al cambiar el número de transportadores disponibles. La insulina mediante una vía de señalización compleja aumenta el transporte de glucosa en la grasa y el músculo al reclutar transportadores de glucosa (GLUT) que provienen de un reservorio intracelular. Asimismo, la insulina incrementa el transporte de aminoácidos en el hígado y otros tejidos. Una de las acciones coordinadas de las hormonas glucocorticoides es aumentar el transporte de aminoácidos hacia el hígado, donde los aminoácidos sirven entonces como un sustrato para la gluconeogénesis. La hormona de crecimiento incrementa el transporte de aminoácidos hacia todas las células, y los estrógenos hacen esto en el útero. Hay al menos cinco sistemas acarreadores diferentes para aminoácidos en células de animales. Cada uno es específico para un grupo de aminoácidos estrechamente relacionados, y casi todos operan como sistemas de simporte de Na⁺ (figura 40-12).

Los canales de iones son proteínas transmembrana que permiten la entrada selectiva de diversos iones

Las membranas naturales contienen canales transmembrana, estructuras tipo poro compuestas de proteínas que constituyen canales de iones selectivos. Los canales que conducen catión tienen un diámetro promedio de alrededor de 5 a 8 nm. La permeabilidad de un canal depende del tamaño, la extensión de la hidratación, y la magnitud de la densidad de carga sobre el ion. Se han identificado canales específicos para Na⁺, K⁺, Ca²⁺, y Cl^–. En la figura 40-15 se ilustra esquemáticamente la subunidad a funcional de un canal de Na⁺. La subunidad a está compuesta de cuatro dominios (I a IV) cada uno de los cuales está formado por seis hélices a transmembrana contiguas; cada uno de estos dominios está conectado por asas intracelulares y extracelulares de longitud variable. Las terminaciones amino y carboxi de la subunidad a están localizadas en el citoplasma. El poro real en el canal a través del cual pasan iones de Na⁺ se forma por interacciones entre los cuatro dominios, lo cual genera una estructura terciaria por interacciones entre los cuatro grupos de 5,6 α-hélices de los dominios I a IV. Los canales de Na⁺ a menudo son sensibles a voltaje; el sensor de voltaje del canal se forma mediante la interacción del dominio I-IV; las cuatro α-hélices-4 se forman cuando los dominios I a IV interactúan. Este poro de ~ 5 a 8 nm constituye el centro de la estructura del canal terciario. Los canales de ion son muy selectivos; casi siempre permiten el paso de sólo un tipo de ion (Na⁺, Ca²⁺, etc.). El filtro de selectividad de canales de K⁺ está constituido por un anillo de grupos carbonilo donados por las subunidades. Los carbonilos desplazan el agua unida desde el ion y, de esta manera, restringen su tamaño a dimensiones precisas apropiadas para paso por el canal. Se encuentran muchas variaciones del tema estructural anterior para el canal Na⁺, pero todos los canales de ion básicamente están formados de unidades transmembrana que se unen para formar un poro central a través del cual los iones pasan de modo selectivo.

Las membranas de células nerviosas contienen canales de iones bien estudiados que se encargan de la generación de potenciales de acción. La actividad de algunos de estos canales está controlada por neurotransmisores; en consecuencia, la actividad de canal se puede regular.

Los canales del ion se abren de manera transitoria y, de este modo, tienen “compuerta”. Las compuertas se pueden controlar al abrirse o cerrarse. En canales activados por ligando, una molécula específica se une a un receptor y abre el canal. Los canales activados por voltaje se abren (o se cierran) en respuesta a cambios del potencial de membrana. Los canales con compuerta mecánica muestran respuesta a estímulos mecánicos (presión, tacto). En los cuadros 40-4 y 40-5 se listan algunas propiedades de los canales de iones.

Estudios detallados de un canal de K⁺ y de un canal activado por voltaje han proporcionado información importante en cuanto a sus acciones

Hay por lo menos cuatro características de los canales de ion que deben elucidarse: 1) su estructura general; 2) cómo conducen los iones con tanta rapidez; 3) su selectividad, y 4) sus propiedades de compuerta. Como se describe más adelante, se ha logrado considerable progreso en abordar estos problemas difíciles.

