La membrana celular
La membrana celular es una de las estructuras más importantes que definen a los organismos vivos, ya que los mantiene separados de su entorno, entre otras funciones. Esta membrana celular es muy delgada, pero muy compleja y heterogénea, lo que le permite soportar el interior del citoplasma. Las membranas celulares pueden tener todo tipo de formas y composición molecular, aunque de manera general podemos decir que están compuestas de diversos fosfolípidos, carbohidratos y de contener abundantes proteínas, denominadas "proteínas de membrana". Dependiendo de la función que realizan pueden contener otro tipo de moléculas, por ejemplo, pigmentos fotosintéticos. Existen muchas proteínas asociadas a las membranas biológicas (membrana celular y membranas de organelos internos), tantas que la masa de las proteínas a menudo es mayor que la masa de los lípidos.
Las propiedades de las membranas les permiten realizar funciones vitales para la célula, por ejemplo, regulan el paso de materiales, dividen el citoplasma en compartimentos, sirven como soporte para muchas reacciones bioquímicas, le permiten adherirse y comunicarse con otras células, participan en la transmisión de señales entre el ambiente y el interior de la célula, entre otras funciones. Las membranas también son una parte importante de los mecanismos de generación, transferencia y almacenamiento de energía.
La mayoría de las proteínas de membrana tienen aproximadamente el mismo tamaño que el ancho de las membranas. Muchas proteínas de membrana, como los canales iónicos y las bombas de eflujo, se caracterizan por tener hélices transmembranales que miden aproximadamente 4 nm de largo y tienen propiedades fisicoquímicas que les permiten interactuar con los lípidos en los que están incrustadas. A menudo, estas proteínas también tienen regiones que se extienden a ambos lados de la membrana, en cuyo caso se denominan "proteínas transmembranales". Esta capa adicional de proteína y las moléculas de carbohidratos se suma al "grosor" de la membrana. La presencia de estos constituyentes adicionales que también incluyen lipopolisacáridos, es lo que genera el ancho total de la membrana, comúnmente entre 4 y 15 nm.
Los fosfolípidos de la membrana celular, ubicados en forma de bicapa, pueden desplazarse libremente, es decir, es una bicapa fluida. Es como si fueran boyas flotando en el agua, imagine cientos de miles de boyas flotando en un océano tranquilo. Para que una membrana funcione correctamente sus lípidos deben estar en un estado de fluidez óptima. La estructura de la membrana se debilita si sus lípidos son demasiado fluidos. Sin embargo, muchas funciones de la membrana, como el transporte de ciertas sustancias, se inhiben o cesan si la bicapa lipídica es demasiado rígida. A temperaturas normales, la membrana celular es fluida, pero a bajas temperaturas el movimiento de las cadenas de los ácidos grasos se ralentizan. Si la temperatura desciende demasiado, la membrana se convierte en un estado de gel más sólido.
El estado fluido de la membrana depende de los fosfolípidos que lo componen. Como analogía podemos mencionar a la mantequilla derretida, que cuando queda a temperatura ambiente se solidifica nuevamente. Por otro lado, los aceites vegetales siguen siendo líquidos a temperatura ambiente. La mantequilla es rica en ácidos grasos saturados, es decir, que carecen de dobles enlaces. Por el contrario, un aceite vegetal está formado por ácidos grasos poli-insaturados, con la mayoría de sus cadenas de ácidos grasos teniendo dos o más dobles enlaces. En cada doble enlace hay un doblez en la molécula que evita que las cadenas hidrocarbonadas se compacten interactuando a través de las interacciones de Van der Waals. De esta manera, las grasas insaturadas disminuyen el valor de la temperatura a la que se solidifican el aceite o los lípidos de membrana.
Muchos organismos tienen mecanismos reguladores para mantener membranas celulares en un estado óptimo de fluidez. Algunos organismos compensan los cambios de temperatura alterando el contenido de los ácidos grasos de los fosfolípidos de su membrana. Cuando la temperatura exterior es muy baja, los lípidos de la membrana contienen proporciones relativamente altas de ácidos grasos insaturados.
