Funciones y estructura general de las membranas biológicas
Las membranas biológicas cumplen varias tareas clave: separan el contenido celular del entorno externo, regulan el transporte de sustancias, forman contactos intercelulares y garantizan la percepción de señales externas. La base estructural de la membrana es una bicapa lipídica doble, formada por moléculas anfipáticas. Los lípidos y las proteínas de la membrana se mantienen unidos por enlaces no covalentes (débiles), lo que asegura la fluidez y plasticidad de la estructura.
La anfipatividad de los fosfolípidos está determinada por la presencia de una cabeza polar (hidrófila) y dos colas no polares (hidrófobas). Las colas se orientan una hacia la otra dentro de la bicapa, mientras que las cabezas apuntan hacia el exterior y hacia el citoplasma.
Composición lipídica de las membranas
Clases principales de lípidos de la membrana: fosfolípidos, glucolípidos y colesterol.
- El colesterol regula la rigidez y la fluidez de la membrana: su deficiencia hace que la membrana sea demasiado fluida, y su exceso, demasiado rígida.
- Los fosfolípidos están compuestos por un residuo de glicerol, dos residuos de ácidos grasos, un grupo fosfato y un grupo polar. Según la naturaleza del grupo polar, se distinguen la fosfatidilserina, la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilcolina y el fosfatidilinositol. Las cardiolipinas forman parte de las membranas mitocondriales.
- Los esfingolípidos son derivados de la esfingosina. Estos incluyen las ceramidas (esfingosina + ácido graso), los cerebrósidos (ceramida + monosacárido, más frecuentemente galactosa) y las esfingomielinas (esfingosina, ácido graso, fosfato, colina). Los cerebrósidos y las esfingomielinas son característicos de las membranas del tejido nervioso.
Durante la hidrólisis completa de un fosfolípido se rompen los enlaces éster: por ejemplo, de la esfingomielina se forman esfingosina, ácido graso, ácido fosfórico y colina; de la fosfatidilcolina, glicerol, dos ácidos grasos, fosfato y colina.
Proteínas de membrana y transporte de sustancias
Las proteínas se dividen en integrales (transmembrana), que atraviesan la bicapa, y periféricas, orientadas hacia el citoplasma o el medio extracelular. Las proteínas de membrana suelen estar glucosiladas y fosforiladas, lo que las protege de las proteasas. Desempeñan funciones de receptores, enzimas, transportadores, participan en respuestas inmunitarias y forman contactos intercelulares.
El transporte a través de la membrana puede ser pasivo y activo:
- La difusión simple es para sustancias lipófilas (hormonas esteroideas), que atraviesan libremente la bicapa según el gradiente de concentración.
- La difusión facilitada es para sustancias hidrófilas a través de una proteína transportadora, también según el gradiente.
- El transporte activo primario se realiza en contra del gradiente de concentración con gasto directo de ATP (por ejemplo, la Na⁺/K⁺-ATPasa).
- El transporte activo secundario es un simporte o antiporte que utiliza el gradiente de Na⁺ creado por la ATPasa (por ejemplo, la entrada de glucosa junto con sodio).
Sistemas de adenilatociclasa e inositol-trifosfato
Las moléculas de señalización (mensajeros primarios) son hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento y eicosanoides. Los receptores se dividen en de membrana (ionotrópicos y metabotrópicos) e intracelulares. Los metabotrópicos incluyen los receptores acoplados a proteína G y los receptores catalíticos.
En el sistema de la adenilatociclasa (glucagón, adrenalina a través de receptores β-adrenérgicos), la hormona altera la conformación del receptor, lo cual se transmite a la subunidad α de la proteína G. El GDP es reemplazado por GTP, y la subunidad α activa la adenilatociclasa, que convierte el ATP en AMPc. El AMPc activa la proteína cinasa A al disociar sus subunidades reguladoras; las subunidades catalíticas fosforilan las enzimas reguladoras. Las enzimas de degradación en estado fosforilado están activas, mientras que las enzimas de síntesis están inactivas. El AMPc es degradado por la fosfodiesterasa. La toxina colérica bloquea la desfosforilación del GTP por la subunidad α, provocando la activación constante de la adenilatociclasa y la acumulación de AMPc. A través de la proteína Gi, la subunidad α inhibe la enzima, al contrario.
En el sistema del inositol-trifosfato (ADH, adrenalina a través de receptores α₁), se activa la fosfolipasa C, que escinde el fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato en inositol-3-fosfato (IP₃) y diacilglicerol (DAG). El IP₃ se une a los receptores de rianodina del REL, liberando Ca²⁺. Los iones de calcio, junto con el DAG, activan la proteína cinasa C y se unen a la calmodulina, desencadenando una respuesta celular.
Receptores catalíticos e intracelulares
El receptor de insulina es una tirosina cinasa compuesta por dos subunidades α y dos β. Tras la unión de la insulina, las subunidades β se autofosforilan en residuos de tirosina y fosforilan la proteína IRS (Insulin Receptor Substrate). La IRS activa la fosfoproteína fosfatasa, la fosfodiesterasa, los factores de transcripción y promueve la inserción de GLUT-4 en la membrana de adipocitos y miocitos. El resultado de la acción de la insulina es la desfosforilación de las enzimas reguladoras: las enzimas de síntesis se activan y las de degradación se inactivan.
El receptor de guanilato ciclasa (péptido natriurético auricular, guanilina) sintetiza por sí mismo GMPc a partir de GTP. El GMPc activa la proteína cinasa G mediante la unión a sus subunidades sin disociación; la proteína cinasa G fosforila las enzimas reguladoras.
Receptores intracelulares: citoplasmáticos (para hormonas esteroideas) y nucleares (para yodotironinas T₃, T₄). Las hormonas hidrófobas atraviesan la membrana por difusión y forman un complejo «hormona-receptor» que se une al ADN y regula la transcripción. Este mecanismo se denomina inducción de la síntesis enzimática y altera la cantidad, y no la actividad, de las proteínas.
Puntos clave
- La membrana es una bicapa lipídica de fosfolípidos anfipáticos con inclusión de colesterol y proteínas.
- El colesterol mantiene la fluidez óptima de la membrana.
- El transporte de sustancias se divide en pasivo (difusión simple y facilitada) y activo (primario y secundario).
- El sistema de la adenilatociclasa (glucagón, adrenalina) aumenta el AMPc y activa la proteína cinasa A, fosforilando enzimas.
- El sistema del inositol-trifosfato, a través de IP₃ y DAG, eleva el nivel de Ca²⁺ y activa la proteína cinasa C.
- La toxina colérica bloquea la actividad GTPasa de la subunidad αs, provocando una activación persistente de la adenilatociclasa.
- El receptor de insulina es una tirosina cinasa; el resultado de su acción es la desfosforilación de las enzimas reguladoras.
- Las hormonas esteroideas y las yodotironinas actúan a través de receptores intracelulares, regulando la transcripción génica.