El canal de K⁺ (KvAP) es una proteína de membrana integral compuesta de cuatro subunidades idénticas, cada una con dos segmentos transmembrana, lo que crea una estructura parecida a “V” invertida (figura 40-16). La parte de los canales que confiere selectividad para ion (el filtro de selectividad) mide 12 A de largo (un tramo relativamente corto de la membrana, de manera que el K⁺ no tiene que viajar mucho en ella) y está situado en el extremo ancho de la “V” invertida. La cavidad grande, llena de agua, y los dipolos helicoidales que se muestran en la figura 40-16 ayudan a superar la barrera de energía electrostática relativamente grande para que un catión cruce la membrana. El filtro de selectividad está revestido con átomos de oxígeno carbonilo (aportados por una secuencia de TVGYG), lo que proporciona varios sitios con los cuales el K⁺ puede interactuar. Los iones de K⁺, que se deshidratan a medida que entran al filtro de selectividad estrecho, se adaptan con coordinación apropiada hacia el filtro, pero el Na⁺ es demasiado pequeño como para interactuar con los átomos de oxígeno carbonilo en la alineación correcta, y se rechaza. Dos iones de K⁺, cuando se acercan uno a otro en el filtro, se repelen entre sí. Esta repulsión vence interacciones entre el K⁺ y la molécula de proteína circundante, y permite conducción muy rápida de K⁺ con selectividad alta.

Otros estudios sobre un canal de ion activado por voltaje (HvAP) en Aeropyrum pernix han revelado muchas características de sus mecanismos de detección de voltaje y de sensibilidad a voltaje; este canal está formado de cuatro subunidades, cada una con seis segmentos transmembrana. Uno de los seis segmentos (S4 y parte de S3) es el sensor de voltaje. Se comporta como un remo cargado (figura 40-17), por cuanto puede moverse por el interior de la membrana transfiriendo cuatro cargas positivas (debido a cuatro residuos Arg en cada subunidad) desde una superficie de membrana hacia otra en respuesta a cambios de voltaje. Hay cuatro sensores de voltaje en cada canal, enlazados a la compuerta. La parte compuerta del canal está construida de hélices S6 (una desde cada una de las subunidades). Los movimientos de esta parte del canal en respuesta a voltaje cambiante cierran con eficacia el canal o lo vuelven a abrir; en este último caso permiten que cruce una corriente de iones.

Los ionóforos son moléculas que actúan como transbordadores de membrana para diversos iones

Ciertos microbios sintetizan moléculas orgánicas cíclicas pequeñas, ionóforos, como la valinomicina, que funcionan como transbordadores para el movimiento de iones (K⁺ en el caso de la valinomicina a través de membranas. Los ionóforos contienen centros hidrofílicos que están rodeados por regiones hidrofóbicas periféricas. Iones específicos se unen dentro del centro hidrofílico de la molécula, que a continuación se difunde a través de la membrana y suministra con eficiencia el ion en cuestión al citosol. Otros ionóforos (el antibiótico polipeptídico gramicidina) se pliegan para formar canales huecos a través de los cuales iones pueden cruzar la membrana.

Las toxinas microbianas, como la toxina diftérica y componentes de complemento sérico activados, pueden producir poros grandes en membranas celulares y, así, proporcionan a macromoléculas acceso directo al medio interno. La toxina hemolisina α (producida por ciertas especies de Streptococcus) consta de siete subunidades que se unen para formar un barril β que permite el escape de metabolitos como ATP hacia fuera de las células, lo que suscita lisis celular.

Las acuaporinas son proteínas que forman canales de agua en ciertas membranas

En ciertas células (p. ej., eritrocitos, células de los conductillos colectores de los riñones), el movimiento de agua por medio de difusión simple aumenta por movimiento a través de canales de agua. Estos canales están compuestos de proteínas transmembrana tetraméricas denominadas acuaporinas. Se han identificado al menos 10 acuaporinas (AP-1 a AP-10). Estudios cristalográficos y de otros tipos han revelado de qué manera estos canales permiten el paso de agua pero excluyen el de iones y protones. En esencia, los poros son demasiado estrechos como para permitir el paso de iones. Los protones se excluyen por el hecho de que el átomo de oxígeno del agua se une a dos residuos asparagina que revisten el canal, lo que hace que el agua no esté disponible para participar en una retransmisión de H⁺ y, de este modo, se impide la entrada de protones. Se ha mostrado que las mutaciones en el gen que codifica para AP-2 son la causa de un tipo de diabetes insípida nefrogénica, una afección en la cual hay incapacidad para concentrar la orina.

