Membrana de plasma: estructura y funciones de la membrana de plasma
¡Lea este artículo para aprender sobre la estructura de la membrana, la modificación del transporte y las funciones de la membrana de plasma!
Membrana de plasma:
La membrana plasmática o plasma-lemma es una membrana biológica que se produce en el exterior del citoplasma tanto en células procariotas como en células eucariotas.
Separa el protoplasma celular de su entorno externo. Las células procariotas no tienen particiones membranosas internas. Estos últimos aparecen en células eucariotas que cubren varios orgánulos celulares como el núcleo, las mitocondrias, los plastos, los lisosomas, los cuerpos de Golgi, los peroxisomas, etc.
Bio membranas alinean el retículo endoplásmico. También se producen en los tilacoides dentro de los plastos o crestas dentro de las mitocondrias. Las vacuolas se separan del citoplasma mediante una membrana llamada tonoplast. Todas las membranas biológicas son de naturaleza dinámica, y muestran continuamente cambios en su forma, tamaño, estructura y función. La membrana plasmática fue descubierta por Schwann (1838). Fue nombrado como membrana celular por Nageli y Cramer (1855). La membrana recibió el nombre de plasma lemma por Plowe (1931).
Naturaleza química de las membranas:
Químicamente, una membrana biológica consta de lípidos (20 a 40%), proteínas (59 a 75%) y carbohidratos (1 a 5%). Los lípidos importantes de la membrana son los fosfolípidos (unos 100 tipos), los esteroles (p. Ej., El colesterol), los glucolípidos, los esfingolípidos (p. Ej., La esfingomielina, los cerebrosidos).
Los hidratos de carbono presentes en la membrana son oligosacáridos ramificados o no ramificados, por ejemplo, hexosa, fucosa, hexoamina, ácido siálico, etc. Las proteínas pueden ser fibrosas o globulares, estructurales, portadoras, receptor o enzimáticas. Se han registrado alrededor de 30 tipos de enzimas en diferentes bio membranas, por ejemplo, fosfatasas, esterasas de ATP-ase, nucleasas, etc.
Las moléculas lipídicas son amifáticas o anfipáticas, es decir, poseen extremos hidrófilos polares (amantes del agua) y hidrófobos no polares (repelentes al agua). La región hidrófila está en forma de una cabeza, mientras que la parte hidrófoba contiene dos colas de ácidos grasos.
Las colas hidrófobas suelen aparecer hacia el centro de la membrana. Las moléculas de proteínas también poseen cadenas laterales polares y no polares. Por lo general, sus enlaces hidrofílicos polares son hacia el lado externo. Los enlaces no polares o hidrófobos se mantienen plegados dentro o se utilizan para establecer conexiones con la parte hidrófoba de los lípidos. Se han propuesto varios tipos de modelos para explicar la estructura de una biomembrana. Los más importantes son los lamelares y los mosaicos.
Modelos lamelares (= Modelos Sandwich):
Son los primeros modelos moleculares de las bio membranas. Según estos modelos, se cree que las membranas biológicas tienen una estructura en capas estable.
Danielli y Davson Modelo:
El primer modelo lamelar fue propuesto por James Danielli y Hugh Davson en 1935 sobre la base de sus estudios fisiológicos. Según Danielli y Davson, una biomembrana contiene cuatro capas moleculares, dos de fosfolípidos y dos de proteínas. Los fosfolípidos forman una doble capa.
La bicapa de fosfolípidos está cubierta en cada lado por una capa de moléculas globulares o a-proteicas hidratadas. Las cabezas polares hidrófilas de las moléculas de fosfolípidos se dirigen hacia las proteínas. Los dos se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas. Las colas no polares hidrófobas de las dos capas de lípidos se dirigen hacia el centro donde se mantienen unidas por enlaces hidrófobos y fuerzas de van der Waals.
Modelo Robertson:
J. David Robertson (1959) modificó el modelo de Danielli y Davson al proponer que la bicapa lipídica está cubierta en las dos superficies por moléculas extendidas o de 3 proteínas. También se propuso una diferencia en las proteínas de las capas externa e interna, por ejemplo, mucoprotina en el lado externo y proteína no mucoide en el lado interno.
