La célula eucariota

La membrana plasmática

No sólo determina la composición diferencial entre citosol y el medio extra celular sino que además es el instrumento fundamental mediante el cual las células se comunican entre sí y se relacionan con las matrices extracelulares.

A la estructura de la membrana están asociadas dos importantes conceptos el de fluidez y el de asimetría.

Composición molecular

Todas las membranas biológicas independientemente de su origen están constituidas por lípidos y por proteínas. La mayor parte de estas también poseen glúcidos unidos a las proteínas y a los lípidos. Los carbohidratos representan menos del 10% del total de la masa de la membrana y aún pueden estar ausentes como en las membranas mitocondriales internas.

La relación lípidos/proteínas en ciertas membranas es de tres cuartas partes del peso en favor de la proteínas (relación 1:3 en masa). En otra células, por ejemplo en la mielina, que está formada por las membranas plasmáticas superpuestas de las células neurogliales, casi el 80% son lípidos.

La membrana del eritrocito humano está constituida por un 52% de proteínas, un 40% de lípidos y un 8% de carbohidratos. Estos últimos en forma de oligosacáridos unidos a proteínas y a lípidos por los que forman glucoproteínas y glucolípidos respectivamente.

Organización molecular

El modelo aceptado hasta la actualidad es conocido como modelo de mosaico fluido. En este modelo los lípidos se disponen en una delgada lámina bimolecular, mientras que las proteínas integrales están insertadas en la capa fluida de la que emergen hacia más superficie.

Una propiedad clave de la bicapa es que aunque constituye una estructura aplanada estable, su fluidez le permite, tanto a los lípidos como a las proteínas considerables desplazamientos en dicho plano estructural.

Una de las características importantes de la organización molecular de las membranas es la asimetría de todos sus componentes químicos, lo que significa que en ambas mitades de la capa los componentes se distribuyen de manera dispar. Esta asimetría es aún más evidente por el hecho que las cadenas de oligosacáridos hacen saliencia sólo hacia la superficie extracelular de la membrana plasmática, o hacia el interior del compartimiento de cisternas, vacuolas o vesículas en el caso de las membranas internas.

Lípidos de la membrana

Fosfolípidos. Son moléculas anfipáticas. En los fosfolípidos, el glicerol está conectado por un grupo fosfato con una de varias posibles moléculas hidrofílicas pequeñas (los grupos polares) y con dos ácidos grasos en casi todo los casos. Estos últimos poseen un número par de átomos de carbono, comúnmente entre los 16 y los 22 átomos. La viscosidad de la bicapa será mayor cuanto más largas que sean las cadenas hidrocarbonadas. Otro factor importante que afecta la fluidez es la existencia de dobles ligaduras en las cadenas, ya que los carbono no saturados imparten una desviación a la cadena que impide que las moléculas se adosen estrechamente y aumenten su viscosidad. Por lo general, en los fosfolípidos de las membranas uno de los ácidos grasos es saturado y el otro no.

Los diferentes tipos de grupos polares y de ácidos grasos constituyentes determinan la existencia de más de 100 tipos diferentes de fosfolípidos en las membranas.

La principal diferencia entre los fosfolípidos depende del grupo polar o cabeza hidrofílica. Los más comunes son la etanolamina, la colina y la serina, que forman parte de la cefalina, la lecitina y la fosfatidilserina, respectivamente. La esfingomielina posee colina, pero su alcohol no es el glicerol, sino la esfingosina (un aminoalcohol).

A pH neutro los grupos polares de los fosfolípidos no poseen carga eléctrica, con la excepción principal de la fosfatidilserina, que tiene carga negativa. Otros fosfolípidos menos abundantes,

como los fosfoinosítidos, la cardiolipina, el fofatidilglicerol y los sulfolípidos, también poseen carga negativa, y en su conjunto se denominan fosfolípidos ácidos. Otros aún más raros pueden poseer carga positiva.

Los diferentes tipos de fosfolípidos no se distribuyen por igual entre ambas hojas de la bicapa, ya que la fosfatidiletanolamina y los fosfolípidos ácidos (cargados negativamente) tienden a ubicarse en la hoja de la membrana en contacto con el citosol, con un intercambio de lípidos prácticamente nulo a través de ambas hojas.