Algunos lípidos de membrana estabilizan la fluidez de la membrana, dentro de ciertos límites. Uno de esos "amortiguadores de fluidez" es el colesterol, un esteroide presente en las membranas de las células animales. Una molécula de colesterol es en gran parte hidrofóbica pero debido a la presencia de un único grupo hidroxilo es ligeramente anfipática. Este grupo hidroxilo se asocia con las cabezas hidrófilas de los fosfolípidos, mientras que el resto hidrofóbico de la molécula de colesterol se acomoda entre las cadenas hidrocarbonadas de ácidos grasos
A bajas temperaturas, las moléculas de colesterol actúan como “espaciadores” entre las cadenas de hidrocarburos, lo que restringe las fuerzas de Van der Waals, previniendo así la solidificación. El colesterol también ayuda a evitar que la membrana se debilite o se vuelva inestable a temperaturas más altas. La razón es que las moléculas de colesterol interactúan fuertemente con las porciones de las cadenas hidrocarbonadas más cercanas a la cabeza del fosfolípido. Esta interacción restringe la movilidad en estas regiones. Las células vegetales tienen esteroides distintos del colesterol que realizan funciones equivalentes.
En las membranas también hay cuatro tipos de movimiento de los fosfolípidos: flexión de la molécula, rotación sobre su eje, difusión lateral e inversión o vuelta a la otra bicapa (en inglés se conoce como "flip-flop"). Este último ocurre a una frecuencia muy baja debido a que el segmento hidrofílico es relativamente grande y debe atravesar la zona hidrofóbica, también relativamente amplia.
Las membranas también son Impermeables a muchos compuestos, esto impide el paso indiscriminado de sustancias a través de la membrana, pero también permite un paso controlado de moléculas de un extremo a otro. Existen proteínas que funcionan como canales o transportadores especializados en el transporte de ciertas moléculas de un lado a otro de la membrana. También permite que haya cierta comunicación entre los diferentes compartimentos así como con células vecinas.
Por otro lado, las moléculas pequeñas sin carga eléctrica pueden pasar libremente por la membrana, por ejemplo, el glicerol, etanol, dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno molecular. Los iones (sodio, potasio, cloro, calcio, hidrogeniones, etc) y las moléculas polares y las relativamente grandes como azucares y aminoácidos no pueden pasar por la membrana, necesitan de transportadores especializados.
El Transporte de sustancias a través de la membrana es un aspecto muy importante para mantener la vida. La membrana puede permitir básicamente dos tipos de transporte: uno "a favor de un gradiente de concentración", en donde las moléculas difunden desde un extremo de la membrana donde hay una alta concentración de alguna molécula hacia el otro extremo donde hay una baja concentración. El otro tipo de transporte es "en contra de un gradiente de concentración", que como podemos imaginar es en sentido opuesto, desde donde hay pocas moléculas hacia donde hay muchas. Este último requiere un gasto energético considerable, casi siempre en forma de ATP.
La Comunicación celular es otra función muy importante de las membranas celulares. Permiten recibir estímulos gracias a las proteínas de tipo "receptores" a las que se unen moléculas que llamamos "mensajeras". Los diferentes tipos de células tienen diferentes tipos de receptores y por lo tanto pueden reconocer diferentes "mensajes" o "estímulos". Estos mensajes llegan hasta el núcleo celular para activar o inhibir ciertos genes como "respuesta" a ese estímulo recibido.
Las membranas pueden proporcionar un Soporte para muchas enzimas y proteínas que requieren de alguna "superficie" para funcionar, como por ejemplo para realizar la fotosíntesis en los cloroplastos o la producción de ATP en las mitocondrias. Otro ejemplo de proteínas que requieren de un soporte son aquellas que tienen la función de mantener unidas a unas células con otras para formar los diferentes tejidos.
Finalmente, las membranas celulares participan en los mecanismos de transducción de energía, en donde unas formas de energía se pueden convertir en otras. Una de los mecanismos más importantes de transducción de energía se lleva a cabo en la fotosíntesis, en donde la energía del sol (en forma de fotones), es absorbida por moléculas de pigmentos ubicados en la membrana de los cloroplastos, y después es convertida en energía química almacenada en las moléculas de carbohidratos.
En posteriores apartados trataremos más temas relacionados con la membrana celular.
Las propiedades de las membranas les permiten realizar funciones vitales para la célula, por ejemplo, regulan el paso de materiales, dividen el citoplasma en compartimentos, sirven como soporte para muchas reacciones bioquímicas, le permiten adherirse y comunicarse con otras células, participan en la transmisión de señales entre el ambiente y el interior de la célula, entre otras funciones. Las membranas también son una parte importante de los mecanismos de generación, transferencia y almacenamiento de energía.
