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ATLAS de HISTOLOGÍA VEGETAL y ANIMAL

La célula

3. MEMBRANA CELULAR

Manuel Megías, Pilar Molist, Manuel A. Pombal

Departamento de Biología Funcional yCiencias de la Salud.

Facultadde Biología. Universidadde Vigo.

(Versión: Diciembre 2014)

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1 . Introducción .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Lípidos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3. Proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4. Glúcidos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5. Permeabilidad, fluidez .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

6. Asimetría, reparación .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

7. Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

8. Transporte .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

9. Adhesión .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

10. Complejos de unión .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

ÍNDICE

Tras dejar el espacio pericelular en nuestro viajehacia la célula tropezamos con la membranaplasmática de la célula. Ésta es una estructura vital.La rotura de la membrana plasmática durante másde unos pocos segundos lleva irremisiblemente a lamuerte celular. Es una barrera física que separa elmedio celular interno del externo. En las célulaseucariotas, y en algunas procariotas, también haymembranas intracelulares que delimitan a losorgánulos, separando el medio interno del orgánulodel citosol.

Función. Cada tipo de membrana estáespecializada en una o varias funcionesdeterminadas dependiendo del compartimentocelular donde se encuentre. Entre las múltiplesfunciones necesarias para la célula que realizan lasmembranas están la creación de gradientes iónicos,los cuales hacen sensible a la célula frente aestímulos externos, permiten la transmisión deinformación y la producción de ATP, sonnecesarios para la realización del transporteselectivo de moléculas, etcétera. Las membranastambién hacen posible la creación decompartimentos intracelulares para realizarfunciones imprescindibles o la envuelta nuclear queencierra al ADN. En las membranas se disponen

múltiples receptores que permiten a la célula"sentir" la información que viaja en forma demoléculas por el medio extracelular, dan a lasneuronas sus propiedades y capacidades, tambiéna las musculares. Poseen enzimas asociadas querealizan numerosas actividades metabólicas, comola síntesis de celulosa, fosforilaciones, producciónde energía, síntesis de lípidos, etcétera. Comohemos visto en el apartado anterior, la adhesividadcelular a la matriz extracelular o a otras células enlos tejidos animales se debe a las moléculaspresentes en la membrana plasmática.

Propiedades. Parte de las funciones de lasmembranas son debidas a sus propiedades físico-químicas: a) Es una estructura fluida que hace quesus moléculas tengan movilidad lateral, como si deuna lámina de líquido viscoso se tratase ; b) Essemipermeable, por lo que puede actuar como unabarrera selectiva frente a determinadas moléculas;c) Posee la capacidad de ser rota y fusionada denuevo sin perder su organización, es una estructuraflexible y maleable que se adapta a las necesidadesde la célula; d) Está en permanente renovación, esdecir, eliminación y adición de moléculas quepermiten su adaptación a las necesidadesfisiológicas de la célula.

1. INTRODUCCIÓN

4

Esquema de la organización de una membrana plasmática. Es una bicapa estructurada por los lípidos.

Determinados lípidos se asocian entre sí para formar agrupaciones más densas denominadas balsas de

lípidos, en la cuales se sitúan ciertas proteínas por afinidad eléctrica. El colesterol se localiza entre las

cadenas de ácidos grasos, cerca de la zona hidrofíl ica ("cabezas" de los lípidos). Las proteínas integrales

comunican el exterior (arriba) con el interior (abajo) de la célula. Los glúcidos se localizan en la parte

extracelular formando el glucocálix. En este esquema no se muestran las interacciones con la matriz

extracelular ni con las moléculas del citoesqueleto. (Modificado de Edidin, 2003)

La célula. 3. La membrana celular.

Atlas de histología vegetal y animal. Universidad de Vigo.

Composición y estructura. Las membranascelulares están formadas por lípidos, proteínas y,en menor medida, por glúcidos. La estructura y laorganización de las membranas celulares, así comosus propiedades, están condicionadasfundamentalmente por los lípidos. Éstos sonmoléculas anfipáticas, con una parte hidrofílica yotra hidrofóbica, que se disponen formando unabicapa lipídica donde las partes hidrofóbicas seencuentran en el centro de la membrana y lashidrofílicas en contacto con el agua. Entre loslípidos se insertan las proteínas denominadasintegrales o transmembrana, que poseensecuencias de aminoácidos hidrofóbicos entre lascadenas de los ácidos grasos de los lípidos, ydominios hidrofílicos que están con la soluciónacuosa intra y extracelula. También hay proteínasasociadas a una u otra superficie de la bicapalipídica. Los glúcidos no aparecen en todas lasmembranas, por ejemplo en algunas intracelulares,pero son abundantes en la que delimita la célulacon el medio externo, la membrana plasmática,localizados en la superficie extracelular. Losglúcidos se encuentran unidos covalentemente alos lípidos o a las proteínas.

Por tanto las membranas son como láminasextensas que cuando se observan en seccionestransversales, perpendiculares a sus superficies,con el microscopio electrónico presentan unaspecto trilaminar: dos franjas oscuras quecorresponden con las partes hifrofílicas de loslípidos y una franja clara más ancha entre ellas que

son sus cadenas de ácidos grasos. A esto sedenomina unidad de membrana y es así para todaslas membranas celulares. El espesor de lasmembranas varía entre los 6 y los 10 nm, lo cualindica que no todas las membranas sonexactamente iguales.

Las propiedades fisiológicas y estructurales delas membranas dependen de la proporción y deltipo de moléculas que las componen: lípidos,proteínas y glúcidos. Así, la membrana de loseritrocitos de rata contiene un 50 % de lípidos, un40 % de proteínas y un 10 % de glúcidos. Unaproporción similar a ésta es la más común entrelas membranas plasmáticas de todas las célulasanimales, con algunas excepciones. Por ejemplo, lamielina formada por las membranas plasmáticasde las células de Schwan, que rodean a los axonessituados fuera del sistema nervioso central,contienen un 80 % de lípidos y un 20 % deproteínas. Las membranas intracelulares suelencontener una mayor proporción de proteínas que lamembrana plasmática. La mayor diferencia laencontramos en las mitocondrias donde elporcentaje de proteínas de su membrana internallega hasta el 80 %. Por supuesto, lípidos,proteínas y glúcidos son grupos heterogéneos demoléculas y también las membranas celulares sediferencian en la composición y en la proporciónde distintos tipos de lípidos, de proteínas y deglúcidos. Además, como dijimos anteriormente,las membranas están en una constante renovaciónque permite a la célula cambiar su composición.

En los siguientes apartados veremos loscomponentes moleculares, para después tratar laspropiedades de las membranas celulares y algunasde sus funciones más importantes. En capítulosposteriores veremos que las membranas celularesde los orgánulos participan de forma determinanteen sus funciones, en el trasiego de moléculas en elinterior de la célula mediante el denominadotráfico vesicular, así como en la incorporación yliberación de macromoléculas entre el interior y elexterior celular en los procesos de endocitosis yexocitosis, respectivamente.

