Membrana Celular

MEMBRANA CELULAR

La membrana plasmática es una estructura laminar formada por fosfolípidos (con cabezahidrofílica y cola hidrofóbica) y proteínas que engloban a las células, define sus límites y contribuye a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio extracelular) de éstas. Además, se asemeja a las membranas que delimitan los organelos de células eucariotas. También delimita la célula y le da forma.

FORMA Y TAMAÑO DE LA CÉLULA

La mayor parte de las células tienen un tamaño comprendido entre 12 y 60 micras (1 micra = 10 m). Existen, sin embargo, células -6 de tamaño inferior como las células bacterianas y células de tamaño superior, e incluso macroscópico, como por ejemplo los ovocitos de las aves. La forma de la célula es muy variada; entre los organismos unicelulares existen una gran diversidad de formas que dependen de las adaptaciones a sus particulares condiciones de vida e incluso algunos carecen de forma fija (amebas); en el caso de los organismos pluricelulares existe también una gran diversidad de formas celulares que dependen de la presión que ejercen las células adyacentes y, sobre todo, de la función en que se han especializado.

FUNCIONES DE LA MEMBRANA CITOPLASMICA

La membrana citoplásmica de los procariotas es una notable estructura multifuncional (como uno podría esperar de la constatación del gran número de tipos de proteínas), siendo el sitio donde se producen muchos procesos metabólicos complejos, en un grado desconocido en el resto del mundo vivo.

Las principales funciones de la membrana procariótica son:

 Barrera osmótica (que mantiene constante el medio interno), impidiendo el paso libre de sales y de compuestos orgánicos polares.

 Es el límite metabólicamente activo de la célula: establece la frontera entre el protoplasto y el medio externo, impidiendo la pérdida de metabolitos y macromoléculas del protoplasto.

 Permite selectivamente el paso de sustancias entre el exterior y el interior (y viceversa).

 Interviene, además, en procesos bioenergéticos (fotosíntesis, respiración).

 Participa en la biosíntesis de componentes de membrana, de pared y de cápsulas, en la secreción de proteínas.

Proteínas de Membrana

Las proteínas de membrana representan su principal componente funcional, desempeñando un papel fundamental en la regulación y control de su permeabilidad. Entre las proteínas de membrana, podemos distinguir también polipéptidos que poseen función enzimática, receptores para diversas señales (como las hormonales), que producen la adhesión celular y proteínas con una variedad enorme de funciones que iremos estudiando a lo largo de este espacio curricular.

Hidratos de carbono de la membrana

Los glúcidos de la membrana se presentan en forma de oligosacáridos o, con menor frecuencia, como monosacáridos. En todos los casos se encuentran unidos en forma covalente a lípidos, constituyendo glucolípidos, o a proteínas, constituyendo las famosas glicoproteínas.

La ubicación de los glúcidos en las membranas plasmáticas se realiza, en forma casi exclusiva, en la capa superficial o externa de la bicapa fosfolipídica.

Permeabilidad de la membrana

La permeabilidad selectiva de las membranas determina qué tipo de sustancias pueden entrar y salir de la célula. El ingreso de sustancias necesarias, el pasaje de agua y la salida de los productos de desecho, se verán posibilitados y regulados por medio de la membrana plasmática.

TRANSPORTE DE NUTRIENTES

Lo primero que tiene que hacer un microorganismo a la hora de su nutrición es captar los nutrientes que necesite desde el medio exterior. Debido a que la bicapa lipídica actúa como barrera que impide el paso de la mayor parte de las sustancias, esto significa que deben existir mecanismos específicos para lograr la entrada de los nutrientes. Además, teniendo en cuenta que las bacterias suelen vivir en medios diluidos, deben realizar un “trabajo” para trasladar muchos de esos nutrientes en contra del gradiente de concentración.

Tradicionalmente se viene considerando tres métodos principales de transporte de sustancias a través de la membrana:

 Transporte pasivo inespecífico (= difusión simple).

 Transporte pasivo especifico (= difusión facilitada).

 Transporte activo.