La presencia de estos lípidos cargados, en el lado citosólico es de fundamental importancia para comprender los fenómenos de fusión de membranas que ocurren en los procesos de exo y endocitosis. El catión calcio desempeña un papel fundamental en esto procesos, y provoca, entre otros fenómenos, que estos fosfolípidos cargados negativamente se separen de los demás y se agrupan en regiones en fase de gel, mientras que el resto de la membranas queda muy fluida, enriquecida de fosfolípidos neutros y positivos.

Colesterol. La membrana plasmática tiene tantas moléculas de colesterol como de fosfolípidos, entre las cuales se intercala. En la mayor parte de los procariotas el colesterol está ausente, y el bajo contenido de este esteroide en las membranas mitocondriales (de alrededor del 4%) tal vez refleje el origen procariótico postulado para las mitocondrias.

Este esteroide anfipático posee una pequeña cabeza polar (el oxhidrilo del carbono 3) dirigida hacia la superficie acuosa, mientras que resto de la molécula es hidrofóbico y permanece confinado en el interior de la bicapa. El anillo esteroide interactúa con la porción inicial de las cadenas de los ácidos grasos, a las que inmoviliza parcialmente.

Esto hace que:

Se incremente la impermeabilidad de la bicapa a las moléculas hidrofílica.

Decrezca la flexibilidad y fluidez de la membrana a la temperatura central del organismo de 37 ºC.

Además ante eventuales disminuciones de la temperatura, la presencia de colesterol previene la transición de fase de cristal líquido a gel, como ocurriría si la bicapa fuera enteramente fosfolipídica.

En resumen, el colesterol aumenta la impermeabilidad de la capa lipídica, aumenta su viscosidad a 37 ºC y mantiene la fluidez ante una disminución de la temperatura.

Proteínas de la membrana

Representan el componentes fundamental, desde el punto de vista funcional, de las membranas biológicas. No sólo desde un punto de vista estructural, sino también en su permeabilidad, ya sea como canales o como transportadores.

Las membranas plasmáticas de diferentes células (por ejemplo neuronas, fotorreceptores, fibroblastos, etc.) muestran una composición proteica notablemente diferente respondiendo a las diferentes especializaciones.

Proteínas integrales y proteínas periféricas. Las proteínas de la membrana se han clasificado en integrales (intrínsecas) y periféricas (extrínsecas), de acuerdo con su grado de asociación a ella.

En su mayoría las intrínsecas son transmembranosas. Casi invariablemente las transmembrano-sas son glucoproteínas.

En los casos en que las intrínsecas no son transmembranosas están unidas de forma, covalente a los lípidos de membrana del lado citosólico o del lado extracelular. Las intrínsecas, representan, más del 70 % del total de proteínas de membrana.

Las proteínas extrínsecas se unen a la membrana mediante uniones débiles. Sus aminoácidos hidrofílicos quedan expuestos en la superficie, mientras los hidrofóbicos quedan ocultos en el interior de los plegamientos proteicos.

En las proteínas transmembranosas, los aminoácidos hidrofóbicos están expuestos en las superficie molecular, por lo que deben permanecer en el interior de la bicapa, donde las interacciones hidrofóbicas con los ácidos grasos los mantienen en su sitio, asomando, sólo las partes hidrofílicas al medio acuoso de ambas superficies de la membrana. Las proteínas extrínsecas o perisféricas no penetran en el interior hidrofóbico de la bicapa (no son transmembranosas) y se asocian con la membrana por interacciones débiles (uniones iónicas u otras) tanto con las proteínas integrales como con las cabezas hidrofílicas de los fosfolípidos, del lado citosólico o del extracelular. Cumplen con sus funciones en la membrana o cerca de esta, y algunas pueden disociarse de la membrana en ciertas condiciones de actividad celular.

Asimetría de las proteínas. Cada tipo de proteína de membrana posee una determinada orientación en dicha estructura. Está asimetría otorga características diferentes a ambas superficies de la membrana. El caso más evidente lo constituyen las glucoproteínas, en estas los oligosacáridos están orientados hacia el medio extracelular o hacia su equivalente topológico en el sistema de endomembrana. Como excepción podemos citar ciertas glucoproteínas de los complejos de poros nucleares, cuyos glúcidos se proyectan hacia la superficie citosólica.

Si bien las proteínas pueden rotar sobre su eje y moverse lateralmente, no cambian de posición dentro de la bicapa, vale decir que no pueden volverse de modo que el dominio externo pueda pasar a ser citosólico y viceversa.

