domingo, 27 de enero de 2013

1 INTRODUCCIÓN E HISTORIA DE LA MEMBRANA CELULAR

Los muros de una casa, los muros de una caja fuerte o las láminas de un carro separan al frágil interior de ambientes impredecibles y hostiles. Estas barreras son duras y rígidas, para poder realizar esta protección. Podríamos esperar que la barrera que separa lo vivo de lo no vivo fuera una estructura igual de poderosa, dura y rígida; y aun así, la membrana celular es de hecho una barrera delgada, frágil y dinámica.  Es una bicapa lipídica que delimita toda la célula. Es una estructura formada por dos láminas de fosfolípidos, glucolípidos y proteínas que rodean, limitan la forma y contribuyen a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular) de las células. Regula la entrada y salida de muchas sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Es similar a las membranas que delimitan los orgánulos de células eucariotas.

Está compuesta por dos láminas que sirven de "contenedor" para el citosol y los distintos compartimentos internos de la célula, así como también otorga protección mecánica. Está formada principalmente por fosfolípidos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina), colesterol, glúcidos y proteínas (integrales y periféricas). La principal característica de esta barrera es su permeabilidad selectiva, lo que le permite seleccionar las moléculas que deben entrar y salir de la célula. De esta forma se mantiene estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, iones y metabolitos, a la vez que mantiene el potencial electroquímico (haciendo que el medio interno esté cargado negativamente). La membrana plasmática es capaz de recibir señales que permiten el ingreso de partículas a su interior. Cuando una molécula de gran tamaño atraviesa o es expulsada de la célula y se invagina parte de la membrana plasmática para recubrirlas cuando están en el interior ocurren respectivamente los procesos de endocitosis y exocitosis.

Referencias básicas: (Alberts et al., 2015; Belk & Maier, 2013; Campbell & Farrell, 2009, 2012; Cox, Doudna, & O’Donnell, 2012; Hoefnagels, 2015; Karp, 2013; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2018, 2015; Mader, 2010; K. A. Mason, Losos, Singer, & Raven, 2014; Murray et al., 2012; Pollard, Earnshaw, Lippincott-Schwartz, & Johnson, 2017; Reece et al., 2014; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014; Simon, Reece, & Dickey, 2013; Solomon, Martin, Martin, & Berg, 2014; Starr, Evers, & Starr, 2013; Weaver, 2012)


1.1 Una imagen vale mas que mil palabras

En la microfotografía siguiente tenemos dos células coloreadas en verde y en azul, mientras que el espacio intersticial está señalado de color café. El par de membranas que podemos ver muestran una estructura típica en estas microfotografias, dos líneas densamente teñidas con otra en medio más clara como si fuera un sándwich.

Las barreras que separan a la célula verde y la célula azul son increíblemente delgadas en comparación con el volumen celular. El grosor de una membrana celular pude rondar la longitud de unos 5 nm, “una mitocondria es mil veces más larga”. Debido a este grosor tan corto, la membrana celular no pudo ser vista sino hasta 1950 cuando las mejora en la preparación de las células para la microscopía electrónica permitió visualizar la estructura “de lo cual se desprende que es imposible para un microscopio óptico ver la membrana dado que este amplifica solo en la escala de los µm. Unas de las primeras microfotografías fueron realizadas por J. D. Robertson de la universidad de Duke (Robertson, 1956). Sin importar cual membrana, ya fuera la membrana celular externa o la membrana de los orgánulos, si la membrana fuera de un animal, una planta, un hongo, o una bacteria, siempre se podía ver la misma estructura (Edidin, 2003). Las primeras microfotografías mostraban una ultraestructura de tres partes, dos de ellas se podían teñir de manera muy densa en las pares externa e interna de la membrana, y una zona que no se tiñe en medio “imagen siguiente”.

Actualmente se sabe que la membrana es una bicapa de moléculas llamadas fosfolípidos, las cuales a su vez tiene dos partes, una cabeza polar y una cola apolar. Por naturaleza muchos lípidos en agua se organizan de modo que sus colas apolares se encierren totalmente alejándose del agua, dejando solo las cabezas polares en contacto con ella. Es por esto que se ve una estructura triple. Las zonas que se tiñen densamente son las regiones polares de los fosfolípidos, mientras que la parte interna está constituida por dos colas de lípidos independientes.