Robertson trabajó en la membrana plasmática de los glóbulos rojos bajo un microscopio electrónico. Dio el concepto de unidad de membrana lo que significa que:
(i) Todas las membranas citoplásmicas tienen una estructura similar de tres capas con una bicapa de fosfolípidos transparente a los electrones que se enarona entre dos capas densas de proteínas de los electrones,
(ii) Todas las bio-membranas están hechas de una membrana unitaria o un múltiplo de la membrana de la unidad. La membrana unitaria de Robertson también se llama membrana trailaminar. Tiene un espesor de aproximadamente 75 Å con una capa lipídica central de 35 A de espesor y dos capas de proteínas periféricas de 20Aeach. Según Robertson, si una membrana contiene más de tres capas, o es más gruesa que 75A, debe ser un múltiplo de membrana unitaria.
Modelo de mosaico:
Modelo de mosaico fluido. Es el modelo más reciente de una membrana biológica propuesta por Singer y Nicolson en 1972.
1. Según este modelo, la membrana no tiene una disposición uniforme de lípidos y proteínas, sino que es un mosaico de los dos. Además, la membrana no es sólida pero es casi fluida.
2. Se postula que las moléculas de lípidos están presentes en una bicapa viscosa como en el modelo lamelar. Las moléculas de proteína se encuentran en lugares dentro y en el lado externo de la bicapa lipídica. Las proteínas internas se denominan proteínas intrínsecas o integrales, mientras que las externas se conocen como proteínas extrínsecas o periféricas.
Las proteínas integrales o intrínsecas representan el 70% de las proteínas de membrana totales y pasan a la bicapa lipídica a diferentes profundidades. Algunos de ellos corren a lo largo de la bicapa lipídica. Se denominan proteínas de túnel que, individualmente o en grupo, forman canales para el paso del agua y sustancias solubles en agua.
3. Las proteínas proporcionan la especificidad estructural y funcional a las membranas. Además, dado que la bicapa lipídica es cuasifluida, las proteínas de la membrana pueden desplazarse lateralmente y, por lo tanto, proporcionar flexibilidad y dinamismo a la membrana.
Muchas proteínas de la membrana funcionan como enzimas, algunas de ellas se comportan como medidas para facilitar la difusión y algunas proteínas actúan como portadoras porque transportan activamente diferentes sustancias a través de la membrana. Ciertas otras proteínas funcionan como receptores de hormonas, centros de reconocimiento y antígenos. Algunos de los lípidos en la superficie externa se complejan con hidratos de carbono para formar glucolípidos o glicocalix.
Modificaciones de la membrana celular:
1. Microvilli:
Son evaginaciones con forma de dedo de 0, 6 a 0, 8 µm de longitud y 0, 1 µm de diámetro que se encuentran en la superficie libre de las células involucradas en la absorción, por ejemplo, células intestinales, células hepáticas, células mesoteliales, túbulos uriníferos. La superficie que tiene microvilos se denomina borde estriado o borde de cepillo.
Microvilli aumenta la superficie varias veces. Están soportados por una red de microfilamentos, actina junto con miosina, tropomiosina, espectrina, etc. Los espacios estrechos entre las microvilas participan en la pinocitosis.
2. Mesosomas:
Son plasmalemas que se encuentran en las bacterias. Un tipo de mesosoma está unido internamente al nucleoide. Es requerido para la replicación de nucleo y la división celular.
3. Complejos de unión:
Son contactos entre células adyacentes que, en el caso de las células animales, están separadas por espacios de 150-200 Å llenos de fluido tisular. Los más importantes son:
(i) Interdigitaciones:
Hay un enclavamiento de crecimientos de membrana tipo dedo entre dos células adyacentes. Las interdigitaciones aumentan el área de contacto entre dos células para el intercambio de materiales.
(ii) Puentes intercelulares:
Las proyecciones de células adyacentes hacen contacto para la conducción rápida de estímulos.
(iii) Uniones estrechas:
(Zonulae Occludentes, singular— Zonula Occludens). Aquí, las membranas plasmáticas de dos células adyacentes se fusionan en una serie de puntos con una red de crestas o cordones de sellado. Las uniones estrechas se producen en los epitelios con una alta resistencia eléctrica y donde la filtración se realiza a través de las células, por ejemplo, los capilares, las células cerebrales y los túbulos colectores de los riñones.
(iv) Uniones Brechas:
Las células adyacentes tienen conexiones protoplásmicas a través de cilindros de proteínas especiales llamados conexiones. Cada conexión se compone de seis subunidades de proteínas idénticas alrededor de un canal hidrófilo.
(v) Plasmodesmata:
Son puentes protoplásmicos entre las células vegetales que se producen en las áreas de las fosas o poros de la pared celular.
