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Este documento ofrece una introducción a la estructura y funciones de las membranas celulares, incluyendo su composición molecular, modelos de estructura, proteínas integrales y periféricas, carbohidratos de membrana, fluidez y asimetría. Además, se abordan los roles de las membranas en la integridad celular, transporte de materiales, comunicación intercelular y señalización.
Qué aprenderás
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Introducción Una célula es una estructura dinámica y compleja rodeada por una membrana conocida como membrana plasmática. Esto actúa como una barrera entre el interior de la célula y el exterior, lo que da como resultado diferentes entornos químicos en los dos lados. La membrana celular no está restringida a la superficie exterior, sino que también está presente en el interior que rodea los orgánulos. Estas membranas biológicas han jugado un papel crucial en la evolución de procariotas a eucariotas multicelulares. En los procariotas, solo hay un tipo de membrana presente, es decir, la membrana plasmática, pero los eucariotas unicelulares tienen membranas intracelulares que compartimentan su contenido en diferentes cámaras funcionales conocidas como orgánulos. Aunque cada orgánulo realiza su propia función específica, interactúan entre sí a través de estas membranas para trabajar como una unidad. La membrana, por lo tanto, tiene el doble propósito de proteger el interior de la célula de su entorno externo y también proporciona una interfaz de comunicación entre la célula y su entorno u otras células. Las diversas funciones realizadas por las membranas biológicas se pueden atribuir a la composición molecular y la estructura de estas membranas. Modelos para la estructura de la membrana celular Los experimentos fisiológicos que involucraron el transporte de moléculas e iones a través de la membrana realizados por Overton en 1899 sugirieron que la membrana está compuesta de moléculas lipídicas. Más tarde, Langmuir (1917) demostró que los lípidos, cuando se esparcen en el agua utilizando la cubeta de Langmuir, forman una capa monomolecular en la superficie del agua calculando el área por molécula de lípido. Las colas hidrofóbicas de estos lípidos estaban dobladas y sobresalían de la superficie del agua. Cuando se aplicó este método para medir el área por molécula de lípido a los lípidos extraídos de la cantidad conocida de membranas de eritrocitos. En 1935, Danielli y Davson desarrollaron el modelo basado en los estudios que miden la tensión superficial de que las membranas están formadas por bicapa de fosfolípidos intercalada entre dos capas de proteínas. Varios otros estudios [revisión o libro] sugirieron que la bicapa lipídica tiene propiedades similares a las de un fluido con lípidos y proteínas flotando en ella. Los estudios de las proteínas presentes en la membrana de los eritrocitos y las extraídas de otras membranas llevaron a Singer y Nicolson a clasificar las proteínas de membrana en proteínas periféricas e integrales; y finalmente proponiendo el 'Modelo Mosaico Fluido' en 1972. Composición de Membranas, Lípidos de membrana; La bicapa lipídica tiene un grosor de solo 5 a 10 nm y está organizada en distintas regiones, lo que se atribuye principalmente al efecto hidrofóbico causado por la naturaleza anfipática de estas moléculas con las regiones polares y no polares. Las interacciones de estas regiones con el entorno acuoso se han estudiado con diversas técnicas, como la reflectometría de rayos X, la dispersión de neutrones y la resonancia magnética nuclear. Para excluir las regiones no polares del entorno acuoso, las moléculas de lípidos se organizan de tal manera que las colas hidrofóbicas apuntan hacia adentro una hacia la otra y los grupos de cabeza polar quedan expuestos en el exterior hacia el agua. La región más externa a cada lado de la bicapa está completamente hidratada y normalmente tiene un grosor de alrededor de 8-9 Å. El
Fluidez de Membranas En condiciones fisiológicas, las moléculas de fosfolípidos en la membrana están en estado líquido cristalino y las moléculas no están físicamente unidas entre sí, por lo que pueden moverse dentro de la bicapa. Estos movimientos pueden ser dentro de una monocapa, es decir, rotacional y lateral, o entre dos capas, es decir, flip-flop. Los movimientos de flip-flop son raros y más lentos en comparación con los otros dos, ya que requiere energía para que una molécula de lípido atraviese de una capa a la otra. La fluidez de la membrana celular se atribuye a su composición lipídica. Los ácidos grasos insaturados en cis con torceduras en sus colas de hidrocarburo y longitudes más cortas de las colas aumentan la fluidez al evitar el empaquetamiento ordenado de fosfolípidos en la bicapa. Las moléculas de colesterol presentes en la bicapa afectan su fluidez de manera diferente a diferentes temperaturas debido a su estructura de anillo rígido. Reduce la fluidez al disminuir el movimiento de los fosfolípidos adyacentes, pero a bajas temperaturas aumenta la fluidez al evitar la solidificación. La fluidez de la membrana permite que diferentes