El proceso del transporte activo difiere de la difusión por cuanto las moléculas se transportan contra gradientes de concentración; por ende, se necesita energía. Esta energía puede provenir de la hidrólisis de ATP, del movimiento de electrón, o de la luz. El mantenimiento de gradientes electroquímicos en sistemas biológicos tiene tanta importancia que consume aproximadamente 30% del gasto de energía total en una célula.

Se han reconocido cuatro clases importantes de transportadores activos impulsados por ATP (transportadores P, F, V y ABC) (cuadro 40-6; la nomenclatura se explica en el pie del cuadro). El primer ejemplo de la clase P, la Na⁺-K⁺-ATPasa, se comenta a continuación. La Ca²⁺ ATPasa del músculo se comenta en el capítulo 51. Se hace referencia a la segunda clase como tipo F. El ejemplo más importante de esta clase es la mt ATP sintasa (capítulo 13). Los transportadores activos tipo V bombean protones hacia lisosomas y otras estructuras. Los transportadores ABC comprenden la proteína CFTR, un canal de cloruro incluido en el origen de la fibrosis quística (que se describe más adelante en este capítulo, y en el capítulo 58). Otro miembro importante de esta clase es la proteína de resistencia a múltiples fármacos-1 (proteína MDR-1). Este transportador bombea diversos fármacos hacia afuera de las células, entre ellos muchos agentes anticáncer. Es una causa muy importante de resistencia de células cancerosas a quimioterapia, aunque también están implicados muchos otros mecanismos.

La Na⁺-K⁺ ATPasa de la membrana plasmática es una enzima clave en la regulación de las concentraciones intracelulares de Na⁺ y K⁺

Las células mantienen una concentración intracelular baja de Na⁺ y alta de K⁺ (cuadro 40-1), junto con un potencial eléctrico negativo neto en el interior. La bomba que mantiene estos gradientes iónicos es una ATPasa que es activada por Na⁺ y K⁺ (Na⁺-K⁺-ATPasa). La Na⁺-K⁺-ATPasa bombea tres Na⁺ hacia afuera, y dos K⁺ hacia adentro, de las células (figura 40-18). Esta bomba es una proteína de membrana integral que contiene un dominio transmembrana que permite el paso de iones y dominios citosólicos que acoplan la hidrólisis de ATP al transporte. Hay centros catalíticos tanto para ATP como para Na⁺ en el lado citoplasmático (interno) de la membrana plasmática (PM), mientras que hay sitios de unión a K⁺ situados en el lado extracelular de la membrana. La fosforilación por ATP induce un cambio conformacional en la proteína, que lleva a la transferencia de tres iones de Na⁺ desde el lado interno de la membrana plasmática hacia el externo. Dos moléculas de K⁺ se unen a sitios sobre la proteína en la superficie externa de la membrana celular, lo cual da por resultado desfosforilación de la proteína, y transferencia de los iones de K⁺ a través de la membrana al interior. Así, tres iones de Na⁺ son transportados hacia afuera por cada dos iones de K⁺ que entran. Este transporte iónico diferencial crea un desequilibrio de carga entre el interior de la célula y el exterior de la misma, lo que hace al interior de la célula más negativo (un efecto electrogénico). Dos fármacos cardíacos importantes en clínica, la ouabaína y los digitálicos, inhiben la Na⁺-K⁺-ATPasa al unirse al dominio extracelular. Esta enzima puede consumir cantidades importantes de energía de ATP celular. La Na⁺-K⁺-ATPasa puede acoplarse a varios otros transportadores, como los involucrados en el transporte de glucosa (véase más adelante).

La membrana que encierra células neuronales mantiene una asimetría del voltaje interno-externo (potencial eléctrico) y también es excitable con electricidad debido a la presencia de canales activados por voltaje. Cuando se estimulan de modo apropiado mediante una señal química mediada por un receptor de membrana sináptica específico (véase la exposición sobre la transmisión de señales bioquímicas, más adelante), los canales en la membrana se abren para permitir el flujo rápido hacia dentro de Na⁺ o Ca²⁺ (con o sin flujo de salida de K⁺), de manera que la diferencia de voltaje se colapsa con rapidez y ese segmento de la membrana se despolariza. Aun así, como resultado de la acción de las bombas de ion en la membrana, el gradiente se restituye con rapidez.

