domingo, 27 de enero de 2013

2 FUNCIONES DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Aunque veremos estas propiedades de manera más específica en artículos posteriores, resulta importante tenerlas en mente aunque sea a un nivel básico. La membrana celular es mucho más que una barrera, y de hecho de una de esas estructuras que define a la vida que conocemos actualmente. Bajo nuestro conocimiento actual, todo lo vivo posee una membrana biológica que aísla el ambiente interno del ambiente externo y lleva a cabo una serie de funciones. Todas las membranas poseen una serie de funciones base, y luego dependiendo de qué célula u organelo, también posee capacidades extra, que depende la mayoría de las veces de las proteínas de membrana. Las funciones básicas de una membrana biológica son: separación de ambientes interno y externo, andamiaje enzimático, barrera semipermeable, barrera selectiva, barrera sensible a los estímulos y  barrera que transforma la energía.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

2.1 Compartimentalización celular

Las membranas son una barrera continua sin rompimientos, en cierto sentido son almo muy similar a la lámina de una bomba de jabón, y de hecho comparten con las láminas de las bombas de jabón muchas propiedades como el auto-sellamiento y la capacidad de fusionarse entre sí. Las membranas biológicas recubren a las células o, en el caso de los eucariotas también a muchos organelos, a los cuales los llamamos sistema de membranas internas, para separarlos de otros organelos de estructura proteínica o ribosomal como el ribosoma o los microtúbulos.

El sistema de membranas internas genera una serie de compartimentos cerrados al interior de las células, lo cual permite a esos compartimentos funcionar como zonas especializadas en la producción y procesamiento de sustancias específicas. La bioquímica de cada compartimento será independiente al de los demás y al de citoplasma en general. La utilidad de la compartimentalización es que permite que cada sección opere con reacciones químicas independientes con condiciones independientes, lo cual incrementa la diversidad bioquímica de la célula y por consiguiente la cantidad de funciones que puede llevar a cabo.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)


2.2 Andamiaje enzimático

Una característica importante de la célula es que lleva a cabo cientos de miles de reacciones químicas que difícilmente se dan de manera “natural” en el ambiente externo. Para que estas reacciones se den, se debe agregar un modificador de las condiciones que permita que se dé naturalmente, lo que de otra forma tardaría eones en darse. Estos componentes que hacen fácil, lo que en el ambiente es casi imposible “las reacciones endotérmicas que permiten la vida” son las enzimas.

La membrana celular posee una gran cantidad de proteínas insertadas, estas funcionan más eficazmente de este modo que estando libres en la solución acuosa del citosol. Algunas de estas son receptores, otras son canales, pero muchas son enzímas. Las enzimas son catalizadores biológicos que acelera las reacciones por niveles de magnitud astronómicos, haciendo que una reacción que tarda miles de años se de en unos cuantos segundos. Sin embargo, al igual de los catalizadores las enzimas deben encontrarse fijas en un sustrato para que sean más eficientes. La membrana biológica sirve como sustrato de enzimas que se anclan en ella, acelerando las reacciones aún más de lo que lo realizarían si se encontraran libres en la solución del citoplasma celular.

El andamiaje enzimático va más allá de permitir la permanencia de las proteínas integrales, estas proteínas integrales sirven a su vez de puertos de acoplado para el citoesqueleto al interior de la célula y para las fibras de la matriz al exterior de la célula, lo cual le permite a un tejido comportarse de manera unificada.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)


2.3 Barrera semipermeable selectiva

La función primordial de las membranas es la de ser una barrera que impide un flujo irrestricto de sustancias a un lado y al otro. Esto implica que la membrana permite el mantenimiento de un ambiente interno completamente diferente a un ambiente externo, y esto es también otra característica de los seres vivos. Las membranas impiden la difusión aleatoria entre dos puntos en el espacio, esto causa que existan ambientes independientes de un lado hacia el otro de la membrana, esta propiedad justifica muchas de las propiedades del mundo viviente, como la nutrición.