En las membranas plasmáticas se han descrito decenas de enzimas y para cada una de ellas su sitio activo reside constantemente en una determinada cara de la membrana. Por ejemplo, la actividad colinesterasa se halla en la cara extracelular.

Glúcidos de membrana. Se presentan en forma de oligosacáridos, o menos frecuentemente de monosacáridos, unidos en forma covalente a lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucoproteínas) de membrana. En ambas moléculas el compuesto hidrocarbonado es semejante.

Otros componentes glucídicos son los glucosaminoglucanos (GAGs) unidos a proteínas (proteoglucanos). Los GAGs son polímeros lineales de subunidades de disacáridos, de los cuales uno por lo menos es un aminosacárido. Además algunos de los GAGs son ácidos o sulfonatos.

Contribuyendo a la asimetría de la membrana, los glúcidos se ubican casi en forma exclusiva en la hoja superficial de la membrana plasmática y en su equivalente topológico, que es la monocapa interior del sistema de endomembrana. La abundancia de glucolípidos es mucho mayor en la membrana plasmática y lo mismo puede decirse de las glucoproteínas.

Cubierta celular o glucocáliz. Las células proyectan hacia su superficie externa el componente oligosacárido de sus glucolípidos y glucoproteínas intrínsecas, junto con las cadenas de glucosaminoglucanos de los proteoglucanos integrales. En algunos casos también se pueden adsorber glucoproteínas y proteoglucanos que fueron secretados hacia el espacio extracelular. El conjunto de todas estas moléculas forma una cubierta celular denominada glucocáliz, de espesor variable pero presente en todas las células. En la mayor parte de éstas su grosor va de 10 a 20 nm.

En unos pocos tipos celulares, como los enterocitos, el glucocáliz posee un espesor excepcionalmente grande. Este se puede identificar con el microscopio óptico por su intensa tinción con la reacción del PAS (ácido para-amino sulfónico o reactivo de Schiff).

A la cubierta celular se le atribuyen la siguiente funciones:

Microambiente: modifica la concentración de diversas sustancias en la superficie celular.

Enzimatica: en los enterocitos aquí reside la actividad enzimática digestiva terminal.

Protección celular: protege del daño químico y mecánico (mantiene lejos ciertas sustancias).

Reconocimiento celular: interacción celular, reconocimiento y adhesión celular.

Fluidez de la membrana, su importancia biológica. Este concepto hace referencia al hecho de que tanto los lípidos como las proteínas pueden tener una considerable libertad de movimiento lateral dentro de la membrana.

Los fosfolípidos tienen una gran libertad de movimiento dentro de su monocapa, pueden girar sobre su eje, difundir lateralmente a una velocidad superior a 1m/seg, o balancear y flexionar sus cadenas hidrocarbonadas. Por el contrario, la inversión o el traslado desde una de las monocapas hacia la otra están severamente restringidos.

A pesar de su alta velocidad de difusión lateral, los fosfolípidos, en general no se alejan mucho más de 0,5 m a 1 m en el plano de la membrana.

En cuanto los movimientos de las proteínas, estas también pueden girar sobre su eje y desplazarse lateralmente. Como en el caso de los fosfolípidos, tampoco pueden voltearse dentro de la bicapa para cambiar de orientación o de posición. La mayor parte de las proteínas poseen movimientos de difusión laterales, pero estos están lejos de ser irrestrictos pues hay factores que los limitan.

Existen numerosos procesos fisiológicos que dependen de la movilidad de las proteínas en el plano fluido de la bicapa. Entre estos podemos citar procesos de transporte, agrupamiento de receptores transmembranosos o su interacción con proteínas G en respuesta a un estímulo, la adhesión y fusión de membranas en la endocitosis-exocitosis, o la actividad de enzimas membranosas.

La fundamental importancia de una fluidez correcta de las membrana explica que la evolución haya preservado los mecanismos necesarios para mantenerla dentro de niveles relativamente constantes. En el caso de los procariotas, se ha demostrado que cuando crecen a bajas temperaturas sus fosfolípidos son más insaturados que cuando lo hacen a temperaturas más altas. Este mantenimiento de una fluidez constantes en circunstancias desfavorables se denomina adaptación homeoviscosa y no es exclusivo de las bacterias, ya que en el caso de los animales y vegetales sometidos a procesos de aclimatación a temperaturas diversas se observaron cambios semejantes. En los animales hibernantes, durante la fase de sueño, en que su temperatura corporal desciende más de 10ºC, la fluidez de la membrana se mantiene por cambios en los ácidos grasos. Estos incluyen la metilación de la fosfatidiletanolamina por medio de metiltransferasas de la membrana, que a su vez pueden estar reguladas por receptores.