TRANSPORTE PASIVO INESPECÍFICO O DIFUSIÓN SIMPLE

Este transporte consiste en la difusión pasiva de ciertas sustancias para las que la membrana es impermeable, debido a la diferencia de concentración (DC) a ambos lados de dicha membrana (la sustancia tiene mayor concentración fuera que dentro de la célula). Aparte de esta diferencia de concentración, en la difusión pasiva influyen:

 La constante de permeabilidad (P), es decir, el grado de permeabilidad de la membrana a la sustancia en cuestión.

 El área o superficie total (A) a través de la que se produce el transporte.

Las membranas citoplásmicas son impermeables en sí mismas a la mayor parte de las moléculas. Sólo se da en el caso de O2, CO2, NH3, agua y otras pequeñas sustancias polares no ionizadas. La difusión simple se produce por el paso de estas sustancias a través de poros inespecíficos de la membrana citoplásmica.

TRANSPORTE PASIVO ESPECÍFICO O DIFUSIÓN FACILITADA

Es un proceso que permite el paso de compuestos por difusión a través de transportadores estereoespecíficos y (al igual que en el caso anterior) sobre la base de un gradiente de concentración (en la dirección termodinámicamente favorable).

El transportador suele ser una proteína integral de membrana (permeasa o facilitador), cuya conformación determina un canal interior, y por el cual un determinado sustrato puede alcanzar el interior, sin gasto de energía. Se piensa que cuando el soluto se une a la parte de la permeasa que da al exterior, esta proteína sufre un cambio conformacional que libera la molécula en el interior. Como al entrar la molécula, enseguida entra en el metabolismo y desaparece como tal, esto basta para mantener el gradiente de concentración que permite esta difusión.

Aunque este sistema de transporte es muy común en eucariotas, es muy raro encontrarlo en bacterias. La explicación evolutiva es que los procariotas suelen vivir en ambientes con pocas concentraciones de nutrientes, y por lo tanto no es frecuente que se den gradientes adecuados. Una de las pocas excepciones la constituye el glicerol, que es transportado por difusión facilitada en una amplia gama de bacterias, tanto Gram-positivas como Gram-negativas. Conforme el glicerol entra, es rápidamente convertido a glicerol-fosfato; por lo tanto, la concentración interna de glicerol como tal es prácticamente nula, lo que facilita esta difusión incluso a bajas concentraciones exteriores de esta sustancia. En Zymomonas existe un facilitador de membrana que transporta glucosa.

TRANSPORTE ACTIVO

Consiste en el transporte de sustancias en contra de un gradiente de concentración, lo que requiere un gasto energético. En la mayor parte de los casos este transporte activo (que supone un trabajo osmótico) se realiza a expensas de un gradiente de H+ (potencial electroquímico de protones) previamente creado a ambos lados d la membrana, por procesos de respiración y fotosíntesis; por hidrólisis de ATP.

Los sistemas de transporte activo son los más abundantes entre las bacterias, y se han seleccionado evolutivamente debido a que en sus medios naturales la mayoría de los procariotas se encuentran de forma permanente o transitoria con una baja concentración de nutrientes.

Los sistemas de transporte activo están basados en permeasas específicas e inducibles. El modo en que se acopla la energía metabólica con el transporte del soluto aún no está dilucidado, pero en general se maneja la hipótesis de que las permeasas, una vez captado el sustrato con gran afinidad, experimentan un cambio conformacional dependiente de energía que les hace perder dicha afinidad, lo que supone la liberación de la sustancia al interior celular.

Estudiaremos los siguientes tipos de transporte activo:

 Transporte activo ligado a simporte de protones.

 Transporte activo ligado a simporte de iones Na+.

 Transporte activo dirigido por ATP.

 Transporte acoplado a translocación de grupos.