Cuando áreas grandes de la membrana se despolarizan así, la alteración electroquímica se propaga en forma parecida a onda por la membrana, lo que genera un impulso nervioso. Las láminas de mielina, formadas por células de Schwann, envuelven a las fibras nerviosas y proporcionan un aislante eléctrico que rodea la mayor parte del nervio y acelera mucho la propagación de la onda (señal) al permitir que los iones fluyan hacia adentro y hacia afuera de la membrana únicamente donde esta última está libre del aislamiento (en los nódulos de Ranvier). La membrana de mielina tiene un alto contenido de lípido, lo que explica su excelente propiedad aislante. En la vaina de mielina se encuentran relativamente pocas proteínas; las que están presentes parecen mantener unidas múltiples bicapas de membrana para formar la estructura aislante hidrofóbica que es impermeable a iones y agua. Ciertas enfermedades, por ejemplo, esclerosis múltiple y el síndrome de Guillain-Barré, se caracterizan por desmielinización y conducción nerviosa alterada.

Una exposición del transporte de glucosa resume muchos de los puntos ya descritos. Es necesario que la glucosa entre en las células como el primer paso de la utilización de energía. Diversos transportadores de glucosa (GLUT) están involucrados, y varían en diferentes tejidos (cuadro 20-2). En adipocitos y músculo esquelético, la glucosa entra por medio de un sistema de transporte específico (GLUT4) incrementado por la insulina. Los cambios en el transporte se deben principalmente a alteraciones de la V_máx (probablemente por más o menos transportadores), pero quizá también estén involucrados cambios de la K_m.

El transporte de glucosa en el intestino delgado comprende algunos aspectos diferentes de los principios de transporte antes comentados. La glucosa y el Na⁺ se unen a diferentes sitios en un simportador de Na⁺-glucosa localizado en la superficie apical. El Na⁺ se mueve hacia la célula a favor de su gradiente electroquímico y “arrastra” glucosa con él (figura 40-19). Por consiguiente, cuanto mayor es el gradiente de Na, más glucosa entra; y si el Na⁺ en el líquido extracelular está bajo, el transporte de glucosa cesa. Para mantener un gradiente de Na⁺ alto, este simportador de Na⁺-glucosa depende de gradientes generados por la Na⁺-K⁺-ATPasa, que mantiene una concentración intracelular baja de Na⁺. Se usan mecanismos similares para el transporte de otros azúcares así como aminoácidos a través de la luz apical en células polarizadas como las que se encuentran en el intestino y los riñones. El movimiento transcelular de glucosa en este caso incluye un componente adicional: un uniporte (figura 40-19) que permite que la glucosa acumulada dentro de la célula se mueva a través de la membrana basolateral, y comprende un uniportador de glucosa (GLUT2).

En el tratamiento de casos graves de diarrea (como en el cólera) se hace uso de la información anterior. En el cólera (capítulo 57), pueden expulsarse cantidades masivas de líquido como heces acuosas en un tiempo muy breve, lo que ocasiona deshidratación grave, y posiblemente la muerte. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha creado la terapia de rehidratación por vía oral, que consta principalmente en NaCl y glucosa. El transporte de la glucosa y Na⁺ a través del epitelio intestinal fuerza (mediante ósmosis) el movimiento de agua desde la luz del intestino hacia las células intestinales, lo que se traduce en rehidratación. La glucosa o el NaCl solos serían ineficaces.

El proceso mediante el cual las células captan moléculas grandes se llama endocitosis. Algunas de estas moléculas (p. ej., polisacáridos, proteínas y polinucleótidos), cuando se hidrolizan dentro de la célula, dan nutrientes. La endocitosis también proporciona un mecanismo para regular el contenido de ciertos componentes de membrana; los receptores de hormona son un buen ejemplo. La endocitosis puede usarse para aprender más respecto a cómo funcionan las células. El DNA de un tipo de célula puede emplearse para llevar a cabo transfección hacia una célula diferente, y alterar la función o el fenotipo de esta última. En estos experimentos a menudo se emplea un gen específico, y esto proporciona un modo singular de estudiar y analizar la regulación de ese gen. La transfección de DNA depende de endocitosis, de la cual depende la entrada del DNA hacia la célula. En esos experimentos por lo general se usa fosfato de calcio, porque el Ca²⁺ estimula la endocitosis y precipita el DNA, lo que hace que el DNA sea un mejor objeto para endocitosis (capítulo 39). Asimismo, las células liberan macromoléculas por medio de exocitosis. Tanto la endocitosis como la exocitosis incluyen formación de vesícula con o desde la membrana plasmática.