Esqueleto membranoso. Es un sistema físicamente interconectado entre las proteínas integrales y las del citoesqueleto, que controla la forma celular, la estabilidad de la membrana, la organización de dominios membranosos y la adhesión celular.

El esqueleto de membrana mejor estudiado es el del eritrocito humano. Estos experimentan continuamente una serie de deformaciones, en especial a lo largo de los capilares, muchos de los cuales son de menor diámetro de que la células. Por ello es que sus membranas deben poseer una estabilidad y una flexibilidad particulares.

Por debajo de la membrana del eritrocito subyace una malla de filamentos formada por espectrina, cortos filamentos de actina-tropomiosina y otras proteínas asociadas. Toda esta red anclada a proteínas integrales de membrana por medio de la ancrina y la proteína de banda 4.1.

La ancrina media la unión de la espectrina -que forma oligómeros pares- con el dominio citoplasmático de la proteína de banda 3, glucoproteína transmembranosa de paso múltiple que, además de poseer este papel estructural en el esqueleto de la membrana, funciona como canal de intercambio aniónico de cloro-bicarbonato, fundamental en la citofisiología del eritrocito. La abundancia de las moléculas de banda 3 se puede evidenciar con la microscopia electrónica de transmisión por medio de la técnica de congelación-fractura y réplica.

La proteína 4.1 se une a la espectrina y a la actina, junto con otras proteínas asociadas, en los llamados "complejos de unión", que son los sitios de entrecruzamiento de la red filamentosa flexible submembranosa.

A su vez, la proteína 4.1 contribuye a la unión de este retículo con la membrana, uniéndose tanto a la proteína de banda 3 como secundariamente a la glucoforina, que es el otro componente proteico transmembranoso principal del eritrocito.

Pese a su abundancia en esta membrana, la función de la glucoforina es desconocida. Su papel en el esqueleto de membrana es ciertamente secundario, ya que los eritrocitos que carecen de glucoforina por un defecto genético, si bien poseen una forma elipsoidal, son por lo demás normales. Es de destacar que, por el contrario, los defectos en la espectrina, la ancrina, la banda 3 o la banda 4.1 se manifiestan en el hombre por alteraciones de la forma y anemias por incremento de la fragilidad de los eritrocitos.

Existen numerosas proteínas que no se unen directamente a la membrana del eritrocito, pero contribuyen a la estabilidad de su esqueleto.

Se identificaron proteínas estrechamente relacionadas con la espectrina, la banda 3, banda 4.1, banda 4.2, la ancrina, la aducina y otras, asociadas a las membranas de muchos tipos celulares diferentes del eritrocito. En especial, la ancrina y la isoforma no eritrocítica de la espectrina (fodrina) se concentran en ciertos dominios membranosos, especializados tanto en la estabilidad mecánica como en la restricción de los movimientos laterales de las proteínas en el plano de la bicapa, como por ejemplo en las densidades postsinápticas del cerebro o en los pliegues basolaterales de células epiteliales. En estos otros tipos celulares las proteínas del esqueleto membranoso están unidas a otras proteínas además de la de banda 3; por ejemplo, a los canales

de sodio regulados por voltaje en el cerebro, o a la bomba de sodio-potasio del dominio basolateral de las células tubulares proximales del riñón.

Dentro de la familia de la espectrina se encuentra una proteína de gran tamaño (la mayor del grupo) denominada distrofina. Se halla asociada a las membranas de las células musculares, donde conecta lateralmente a los filamentos de actina con una glucoproteína transmembranosa e induce el plegamiento ordenado y la estabilidad de la membrana durante la contracción. También se expresa en neuronas y astrocitos, donde estabiliza las membranas postsinápticas y las de los pies chupadores. Esta proteína es codificada por un gen del cromosoma X (en la región Xp21). La ausencia congénita de esta proteína del esqueleto membranoso (en la distrofia muscular de Duchenne) se manifiesta por roturas de la membrana, con inestabilidad osmótica e incremento del ingreso de calcio en las células musculares que lleva a la degeneración celular, alteraciones neurológicas, incapacidad y muerte del paciente a edad temprana.