moléculas, como las proteínas, interactúen entre sí para realizar varios procesos, como el transporte de moléculas y la señalización celular. Además, la fluidez de la membrana es necesaria para varios procesos celulares como el movimiento y la división celulares. Asimetría de Membranas Las dos valvas, es decir, las porciones monocapa interior y exterior de la bicapa lipídica difieren en sus propiedades físicas y químicas. Esto se debe a la organización asimétrica de los diversos componentes de la membrana. Por ejemplo, los glicolípidos y las glicoproteínas siempre están presentes en la superficie no citoplásmica de la membrana plasmática. Las regiones de la membrana difieren en su composición lipídica. Las proteínas de membrana también difieren en su distribución en los dos folíolos. La asimetría de la membrana sugirió diferentes funciones desempeñadas por los componentes de la membrana presentes en las dos superficies, por ejemplo, membrana de células epiteliales intestinales: unión estrecha, movimientos laterales. Balsas lipídicas, Funciones de las membranas: Las membranas actúan como límites entre la célula y su entorno y son esenciales para mantener la integridad de la célula y los diversos orgánulos unidos a la membrana dentro de la célula, regulan el transporte de materiales dentro y fuera de la célula, respondiendo a estímulos externos e internos. y reconocimiento de célula a célula. Las proteínas presentes en la superficie interna de la membrana plasmática dan forma y mantienen la integridad de la célula al anclar el citoesqueleto que se encuentra debajo de la membrana celular en el citoplasma. El principal componente del citoesqueleto de la membrana eritrocitaria mejor estudiada es la proteína fibrosa espectrina. Esta proteína interactúa con otras proteínas periféricas como la anquirina, la actina y la tropomiosina. El transporte regulado de materiales a través de la membrana se debe a la naturaleza anfipática de la bicapa lipídica. Por lo tanto, las membranas son selectivamente permeables y la capacidad de una molécula o ion para atravesar la bicapa depende principalmente de su polaridad y también del tamaño. Por lo tanto, se requieren varios mecanismos para el transporte de materiales a través de la membrana, incluida la difusión simple, la difusión facilitada y el transporte activo de micromoléculas y exocitosis y endocitosis de macromoléculas.
En la difusión simple, las sustancias se difunden a favor de su gradiente de concentración. En la difusión facilitada, el movimiento de moléculas a favor del gradiente de concentración es facilitado por proteínas de canal y transportadoras (p. ej., transportador de glucosa). Por otro lado, el transporte activo requiere energía para mover los solutos en contra de sus gradientes y puede clasificarse en transporte activo primario o secundario según la fuente de energía. El transporte activo primario depende de la hidrólisis de ATP y es de diferentes tipos: P (p. ej., Na+ – K+ ATPasa. En el transporte activo secundario, un soluto específico impulsa indirectamente el transporte activo de otro soluto y no implica la hidrólisis de ATP. Las macromoléculas como proteínas y polisacáridos se transportan por endocitosis (desde el interior de la célula hacia el exterior) y exocitosis (desde el exterior hacia la célula). La membrana celular también está involucrada en la comunicación célula-célula. Las estructuras de membrana especializadas, como las uniones gap en los animales y los plasmodesmos en las plantas, proporcionan la continuidad citoplasmática entre las células. Las uniones estrechas y los desmosomas ayudan en la unión de una célula a otras células o a los tejidos que forman la matriz extracelular. La membrana también mantiene el potencial de la célula al crear un gradiente químico y eléctrico. Señalización celular: Señales a través de mensajeros químicos (estímulos químicos o eléctricos) que actúan sobre los receptores de membrana, la mayoría de ellos proteínas. Luego, estas señales se transducen en la célula y conducen a una cascada de eventos en la célula. Específico para diferentes células como proteína G, receptores de tirosina-quinasa. Las proteínas periféricas actúan como enzimas, por ejemplo, y receptores. Conclusión Las membranas biológicas son estructuras complejas y dinámicas compuestas por una variedad de proteínas incrustadas en el fluido de la bicapa lipídica. La naturaleza anfipática de la bicapa lipídica y la diversidad de proteínas de membrana son responsables de la participación de las membranas biológicas en gran número de procesos celulares. Referencias Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Biología Molecular de la Célula (4ª ed.). Ciencia de la guirnalda. Karp G (2007). Biología celular y molecular: conceptos y experimentos (5ª ed.). John Wiley & Sons. Cantante SJ, Nicolson GL (1972). El modelo de mosaico fluido de la estructura de las membranas celulares. Ciencia 175 (23): 720-31. Lodish H, Berk A, Zipursky LS, et al. (2004). Biología celular molecular (4ª ed.). Libros científicos americanos. Cooper GM y Hausman RE (2009). La célula: un enfoque molecular (5ª ed.). ASM Press y Sinauer Associates, Inc.