La endocitosis involucra ingestión de partes de la membrana plasmática

Casi todas las células eucarióticas están reciclando de manera continua partes de su membrana plasmática. Las vesículas endocitóticas se generan cuando segmentos de la membrana plasmática se invaginan, y encierran un pequeño volumen de líquido extracelular y su contenido. La vesícula a continuación se separa conforme la fusión de las membranas plasmáticas sella el cuello de la vesícula en el sitio de invaginación original (figura 40-20). La membrana de bicapa lipídica, o vesícula así generada, se fusiona con otras estructuras de membrana y, de este modo, logra el transporte de su contenido hacia otros compartimientos celulares o incluso de regreso hacia el exterior de la célula. Casi todas las vesículas endocitóticas se fusionan con lisosomas primarios para formar lisosomas secundarios, que contienen enzimas hidrolíticas y, por tanto, son organelos especializados para la eliminación intracelular. El contenido macromolecular se digiere para dar aminoácidos, azúcares simples, o nucleótidos, y se transportan hacia afuera de las vesículas para que la célula los reutilice. La endocitosis requiere: 1) energía, por lo general proveniente de la hidrólisis de ATP; 2) Ca²⁺, y 3) elementos contráctiles en la célula (probablemente el sistema de microfilamentos) (capítulo 50).

Hay dos tipos generales de endocitosis. La fagocitosis sólo sucede en células especializadas, como los macrófagos y los granulocitos. La fagocitosis comprende la ingestión de partículas grandes, como virus, bacterias, células o restos. Los macrófagos son en extremo activos a este respecto, y pueden ingerir 25% de su volumen por hora. Al hacerlo, un macrófago puede internalizar 3% de su membrana plasmática cada minuto, o la membrana completa cada 30 minutos.

La pinocitosis (“bebida celular”) es una propiedad de todas las células, y da pie a la captación celular de líquido y contenido de líquido. Hay dos tipos. La pinocitosis de fase líquida es un proceso no selectivo en el cual la captación de un soluto mediante la formación de vesículas pequeñas es simplemente proporcional a sus cifras en el líquido extracelular circundante. La formación de estas vesículas es un proceso en extremo activo. Los fibroblastos, por ejemplo, internalizan su membrana plasmática a alrededor de una tercera parte del índice de los macrófagos; este proceso ocurre con mayor rapidez que la formación de membranas. El área de superficie y el volumen de una célula no cambian mucho, de manera que es necesario que las membranas se reemplacen por medio de exocitosis o al reciclarse tan rápido como se eliminan mediante endocitosis.

El otro tipo de pinocitosis, la pinocitosis absortiva o endocitosis mediada por receptor, es un proceso que se encarga principalmente de la captación de macromoléculas específicas para las cuales hay un número finito de sitios de unión en la membrana plasmática. Tales receptores de alta afinidad permiten la concentración selectiva de ligandos desde el medio, minimizan la captación de líquido o de macromoléculas no unidas solubles, y aumentan de modo notorio el índice al cual moléculas específicas entran en la célula. Las vesículas formadas en el transcurso de la pinocitosis absortiva se derivan de invaginaciones (hoyuelos) cubiertas en el lado citoplásmico con un material filamentoso, y que se denominan de manera apropiada hoyuelos cubiertos. En muchos sistemas, la proteína clatrina es el material filamentoso. Tiene una estructura de tres extremos (llamada un trisquelión); cada extremo está hecho de una cadena ligera y una pesada de clatrina. La polimerización de la clatrina hacia una vesícula es dirigida por partículas de montaje, compuestas de cuatro proteínas adaptadoras. Éstas interactúan con ciertas secuencias de aminoácidos en los receptores que se convierten en carga, lo que asegura la selectividad de la captación. El lípido fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP₂) (capítulo 21) también tiene una función importante en el montaje de vesículas. Más aún, la proteína dinamina, que se une al GTP y lo hidroliza, se necesita para la separación de vesículas cubiertas con clatrina desde la superficie celular. Los hoyuelos cubiertos pueden constituir hasta 2% de la superficie de algunas células. Otros aspectos de las vesículas se discuten en el capítulo 49.

Como ejemplo, la molécula de lipoproteína de baja densidad (LDL) y su receptor (capítulo 25) se internalizan por medio de hoyuelos cubiertos que contienen el receptor de LDL; estas vesículas endocitóticas que contienen LDL y su receptor se fusionan con lisosomas en la célula. El receptor se libera y se recicla de regreso hacia la membrana de superficie celular, pero la apoproteína de LDL se degrada y los colesteril ésteres se metabolizan. La síntesis del receptor de LDL está regulada mediante consecuencias secundarias o terciarias de pinocitosis, por ejemplo, por productos metabólicos (como el colesterol) liberados durante la degradación LDL. Los trastornos del receptor de LDL y su internalización tienen importancia médica y se comentan en los capítulos 25 y 26.