(vi) Desmosomas:
(Maculae Adherentes, singular — Macula Adherens). Las membranas adyacentes poseen engrosamientos en forma de disco de aproximadamente 0, 5 (diámetro de la mañana, varias tonofibrillas (= tonofilamentos) y enlazadores de membrana trans incorporados en material intercelular denso. Los desmosomas funcionan como soldaduras por puntos y, por lo tanto, se llaman desmosomas por puntos. Se presentan en epitelios sometidos a la interrupción.
(vii) Barras de terminales:
(Cinturón Desmosomes, Zonulae Adherentes, singular — Zonula Adherens. Cruce intermedio). Las barras terminales son desmosomas sin tonofibrillas. Las bandas de engrosamientos se producen en la superficie interna de la membrana. Las bandas contienen microfilamentos y filamentos intermedios.
Funciones de las membranas celulares:
1. La función principal de las membranas celulares es la compartimentación. Como membranas plasmáticas separan las células de su entorno externo. Como cubiertas de orgánulos, permiten que los orgánulos celulares mantengan su identidad, entorno interno específico e individualidad funcional.
2. Las membranas permiten el flujo de materiales e información entre diferentes orgánulos de la misma célula, así como entre una célula y otra.
3. Como plasmodesmata y uniones gap, las bio membranas proporcionan conexiones orgánicas entre células adyacentes.
4. Las membranas plasmáticas, así como otras membranas de los orgánulos, tienen permeabilidad selectiva, es decir, permiten que solo las sustancias seleccionadas pasen hacia adentro a los grados seleccionados. Las membranas son impermeables a los demás.
5. Las membranas biológicas tienen la propiedad de la retentividad, es decir, no permiten el paso de sustancias que ya están permitidas.
6. La membrana de plasma posee sustancias específicas en su superficie que funcionan como centros de reconocimiento y puntos de unión.
7. Las sustancias adheridas a la membrana celular determinan la especificidad del antígeno. Las glicoforinas presentes en la superficie de los eritrocitos funcionan como determinantes de antígenos. Los antígenos de histocompatibilidad significan si se debe incorporar o rechazar una célula o tejido extraño.
8. La membrana celular tiene receptores para ciertas hormonas. La hormona se combina con sus receptores particulares y cambia la permeabilidad de la membrana o activa la enzima adenilato ciclasa para producir AMP cíclico a partir de ATP. cAMP luego activa un conjunto de enzimas para realizar una función particular.
9. Las membranas tienen proteínas portadoras para el transporte activo.
10. Las membranas celulares contienen enzimas para realizar ciertas reacciones en su superficie, por ejemplo, ATP-ase (para la síntesis de ATP y la liberación de energía de ATP), fosfatasas, esterasas, etc.
11. Ciertas membranas celulares (p. Ej. Membrana plasmática en bacterias, membranas tilacoides de cloroplastos, membrana mitocondrial interna) poseen sistemas de transporte de electrones.
12. Los infolds de membrana se utilizan para la ingesta masiva de materiales por endocitosis.
Transporte de membrana:
El paso de sustancias a través de las membranas biológicas o la membrana celular se produce mediante los siguientes métodos:
A. Transporte de agua:
(I) Osmosis:
La ósmosis es la difusión de moléculas de agua o de disolvente a través de la membrana plasmática desde una presión osmótica baja hasta una presión osmótica alta, es decir, desde un contenido alto de agua hasta un contenido bajo de agua. La membrana plasmática actúa como una membrana diferencial que permite el movimiento de moléculas de agua dentro y fuera de la retención de los metabolitos.
B. Transporte de iones y pequeñas moléculas:
(II) Transporte pasivo:
Es un modo de transporte de membrana en el que la célula no gasta energía ni muestra ninguna actividad especial. El transporte es según gradiente de concentración. Es de dos tipos, difusión pasiva y difusión facilitada.
(a) Difusión pasiva o transporte a través de las membranas celulares:
Aquí la membrana celular desempeña un papel pasivo en el transporte de sustancias a través de ella. La difusión pasiva puede ocurrir a través de la matriz lipídica de la membrana o con la ayuda de canales.
(i) Sustancias solubles en lípidos:
Overton (1900) descubrió que las sustancias solubles en lípidos pasan rápidamente a través de la membrana celular de acuerdo con su gradiente de concentración. Sobre la base de este hallazgo, Overton propuso que las membranas celulares están hechas de lípidos.