Permeabilidad de Membrana. La permeabilidad de las membranas es fundamental para el funcionamiento de la célula viva y para el mantenimiento de condiciones fisiológicas intracelulares adecuadas. Esta función determina qué sustancias pueden ingresar a la célula, muchas de las cuales son necesarias para mantener los procesos vitales y la síntesis de sustancias. También regula el pasaje de agua y la salida de productos de desecho que deben ser eliminados de la célula.

La presencia de membrana establece una neta diferencia entre el líquido intracelular y el extrace-lular en que está inmersa la célula. En los organismos unicelulares que crecen en los ríos o en los mares, el líquido extracelular es el agua dulce o salada, respectivamente. En los organismos multi-celulares el líquido interno, en especial el denominado líquido intersticial, es el que está en contacto con la superficie externa de la membrana celular.

Una de las funciones de la membrana celular consiste en mantener la constancia de su medio intracelular, incluido el equilibrio osmótico con el líquido intersticial.

La función reguladora del equilibrio hidroelectrolítico de la membrana plasmática normal se aprecia mejor considerando ciertos defectos de la permeabilidad que ocurren por depleción de ATP o por activación de fosfolipasas como consecuencia de una serie de situaciones patológicas. La membrana plasmática también puede dañarse directamente por el ataque de linfocitos citotóxicos (con inserción de perforinas), por activación del sistema del complemento, por toxinas bacterianas o por una multitud de agentes químicos o físicos. En todos estos casos la lesión celular inicial característica es la tumefacción o edema celular agudo, con aumento del volumen celular por ganancia de agua, dilatación de los componentes del sistema de endomembranas y de mitocondrias, junto con alteraciones más complejas que llevan con el tiempo a la muerte celular.

Existen dos tipos muy diferentes de pasaje de sustancias a través de las membranas celulares. En uno de ellos, que analizaremos primero, los iones o las moléculas relativamente pequeñas son transportados por diferentes mecanismos a través de las membranas sin que éstas experimenten deformaciones evidentes. En el segundo caso, denominado transporte en masa, las macromolé-culas o partículas aún mayores son incorporadas a la célula (o eliminadas de ella) por mecanismos que incluyen cambios visibles en las membranas, como es el caso de la fagocitosis, la pinocitosis y la exocitosis.

Permeabilidad de las membranas a moléculas pequeñas. La permeabilidad es pasiva si sólo obedece a las leyes de la física, como en el caso de la difusión simple. Es conocimiento común que si se coloca en un recipiente con agua una solución concentrada de una sustancia soluble (por ejemplo, azúcar), se produce un movimiento de difusión del soluto siguiendo el gradiente de concentración. Sin embargo, si se interpone una membrana lipoprotéica del tipo de las membranas biológicas, el movimiento de difusión se modifica considerablemente y la membrana actúa como una barrera para el paso de ciertas sustancias.

El pasaje de iones o moléculas pequeñas a través de las membranas biológicas puede ocurrir a favor o en contra de su gradiente de concentración químico o electroquímico.

En el caso del transporte a favor de gradiente, éste se puede realizar sin gasto de energía (permeabilidad pasiva). En ocasiones, esta permeabilidad pasiva ocurre por difusión simple a través de la bicapa lipídica, mientras que para todos los iones y para una gran cantidad de

moléculas son necesarias, en la membrana, proteínas transportadoras especiales (canales iónicos y permeasas). Se habla en este último caso de difusión facilitada. Cuando el transporte debe hacerse en contra del gradiente de concentración, es necesario emplear energía. Esta energía puede provenir de la utilización directa de ATP por medio de las proteínas transportadoras, como es el caso del transporte activo primario (mediado por diversas categorías de bombas). Un ejemplo lo constituye la bomba de sodio-potasio.

En otros casos el transporte activo es secundario o indirecto, ya que una molécula o un ion son transportados en contra del gradiente sin consumo directo de ATP. En este caso la energía proviene del cotransporte de un ion o molécula diferente que atraviesa de manera simultánea la membrana a favor de la concentración. La disipación de ese gradiente favorable es utilizada como energía por la proteína transportadora para motorizar el pasaje desfavorable en el mismo sentido (simporte) o en el opuesto (antiporte).