El hecho de que los ambientes en el interior y en el exterior sean diferentes implica que los seres vivos se encuentran en un estado de desequilibrio químico y energético con el ambiente.  Al interior del ser vivo se encuentra una mayor cantidad de sustancias químicas de alta energía, mientras que en el exterior estas sustancias tienden a ser escasas y en el peor de los casos “en una atmósfera oxidante” tienden a desaparecer rápidamente.

La membrana biológica permite un paso de sustancias de manera selectiva, permite el ingreso de sustancias energéticamente altas, pero cuando están en su interior no las deja salir; de igual forma existen sustancias a las cuales no se les permite el ingreso hasta que no han sido adecuadamente preparadas “por procesos de digestión”. Del mismo modo existen sustancias que se producen al interior de las células que son extremadamente toxicas, y que son expulsadas hacia el exterior, y que una vez fuera, la célula tiende a mantenerlas a fuera. La selectividad de la membrana depende de la naturaleza soluble de la sustancia y de la presencia de proteínas de transporte o canales “imagen anterior”. Las sustancias grasas tienden a atravesar pasivamente la membrana celular, al igual que las moléculas muy pequeñas como el agua. Todo lo demás debe ingresar por medio de proteínas de transporte.

Hay que anotar que el flujo de sustancias a través de los canales iónicos no es tan simple como el que se representa en el modelo anterior, pero estos modelos son comunes para representar la idea del proceso. En realidad los únicos canales con un hueco en el centro son los poros nucleares, mientras que los demás canales dependerán más del cambio conformacional de la proteína, sea a favor o en contra del gradiente de concentración.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

2.4 Trasporte de solutos

La membrana es una barrera selectiva que deja pasar fácilmente unas sustancias y difícilmente otras. Las sustancias que pasan difícilmente “en términos prácticos no lo hacen” requieren de sistemas especiales para poder cruzar la membrana. Como la mayoría de los sistemas especiales en los sistemas biológicos estos son básicamente proteínas de membrana. Las proteínas sirven como canales de comunicación entre ambos lados de la membrana y permiten el ingreso específico de ciertas sustancias particulares.

Existen sustancias capaces de integrarse a la membrana y pasar a través de ella, aunque su velocidad cinética molecular disminuye en el proceso de atravesar la membrana. Algunas sustancias pasan más rápido que otras y por lo tanto decimos que se difunden con facilidad. Otras sustancias se difunden más lentamente y otras nunca lo hacen de manera normal. La sustancia más común que se difunde por la membrana se el agua, y las siguientes son los gases apolares y moléculas de grasa.

Dependiendo del tipo de proteína y de sustancia, se debe invertir o no energía. Cuando la sustancia no se difunde por la membrana, puede usar canales que permite su paso, estos canales son construidos con proteínas insertadas en la membrana. Un ejemplo de estas proteínas de transporte es la GLUT2, la cual sirve como mecanismo para que la glucosa pueda pasar a través de la membrana celular en los tejidos humanos. Cuando se da una deficiencia de esta función la célula empieza a morir por falta de energía. Si la proteína no usa energía estamos hablando de un transportador pasivo, pero si esta emplea energía se trata de un transportador activo.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

2.5 Respuestas a estímulos externos

Las membranas pueden responder a agentes externos, una de las respuestas más elementales es la capacidad de auto sellamiento. Si la membrana es rota por un orificio lo bastante pequeño como para no alterar los equilibrios y la integridad del sistema, esta pequeña alteración puede sellarse de manera automática, sin la intervención de proteínas o energía. La respuesta a las señales externas por parte de la membrana le permite a la célula ejecutar la propiedad de relacionarse con su entorno y con otros seres vivos, tanto recibiendo datos externos por medio de sus proteínas  como emitiendo respuestas, también por medio de sus proteínas.

Este evento es uno de los fenómenos más contra-intuitivos si se piensa en términos coloquiales de la segunda ley de la termodinámica. En términos coloquiales, la segunda ley de la termodinámica establece que los procesos espontáneos son aquellos en que el nivel de desorden se incrementa en el universo. El proceso de autosellamiento es aparentemente todo lo inverso, las moléculas de fosfolípidos que componen a la membrana de organizan de manera espontánea sin la intervención de energía externa. Este evento se debe a que en el momento en que se organizan las moléculas de fosfolípidos causan un desordenamiento mayor de las moléculas de agua contiguas a ellos, incrementando el nivel de desorden del universo “tomando en cuenta al agua”.