(ii) Transporte de canal:
La membrana posee canales en forma de proteínas de túnel que no llevan ninguna carga. Permiten que el agua y los gases solubles (CO 2 y O 2 ) pasen de acuerdo con su gradiente de concentración. La ósmosis es un ejemplo de tal transporte.
Si dos soluciones de diferentes concentraciones están separadas por una membrana semipermeable, las moléculas de disolvente se mueven a través de la membrana desde la menos concentrada a la solución más concentrada. Este proceso, la difusión de moléculas de disolvente en una región en la que hay una mayor concentración de soluto a la que la membrana es impermeable, se llama ósmosis.
La filtración es la difusión bajo presión a través de una membrana que tiene poros diminutos. La ultrafiltración ocurre durante la filtración glomerular dentro de los riñones. La diálisis es el proceso de separar partículas pequeñas (por ejemplo, solutos cristalinos) de partículas más grandes (por ejemplo, coloides) debido a la diferencia en la velocidad de difusión a través de una membrana que tiene poros muy diminutos.
(b) Difusión facilitada:
Se produce a través de la agencia de proteínas de membrana especiales llamadas permeasas. Cuando dicho transporte mediado por portadores proviene de un área de mayor concentración, no se requiere energía y el proceso se denomina difusión facilitada. Como resultado, la velocidad de transporte es estéreo específica.
La entrada de glucosa en los glóbulos rojos es una difusión facilitada.
El proceso de difusión facilitada implica los siguientes pasos:
1. Las moléculas difusoras se combinan con las moléculas de proteínas transportadoras específicas que forman complejos de proteínas transportadoras.
2. La forma de la molécula de proteína portadora cambia en respuesta a la molécula difusora, de modo que se forman los canales de proteína portadora unida a la membrana.
3. La forma de la molécula de proteína transportadora cambia en respuesta a la molécula difusora, lo que permite que la molécula atraviese la membrana plasmática.
4. Una vez que la molécula difusora ha alcanzado el otro lado, el cambio en la forma de la molécula portadora (cambio conformacional) disminuye su afinidad con la molécula difusora y permite su liberación.
5. Después de la liberación de la molécula difusora, la molécula portadora-proteína recupera su forma original.
La difusión facilitada permite que las moléculas crucen la membrana impermeable o poco permeable.
La difusión facilitada difiere de la difusión simple en las siguientes características:
(i) La difusión facilitada es específica de estéreo (se transporta el isómero L o D).
(ii) Muestra cinética de saturación.
(iii) La difusión facilitada requiere un portador para el transporte a través de la membrana. Las moléculas de proteína transportadora se mueven de un lado a otro a través de la membrana por difusión térmica.
(III) Transporte Activo:
Es un movimiento ascendente de materiales a través de las membranas donde las partículas de soluto se mueven en contra de su concentración química o gradiente electroquímico. Esta forma de transporte requiere energía que se proporciona casi exclusivamente por hidrólisis de ATP.
El transporte activo ocurre en el caso de iones y no electrolitos, por ejemplo, la captación de sal por las células vegetales, los iones, la glucosa y la fenolftaleína en el caso de los túbulos renales, sodio y potasio en el caso de las células nerviosas, etc. Está respaldado por varias evidencias:
(a) La absorción se reduce o se detiene con la disminución del contenido de oxígeno del ambiente circundante.
(b) Los inhibidores metabólicos como los cianuros inhiben la absorción.
(c) Las células a menudo acumulan sales y otras sustancias en contra de su gradiente de concentración.
(d) El transporte activo muestra cinética de saturación, es decir, la velocidad de transporte aumenta con el aumento de la concentración de soluto hasta que se alcanza un máximo. Más allá de este valor, la velocidad de transporte de la membrana no aumenta, lo que indica que tiene lugar a través de la agencia de moléculas orgánicas especiales llamadas moléculas transportadoras, partículas transportadoras o proteínas transportadoras.
Las moléculas portadoras son ATP ases, enzimas que catalizan la hidrólisis de ATP. El más importante de estas ATPasas es Na + -K + ATP ase, que también se conoce como la bomba Na + -K + . Además, hay H + -K + ATPasas en la mucosa gástrica y en los túbulos renales.
Hay una molécula portadora especial para cada partícula de soluto. El portador tiene su sitio de unión en dos superficies de la membrana. Las partículas de soluto se combinan con el portador para formar un complejo portador-soluto. En el estado unido, el portador sufre un cambio conformacional que transporta el soluto al otro lado de la membrana. La energía se utiliza para provocar el cambio conformacional en el portador. Es proporcionado por la ATP. En el proceso, el ATP se desfosforila para formar ADP. Las proteínas portadoras son de tres tipos.