La pinocitosis absortiva de glucoproteínas extracelulares requiere que las glucoproteínas porten señales de reconocimiento de carbohidrato específicas. Estas señales de reconocimiento son unidas por moléculas receptoras de membrana, que tienen una función análoga a la del receptor de LDL. Un receptor galactosil sobre la superficie de hepatocitos es esencial en la pinocitosis absortiva de asialoglucoproteínas desde la circulación (capítulo 46). Las hidrolasas ácidas captadas por medio de pinocitosis absortiva en fibroblastos son reconocidas mediante sus porciones manosa 6-fosfato. Es interesante que la porción manosa 6-fosfato también parece tener importancia en la dirección intracelular de las hidrolasas ácidas hacia los lisosomas de las células en las cuales se sintetizan (capítulo 46).

Existe un lado problemático para la endocitosis mediada por receptor, por cuanto los virus que dan por resultado enfermedades como la hepatitis (que afecta a las células del hígado), la poliomielitis (que afecta a neuronas motoras) y el SIDA (que afecta a células T) inician su daño en las células por medio de este mecanismo. La toxicidad por hierro también empieza con captación excesiva debida a endocitosis.

La exocitosis libera ciertas macromoléculas desde las células

Casi todas las células liberan macromoléculas hacia el exterior mediante exocitosis. Asimismo, este proceso participa en el remodelado de membrana, cuando los componentes que se sintetizan en el aparato de Golgi y ER se transportan en vesículas que se funden con la membrana plasmática. La señal para la “exocitosis clásica” (véase más adelante) suele ser una hormona que, cuando se une a un receptor de superficie celular, induce un cambio local y transitorio de las cifras de Ca²⁺. El Ca²⁺ desencadena exocitosis. En la figura 40-21 se comparan los mecanismos de exocitosis y endocitosis.

Las moléculas liberadas por medio de exocitosis tienen por lo menos tres destinos: 1) son proteínas de membrana y permanecen asociadas con la superficie celular; 2) pueden hacerse parte de la matriz extracelular, por ejemplo, colágeno y glucosaminoglucanos, o 3) pueden entrar en el líquido extracelular y emitir señales hacia otras células. La insulina, la hormona paratiroidea y las catecolaminas se empacan en gránulos y se procesan dentro de las células, para liberarse en el momento de estimulación apropiada.

Señales bioquímicas específicas, como neurotransmisores, hormonas e inmunoglobulinas se unen a proteínas receptoras transmembrana integrales por medio de sus dominios extracelulares expuestos, lo que transmite información a través de las membranas hacia el citoplasma. Este proceso, llamado señalización transmembrana o transducción de señal, involucra la generación de varias moléculas señalizadoras segundos mensajeros, incluso nucleótidos cíclicos, calcio, fosfoinositidas, y diacilglicerol (capítulo 42). Muchos de los pasos involucran fosforilación de receptores y proteínas torrente abajo.

Las uniones intercelulares comunicantes son estructuras que permiten la transferencia directa de moléculas pequeñas (hasta ~1 200 Da) desde una célula hacia su vecina; están compuestas de una familia de proteínas llamadas conexinas que forman una estructura hexagonal que consta de 12 de esas proteínas. Seis conexinas forman un hemicanal de conexina y se unen a una estructura similar en una célula vecina para hacer un canal conexón completo (figura 40-22). Una unión intercelular comunicante contiene varios conexones. Diferentes conexinas se encuentran en diferentes tejidos. Se ha hallado que las mutaciones en los genes que codifican para conexinas muestran vínculo con diversas enfermedades, entre ellas anormalidades cardiovasculares, un tipo de sordera, y la forma ligada a X de la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (un trastorno neurológico desmielinizante).