Por lo general en los cursos básicos, las primeras proteínas que generan cambios o respuestas celulares son las proteínas de transporte a través de membrana para los transportes activo y pasivo facilitado. Pero a medida que indaguen más en la biología celular se dará cuenta de que la célula posee un amplio abanico de respuestas posibles a las señales externas y que prácticamente siempre estará involucrada una proteína específica. La membrana posee otros mecanismos para responder a otros tipos de señales externas, mucho más sutiles la mayoría de las veces.

Al igual que con el transporte celular, la respuesta a las señales externas será directamente dependiente de proteínas de membrana, las cuales reconocen de manera específica las señales “las cuales no son otras cosas que sustancias químicas”, cuando las proteínas reconocen las señales, generan efectos al interior de la membrana, lo cual desencadena una cascada de reacciones proteínicas que conlleva a una respuesta celular determinada. Este mecanismo también sirve para las interacciones entre células.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)


2.6 Transducción de información

La transducción de señal ocurre cuando una molécula de señalización de fluido extracelular activa un receptor de superficie de la célula. A su vez, este receptor altera moléculas intracelulares creando una respuesta. Hay dos etapas en este proceso: (1) Una molécula de señalización activa un receptor específico en la membrana celular. (2) Un segundo mensajero transmite la señal hacia la célula, provocando una respuesta fisiológica. En cualquiera de las etapas, la señal puede ser amplificada. Por lo tanto, una molécula de señalización puede causar muchas respuestas. La transducción de la información es por lo tanto la otra cara de la comunicación celular, sin embargo para el tema de la membrana celular lo que es relevante es el papel de las proteínas integrales de la membrana como receptores de la señal.

Para que esto funcione se necesita una proteína integral con tres dominios. El primero al exterior que se acopla a la señal que puede ser química o física. Cuando se da el acople la proteína transmite el cambio de forma a través del dominio intermembranal hasta el dominio intracelular. Cuando el dominio intracelular cambio se genera la cascada de comunicación que puede afectar secundariamente el metabolismo o directamente al núcleo.

Existen muchas moléculas que pueden funcionar como portadoras extracelulares de información. Entre ellas se incluyen: (1) Aminoácidos y derivados de aminoácidos. Los ejemplos incluyen glutamato, glicina, acetilcolina (Ach), adrenalina, dopamina, y hormona tiroidea. Estas moléculas actúan como neurotransmisores y hormonas. (2) Gases, como NO y CO. (3) Los esteroides, que se derivan de colesterol. Las hormonas esteroideas regulan la diferenciación sexual, el embarazo, el metabolismo de los carbohidratos y la excreción de iones sodio y potasio. (4) Eicosanoides, son moléculas no polares que contienen 20 carbonos derivados de un ácido graso llamado ácido araquidónico. Los eicosanoides regulan diversos procesos, como el dolor, la inflamación, la presión sanguínea y la coagulación de la sangre. Existen varios fármacos que están disponibles sin prescripción y son empleados para tratar cefaleas e inflamación, éstos inhiben la síntesis de eicosanoides.(5) Una gran variedad de polipéptidos y proteínas. Algunos de éstos se encuentran como proteínas transmembranales en la superficie de una célula que interactúa. Otros son parte de la matriz extracelular o se relacionan con ella. Por último, una gran cantidad de proteínas se excreta hacia el ambiente extracelular, donde participan en la regulación de procesos como la división celular, la diferenciación, la reacción inmunitaria o la muerte y supervivencia de las células.