5La célula. 3. La membrana celular.

Vainas de mielina en un nervio periférico.

Bibliografía

Edidin M. Lipids on the frontier: a century of cell-membrane bilayers. 2003. Nature reviews in molecular and cell biology.

4:414-418.



2. LÍPIDOS

La estructura de la membrana celular estádeterminada por las características de suscomponentes, fundamentalmente por los lípidos.Los otros componentes importantes de lamembrana celular son las proteínas, principalesactores en las funciones celulares asociadas a lamembrana, y los glúcidos. Sin embargo, ladiversidad y su organización espacial hacen a loslípidos esenciales. Así, ellos definen laspropiedades físicas de las membranas. La longitudy el grado de saturación de sus ácidos grasosregulan la fluidez y el grosor de la membrana. Lascargas asociadas a sus partes hidrofílicascontribuyen a crear un gradiente eléctrico entre lacara externa y la interna, y por tanto a modular elpotencial eléctrico de la membrana. Susinteracciones con las proteínas asociadas a lamembrana modulan la actividad de éstas. Peroademás pueden actuar como segundos mensajeros

que abandonan la membrana, viajan acompartimentos intracelulares y desencadenanrespuestas celulares. Se ha postulado que lasinteracciones moleculares entre ciertos lípidosproducen la segregación de dominios espaciales yfuncionales en áreas restringidas de la membranaque afectan también a la localización de lasproteínas y a sus funciones. Son las denominadasbalsas de lípidos o "lipid rafts".

Los lípidos constituyen aproximadamente el 50% del peso de las membranas, con unos 5 millonesde moléculas por Km2. Las membranas celularesde una célula eucariota contienen más de mil tiposde lípidos que aparecen en distinta proporciónsegún el tipo de membrana que estemosconsiderando. Se estima que aproximadamente el5 % de los genes de una célula están dedicados aproducir sus lípidos. Vamos a describir los másabundantes.

Principales lípidos presentes en las membranas celulares.



Fosfoglicéridos o glicerofosfolípidos

Son los lípidos más abundantes de lasmembranas celulares y estructuralmente constande tres partes: dos cadenas de ácidos grasos,glicerol y un ácido fosfórico. Las cadenas deácidos grasos contienen de 13 a 19 átomos decarbono de longitud. La mayoría de los enlacesentre estos carbonos son simples y por tanto sedice que son enlaces saturados. Más de la mitad delos ácidos grasos tienen al menos un doble enlaceentre dos átomos de carbono, hablamos entoncesde ácidos grasos insaturados. Estos dobles enlaceshacen que la cadena de ácido graso se doble y,aunque restrinja las posibilidades de movimientode la cadena, un aumento de la proporción deestos dobles enlaces aumenta la fluidez de lamembrana puesto que provoca más separaciónentre moléculas. Los ácidos grasos constituyen laparte hidrofóbica (fobia por el agua) de losglicerofosfolípidos y son los que constituyen laparte interna de las membranas. El glicerol hacede puente entre los ácidos grasos y la partehidrofílica (apetencia por el agua). Estecomponente hidrofílico puede ser la etonalamina,colina, serina, glicerol, inositol o el inositol 4,5-bifosfato. Estos componentes son los que dannombre a los distintos tipos de glicerofosfolípidos.El tipo fosfatidiletanolamina representa más del 50% de los fosfolípidos en las membranaseucariotas.

Esfingolípidos

Deben su nombre a que poseen una molécula deesfingosina, un alcohol nitrogenado con un cadenacarbonada larga, a la cual se le une una cadena de

ácido graso, formando la estructura básicadenominada ceramida (ver figura =>). Por tantoqueda una estructura similar a la de losglicerofosfolípidos, dos cadenas hidrofóbicasunidas a una estructura hidrofílica. Losesfingolípidos constituyen la mayoría de losdenominados glucolípidos de las membranas, esdecir, lípidos que poseen uno o más azúcaresunidos formando parte de su zona hidrofílica. Otrotipo de esfingolípidos son las esfingomielinas queposeen una etanolamina o una colina fosforiladasen sus zonas hidrofílicas. Los esfingolípidos sonmás abundantes en las mebranas plasmáticas queen las de los orgánulos, y se se les propone comolo principales responsables, junto con el colesterol,de la segregación de la membrana en dominiosmoleculares (balsas de lípidos).

Esteroles

El colesterol es el esterol más importante de lascélulas animales y el tercer tipo de lípido másabundante en la membrana plasmática, mientrasque aparece en pequeñas proporciones en lasmembranas de los orgánulos. El colesterol noaparece en las membranas de las plantas, enalgunas células eucariotas, ni en las bacterias, peroestas células tienen otro tipo de esteroles. Elcolesterol se localiza entre las cadenas de ácidosgrasos de los otros lípidos. Es importante para laestructura de la membrana puesto que junto conlos esfingolípidos parece contribuir a formarheterogeneidades en la distribución molecular ytambién participa en ciertos procesos metabólicosvitales como la síntesis de hormonas esteroideas ode sales biliares, entre otras.

Bibliografía

Janmey PA, Kinnunen PKJ. Byophisical properties of l ipids and dynamic membranes. 2006. Trends in cell biology. 16:538

546.

van Meer G, Voelker DR, Feigenson GW. Membrane lipids: where are they a how they behave. 2008. Nature reviews in

molecular cell biology. 9:112124.



3. PROTEÍNAS

Las proteínas son las responsables de muchas delas funciones que tienen su base en las membranascelulares. Hay dos grandes grupos de proteínasrelacionadas con las membranas: las integrales ylas asociadas.

Proteínas integrales

Las proteínas integrales son aquellas que formanparte de la mambrana de manera permanente. Sedividen en tres grupos: las transmembrana, laintegradas en una monocapa y las unidascovalentemente a moléculas que forman parte dela membrana.

Las proteínas transmembrana poseen tresdominios en sus secuencias de aminoácidos: unoextracelular, uno intracelular y otro en el interioren la propia membrana. Poseen secuencias deaminoácidos con radicales hidrofóbicos que sesitúan entre las cadenas de ácidos grasos de loslípidos de la membrana, mientras que losdominios intra y extracelular poseen secuencias deaminoácidos con radicales hidrofílicos. Estas

En este esquema se muestran los principales tipos de

proteínas transmembrana. Las hay con un solo cruce

como la glicoforina o con varios como algunos receptores.

En ambos casos la secuencia o secuencias de

aminoácidos localizadas entre las cadenas de ácidos

grasos adoptan una conformación en alfa hélice. La

aquaporina, un canal que cruza numerosas veces la

membrana, posee secuencias de aminoácidos de la zona

hidrofóbica que se disponen en hebras beta. (Modificado

de Pollard et al. , 2007)

proteínas son mayoritariamente producidas en elretículo endoplasmático y repartidas por otrasmembranas de la célula principalmente medianteel tráfico vesicular, como veremos en capítulosposteriores.