TRANSPORTE ACTIVO LIGADO A SIMPORTE DE PROTONES

Como se recordará, el simporte se puede definir como el transporte simultáneo de dos sustratos en la misma dirección, por un mismo transportador sencillo. En el caso del transporte activo ligado a simporte de protones, lo que ocurre es que uno de los sustratos (H+) ha creado previamente un gradiente de concentración, cuya disipación es aprovechada por el otro sustrato para entrar con él. Este otro sustrato puede ser:

 Una molécula de carga negativa: en este caso, su simporte ligado a protones tiende a disipar sólo el gradiente de concentración. Ejemplos: transporte de iones fosfato, de glutamato, etc.

 Una molécula neutra: en este caso, su simporte tiende a disipar no sólo el gradiente de concentración, sino también el gradiente eléctrico. Ejemplo: en Escherichia coli, la lactosa usa una ß-galactósido-permeasa, que es una de las permeasas bacterianas más intensamente estudiadas.

Por otro lado, ciertas moléculas catiónicas (iones K+, lisina), son transportadas directamente a través de permeasas, en ausencia de simporte de protones.

TRANSPORTE ACTIVO LIGADO A SIMPORTE DE IONES SODIO

Se puede considerar una versión modificada del anterior: algunas sustancias no son transportadas activamente de forma directa por el potencial electroquímico de protones, sino indirectamente, a través de un gradiente de Na+ que a su vez se origina a expensas de dicha fuerza protón-motriz (fpm).

El sustrato entra por una permeasa, junto con iones Na+, pero a su vez este sodio se recicla por un sistema de antiporte, a expensas de la disipación del potencial de protones. Ejemplo: el azúcar melibiosa, en el caso de la enterobacteria E. coli.

Estos dos tipos de transporte activo ligados a simporte quedan inhibidos si tratamos las células con algún agente ionóforo (p. ej., el antibiótico valinomicina), que destruye el potencial electroquímico de protones.

El transporte activo ligado a simporte de iones (H+, Na+) resulta muy económico, ya que sólo se gasta un protón por cada molécula transportada, mientras que por cada ATP sintetizado se suelen gastar 3 protones que se disipan en las ATPasas. Las permeasas que realizan este transporte suelen ser proteínas integrales de membrana provistas de unos 12 segmentos transmembranosos en configuración de a-hélice.

TRANSPORTE ACTIVO DIRIGIDO POR ATP

El tipo paradigmático de este tipo de transporte se denomina de transportadores ABC o ATPasas de tráfico, y se conocen muchos ejemplos en eubacterias y arqueas. Vamos a describir el caso de un sistema ABC en enterobacterias (como E. coli). Se trata de un sistema de varios componentes, en el que existen proteínas periplásmicas que captan el sustrato con gran afinidad, y lo llevan hasta unas proteínas de membrana, las cuales acoplan el paso de dicho sustrato hasta el citoplasma (sin alteralo químicamente) con la hidrólisis de ATP.

La denominación de "transportadores ABC" se debe a que en todos ellos existe una o dos proteínas periféricas de membrana citoplásmica que poseen un dominio (de unos 200 aminoácidos) conservado evolutivamente, denominado "cassette de unión a ATP" (las iniciales de ATP-binding cassette generan la sigla "ABC"). Al parecer este dominio ABC conservado es muy antiguo, y parece que ya existía antes de la divergencia evolutiva entre procariotas y eucariotas. Existen muchos ejemplos de proteínas ABC, tanto en procariotas como eucariotas (de hecho constituyen la mayor familia de proteínas filogenéticamente relacionadas de todo el mundo vivo). Los primeros ejemplos de esta gran familia estaban implicados en transportar sustancias a uno u otro lado de la membrana. En otro tema veremos ejemplos de transportadores ABC que funcionan "al revés" de los de este tema: son "exportadores" de proteínas recién sintetizadas que deben insertarse en las envueltas bacterianas o ser excretadas al medio. Pero se ha descubierto que la gran familia de proteínas ABC está implicada en otros procesos (regulación genética, reparación de ADN, patogenicidad, etc.).

Elementos de este tipo de sistema:

 Porinas u otras proteínas de membrana externa para lograr la difusión del sustrato desde el medio hasta el espacio periplásmico.