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, 2018, 2015; 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)


1.2 Historia de la investigación sobre la membrana biológica

Desde la invención del microscopio en el siglo XVII, se ha conocido que los tejidos de las plantas y animales están compuestos de células. La pared celular de las plantas fue visible con gran facilidad incluso con los primeros microscopios, pero ninguna barrera similar a esta fue vista en células animales, aunque dio lugar a que debía de existir algo parecido. A mediados del siglo XIX, esta cuestión estaba siendo constantemente investigada por lo que Moritz Traube notó que esta capa externa debía ser semipermeable para permitir el transporte de iones (CRB, 1906). Traube no tenía evidencia directa para afirmar la composición de esta capa, aunque erróneamente declaró que estaba formada por una reacción interfacial del protoplasma celular con el fluido extracelular (Mason, 1991; Sourkes, 1955).

1.2.1 Un muro de grasa

La naturaleza lipídica de la membrana celular fue primeramente intuida de manera correcta por Georg Quincke, quien notó que una célula generalmente toma la forma de una esfera en el agua y, cuando es partida a la mitad, forma dos esferas más pequeñas. Otro material que mostraba este único comportamiento era el aceite. Él también notó que una delgada capa de aceite de comporta como una membrana semipermeable, precisamente como se predijo (Gupta & Surolia, 2010; Latorre, 1996). Basándose en estas observaciones, Quincke afirmó que la membrana celular formaba una capa de un fluído de grasa con un grosor menor a 100 nm. Los primeros experimentos a cerca de la naturaleza química de la membrana biológica, específicamente de la membrana celular externa fueron obtenidos por Ernst Overton "imagen anterior" de la universidad de Zürich durante la década de 1890 (Kleinzeller, 1997). Charles Ernst Overton "1865-1933", biólogo y farmacólogo inglés, sus estudios en la membrana celular estaban enfocados en la mejora de los fármacos como las anestesias (Lipnick, 2013).

Overton sabía que los solutos no polares se disuelven fácilmente en solventes no polares, y que los solutos polares se disuelven fácilmente en solventes polares. Es decir, lo parecido se disuelve con lo parecido. Un ejemplo de ello es por ejemplo una grasa, como soluto es una sustancia no polar, la cual se disuelve en solventes no polares como el éter líquido. La grasa no pude disolverse en agua, ya que el agua es un solvente polar. El alcohol metanol como soluto líquido puede disolverse en agua ya que ambos son sustancias polares. Sabiendo esto, Overton razonó que aquellas sustancias capaces de atravesar la membrana celular primero deberían disolverse en ella para poder ingresar.  Para medir la permeabilidad de la membrana celular, Overton colocó pelos de raíces de plantas en cientos de diferentes soluciones, conteniendo una diversa variedad de compuestos químicos que varían en su solubilidad. Con el desarrollo de sus experimentos, Overton de dio cuenta de que los solutos que se diluyen en aceites podían ingresar a las células a una mayor velocidad. Overton por lo tanto concluyó que el poder solvente de la membrana celular era equivalente al de los ácidos grasos.


1.2.2 La bicapa lipídica

La primer propuesta de que la membrana biológica podría estar compuesta por una bicapa lipídica fue realizada por dos científicos daneses en 1925 E. Gorter y F. Grendel (Coskun & Simons, 2010; Edidin, 2003; Rothstein, 1978). Estos investigadores extrajeron los lípidos de las células rojas humanas o eritrocitos humanos para determinar la cantidad de moléculas de fosfolípidos por unidad de área de los glóbulos rojos. Esto lo realizaron en estas células debido a que los glóbulos rojos humanos carecen de membranas internas y núcleos, por lo que literalmente la única membrana con lípidos de membrana seria la membrana externa. Si la membrana biológica se tratara de una sola capa externa, el radio entre la superficie de agua y los lípidos extraídos debería ser de 1 a 1. Los resultados arrojaron valores de 1,8 a 1, y de 2,2 a 1. Los valores más grandes eran los de los lípidos y el valor menor la superficie de agua que cubre al glóbulo rojo. De lo anterior se dedujo que había dos membranas para una misma cantidad de agua en la superficie del glóbulo rojo. Esta conclusión era correcta, aunque Gorter y Grendel realizaron varios errores experimentales “que por casualidad se anularon el uno al otro”.