Existen proteínas transmembrana cuya cadenade aminoácidos cruza una sola vez la membranamientras que otras pueden hacerlo hasta 7 veces.Muchas proteínas transmembrana realizan sufunción cuando se asocian con otros polipéptidostambién integrales para formar estructurasoligoméricas (más de un elemento). Las funcionesson muy variadas, pero destacan la adhesiónllevadas a cabo por las integrinas, cadherinas,selectinas y otras, formación de bombastransportadoras de iones, transportadores demoléculas como la glucosa y canales iónicos quegeneran ATP como la ATPasa de las mitocondriasy los cloroplastos, otras pueden afectar alpotencial de membranas como los canales calcio,sodio o potasio. Algunas son receptores de señalescomo los que reconocen los factores secrecimiento, neurotransmisores, hormonas y otros.Su organización en dominios extracelular eintracelular permite una comunicación entreambos de la membrana, lo cual hace que unainformación extracelular, por ejemplo unahormona reconocida por el dominio extracelular,provoque un cambio conformacional en eldominio intracelular y esto desencadene unacascada de señales intracelulares que alteren lafisiología celular, incluso la expresión génica.

Hay proteínas que forman parte de la membranapero que no son transmembrana. Son aquellas queposeen parte de su secuencia de aminoácidosintegrada entre los lípidos de una de lasmonocapas de la membrana, y por tanto tienen undominio extramembranoso que puede sercitosólico o extracelular, según en que monocapade la membrana estén integradas. Un segundo tipode proteínas integrales son aquellas que seencuentran ancladas por enlaces covalentes amoléculas de la membrana, como puede ser unácido graso. En este caso toda la secuencia deaminoácidos es extramembranosa, pudiendo sercitosólica o extracelular. En este tipo podemos



Esquema de las principales formas de proteínas

periféricas: aquellas asociadas a la superficie de la

membrana y aquellas que se encuentran parcialmente

integradas. De izquierda a derecha: proteínas que tienen

una parte de su secuencia de aminoácidos inserta en una

de las monocapas de la membrana, proteínas que están

unidas covalentemente a azúcares de los glucolípidos,

proteínas que tienen ácidos grasos unidos covalente, lo

que les permite insertarse en la zona hidrófoba de la

membrana. proteínas que interactúan eléctricamente con

las cabezas de los lípidos; y proteínas que interactúan con

los dominios extramembrana de proteínas transmembrana.

(Modificado de Alberts et al. , 2002).

también incluir a las proteínas que están unidascovalentemente a los glúcidos de los lípidos. A lasproteínas que no son transmembrana se les puedellamar también periféricas puesto que sólo estánrelacionadas con una monocapa. Las proteínasperiféricas Incluyen también a las proteínasasociadas.

Proteínas asociadas

Las proteínas asociadas a las membranasplasmáticas son aquellas que no forman partepermanente de las membranas y su unión a lamembrana se produce por interacciones eléctricascon molélas de la propia membrana (fuerzas devan der Waals). Estas asociaciones son más lábilesy las proteínas pueden abandonar la membranacon cierta facilidad. En realidad son proteínashidrosolubles.



4. GLÚCIDOS

Los glúcidos presentes en las membranas no seencuentran libres, como ocurría con losglucosaminoglucanos en la matriz extracelular,sino que están unidos covalentemente a los lípidosformando los glucolípidos y a las proteínasformando las glucoproteínas de membrana.Porúltimo, algunos proteoglucanos insertan suscadenas de aminoácidos con radicales hidrófobosen la membrana, quedando losglucosaminoglucanos hacia el exterior. Aunqueexisten glúcidos en las membranas intracelulares,

Esquema de algunas moléculas glucosidadas de la

membrana plasmática. Los glucolípidos son principalmente

esfingolípidos con diferente composición de glúcidos.

Algunos proteoglucanos tienen su parte proteica insertada

entre las cadenas de ácidos grasos. Numerosos glúcidos de

la membrana forman parte de las glucoprotínas, formando

enlaces tipo O (con los aminoácidos serina) o tipo N (con

los aminoácidos asparragina) (Modificado de Fuster y Esko,

2005).

tanto glucolípidos como glucoproteínas son másabundantes en la membrana plasmática,preferentemente localizados en la monocapaexterna. Los glúcidos de las membranas seensamblan principalmente en el aparato de Golgi,aunque también en el retículo endoplasmática.

Hay tres tipos de glucolípidos: losglucoesfingolípidos, que son los más abundantes,los gliceroglucolípidos y losglucosilfosfatidilinositoles. Los gliceroglucolípidosson típicos de las membranas plasmáticas de las

plantas. Sin embargo, la mayoría de los glúcidosde membrana se encuentran asociados a lasproteínas, denominadas glucoproteínas. Mientrasque prácticamente todas las proteínas contienensacáridos unidos, sólo un 5 % de los lípidos losposeen. Al conjunto de glúcidos localizados en lamembrana plasmática se les denomina glucálix. Enalgunos tipos celulares la cantidad de glúcidos quese encuentran en las superficie celular es tangrande que puede observarse con el microscopioelectrónico. La célula queda así recubierta por unaenvoltura de glúcidos que representa entre el 2 y el10 % del peso de la membrana plasmática. Elgrado de desarrollo del glucocálix depende deltipo celular.

No se puede considerar a los glúcidos comomoléculas inertes sino que tienen papelesimportantes en el funcionamiento celular,fundamentalmente actúan como lugares dereconocimiento y unión. Por ejemplo, los grupossanguíneos vienen determinados por glúcidos de lamembrana, lo que implica que tienen capacidad derespuesta inmunitaria. Cuando se produce unainfección, las células endoteliales próximasexponen una serie de proteínas llamadas selectinasque reconocen y unen sacáridos de los linfocitoscirculantes en el torrente sanguíneo y permiten suadhesión y el cruce del propio endotelio paradirigirse hacia la zona infectada. Elreconocimiento celular mediado por los glúcidoses también muy importante durante el desarrolloembrionario. Son también unos de los principaleslugares de reconocimiento por parte de lospatógenos para unirse e infectar a las células. Losvirus como el de la gripe, bacterias como las E.coli patógenas y protozoos patógenos debenadherirse a la superficie celular para infectar, deotra manera serán barridos por los mecanismos delimpieza del organismo. Estos organismospatógenos poseen unas proteínas de membranadenominadas lectinas que tienen afinidad pordeterminados azúcares o cadenas de azúcares ypor tanto sólo reconocerán a las células que losposean. La selectividad en la infección dedeterminados tipos celulares depende de lacomposición de azúcares de su glucocálix. Existen


diferencias entre los glúcidos de la membranas de vertebrados, invertebrados y protozoos.