 Proteína(s) solubles de espacio periplásmico que se unen al sustrato con gran afinidad.

 Un heterodímero formado por dos proteínas integrales de membrana (cada una de ellas posee 5 o 6 trechos en a-hélice que atraviesan la membrana citoplásmica), que son la permeasa propiamente dicha del sistema (el canal por donde pasa el sustrato).

 Dos proteínas periféricas de membrana citoplásmica, adosadas al lado citoplásmico, que incluyen el módulo conservado ABC que acopla la hidrólisis de ATP con el transporte unidireccional del sustrato a través de la membrana.

Modelo del mecanismo de este sistema:

1. El sustrato exógeno normalmente entra al periplasma a través de algún canal inespecífico o porina de membrana externa (por ejemplo, en enterobacterias se pueden usar las porinas generales conocidas como OmpF y OmpC).

2. La proteína periplásmica específica, antes de su unión al sustrato tiene una determinada configuración (denominada “abierta”), con dos grandes lóbulos globulares unidos formando un ángulo (la forma recuerda una almeja a medio abrir). Cuando el sustrato pasa al periplasma, la correspondiente proteína de unión periplásmica se une a él con gran afinidad (0.1-1 mM), y al unirse cambia de conformación. En esta configuración, llamada “cerrada”, el sustrato se encuentra “enterrado” entre los dos lóbulos de la proteína (“almeja cerrada”).

3. Mientras tanto, el dímero de proteínas integrales de membrana (antes de la unión con la proteína periplásmica) se encuentra en un estado energizado pero incapaz de transportar sustrato. En esta situación, puede unirse (por la parte que da al periplasma) al complejo formado por la proteína periplásmica (en configuración “cerrada”) ligada al sustrato. Al hacer esto, el heterodímero de membrana cambia de conformación, de modo que ahora muestra mayor afinidad hacia la proteína periplásmica y se abre su canal para dejar entrar el sustrato.

4. Entonces, el complejo de membrana alcanza su estado de mínima energía, y con ello descarga el sustrato en el citoplasma y se logra la separación de la proteína periplásmica (que vuelve a su configuración “abierta”).

5. Finalmente, la hidrólisis de ATP catalizada por las proteínas periféricas ABC (adosadas a la membrana y asociadas a las proteínas integrales) suministra la energía para que el heterodímero de membrana vuelva a su estado energizado inicial, preparado así para otro ciclo de transporte.

El sistema ABC de bacterias Gram-negativas, queda puesto de manifiesto cuando lo impedimos por algún procedimiento que altere o elimine la membrana externa (conversión a esferoplastos): Por ejemplo: tratemos E. coli con el quelante EDTA en una solución tamponada isotónica (con un 20% de sacarosa). Centrifugamos y el sedimento de células lo resuspendemos en una solución de MgCl2 en frío (0ºC). El resultado es que las proteínas del periplasma escapan al medio externo. Esto es un caso de tratamiento por choque osmótico que origina pérdida de contenidos del periplasma. Se comprueba que ciertos sistemas de transporte quedan inutilizados, debido a que requieren para su funcionamiento, amén de proteínas de membrana citoplásmica, otras específicas del espacio periplásmico. Por contra, este sistema no se ve afectado por los agentes ionóforos. Por esta razón, a este sistema en Gram-negativas se le ha llamado durante mucho tiempo “transporte activo sensible a choque osmótico”.

Los sistemas ABC de bacterias Gram-positivas están menos estudiados, pero en general se parecen a los de Gram-negativas, salvo que carecen del transportador libre periplásmico. En su lugar existe una proteína con funciones equivalentes (captar el nutriente del exterior), pero que está anclada al lado externo de la membrana citoplásmica, cerca del heterodímero integral de membrana (la unión es mediante su cisteína N-terminal, que se une a un fosfolípido).

TRANSPORTE ACOPLADO A TRANSLOCACION DE GRUPOS

Es un sistema de transporte que acopla la entrada del sustrato con su modificación química por unión covalente con un grupo químico. Estrictamente hablando, no es un transporte activo, porque no funciona en contra de un gradiente de concentración, pero se considera de hecho como activo, ya que la concentración del sustrato modificado dentro de la célula supera con creces a la del sustrato sin modificar en el exterior.