Permeabilidad de una capa bilipídica. Difusión simple. Es posible construir en el laboratorio una bicapa que cierre la comunicación entre dos compartimientos acuosos (membranas artificiales). En un sistema como éste se puede estudiar el pasaje de diversas sustancias en membranas lipídicas con ausencia de proteínas transportadoras. La figura anterior esquematiza el comportamiento de diferentes sustancias frente a una bicapa, en condiciones de gradiente favorable.

Las pequeñas moléculas no polares (vale decir, hidrofóbicas) difunden rápidamente a través de las membranas. En general penetran más rápidamente cuanto menor es la molécula y mayor su liposolubilidad. Pasan por difusión simple a través de la bicapa los gases, el benceno y ciertos medicamentos liposolubles.

Las moléculas hidrofílicas también pueden difundir, con la condición de que no estén cargadas y de que posean pequeño tamaño. De esa manera pasan rápidamente el metanol, el etanol y el glicerol. También el agua puede atravesar la bicapa, aunque en la célula esto representa menos del 10% del total del pasaje acuoso a través de la membrana. Las moléculas hidrofílicas mayores, del tamaño de los monosacáridos en adelante, no atraviesan las bicapas en ausencia de proteínas. Es importante destacar que todas las partículas cargadas, por pequeño que sea su tamaño (como el caso de un protón), son incapaces de atravesar la bicapa lipídica, dado que atraen moléculas de agua (que son dipolares) y se rodean constantemente de una capa acuosa, y esta capa de hidratación o nube acuosa es de considerables dimensiones.

Permeabilidad de las membranas celulares. Como en el caso de las membranas bilipídicas artificiales, las membranas biológicas permiten la difusión simple del mismo tipo de moléculas que aquéllas. Sin embargo, en las membranas celulares también ocurre el pasaje de iones, aminoácidos, monosacáridos y aun moléculas hidrofílicas mayores. Esto se debe a la presencia, en todas las membranas biológicas, de proteínas transportadoras especiales. En general son proteínas de paso múltiple, vale decir que la cadena polipeptídica recorre el espesor de la membrana varias veces, lo cual determina un interior acuoso en su estructura que aísla del interior hidrofóbico de la membrana a la sustancia transportada.

Cada una de las proteínas transportadoras es específica, en el sentido de que transporta solamente un tipo de molécula y es capaz de discriminar incluso diferentes tipos de aminoácidos o de monosacáridos entre sí.

Transporte pasivo o difusión facilitada. Este tipo de transporte se hace siempre a favor del gra-diente electroquímico, y las proteínas transportadoras pueden ser de dos clases: canales iónicos o permeasas.

Una diferencia fisiológica fundamental entre la difusión simple y el transporte pasivo lo constituye su cinética.

En la difusión simple la velocidad de pasaje es siempre proporcional a la diferencia entre las concentraciones a ambos lados de la membrana, mientras que en el transporte pasivo (o difusión facilitada) la velocidad de transporte aumenta rápidamente con la diferencia de concentraciones, pero se llega a un tope (Vmax) cuando todas las proteínas transportadoras de la membrana están funcionando al máximo de su velocidad. Se dice entonces que el sistema está saturado. Esto vale tanto para las permeasas como para los canales iónicos.

Canales iónicos. El primer grupo de proteínas transportadoras que consideraremos está constituido por los llamados canales iónicos. Estos forman poros o conductos hidrofílicos que recorren el espesor de todas las membranas celulares y permiten el flujo pasivo de iones a través de éstas. Son altamente selectivos, por lo que en general facultan el paso de un solo tipo de ion. Los canales iónicos son teóricamente saturables, aunque no en condiciones fisiológicas. Existen canales que permanecen siempre abiertos, mientras que otros se abren y cierran regulados por señales químicas, eléctricas o mecánicas que provocan cambios conformacionales en las proteínas del canal.

Los canales regulados, de importancia fundamental en células musculares, secretorias, neuronas y otras, comprenden múltiples isoformas con diferentes tipos de regulación, selectividad iónica o velocidades de apertura o cierre, que se expresan de manera diferencial en distintos tipos celulares a lo largo del desarrollo.