Bibliografía

Fuster MM, Esko JD. The sweet and sour of cancer: glycans as novel therapeutic targets. Nature reviews cancer. 2005.

5(7):526-542.



5. PERMEABILIDAD, FLUIDEZ

La composición química de las membranashace que posean unas propiedades esenciales paralas funciones que desempeñan en la célula.Podemos agrupar dichas propiedades en cinco:semipermeabilidad, asimetría, fluidez, reparacióny renovación.

Semipermeabilidad

Esta propiedad se debe al ambiente hidrófobointerno de la membrana creado por las cadenas deácidos grasos de los lípidos, difícil de cruzar porlas moléculas con carga eléctrica neta. Estopermite a las membranas crear compartimentos omantener separados el medio intracelular delextracelular y, por tanto, impedir la libre difusiónde numerosas moléculas a su través. Sin embargo,la permeabilidad es selectiva. Así, moléculaspequeñas sin carga, por ejemplo el CO2, N2, O2, omoléculas con alta solubilidad en grasas como eletanol cruzan las membranas prácticamente sinoposición, por difusión pasiva. La permeabilidadde la membrana es menor para aquellas moléculascon cargas pero globalmente neutras (el númerode cargas negativas iguala al de cargas positivas)como el agua o el glicerol. Se podría pensar que elagua difunde libremente por las membranas perono es así y por ello en determinadas membranasexisten unas moléculas denominadas acuaporinas

que facilitan el cruce de la membrana por partedel agua. Es menor aún la capacidad de atravesarla membrana para moléculas grandes neutras perocon cargas, como la glucosa. Sin embargo, esaltamente impermeable a los iones y a lasmoléculas que también carga neta.

La desigual distribución de iones y moléculasentre ambos lados de la membrana es la base parala creación de los gradientes químicos y eléctricos.La medida de esa diferencia de concentración decargas es lo que se llama potencial de membrana,que se usa para muchas funciones celulares, comopor ejemplo la síntesis de ATP o la transmisión delimpulso nerivioso. La semipermeabilidad de lamembrana también permite el fenómeno de laósmosis, es decir, el flujo de agua hacia donde másconcentración de solutos haya. Las célulasvegetales deben su crecimiento a este proceso.Como veremos más adelante, las moléculas que nocruzan las membranas libremente son interesantespara las células puesto que la variación de susconcentraciones a un lado u otro de la membranapuede actuar como señales o como herramientas,por ello se han inventado proteínas integrales demembrana que permiten selectivamente el paso deestas sustancias de un lado al otro. Por ejemplo, lacontracción muscular se debe a una rotura de esegradiente eléctrico.

Fluidez

Es la capacidad de una molécula que formaparte de una membrana para desplazarse por ella.Las membranas son fluidas, prácticamente sonláminas de grasa, donde las moléculas seencuentran en un estado de líquido viscoso. Estoimplica que, en teoría, las moléculas podríandifundir y desplazarse por ella sin restricciones.Consideremos un glicerofosfolípido que estásituado en la membrana plasmática en sumonocapa externa. Tendría dos posibilidades demovimiento: uno lateral donde se desplazaría entrelas moléculas contiguas, y otro en el que saltaría ala monocapa interna, movimiento denominado"flip-flop". Los dos tipos de movimientos se handemostrado experimentalmente en membranasartificiales pero uno es más frecuente que el otro.

El cruce de la membrana por parte de las moléculas

depende de su tamaño y de sus características eléctricas

(Modificado de Alberts et al. , 2002).


Una molécula lipídica puede recorrer 30 micras enunos 20 segundos por difusión pasiva lateral, esdecir, podría dar la vuelta a una célula de tamañomedio en aproximadamente un minuto. Sinembargo, los saltos entre monocapas son muyinfrecuentes, se estima que la posibilidad de que leocurra a un lípido es de una vez al mes debido aque las cabezas polares de los lípidos seencuentran con la barrera de las cadenas de ácidosgrasos. El colesterol posee, sin embargo, lacapacidad de hacer movimientos "flip-flop" conrelativa facilidad.

La fluidez de la membrana puede variar con lacomposición química de sus componentes. Así,generalmente, la menor longitud o la mayorcantidad de enlaces insaturados de las cadenas deácidos grasos hacen que las membranas sean másfluidas. El colesterol también inluye en la fluidezde la membrana, pero su efecto depende de lascondiciones de temperatura y composiciónlipídica. En general se puede decir que mayorconcentración de colesterol disminuye la fluidezde la membrana plasmática (aunque a bajastemperaturas favorece la fluidez). Por tanto, lascélulas pueden alterar la fluidez de sus membranamodificando la composición química de éstas. Porejemplo, algunas bacterias son capaces deaumentar la concentración de ácidos grasosinsaturados (dobles enlaces) a temperaturas bajas,mientras que cuando suben los cambian por ácidosgrasos saturados. La bajada de la temperaturadisminuye la fluidez de la membrana.

Podríamos pensar que las proteínas integrales demembrana también tienen la posibilidad de unalibre difusión lateral. Se ha comprobado que lasproteínas tienen numerosas restricciones a lamovilidad, principalmente por culpa de lasinteracciones de sus dominios intra yextracelulares con moléculas del citoesqueleto y dela matriz extracelular, respectivamente. Estasinteracciones anclan por tiempos más o menosprolongados las proteínas de membrana a lugaresconcretos de la superficie celular. Las célulastienen otros mecanismos para confinar proteínas adeterminados dominios celulares. Por ejemplo, enlas células epiteliales del digestivo ciertostransportadores y enzimas están localizados sóloen la zona apical y otros en la basal gracias alcierre a modo de cinturón que realizan las unionesestrechas, como vimos en el capítulo dedicado a lamatriz extracelular. Tal asimetría es esencial parael funcionamiento de la célula epitelial.