Estructura de la membrana celular
La membrana celular está compuesta de fosfolípidos que contienen un grupo polar (hidrofílico) a veces denominado "cabeza" y un par de ácidos grasos que tienen aproximadamente unos 10-20 átomos de carbono de largo, comúnmente llamados "colas". Estos lípidos se organizan en forma de bicapa, unidos por las "colas" y dejando las "cabezas" expuestas las solvente. El tamaño promedio de un fosfolípido de membrana es de unos 2 nm (2 nanómetros, equivalente a 2x10-9 metros), por lo tanto, la bicapa lipídica de la membrana celular es de unos 4 nm (4x10-9 m). El grosor de la membrana celular, en comparación con el volumen de la célula, es de una relación más o menos de 1:500. Esto en células pequeñas, ya que algunas células eucariontes son realmente grandes, así que la relación sería diferente. Por supuesto, los lipopolisacáridos y las proteínas asociadas a la membrana incrementan su grosor a un valor de entre 10 y 15 nm, llegando algunas membranas a los 20 nm de grosor.
La mayoría de las proteínas de membrana tienen aproximadamente el mismo tamaño que el ancho de las membranas. Muchas proteínas de membrana, como los canales iónicos y las bombas de eflujo, se caracterizan por tener hélices transmembranales que miden aproximadamente 4 nm de largo y tienen propiedades fisicoquímicas que les permiten interactuar con los lípidos en los que están incrustadas. A menudo, estas proteínas también tienen regiones que se extienden a ambos lados de la membrana, en cuyo caso se denominan "proteínas transmembranales". Esta capa adicional de proteína y las moléculas de carbohidratos se suma al "grosor" de la membrana. La presencia de estos constituyentes adicionales que también incluyen lipopolisacáridos, es lo que genera el ancho total de la membrana, comúnmente entre 4 y 15 nm.
Los fosfolípidos de la membrana celular, ubicados en forma de bicapa, pueden desplazarse libremente, es decir, es una bicapa fluida. Es como si fueran boyas flotando en el agua, imagine cientos de miles de boyas flotando en un océano tranquilo. Para que una membrana funcione correctamente sus lípidos deben estar en un estado de fluidez óptima. La estructura de la membrana se debilita si sus lípidos son demasiado fluidos. Sin embargo, muchas funciones de la membrana, como el transporte de ciertas sustancias, se inhiben o cesan si la bicapa lipídica es demasiado rígida. A temperaturas normales, la membrana celular es fluida, pero a bajas temperaturas el movimiento de las cadenas de los ácidos grasos se ralentizan. Si la temperatura desciende demasiado, la membrana se convierte en un estado de gel más sólido.
El estado fluido de la membrana depende de los fosfolípidos que lo componen. Como analogía podemos mencionar a la mantequilla derretida, que cuando queda a temperatura ambiente se solidifica nuevamente. Por otro lado, los aceites vegetales siguen siendo líquidos a temperatura ambiente. La mantequilla es rica en ácidos grasos saturados, es decir, que carecen de dobles enlaces. Por el contrario, un aceite vegetal está formado por ácidos grasos poli-insaturados, con la mayoría de sus cadenas de ácidos grasos teniendo dos o más dobles enlaces. En cada doble enlace hay un doblez en la molécula que evita que las cadenas hidrocarbonadas se compacten interactuando a través de las interacciones de Van der Waals. De esta manera, las grasas insaturadas disminuyen el valor de la temperatura a la que se solidifican el aceite o los lípidos de membrana.
Muchos organismos tienen mecanismos reguladores para mantener membranas celulares en un estado óptimo de fluidez. Algunos organismos compensan los cambios de temperatura alterando el contenido de los ácidos grasos de los fosfolípidos de su membrana. Cuando la temperatura exterior es muy baja, los lípidos de la membrana contienen proporciones relativamente altas de ácidos grasos insaturados.