Durante la última década se ha identificado y caracterizado una clase de vesículas secretadas, heterogéneas, pequeñas, llamadas en general vesículas extracelulares. Las vesículas extracelulares han quedado implicadas como un nuevo mediador importante de la comunicación entre una célula y otra, que es probable que contribuya de manera importante tanto a la fisiología normal como a la fisiopatología. Estas vesículas, encerradas por una bicapa lipídica, son de tamaño un poco heterogéneo (30 a 2 000 nm de diámetro) y son generadas por al menos dos mecanismos (figura 40-23): las microvesículas son generadas por gemación desde la membrana plasmática de una célula fuente, mientras que los exosomas son generados desde el cuerpo multivesicular (MVB), un componente del sistema de tráfico de la membrana endocítica antes descrito (figura 40-12). Los exosomas son secretados desde la célula fuente en el momento de la fusión del MVB y la membrana plasmática. En ambos casos las vesículas extracelulares (exosomas y microvesículas) finalmente se fusionan a su célula blanco para suministrar una “carga” separada. Lamentablemente, dado el descubrimiento reciente de vesículas extracelulares, los nombres y términos exactos usados para describir estas vesículas, sus cargas, y células fuente y blanco relevantes varían. Más aún, los términos “microvesícula” y “exosoma” a menudo se unifican como simplemente “exosomas”.

El contenido de la vesícula varía de una célula fuente a otra, e incluso se ha reportado que es diferente a partir de la misma célula fuente cultivada en condiciones distintas. Las cargas de las vesículas pueden incluir diversas proteínas citoplasmáticas y nucleares, proteínas unidas a membrana que varían desde canales hasta receptores, moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC), proteínas que interactúan con balsa lipídica, DNA, mRNA, ncRNA grandes y pequeños, así como proteínas pequeñas y moléculas pequeñas bioactivas (figura 40-23). Dada la rica y amplia diversidad del contenido de vesícula/exosoma, no sorprende que estas estructuras hayan quedado implicadas en un rango muy amplio de la biología. Más aún, dado su contenido de proteína de membrana y el hecho de que las vesículas extracelulares parecen dirigirse a células receptoras específicas, en las industrias farmacéutica y de biotecnología los exosomas están despertando mucho interés, y se les está prestando mucha atención, respecto a su valor potencial como sistemas de suministro terapéuticos. El trabajo futuro determinará si esta área nueva e interesante de la investigación biomédica sobre vesículas extracelulares está a la altura de esta promesa.

En vista del hecho de que las membranas están situadas en tantos orgánulos, y participan en tantos procesos, no sorprende que las mutaciones que afectan sus constituyentes proteínicos deban dar lugar a muchas enfermedades o trastornos. Mientras que algunas mutaciones afectan de manera directa la función de las proteínas de membrana, casi todas las mutaciones causan plegado erróneo de proteína y alteran el tráfico (capítulo 49) de las proteínas de membrana desde su sitio de síntesis en el ER hacia la membrana plasmática u otros sitios intracelulares/organelos. En el cuadro 40-7 se listan ejemplos de enfermedades o trastornos debidos a anormalidades en proteínas de membrana; éstos reflejan principalmente mutaciones en proteínas de la membrana plasmática; una afecta la función lisosomal (enfermedad de células I).

Las proteínas en membranas plasmáticas pueden clasificarse como receptores, transportadores, canales iónicos, enzimas y componentes estructurales. Los miembros de todas estas clases a menudo están glucosilados, de modo que las mutaciones que afectan este proceso (capítulo 46) pueden alterar su función. Las mutaciones en receptores pueden causar defectos de la señalización transmembrana, un suceso común en el cáncer (capítulo 56). Muchas enfermedades o trastornos genéticos se han atribuido a mutaciones que afectan diversas proteínas involucradas en el transporte de aminoácidos, azúcares, lípidos, urato, aniones, cationes, agua y vitaminas a través de la membrana plasmática.

Las mutaciones en genes que codifican para proteínas en otras membranas también pueden tener consecuencias perjudiciales. Así, por ejemplo, las mutaciones en genes que codifican para proteínas de membrana mitocondrial involucradas en la fosforilación oxidativa pueden suscitar problemas neurológicos y de otros tipos (p. ej., neuropatía óptica hereditaria de Leber; LHON, una enfermedad en la cual se reportó cierto éxito con la terapia génica).

Las proteínas de membrana también pueden quedar afectadas por enfermedades que no son mutaciones. La formación de autoanticuerpos contra el receptor de acetilcolina en el músculo esquelético produce miastenia grave. La isquemia puede afectar con rapidez la integridad de diversos canales de iones en membranas. La sobreexpresión de glucoproteína P (MDR-1), una bomba de fármacos, da por resultado resistencia a múltiples fármacos (MDR) en células cancerosas. Las anormalidades de constituyentes de membrana que no son proteínas también pueden ser perjudiciales. En lo que se refiere a los lípidos, el exceso de colesterol (p. ej., en la hipercolesterolemia familiar), de lisofosfolípido (p. ej., después de mordeduras por ciertas serpientes, cuyo veneno contiene fosfolipasas), o de glucoesfingolípidos (p. ej., en una esfingolipidosis), puede afectar la función de membrana.