Recientemente se ha postulado una restricciónadicional al movimiento de las moléculas en lasmembranas de las células: las interacciones yasociaciones moleculares entre las propiasmoléculas de las membranas. Los esfingolípidos yel colesterol se pueden asociar entre síespontáneamente haciendo que su movilidaddisminuya y por tanto se conviertan en una regiónmembranosa más densa que el resto, como si deuna balsa en un mar se tratara. Se cree que estas


Movimientos que pueden sufrir los lípidos en las

membranas gracias a su fluidez. Los movimientos fl ipflop

son muy raros para los lípidos y no se han documentado

para las proteínas

Los movimientos de las moléculas pueden estar

restringidos por las interacciones directas con la matriz

extracelular, con el citoesqueleto, aunque también se

pueden limitar los movimientos por la inclusión en las

balsas de lípidos o por la disposición del citoesqueleto

(imagen de la derecha)


asociaciones, denominadas balsas de lípidos("lipid rafts"), son muy abundantes y dinámicas yhacen que las membranas celulares sean enrealizad un mosaico de dominios más densos queviajan entre los glicerofosfolípidos, más fluidos.Hay experimentos que apoyan la idea de queciertas proteínas tendrían mayor apetencia porestas balsas y por tanto viajarían en el interior deellas. Este confinamiento de proteínas endominios celulares es importante puesto quepermitiría agrupar o segregar conjuntos deproteínas que favorecerían o no el inicio decascadas de señalización intracelulares. Además,se postula que la alta concentración de ciertos

tipos de lípidos en dichas balsas crea un ambientequímico propicio para determinadas reaccionesquímicas o interacciones moleculares. Porejemplo, se cree que la infección de los linfocitospor parte del virus del SIDA necesita la existenciade dichas balsas de lípidos. En cualquier caso talesdominios de esfingolípidos y colesterol sólo se hanpostulado para la monocapa externa de lamembrana plasmática, aunque también se proponesu existencia en las membranas de los orgánuloscelulares donde algunas funciones del propioorgánulo estarían segregadas en distintos dominiosde sus membranas.




6. ASIMETRÍA, REPARACIÓN

Asimetría

Las membranas celulares son una bicapa lipídicacon dos hemicapas. En las membranas de losorgánulos y en la plasmática existe una hemicapaorientada hacia el citosol y otra orientada hacia elinterior del orgánulo o al exterior celular,respectivamente. La composición en lípidos,glúcidos y proteínas periféricas es distinta enambas hemicapas. En la membrana plasmática, lahemicapa orientada hacia el exterior contiene unamayoría de los lípidos que poseen colina, como lafosfatidicolina y la esfingomielina, mientras que lafosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y lafosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna.Esto es interesante porque crean una distribucióndiferente de cargas entre ambas superficies de lamembrana, que contribuye al potencial demembrana. Además, facilita la asociaciónespecífica de proteínas que necesitan un ambienteeléctrico determinado y que es aportado por lanaturaleza química de las cabezas de los lípidos.Otro ejemplo es el lípido fosfatidil inositol,localizado en la hemicapa interna, que al sermodificado por ciertas fosfolipasas se divide endos moléculas, una de las cuales viaja por elcitosol y actúa como segundo mensajero. Tambiéndurante la apoptosis, muerte celular programada,los lípidos de la hemicapa interna de la membranacitoplasmática son expuestos en la hemicapaexterna, son reconocidos entonces por losmacrófagos y la célula es fagocitada. Los glúcidosse localizan preferentemente en la hemicapaexterna de la membrana plasmática, comoveremos más adelante. La asimetría en ladistribución de moléculas entre ambas hemicapasse produce también en diferentes orgánulos de lacélula.

¿Dónde se produce la asimetría? La asimetríaque aportan las proteínas se produce durante susíntesis en el retículo endoplasmático, aunque lasproteínas asociadas a la cara citosólica sesintetizan en el citosol. La distribución asimétricade los lípidos se produce principalmente en elaparato de Golgi y en otros compartimentoscelulares, excepto el retículo endoplasmático,donde hay una distribución simétrica en las dos

hemicapas. Esta asimetría se mantiene por lainfrecuencia de los saltos de los lípidos entrehemicapas (movimiento "flip-flop"). Ladistribución de glúcidos, localizados sobre todo enla hemicapa externa de la membrana plasmática,se produce en el retículo endoplasmático y en elaparato de Golgi.

Rotura y fusión

Una de las propiedades más útiles de lasmembranas para la célula es la capacidad de serrotas y volver a ser fusionadas. Ello permite quelos compartimentos intracelulares puedan sertremendamente plásticos, es decir, dividirse,fusionarse, pueden formar vesículas membranosasen un compartimento que viajan a otro con el quese fusionan, etcétera. Ésta es la base del transportede moléculas entre compartimentos membranososque veremos en apartados posterirores,denominado transporte vesicular. Estacaracterística de las membranas es tambiénnecesaria durante la etapa de la mitosisdenominada citocinesis donde la membranacitoplasmática debe crecer en superficie, rompersey luego fusionarse para formar dos células hijasindependientes. Realmente estos procesos derotura y de fusión de membranas están gobernadospor las proteínas, entre las que se destacan lasSNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitivefactor attachment receptor), puesto que la bicapalipídica es muy estable.

Reparación

Numerosos procesos naturales o lamanipulación experimental de las células provocanla rotura de las membranas celulares. Por ejemplo,en los experimentos de clonación se necesita meteruna pipeta, la captación de vectores o ADNsupone a veces la poración de las membranascelulares, la propia manipulación supone roturasde membrana. Pero también en los tejidos vivossometidos a tensiones hay un proceso de rotura dela membrana plasmática, como ocurrefrecuentemente en las células musculares. Lacélula cuenta con mecanismos para evitar que sucontenido citoplasmático salga al exterior y serompan las diferencias entre el medio interno y


externo. Esto es letal para la célula si se prolongamás de unos cuantos segundos.

Hay dos maneras de sellar la membrana según eltipo de daño que se produzca. Cuando los dañosson pequeños (normalmente menores a 0.2 Km)las propiedades de los lípidos de la membrana sonsuficientes para repararlos. Ello es debido a quelos lípidos en el borde de la membrana adoptanuna disposición inestable que fuerza a dichosbordes a encontrarse y a sellarse. La rapidez conque este proceso ocurre depende de la tensión dela membrana, que depende a su vez de los puntosde anclaje, bien al citoesqueleto o a la matrizextracelular. Cuando se produce una rotura entracalcio a favor de gradiente de concentración quehace que el citoesqueleto se desorganiceparcialmente en la zona dañada y su efecto sobrela membrana disminuye, se rebaja así la tensión yaumenta la velocidad de resellado. Cuando losdaños son grandes (más de 0.2-0.5 Km) los bordesrotos libres de la membrana están demasiado lejospara se que puedan autosellar y se pone enfuncionamiento un mecanismo de exocitosismasiva, es decir, fusión de vesículas con lamembrana plasmática, aunque en este casotambién incluye grandes compartimentosmembranosos. El proceso sería el siguiente: laamplia rotura produce una gran entrada de calcio,éste provoca la fusión de compartimentosmembranosos próximos al lugar de la roturacreándose un macrocompartimento, el cual

terminaría por fusionarse con los bordes de lamembrana plasmática. Entre los compartimentosimplicados en la fusión estarían los endosomas, loslisosomas, vesículas próximas y otroscompartimentos especializados de distintos tiposcelulares. Los lisosomas parecen especialmenteimportantes en este proceso.

