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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.
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Los principales lípidos en membranas de mamífero son fosfolípidos, glucoesfingolípidos y colesterol
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Los lípidos de membrana son anfipáticos
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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).
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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.
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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.
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Los lípidos de membrana forman bicapas
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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.
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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.
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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.
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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.
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Las proteínas de membrana se relacionan con la bicapa lipídica
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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.
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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.
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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.
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Diferentes membranas tienen diferentes composiciones de proteína
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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.
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Las membranas son estructuras dinámicas
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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.
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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.
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Las membranas son estructuras asimétricas
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Las membranas contienen proteínas integrales y periféricas
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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.
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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.