Aunque no siempre, la mayoría de las veces las moléculas de señalización extracelular se reconocen por receptores específicos que se hallan en la superficie de la célula que responde. Los receptores se unen con gran afinidad con sus moléculas de señalización y traducen esta interacción en la superficie externa de la célula en cambios que ocurren dentro de ella. A continuación se describirán:

Receptor acoplado a proteínas G (GPCR) son una enorme familia de receptores que contienen siete hélices alfa transmembranales. Estos traducen la unión de moléculas extracelulares de señalización en la activación de proteínas G (proteínas de unión con guanosín trifosfato). Es extremadamente universal y está involucrado en fenómenos que van desde poder ver, hasta poder sentir placer. La estructura de la GPCR también revela uno de los trucos favoritos de la célula, ser diversa y al mismo tiempo conservado. Los dominios intracelular, intramembranoso y parte del extracelular son conservados, lo que cambia es el receptor extramembranoso que varía desde aquellos que se acoplan a hormonas, hasta aquellos que responden a la luz.

Las tirosina quinasas receptoras (RTK) representan una segunda clase de receptores que evolucionaron para traducir la presencia de moléculas mensajeras extracelulares en cambios dentro de la célula. La mayoría de las quinasas de proteína transfieren grupos fosfato a residuos de serina o treonina de sus sustratos proteicos, pero como su nombre lo sugiere, las RTK fosforilan residuos de tirosina.

Los cambios activados por un ligando representan la tercera clase de receptores en la superficie celular que se unen con ligandos extracelulares. La unión con el ligando regula de manera directa la capacidad de estas proteínas de membrana, lo cual afecta la actividad de otras proteínas de membrana, por ejemplo, los canales activados por voltaje. Esta secuencia de fenómenos es la base para la formación de un impulso nervioso. Además, la entrada de ciertos iones, como Ca2++, puede cambiar la actividad de enzimas citoplásmicas particulares.

Los receptores para hormonas esteroideas funcionan como factores de transcripción regulados por un ligando. Las hormonas esteroideas se difunden a través de la membrana plasmática y se unen con receptores, los cuales están en el citoplasma. La unión con la hormona induce un cambio en la conformación, esto provoca que el complejo hormona-receptor se mueva hacia el núcleo y se una con elementos presentes en los promotores o intensificadores de los genes de respuesta hormonal. Esta interacción da origen a un aumento o descenso del ritmo de transcripción genética.

Por último, hay varios tipos de receptores que actúan por mecanismos únicos. Algunos de estos receptores, como los receptores de las células B y células T que participan en la reacción a los antígenos extraños, se relacionan con moléculas de señalización conocidas como quinasas citoplásmicas de proteína-tirosina. Para otros aún se desconoce el mecanismo de transducción de señal.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)


2.7 Transducción energética

Otro aspecto que fundamenta la distinción de las membranas biológicas como una estructura fundamental para la vida se da a nivel energético. Virtualmente todos los sistemas de obtención de grandes cantidades de energía dependen de algún modo de la membrana. En la fotosíntesis por ejemplo, la membrana posee pigmentos fijos en ella, como lo es la clorofila; la clorofila reacciona de manera eficiente cuando se encuentra fija en un marco como la membrana, capturando la energía solar y emitiendo un electrón altamente energético en respuesta a la luz de Sol capturada. La membrana del cloroplasto posee una serie de proteínas que permiten transferir la energía de la radiación solar a los enlaces químicos de ciertas sustancias. El proceso requiere de un átomo de magnesio en un marco especial llamado clorofila, la cual a su vez está anclada a la membrana.

La respiración celular también depende de las membranas. Una de las proteínas que se encarga de transformar la energía almacenada en los carbohidratos y los lípidos se denomina F1F0 ATP sintetiza, una proteína transmembranaria que gira como un motor, mediante este giro se transfiere la energía desde una sustancia química de transferencia de energía hasta el ATP la sustancia de transporte energético más usada por los demás mecanismos celulares. La membrana de la mitocondria posee una propiedad semejante a la del cloroplasto, transferir energía, pero en este caso será desde un tipo de compuesto químico a otro. En ambos procesos la ATP sintetiza que es una proteína transmembranaria que gira juega un rol primordial para la transferencia energética funcionando como un motor eléctrico/dinamo molecular.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox et al., 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; K. A. Mason et al., 2014; Murray et al., 2012; Pollard et al., 2017; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Weaver, 2012)

2 comentarios:

  1. Disculpa en qué país publicaste esta información?
    Es para referencia bibliografica.

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