Las células y los tejidos tienen mecanismos paraadaptarse a las tensiones mecánicas repetitivas: lamatriz extracelular se especializa, aumentan loscomplejos de unión, aumentan los filamentosintermedios del citoesqueleto, aumenta lasdimensiones y el número de compartimentosmembranosos celulares, etcétera. En los cultivoscelulares se pueden estudiar las respuestas de lascélulas a las tensiones mecánicas. Se hacomprobado que ante un estiramiento del 10-15%las células aumentan su superficie de membranapor fusión de compartimentos internos. Estoocurre normalmente en las células de la vejigaurinaria,que sufren grandes variaciones de tensión.


Cuando las roturas de la membrana son pequeñas,

menores a unas 0.2 micras, las propiedades moleculares

de los lípidos son suficientes para cerrar el hueco

(Modificado de McNeil , 2003)

Cuando las roturas de la membrana son grandes, más de

0.20.5 micras, ocurre una gran entrada de calcio que

dispara procesos similares a los de la exocitosis. Los

orgánulos próximos son conducidos a la zona del daño, se

fusionan entre sí y terminan por fusionarse con la

membrana plasmática. (Modificado de McNeil , 2003)


Cuando las células en cultivo son estiradas dosveces, en la segunda se produce una reparaciónmás rápida que en la primera. Se observa que lacantidad de vesículas producidas por el aparato deGolgi es mayor de lo normal, por lo que la célula

puede responder con mayor eficacia. La sujeciónde la células a la matriz extracelular también se vereforzada. Así, las proteínas del citoesqueleto y dela matriz extracelular se incrementan en númeropara adaptarse a las tensiones mecánicasrepetitivas.

Bibliografía

Fuster MM, Esko JD. The sweet and sour of cancer: glycans as novel therapeutic targets. Nature reviews cancer. 2005.

5(7):526-542.




7. SÍNTESIS

El origen de las moléculas que forman parte delas membranas lo trataremos con más detallecuando hablemos de los orgánulos que lasproducen. Así, la síntesis de lípidos se estudiarácuando hablemos del retículo endoplasmático liso,la de las proteínas cuando nos centremos en elretículo endoplasmático rugoso y los glúcidoscuando abordemos el aparato de Golgi. Asimismo,en el apartado dedicado a cada orgánulomembranoso de la célula estudiaremos cómo y dedónde proceden las moléculas que lo forman. Aquíharemos una síntesis.

Las membranas están en perpetua renovación,sus moléculas son degradadas y sintetizadas denuevo continuamente. Mediante marcaje deaminoácidos se ha comprobado que las proteínasde alto peso molecular de la membrana plasmáticase renuevan cada 2-5 días, mientras que las debajo peso molecular lo hacen cada 7-13 días. Loslípidos lo hacen cada 3-5 días. La mayoría de loscomponentes de las membranas celulares sesintetizan en el retículo endoplasmático. Esto escierto para las proteínas y para la mayoría de loslípidos, mientras que la mayor parte de losglúcidos son añadidos en el aparato de Golgi. Eltransporte de estas moléculas desde el retículoendoplasmático o desde el aparato de Golgi hastasu destino final sigue generalmente las rutas deltráfico vesicular, que es aquel que comunica loscompartimentos celulares membranosos mediantevesículas.

El retículo fabrica proteínas y lípidos para símismo, para la envuelta nuclear, que en realidades una continuación de las membranas del propioretículo, para el aparato de Golgi, para losendosomas, para los lisosomas, para la membranaplasmática y para las propias vesículas que sirvende transportadores. El retículo también fabricalípidos para otros orgánulos que quedan fuera dela ruta vesicular como son las mitocondrias y loscloroplastos, los cuales reciben los lípidos graciasa intercambiadores moleculares. Estosintercambiadores son capaces de extraer un lípidode una membrana protegerlo del medio acuoso,viajar por el citosol y soltar su carga en otramembrana. Algunos de los lípidos de los

compartimentos que participan en el tráficovesicular también se transportan de esta forma.Las proteínas de las membranas de lasmitocondrias y de los cloroplastos se sintetizan enribosomas libres en el citosol o son producidas porel propio orgánulo, puesto que estos dos orgánuloscontienen ADN, ribosomas y toda la maquinariapara la síntesis proteica.

Merece mencionar como caso aparte a losperoxisomas. Recientemente se ha postulado queson derivados de las membranas del retículoendoplasmático, del que se originarían porevaginación. Sin embargo, es un orgánulo que norecibe ni envía vesículas a otros orgánulos.Además, se ha demostrado que ciertas proteínasproducidas por los ribosomas citosólicos formanparte de los peroxisomas. Luego las fuentes de susmoléculas de membrana son variadas.

En el caso de la membrana plasmática laprincipal fuente de moléculas son las vesículas quese fusionan con ella. Los compartimentos queproducen dichas vesículas son principalmente losendosomas y el aparato de Golgi. Pero en últimainstancia las proteínas y los lípidos que conformanlas vesículas son sintetizados en el retículoendoplasmático. Sin embargo, el glucocálixdesarrollado presente en algunas células seensambla principalmente en el aparato de Golgi.La renovación de las moléculas de las membranaplasmática se completa con la formación devesículas en la propia membrana que viajarán enuna serie de pasos hasta los lisosomas donde serándegradadas. A veces las moléculas que se retirande la membrana por parte de las vesículas sondevueltas a ella, de nuevo en forma de vesículas,gracias a un proceso de reciclaje que tiene a losendosomas como compartimento de relevo. Estohace que la membrana plasmática pueda variar lacantidad y proporción de sus moléculas sin lanecesidad de un costoso proceso de degradación ysíntesis.



8. TRANSPORTE

Las membranas suponen una barrera a la libredifusión de iones y moléculas cargadaseléctricamente. Sin embargo, muchas de esasmoléculas son esenciales para la célula. Pensemos,por ejemplo, en la glucosa o en los iones que creangradientes electroquímicos. Como dijimos enapartados anteriores la creación de gradientesentre ambos lados de la membrana es necesariapuesto que se usan en muchos aspectos de lafisiología celular. Pero para que estos gradientessean útiles es necesario que la célula puedacrearlos, regularlos y romperlos cuando lonecesite. En la membrana existen unas proteínasespecializadas tanto en el transporte de moléculasnecesarias para el metabolismo como en lacreación y modificación de los gradienteselectroquímicos. Son proteínas integrales que seagrupan en tres tipos: bombas, transportadores ycanales.