En base a esto, el modelo de la bicapa lipídica se configuro en su estructura termodinámica más estable, la cual fue confirmada por microfotografías de microscopios electrónicos varios años después. Los fosfolípidos son sustancias con dos naturalezas de solubilidad, una cabeza polar soluble en agua y una cola apolar insoluble en agua. La bicapa lipídica, en este modelo se puede apreciar como  las colas lipídicas se encuentran en un contacto íntimo, las cuales bajo una mirada sin mucha resolución aparecen como una sola capa en medio de dos capas con propiedades altamente polares. Las capas polares se dan debido a que cada cola posee una cabeza, las esferas rojas indican la presencia de átomos electronegativos que permiten interactuar con el agua y poder disolverse.

La capa externa pone sus cabezas polares hacia el exterior en contacto con el agua, y la membrana interna pone sus cabezas polares hacia el interior en contacto con el agua. Los fosfolípidos se organizan de manera estrecha de modo tal que las colas apolares quedan fuera del contacto del agua, y lo único que podría verse son las cabezas polares. Esto concuerda con las microfotografías, donde las cabezas polares son la parte que más se tiñe en la microfotografía y las colas apolares la parte intermedia que no se tiñe.

1.2.3 El grosor de la membrana

A principios del siglo XX, la naturaleza química, no la estructural, de la membrana celular era conocida. Dos experimentos llevados a cabo en 1942 establecieron la base para llenar este hueco. Por medio de la medición de la capacidad eléctrica de una solución de eritrocitos, H. Fricke determinó que la membrana celular tenía un grosor de 3.3 nm (Cole, 1972; Edidin, 2003). A pesar de que los resultados de este experimento fueron acertados, Fricke malinterpretó los datos y expresó que la membrana celular tenía una sola capa molecular. Ya que la cabeza polar de los lípidos están completamente hidratados, no aparecen en la medición de la capacidad eléctrica lo que significó que este experimento midió el grosor del núcleo de hidrocarburos, no toda la bicapa. 

Gorter y Grendel atacaron el problema desde una perspectiva diferente, utilizando un solvente hicieron una extracción de los lípidos del eritrocito y extendieron el material resultante como una sola capa en aparato llamado, Langmuir-Blodgett. Cuando compararon el área de la capa única con el área superficial de las células, encontraron una proporción de dos a uno (Gorter & Grendel, 1925). Análisis tardíos de este experimento, mostraron varios problemas incluyendo una presión errónea de la mono capa, extracción lipídica incompleta y un cálculo incorrecto en el área superficial de la célula (Yeagle, 1993). A pesar de esto, la conclusión fundamental que decía que la membrana tenía una bicapa lipídica, era correcta.

1.2.4 El modelo Davson-Danielli

Hacia 1920 y 1930, los fisiólogos celulares se dieron cuenta que habían muchos detalles que no concordaban bien con el modelo básico de la bicapa lipídica. Se encontró por ejemplo que la solubilidad de los fosfolípidos no podía explicar la solubilidad de las células como un todo, existen elementos que incrementaban la solubilidad de las células de manera drástica. Esta discrepancia entre el modelo teórico y los datos empíricos podía ser resuelta si se agregaban proteínas al modelo (Danielli & Davson, 1935).

La primera propuesta sobre la presencia de proteínas en la estructura de la membrana biológica fue realizada por Hugh Davson y James Danielli (Davson & Danielli, 1943). En esta primera propuesta las proteínas formaban una tercer y cuarta membrana en la parte externa e interna de la membrana bilógica como si se tratara de una cota de mallas, que no sería distinguible de las cabezas hidrofilias de los fosfolípidos. Davson y Danielli revisaron su propuesta para principios de 1950, para tomar en cuenta la permeabilidad selectiva de las membranas que habían estudiado por los últimos 20 años (Edidin, 2003). En esta versión revisada los investigadores sugirieron  además de cubrir la totalidad de la membrana lipídica, las proteínas se encontraban insertadas a través de la membrana tanto hacia el interior como al exterior formando canales.

Estas proteínas proveían canales de flujo selectivo para iones y otras sustancias solubles en agua, pero que no atravesarían una membrana celular completamente hecha de fosfolípidos. Un detalle a tener en cuenta es que todos los modelos de la membrana la asumían como una estructura fija, como si fuera una barrera de plástico con huecos regulados por proteínas.