La fibrosis quística (CF) se debe a mutaciones en el gen que codifica para CFTR, un transportador de cloruro

La CF es un trastorno genético recesivo prevaleciente entre sujetos de raza blanca en la parte no latina de América, y en ciertas zonas del norte de Europa. Se caracteriza por infecciones bacterianas crónicas de las vías respiratorias y los senos paranasales, digestión inadecuada de grasa debida a insuficiencia exocrina pancreática, esterilidad en varones debida a desarrollo anormal del conducto deferente, y concentraciones altas de cloruro en el sudor (> 60 mmol/L). Ahora se conoce que las mutaciones en un gen que codifica para una proteína denominada proteína reguladora transmembrana de fibrosis quística (CFTR) eran la causa de la CF. La CFTR es un transportador de Cl⁻ regulado por AMP cíclico. En el capítulo 57, caso 5, se presentan las principales características clínicas de la CF, e información adicional en cuanto al gen del cual depende la CF, y acerca de la CFTR.

• Las membranas son estructuras complejas compuestas de moléculas que contienen lípidos, proteínas y carbohidrato.

• La estructura básica de todas las membranas es la bicapa lipídica. Esta bicapa está formada de dos hojas de fosfolípidos en las cuales los grupos de la cabeza polar hidrofílica se dirigen en dirección contraria uno del otro, y se exponen al ambiente acuoso en las superficies externa e interna de la membrana. Las colas no polares hidrofóbicas de estas moléculas están orientadas una hacia otra, hacia el centro de la membrana.

• Las membranas son estructuras dinámicas. Los lípidos y ciertas proteínas muestran difusión lateral rápida. El “flip-flop” es muy lento para lípidos, e inexistente para proteínas.

• El modelo del mosaico fluido forma una base útil para pensar respecto a la estructura de la membrana.

• Las proteínas de membrana se clasifican como integrales si están firmemente embebidas en la bicapa, y como periféricas si están fijas a la superficie externa o interna.

• Las aproximadamente 20 membranas en una célula de mamífero tienen diferentes composiciones y funciones y definen compartimientos esenciales, o ambientes especializados, dentro de la célula, que tienen funciones específicas (p. ej., lisosomas).

• Ciertas moléculas hidrofóbicas se difunden libremente a través de las membranas, pero el movimiento de otras está restringido debido a su tamaño o carga.

• Diversos mecanismos pasivos y activos (por lo general dependientes de ATP) se emplean para mantener gradientes de esas moléculas a través de diferentes membranas.

• Ciertos solutos, por ejemplo, glucosa, entran a las células mediante difusión facilitada a lo largo de un gradiente descendente desde concentración alta hacia baja usando proteínas acarreadoras específicas (transportadores).

• Las principales bombas impulsadas por ATP se clasifican como transportadores P (fosforilados), F (factores de energía), V (vacuolar) y ABC. Los miembros de estas clases son la Na⁺-K⁺-ATPasa, la Ca²⁺ATPasa del retículo sarcoplásmico, la mt ATP sintasa, los lisosomas acidificadores de ATPasa, la proteína CFTR, y la proteína MDR-1.

• Los canales de iones activados por ligando o voltaje suelen usarse para mover moléculas cargadas (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, etc.) a través de membranas bajo sus gradientes electroquímicos.

• Las moléculas grandes pueden entrar o salir de las células por medio de mecanismos como endocitosis o exocitosis. Estos procesos a menudo necesitan unión de la molécula a un receptor, lo que proporciona especificidad al proceso.

• Las vesículas extracelulares (exosomas) permiten el movimiento directo de macromoléculas de una célula a otra por medio de vesículas pequeñas. Las cargas de exosomas pueden incluir lípidos, proteínas (receptores, canales, proteínas señalizadoras) DNA, RNA, y moléculas bioactivas pequeñas. Esta nueva área del tráfico de membrana y de la comunicación entre una célula y otra tiene tremendo potencial para tener repercusiones sobre el pensamiento y la práctica acerca de la biología normal y las anormalidades biológicas.

• Las mutaciones que afectan la estructura de proteínas de membrana (receptores, transportadores, canales de ion, enzimas y proteínas estructurales) pueden traducirse en enfermedades; los ejemplos son fibrosis quística e hipercolesterolemia familiar.