Las bombas son proteínas integrales quetransportan iones o moléculas de un lado al otro dela membrana en contra de sus gradientes deconcentración, con gasto de energía. La energía lapueden obtener de diferentes fuentes: de la luz, dereacciones de óxido-reducción o de la hidrólisisdel ATP, que es lo más frecuente. Las bombas son

creadoras de gradientes puesto que transformanenergía química o electromagnética (luz) engradiente electroquímico que luego será usadopara otras necesidades celulares, como veremosmás adelante. No existe una gran diversidadmolecular de bombas y se pueden clasificar en: a)Usan la luz como fuente energética. Por ejemplo,la bacteriorodosina utiliza a la luz para crear ungradiente de protones en las membranas dealgunos procariotas. b) Utilizan potenciales deóxido-reducción para crear gradientes. Loscomplejos de las cadenas de transporte deelectrones de las mitocondrias aprovechancambios de óxido-reducción para mover protonesdesde la matriz al espacio intermembranoso, entrelas dos membranas. c) Usan ATP como fuente deenergía. Dentro de este grupo hay varios tipos. Lashay que introducen protones en los orgánulos,como las presentes en las membranas de loslisosomas que producen pH ácidos para permitirla degradación de moléculas. A este grupotambién pertenecen las ATPasas de lasmitocondrias y de los cloroplastos que realizan elproceso contrario, utilizan un gradiente deprotones para sintetizar ATP. Aunque también

Ejemplos de proteínas que permiten el transporte de iones,

denominadas bombas. El primer ejemplo (más a la

derecha) es un complejo de la cadena respiratoria de las

mitocondrias. A continuación una bacteriorodopsina, que

usa la luz visible para mover protones a través de la

membrana y por último , una bomba que intercambia sodio

y potasio, ayudando a establecer los gradientes de estos

iones en la membrana plasmática. (Modificado de Alberts et

al. , 2002).

Esquema de los distintos tipos de transporte l levado a cabo

por los transportadores. Pueden ser uniporte si transportan

una sólas molécula a favor de gradiente. También hay

transportadores que cotransportan dos moléculas distintas

aprovechando el gradiente de concentración de una de

ellas. Si las dos viajan en un mismo sentido tenemos un

cotransporte simporte y si lo hacen en sentido contrario

antiporte (Modificado de Alberts et al. , 2002).


pueden consumir ATP para producir un gradientede protones. Otro tipo de bombas que utilizanATP transportan iones de un lado a otro de lamembrana. Una de las más importantes es laATPasa de Na+/K+, responsable de la creación delos gradientes iónicos de las membranasplasmáticas y que permite la excitabilidad de lasneuronas, de las células musculares, la absorciónde los alimentos por las células del aparatodigestivo, etcétera. Nos podemos hacer una ideade la importancia de estas bombas Na+/K+ en lascélulas animales sabiendo que consumen hasta el25 % del total del ATP celular. A este grupopertenecen también las bombas que transportancationes como el calcio, por ejemplo la que se sacacalcio del retículo endoplasmático de las célulasmusculares en cada contracción muscular. Porúltimo tenemos los bombas denominadas ABCque usan ATP para mover una gran variedad demoléculas entre ambos lados de la membrana.Aparecen en todas las células conocidas y soncapaces de transportar una gran variedad desustratos que van desde iones, monosacáridos,aminoácidos, hasta poliscáridos y polipéptidos.


Los canales iónicos son conductos hidrofíl icos que permiten

el paso de iones a favor de gradiente de concentración.

Pueden ser canales dependientes de voltaje cuando su

apertura o cierre están regulados por el potencial de la

membrana o dependientes de ligando cuando es el

reconocimiento de una molécula, por ejemplo un

neurotransmisor, lo que provoca su apertura. (Modificado de

Alberts et al. , 2002).



9. ADHESIÓN

Proteínas transmembrana que unen la célula

a la matriz extracelular.

Las integrinas son las moléculas másimportantes en la adhesión de la célula a la matrizextracelular. Las integrinas son una gran familiade proteínas presentes en prácticamente en todoslos animales. Son proteínas transmembranaformadas por dos subunidades (alfa y beta). Enmamíferos hay 18 unidades alfa y 3 unidades betaque por combinaci&oacue;n pueden formar hasta24 integrinas diferentes, las cuales se expresansegún el tejido o estado fisiológico de la célula.Cada tiene 3 dominios moleculares: un dominiointracelular que contacta con el citoesqueleto,filamentos de actina, otro extracelular globularque es capaz de unirse al colágeno, fibronectinas ylamininas, y un dominio transmembrana entre lascadenas de ácidos grasos de la membrana. Sucapacidad de unirse a moléculas de la matrizextracelular y al citoesqueleto permite una

continuidad estructural mecánica entre el interiory exterior de la célula. Pero además permitemodificar el comportamiento celular en funciónde las moléculas presentes en la matrizextracelular. Esto es posible porque el estado deadhesión de la integrina se transmite a su dominiocitosólico, el cual interactúa con proteínas que soncapaces de viajar al interior del citoplasma paraafectar a rutas moleculares o viajar al interior delnúcleo para alterar la expresión génica. También lacélula puede modificar su capacidad de adhesión,y por tanto su movilidad, cambiando el juego de

proteínas receptoras en su superficie.

Las integrinas suelen aparecer asociadas en lamembrana plasmática formando las denominadasadhesiones focales y también a loshemidesmosomas.

Proteínas transmembrana que unen una

célula a otra célula.

Estas moléculas se encargan de adherirdirectamente unas células a otras. Hay cuatrotipos: cadherinas, inmunoglobulinas, selectinas yalgunos tipos de integrinas. Las cadherinas seencuentran en la superficie de la mayoría de lascélulas animales y forman uniones homotípicas, esdecir, reconocen a otras cadherinas en la célulaadyacente. Son una gran superfamilia de proteínascuyos miembros suelen aparecercaracterísticamente en ciertos tejidos. Así, la N-cadherina se expresa en el tejido nervioso, la E-cadherina en el tejido epitelial, etcétera. Es por

ello que juegan un papelimportante en lasegregación de poblacionescelulares de los distintostejidos. Son especialmenteimportantes durante eldesarrollo embrionario. Lascadherinas son parteestructural de losdemosomas en mancha(macula adherens). Lasmoléculas de adhesión deltipo inmunoglobulina,también llamadas CAM

(cell adhesion molecule) forman unioneshomofílicas con inmunoglobulinas presentes en lacélula adyacente, aunque también pueden realizaruniones heterofílicas con otro tipo de moléculas.Es también una gran familia de proteínas condistribución específica de sus miembros en losdistintos tejidos. Por ejemplo, N-CAM aparece enel sistema nervioso. Sus uniones no son tan fuertescomo las de las cadherinas y parece que actúanajustando de forma más fina la asociación entrecélulas de un mismo tejido. Las selectinas sontambién proteínas de adhesión entre células, pero

Modificado de Luo et al. , 2007


forman uniones heterofílicas, es decir, se unen aglúcidos presentes en la célula vecina. Esto esgracias a que poseen un dominio que tieneapetencia por determinados azúcares (ácido siálicoy fucosa). Son importantes en la unión de losglóbulos blancos a las paredes del endoteliocuando abandonan el torrente sanguíneo paraadentrarse en los tejidos. Las integrinas, que antesvimos como moléculas que median la adhesión delas células a la matriz extracelular, también puedenmediar adhesiones célula-célula. En concreto,algunas integrinas pueden formar uniones conalgunas moléculas transmembrana del tipo de lasinmunoglobulinas.