1.2.5 Potenciales osmo-voltáicos

Una de las características de la membrana es su capacidad de separar sustancias por concentración y por carga, creando diferencias de potencial mecánicas y eléctricas que luego emplea para sintetizar sustancias, un ejemplo de esto es el funcionamiento de la f1f0 ATP sintetasa o del motor del flagelo. Esta idea de una membrana semipermeable, es decir una barrera que es permeable a los solventes, pero impermeable a las moléculas de soluto, fueron desarrolladas también en la década de los 30 del siglo XX. 

El término ósmosis se originó en 1927, y su importancia en los fenómenos fisiológicos fue reconocida hasta 1877 cuando el botanista Pfeffer propuso la teoría de la membrana en la fisiología celular (Jacobs, 1962; G. N. Ling, 2001). Desde esta perspectiva, se vio que la célula estaba encapsulada por una superficie delgada, la membrana plasmática; el agua celular y los solutos, como los iones de potasio(1+), existían en un estado físico como una disolución. En 1889, Hamburger usó hemólisis de eritrocitos para determinar la permeabilidad de varios solutos (Jacobs, 1962). Midiendo el tiempo requerido para que las células se hincharan así pasando su límite de elasticidad, la razón a la cual el soluto entraba a la células, pudo estimarse al tomar en cuenta el cambio en el volumen de la célula. Él también descubrió que había un volumen no solvente de aparentemente 50% en los glóbulos rojos y después se mostró que esto incluía al agua en la adición de la hidratación de la proteína y otro componente no solvente en las células. Overton (un primo lejano de Charles Darwin) fue el primero en proponer el concepto de una membrana plasmática lipídica en 1899. La debilidad más grande de la membrana lipídica fue la falta de la explicación de la alta permeabilidad al agua, así que Nathansohn (1904) propuso la teoría de mosaico (Kleinzeller, 1997). 

En este contexto, la membrana no es una capa pura de lípidos, pero un mosaico de áreas con lípidos y áreas con un gel semipermeable. Ruhland especificó la teoría de mosaico al incluir poros que permitieran el paso adicional de moléculas pequeñas. Ya que las membranas son generalmente menos permeables a los aniones (G. N. Ling, 2001), Leonor Michaelis concluyó que los iones eran absorbidos por las paredes a través de los poros (G. N. Ling, 2001), cambiando la permeabilidad de los poros a iones por medio de la repulsión electrostática. Michaelis demostró el potencial de membrana (1926) y propuso que estaba relacionado a la distribución de iones a través de la membrana (Ling, 2001). Harvey y Danielli (1939) propusieron una membrana de una bicapa lipídica cubierta en cada lado por una capa de proteínas para encajar las medidas de la tensión superficial. En 1941, Boyle y Conway mostraron que la membrana de un músculo en reposo de una rana era permeable a los iones de potasio(1+) y cloruro(1-); sin embargo, aparentemente no lo era para los iones sodio(1+), así que la idea de las cargas eléctricas en los poros era innecesaria porque un solo tamaño de poro podría explicar la permeabilidad hacia los iones de potasio(1+), protio(1+) y cloruro(1-) así como la impermeabilidad a los iones de sodio(1+), calcio(2+) y magnesio(2+) (G. N. Ling, 2001; G. Ling, 2012).

1.2.6 Bombas iónicas

Con el desarrollo de rastreadores radioactivos, se mostró que las células no son impermeables al ion sodio(1+). Esto fue difícil de explicar con la teoría de la barrera de membrana, así que la bomba de sodio fue propuesta para remover sodio(+) al momento que pasa por la célula. Nuevamente tenemos un ejemplo de la historia de la ciencia en la cual un fenómeno es predicho como una estrategia ad hoc para salvar un modelo general que se intuye correcto pero que está en riesgo de naufragar con un contraejemplo que parece no encajar (Kuhn, 1970; Lakatos, 1978). 

Y evidentemente no faltaron detractores, y de hecho aún hasta nuestros días es posible encontrar una minoría al interior de la comunidad científica que no está de acuerdo con la teoría de la membrana celular apoyada por canales iónicos (G. Ling, 2007). El problema radica es que a nivel médico la teoría de la membrana celular apoyada por canales iónicos ha sido demasiado exitosa, además de que los condenados canales aparecieron experimentalmente, los transformó en una hipótesis ad hoc en una predicción que confirmaba la teoría (Hamlyn et al., 1989; Jørgensen, 1974; Quinton, Wright, & Tormey, 1973).