Este sistema supone un ahorro de energía metabólica: aunque en el transporte se gasta un enlace rico en energía, el sustrato queda modificado en su paso a través de la membrana en la forma que la bacteria emplea como primer intermediario de su ruta metabólica. Es decir, con un solo proceso se cumplen dos funciones distintas: transporte y preparación química para la ruta, que de todas formas habría que realizar. No es de extrañar que este tipo de transporte haya sido seleccionado frecuentemente en la evolución bacteriana, y que hoy lo encontremos en muchos procariotas, especialmente en bacterias anaerobias o aerobias facultativas que recurren a fermentaciones (recordar que las fermentaciones tienen un rendimiento energético menor que los procesos respiratorios; por lo tanto, es “lógico” que se seleccionen mecanismos ahorradores como el descrito).

El caso mejor estudiado de esta clase de transporte lo constituye el llamado sistema de fosfotransferasa de azúcares (según las casi inevitables iniciales inglesas: PTS). En E. coli el sistema PTS permite el transporte de glucosa, manosa, fructosa y los polioles sorbitol y manitol.

Consta de varios componentes que funcionan como una cadena de transportadores del grupo fosfato de alta energía del fosfoenolpirúvico (PEP) hasta el azúcar a transportar en cuestión.

Veamos cómo funciona el sistema:

1. Por un lado, el azúcar se une al enzima EIIC específico, pero éste por sí mismo no puede liberar al azúcar sin modificar en el interior celular.

2. Mientras tanto, la EI cataliza (en presencia de Mg++) la transferencia del fosfato de alta energía del PEP a la HPr.

3. La HPr fosforilada (HPr-P) transfiere el fosfato al enzima IIA específico del azúcar [p. ej., la glucosa (EIIAGlc ) o el manitol (EIIAMtl)].

4. La EIIA-P rápidamente, y en presencia de Mg++, transfiere el fosfato a la enzima-IIB específica con la que se asocia (p. ej., EIIBGlc), que a su vez fosforila el azúcar (en el caso de la glucosa convirtiéndola en glucosa-6-P): en este momento la EIIC pierde su afinidad por el azúcar modificado, que de esta forma entra en el citoplasma, preparado ya para actuar como sustrato de la primera reacción del catabolismo de este azúcar.

En bacterias es frecuente encontrar varios sistemas de transporte para un mismo nutriente (p. ej., Escherichia coli posee cinco sistemas para transportar la galactosa y tres sistemas para algunos de los aminoácidos. Los diversos sistemas se diferencian en cuanto a su requerimiento energético, su afinidad, su regulación, etc. Lógicamente, la evolución ha debido seleccionar esta redundancia de sistemas de transporte con objeto de permitir que el microorganismo sobreviva bajo diversas circunstancias ambientales.

TRANSPORTE DE HIERRO

El hierro es un cofactor de muchas enzimas y citocromos, por lo que las bacterias necesitan captarlo. La captación de hierro se complica porque el ión férrico (Fe3+) es muy insoluble. Además, las bacterias que viven dentro de animales superiores tienen un problema: en los fluidos y tejidos de sus patrones el hierro libre es muy poco abundante (el hierro suele estar acomplejado con proteínas), por lo que se vuelve vital aprovisionarse con este elemento de alguna manera.

Muchas bacterias secretan unas moléculas de bajo peso molecular llamadas en general sideróforos, que son capaces de formar quelatos (complejos) con el hierro férrico. Por ejemplo, Escherichia coli secreta un sideróforo llamado enterobactina. Cuando la enterobactina se une al hierro, forma un complejo octaédrico, que luego se engarza con un receptor específico de la membrana externa, tras lo que el hierro se libera al espacio periplásmico, desde donde entra al citoplasma por medio de una proteína de unión periplásmica acoplada a un sistema ABC similar al visto más arriba.

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