Algunos lípidos de membrana estabilizan la fluidez de la membrana, dentro de ciertos límites. Uno de esos "amortiguadores de fluidez" es el colesterol, un esteroide presente en las membranas de las células animales. Una molécula de colesterol es en gran parte hidrofóbica pero debido a la presencia de un único grupo hidroxilo es ligeramente anfipática. Este grupo hidroxilo se asocia con las cabezas hidrófilas de los fosfolípidos, mientras que el resto hidrofóbico de la molécula de colesterol se acomoda entre las cadenas hidrocarbonadas de ácidos grasos
A bajas temperaturas, las moléculas de colesterol actúan como “espaciadores” entre las cadenas de hidrocarburos, lo que restringe las fuerzas de Van der Waals, previniendo así la solidificación. El colesterol también ayuda a evitar que la membrana se debilite o se vuelva inestable a temperaturas más altas. La razón es que las moléculas de colesterol interactúan fuertemente con las porciones de las cadenas hidrocarbonadas más cercanas a la cabeza del fosfolípido. Esta interacción restringe la movilidad en estas regiones. Las células vegetales tienen esteroides distintos del colesterol que realizan funciones equivalentes.
En las membranas también hay cuatro tipos de movimiento de los fosfolípidos: flexión de la molécula, rotación sobre su eje, difusión lateral e inversión o vuelta a la otra bicapa (en inglés se conoce como "flip-flop"). Este último ocurre a una frecuencia muy baja debido a que el segmento hidrofílico es relativamente grande y debe atravesar la zona hidrofóbica, también relativamente amplia.
Funciones de la membrana celular
La principal función de la membrana celular es la Compartimentación. Las membranas son continuas, por esa razón encierran compartimentos. La membrana plasmática encierra el contenido de toda la célula, mientras que las membranas nuclear y el sistema de membranas internas encierran diversas estructuras intracelulares a las que llamamos organelos. Los diversos compartimentos que se encuentran delimitados por membranas dentro de una célula poseen contenidos marcadamente diferentes, esto permite que las actividades especializadas procedan sin intervención externa y puedan ser reguladas de manera independiente de otros procesos.
Las membranas también son Impermeables a muchos compuestos, esto impide el paso indiscriminado de sustancias a través de la membrana, pero también permite un paso controlado de moléculas de un extremo a otro. Existen proteínas que funcionan como canales o transportadores especializados en el transporte de ciertas moléculas de un lado a otro de la membrana. También permite que haya cierta comunicación entre los diferentes compartimentos así como con células vecinas.
Por otro lado, las moléculas pequeñas sin carga eléctrica pueden pasar libremente por la membrana, por ejemplo, el glicerol, etanol, dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno molecular. Los iones (sodio, potasio, cloro, calcio, hidrogeniones, etc) y las moléculas polares y las relativamente grandes como azucares y aminoácidos no pueden pasar por la membrana, necesitan de transportadores especializados.
El Transporte de sustancias a través de la membrana es un aspecto muy importante para mantener la vida. La membrana puede permitir básicamente dos tipos de transporte: uno "a favor de un gradiente de concentración", en donde las moléculas difunden desde un extremo de la membrana donde hay una alta concentración de alguna molécula hacia el otro extremo donde hay una baja concentración. El otro tipo de transporte es "en contra de un gradiente de concentración", que como podemos imaginar es en sentido opuesto, desde donde hay pocas moléculas hacia donde hay muchas. Este último requiere un gasto energético considerable, casi siempre en forma de ATP.
La Comunicación celular es otra función muy importante de las membranas celulares. Permiten recibir estímulos gracias a las proteínas de tipo "receptores" a las que se unen moléculas que llamamos "mensajeras". Los diferentes tipos de células tienen diferentes tipos de receptores y por lo tanto pueden reconocer diferentes "mensajes" o "estímulos". Estos mensajes llegan hasta el núcleo celular para activar o inhibir ciertos genes como "respuesta" a ese estímulo recibido.
Las membranas pueden proporcionar un Soporte para muchas enzimas y proteínas que requieren de alguna "superficie" para funcionar, como por ejemplo para realizar la fotosíntesis en los cloroplastos o la producción de ATP en las mitocondrias. Otro ejemplo de proteínas que requieren de un soporte son aquellas que tienen la función de mantener unidas a unas células con otras para formar los diferentes tejidos.
Finalmente, las membranas celulares participan en los mecanismos de transducción de energía, en donde unas formas de energía se pueden convertir en otras. Una de los mecanismos más importantes de transducción de energía se lleva a cabo en la fotosíntesis, en donde la energía del sol (en forma de fotones), es absorbida por moléculas de pigmentos ubicados en la membrana de los cloroplastos, y después es convertida en energía química almacenada en las moléculas de carbohidratos.
En posteriores apartados trataremos más temas relacionados con la membrana celular.
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