Esto produjo el concepto de que las células están en un estado de equilibrio dinámico, constantemente usando energía para mantener las gradientes iónicas. En 1935, Karl Lohmann descubrió el ATP y su rol como una fuente de energía para las células, así que el concepto de una bomba de sodio manejada por el metabolismo fue propuesta de forma tal que no se violara la segunda ley de la termodinámica (Glynn, Hoffman, & Lew, 1971; Repke & Schönfeld, 1984). El éxito tremendo de Hodgkin, Huxley, y Katz en el desarrollo de la teoría de la membrana en cuanto a los potenciales de la membrana celular, con ecuaciones diferenciales que modelaban correctamente el fenómeno, produjeron más apoyo para la hipótesis de la bomba de sodio (G. N. Ling, 2001; Rinzel, 1990). 

La perspectiva actual de la membrana plasmática es que hay un una bicapa lipídica que tiene componentes proteicos integrados a ella. La estructura de la membrana es conocida ahora con gran detalle, incluyendo modelos en 3D de muchas proteínas diferentes que están vinculadas con la membrana. Estos desarrollos grandes en la fisiología celular pusieron a la teoría de la membrana apoyada por canales proteínicos en una posición de gran dominancia.

1.2.7 El modelo de mosaico fluido

Experimento realizados a finales de los años 60s y a inicios de los años 70s dieron como resultado una modificación importante al modelo de la membrana biológica. Por ejemplo, la bicapa dibujada permitió la investigación directa de las propiedades de una bicapa simple artificial. Al "pintar" una solución conformada por lípidos a través de una apertura, Mueller y Rudin fueron capaces de determinar que la bicapa resultante exponía fluidez lateral, alta resistencia eléctrica y una habilidad de reparación propia en respuesta a un pinchazo (Mueller, Rudin, Tien, & Wescott, 1962). Esta forma del modelo de la bicapa pronto se conoció como un "BML" aunque desde el inicio el significado de este acrónimo ha sido ambiguo. A principios de 1966, BML era usado para referirse a una "membrana lipídica negra" o a una "membrana lipídica bimolecular" (Tien, Carbone, & Dawidowicz, 1966; Tien & Diana, 1967). Esta misma fluidez lateral fue antes demostrada conclusivamente en la superficie celular por Frye y Edidin en 1970. Ellos fusionaron dos células etiquetadas con diferentes marcadores fluorescentes vinculados a la membrana, y vieron cómo las dos poblaciones entintadas se mezclaban (Frye & Edidin, 1970). 

Los resultados de este experimento fueron clave para el desarrollo del modelo de "mosaico fluido" en la membrana celular, por Singer y Nicolson en 1972 (Leabu, 2013; Morange, 2013; Singer & Nicolson, 1972; Szymanski, Kierszniowska, & Schulze, 2013). El modelo propuesto por Jonathan Singer y Garth Nicolson de la universidad de California en San Diego. El modelo del mosaico fluido ha servido como el paradigma central de las membranas biológicas por más de 30 años, y es el modelo actual. El modelo de mosaico fluido es aparentemente similar al modelo refinado de Davson Danielli pero dos detalles lo diferencian. En primera instancia, las proteínas insertadas en la membrana son los únicos componentes que incrementan la solubilidad de la membrana, y no existen proteínas que sirvan de capas extra.  En segunda instancia la atención debe llevarse al estado de los lípidos en la membrana, los cuales no se encuentran fijos, y los mismo las proteínas en ellos.

Las moléculas en la membrana son móviles, las proteínas pueden agruparse en una zona de la membrana o dispersarse por toda la superficie dependiendo de las necesidades de la célula, la membrana se encuentra en un estado fluido que no puede compararse a un estado sólido o a un estado líquido.

En la actualidad hay dos modificaciones importantes que deberíamos realizar a la visión de la membrana celular. La primera es que muchos canales iónicos no se organizan como un tubo que permita el flujo de agua y sustancias como si se tratara de un poro, que aunque si los hay son tan raros que los púnicos ejemplos prácticos son los poros nucleares. En lugar de lo los canales funcionan más como complejos de translocación y son más angostos. La segunda idea es la importancia del citoesqueleto, muchas proteínas integrales de la membrana están ancladas a un andamio de citoesqueleto. Este andamiaje es el que permite explicar diversos comportamientos de la membrana, como su plegamiento en estructuras no esféricas, la formación de vesículas, la fusión de vesículas y el acoplamiento a la matriz extracelular generando un continuo entre citoesqueleto, proteínas de anclaje en la membrana y fibras proteínas en la matriz extracelular.

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)

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