1. Uniport:
Solo transportan una sustancia.
2. Symports:
En algunos casos, el transporte requiere la unión de más de una sustancia a la proteína de transporte y las sustancias se transportan juntas a través de la membrana. Un ejemplo es el symport en la mucosa intestinal que es responsable del co-transporte mediante la difusión facilitada de Na + y glucosa desde la luz intestinal a las células de la mucosa.
3. Antiports:
Ellos intercambian una sustancia por otra. La Na + -K + ATPasa es un antipuerto típico.
Muchas células animales operan una bomba de intercambio de sodio y potasio en su membrana plasmática. Una bomba de protones similar opera en cloroplastos, mitocondrias y bacterias. Na + : la bomba de intercambio K + funciona con la ayuda de la enzima ATP-ase, que también funciona como una molécula portadora.
La enzima hidroliza el ATP para liberar energía. La energía se utiliza para provocar cambios conformacionales en el portador. Por cada molécula de ATP hidrolizada, tres iones Na + se bombean hacia el exterior y dos iones K + se bombean hacia el interior.
La bomba de intercambio Na + - K + realiza las siguientes funciones: (i) Mantiene un potencial positivo en el lado externo de la membrana y un potencial relativamente electronegativo en el lado interno.
(ii) La bomba crea un potencial de reposo en las células nerviosas,
(iii) La bomba mantiene el balance de agua de las células vivas.
(iv) Ayuda en la formación de orina.
(v) Participa en la excreción de sal como en animales marinos. Las gaviotas y pingüinos beben agua de mar. Excretan el exceso de sal a través de las glándulas nasales. Las glándulas salinas nasales tienen bomba de sodio-potasio en las membranas plasmáticas de sus células. Los iones de Na + se bombean activamente. Los iones de cloro se agotan pasivamente. La secreción nasal de las dos aves posee 1.5-3.0 veces más concentración de NaCl que la presente en la sangre.
(vi) Los iones de Na + en exceso no secretados y no metabolizados presentes en el líquido extracelular tienen una tendencia a volver a las células. Otras sustancias se combinan con los iones de sodio y pasan internamente junto con ellos, por ejemplo, glucosa, aminoácidos en el intestino. El fenómeno se denomina transporte activo secundario en comparación con Na + —K + bomba de intercambio que se denomina transporte activo primario.
Otras bombas importantes incluyen la bomba de calcio (glóbulos rojos, músculos), la bomba K +, la bomba CP, las bombas de intercambio K + —H + . El último se produce en celdas de guarda.
El transporte activo es un medio de (i) la absorción de la mayoría de los nutrientes del intestino (ii) la reabsorción de material útil de los túbulos uriníferos (iii) la absorción rápida y selectiva de nutrientes por las células (iv) manteniendo un potencial de membrana (v) el mantenimiento de potencial de reposo en las células nerviosas (vi) manteniendo el agua y el equilibrio iónico entre las células y el líquido extracelular, (vii) la excreción de las glándulas salinas.
C. Transporte de partículas sólidas (transporte a granel):
El transporte a granel hacia adentro y hacia afuera ocurre a través de la membrana plasmática por invaginación y evaginación de la membrana. El transporte a granel es útil para transportar moléculas grandes que tendrían dificultades para pasar a través de la membrana celular normalmente. La endocitosis y la exocitosis son las dos formas en que se realiza el transporte masivo.
(IV) La endocitosis es el proceso de engullir partículas de gran tamaño de sustancias alimenticias o de sustancias extrañas. Según la naturaleza de las sustancias, la endocitosis puede ser:
(i) Pinocitosis o consumo de células es el proceso de ingesta de material fluido por parte de la célula.
(ii) La micro pinocitosis es la pinocitosis de nivel subcelular o microscópico.
(iii) La rinopiocitosis es la transferencia de pequeñas cantidades de citoplasma junto con su inclusión.
(iv) La fagocitosis consiste en la absorción por la célula de partículas de gran tamaño de alimentos sólidos o materia sólida.
(V) La exocitosis es el proceso de exudar los productos secretarios al exterior del citoplasma celular. También se conoce como emeicytosis o vómitos celulares. En las células del páncreas, las vacuolas que contienen enzimas se mueven desde el interior del citoplasma hacia la superficie. Aquí se fusionan con la membrana plasmática y descargan su contenido al exterior.