Principales proteínas transmembrana que realizan

contactos célulacélula (Modificado de Hynes, 1999)

Bibliografía

Hynes RO. 1999. Cell adhesion: old and new questions. Trends in neurosciences. 9(12):M33-M37.

Luo BH, Carman CV, Springer TA. 2007. Structural basis of integrin regulation and signaling. Annual review of

immunology. 25: 619-647




10. COMPLEJOS DE UNIÓN

Como hemos visto en el apartado anterior lascélulas se anclan a la matriz extracelular y a otrascélulas mediante unas proteínas especializadas.Las integrinas, cadherinas, selectinas einmunoglobulinas son las más importantes. Aveces se producen uniones tan especializadas ydesarrolladas que forman estructurasmacromoleculares denominadas complejos deunión y uniones focales, los cuales sonfundamentales para mantener la cohesión demuchos tejidos, principalmente los epitelios, eltejido muscular y el nervioso.

Los complejos de unión se clasifican según suforma, las moléculas de adhesión que loscomponen, los elementos a los que se unen y susinteracciones con el citoesqueleto. La primera vezque se observaron fue con el microscopioelectrónico y se clasificaron morfológicamente,pero fueron las técnicas de biología molecular lasque permitieron desentrañar sus estructurasmoleculares.

Las uniones estrechas o zonula occludens seencuentran en las partes apicales de los epitelios yen el tejido muscular cardiaco. Establecen unionestan fuertes y estrechas entre las células contiguasque prácticamente no dejan espacio intercelularentre sus membranas plasmáticas, limitando ladifusión de sustancia solubles extracelulares. Lasuniones estrechas forman una especie decinturón que rodea todo el perímetro celular, enel caso de las células epiteliales. Además demantener cohesionadas fuertemente a las célulasrealizan otras funciones. En los epitelios, porejemplo en el epitelio digestivo, impiden ladifusión intercelular evitando que las sustanciasdel interior del tubo digestivo penetren en elorganismo por los espacios intercelulares. Estoobliga a las sustancias a ser capatadasselectivamente por parte de las célulasepiteliales, donde son trasnformadas y liberadasal torrente sanguíneo. Pero, además, las unionesestrechas permiten la polaridad de las célulasepiteliales puesto que impiden la difusión lateralde moléculas insertas en sus membranascelulares. Es decir, actúan como una barrerafísica a la difusión lateral de las moléculas de la

membrana plasmática. Con ello se consigue unazona o dominio apical con un juego de moléculasdistinto al que hay en el domino latero-basal de lacélula epitelial. Esta separación es importante paraestablecer un camino de captación y liberación de

sustancias desde el exterior hacia el interior.

Las uniones estrechas están formadas por laocludina y por una familia de moléculasdenominadas claudinas, que son las proteínastransmembrana encargadas de establecer loscontactos célula-célula. Las claudinas parecen serlas más importantes en el establecimiento de launión y en estas uniones forman unos poros quedejan pasar ciertos iones por el espacio

Esquema de las uniones estrechas de las células epitel iales

del digestivo. La estructura molecular parece ser similar en

los distintos tipos de epitel ios. (Modificado de Niessen 2007)

Organización y composición de los desmosomas

(modificado de Huber 2003)



extracelular, no más de 1 nanometro de diámetro.Hay 20 tipos de claudinas, cada una de las cualesforma uno poro extracelular distinto y así losepitelios pueden modificar la selectividad de supermeabilidad intercelular según el tipo declaudina que expresen. El dominio intracelular deestas moléculas interactúa con otras moléculasdenominadas ZO, las cuales forman un entramadoque interacciona con los filamentos de actina delcitoesqueleto y con otras proteínas citosólicas quedesencadenan cascadas de señalización.

Las uniones adherentes o zonula adherens soncomplejos de unión que se forman en las célulasepiteliales y que se sitúan próximas y basales a lasuniones estrechas. Su misión es unir célulasvecinas. Son los primeros complejos de unión quese forman durante el desarrollo de los epitelios,aparece antes que las uniones estrechas, por lo queparecen actuar en procesos morfogenéticosdurante el desarrollo embrionario. Al igual que lasuniones estrechas forman una estructura a modode cinturón en todo el perímetro celular. Las E-cadherinas son las moléculas encargadas derealizar las conexiones célula-célula con sudominio extracelular, mientras que el intracelularcontacta con los filamentos de actina. En elentramado molecular que se asocia con el dominiointerno de las cadherinas se encuentra la β-catenina que puede desencadenar cambios en laexpresión génica cuando se desplaza hasta elnúcleo.

Los desmosomas o macula adherens, alcontrario que los dos complejos de uniónanteriores, establecen conexiones puntuales enforma de disco entre células vecinas, como sifuesen remaches. Son muy abundantes entre lascélulas epiteliales y entre las musculares, perotambién en otros tejidos como el nervioso. Lasuniones entre células están mediadas pormoléculas del tipo cadherinas denominadasdesmogleínas y desmocolinas. El dominiointracelular de estas cadherinas contacta con los

filamentos intermedios como las queratinas,gracias a proteínas intermediarias.

Los hemidesmosomas y las uniones focalesestablecen uniones fuertes entre las células y lamatriz extracelular. En ambos casos las uniones seestablecen por integrinas. Los hemidesmosomas

unen las células epiteliales a la lámina basalgracias al dominio extracelular de la integrina,mientras que el dominio intracelular contacta conlos filamentos intermedios citosólicos. Aunque loshemidesmosomas parecen desmosomas sin una desus partes, molecularmente son diferentes. Lasuniones focales unen a las células con diversostipos de matrices extracelulares gracias a otro tipode integrinas que en su dominio intracelularcontacta con los filamentos de actina.

Algunos autores suelen colocar en este apartadode estructuras cohesivas macromoleculares a lasuniones en hendidura. Estas son uniones entrecélulas establecidas por unas moléculasdenominadas conexinas. Sin embargo, las unionesen hendidura no tienen como principal misióncohesionar tejidos sino permitir la comunicacióndirecta entre citoplasmas de células vecinas,gracias a los canales que crean las conexinas. Portanto, veremos estas estructuras cuando hablemosde la comunicación celular.

Esquema un hemidesmosma localizado en la base de un

epitel io de mamífero. (Modificado de Hahn 2001)

Bibliografía

Hahn B-S, Labouesse M. 2001 . Tissue integrity: Hemidesmosomes and resistance to stress. Current biology. 11 :R858-R861 .

Huber O. 2003. Structure and function of desmosomal proteins and their role in development and disease. Cell and molecular

life science. 0:1872-1890.

Niessen CM. Tight junctions/adherens junctions: basic structure and function. 2007. Journal of investigative dermatology.

127:2525-2532. Niessen CM. Tight junctions/adherens junctions: basic structure and function. 2007. Journal of

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