Canales regulados por voltaje. Existen canales regulados para sodio, potasio y calcio. Los canales de sodio de las células musculares, por ejemplo, permanecen cerrados cuando la membrana plasmática mantiene su potencial de reposo que es negativo para el interior celular con una diferencia de voltaje de unos 90 mv, cuando se despolariza un punto de la membrana de estas células, el campo eléctrico modificado de la membrana influye sobre regiones cargadas de las proteínas del canal, provoca su apertura. El sodio, más concentrado en el exterior de la célula que en el interior, penetra por diferencia de gradiente electroquímico y contribuye aún más al cambio de potencial, pues hace que se abran canales de sodio más alejados y causa así la propagación de la despolarización a lo largo de la membrana.

Canales regulados por ligando. Se trata de canales-receptores que, al unirse con su ligando específico experimentan un cambio conformacional que determina su apertura. Un ejemplo lo constituye el receptor de acetilcolina, canal de sodio regulado que en la sinapsis se encarga de iniciar la despolarización de la membrana postsináptica. Los ligandos pueden unirse al lado extracelular del canal como, por ejemplo, los neurotransmisores o, en algunos casos, al dominio citosólico, como ocurre con el AMPc u otros mensajeros intracelulares.

Canales regulados mecánicamente. Se abren regulados por el estiramiento de las membranas. Se piensa que la tensión es transmitida a las proteínas del canal por elementos del citoesqueleto. En el caso de las células neuroepiteliales del oído interno las fuerzas que actúan sobre estos canales se transmiten a través de fibrillas insertadas en la cara extracelular.

Permeasas. El segundo tipo de proteínas para el transporte pasivo lo constituyen las permeasas o transportadores (a veces denominadas carriers según su nombre en inglés). También son muy específicas, ya que discriminan incluso entre isómeros, como es el caso de la glucosa y la galactosa, que si bien difieren solamente en la posición de un oxhidrilo en el carbono 4, requieren dos permeasas diferentes. En todos los casos la molécula transportada debe unirse a un sitio específico de la permeasa la que sufre una serie de cambios conformacionales para finalmente trasladar al soluto a la cara opuesta de la membrana sin gasto de energía. Estos procesos limitan

la velocidad del transporte, que es más lento que para el caso de los canales iónicos. En la figura anterior se representa el mecanismo propuesto para el transporte selectivo por medio de permeasas.

Otro de los mecanismos postulados para la difusión facilitada, el del translocador móvil, es muy improbable desde el punto de vista termodinámico. El único caso de transportadores móviles conocido es el de ciertos ionóforos de uso experimental, como la valinomicina o el A23187. Otros ionóforos utilizados, como el antibiótico gramicidina, forman canales convencionales.

Transporte activo. En algunos casos las proteínas transportadoras deben mediar el pasaje de iones o de moléculas en contra del gradiente electroquímico. En estas circunstancias se requiere el uso de energía y se habla de transporte activo.

Existen dos tipos de transporte activo: el primario (mediado por ATPasas) y el secundario (media-do por proteínas cotransportadoras). En ambos casos, directa o indirectamente debe consumirse energía, y ésta proviene sobre todo de la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. Como conse-cuencia de ello, el transporte activo está acoplado a la respiración celular.

Transporte activo primario. Las permeasas especiales que utilizan ATP directamente como fuente de energía para el transporte activo se denominan bombas o ATPasas. Las bombas (o ATPasas de membrana) comprenden varias familias de proteínas. Algunas están formadas por múltiples cadenas polipeptídicas asociadas, y todas tienen en común la característica de que transportan (y a veces cotransportan) un determinado tipo de ion en contra del gradiente electroquímico con utilización de ATP En algunos casos, como el de la P-170, la molécula transportada no es un ion. Analizaremos varios ejemplos de bombas o ATPasas de membrana.

Bombas de protones. Existen varias clases, algunas de ellas asociadas a las membranas plasmáticas y otras a organoides membranosos, como lisosomas, endosomas, gránulos secretorios y vacuolas de células vegetales y de eucariotas inferiores. En el interior de los endolisosomas determinan una concentración de iones hidrógeno que lleva el pH a valores inferiores a 5.

Las ATPasas de clase F de los procariotas, cloroplastos y mitocondrias también son bombas protónicas, pero en el caso de las mitocondrias suelen funcionar en reversa sintetizando ATP.

Bombas de calcio. Existen en las membranas plasmáticas y en las membranas internas como del retículo sarcoplasmático. En ambos casos el calcio es removido del citosol hacia el exterior de la célula o hacia el interior del compartimiento citoplasmático secuestrador de calcio. Ambos mecanismos, junto con un sistema de antiporte sodio-calcio, que analizaremos más adelante, son responsables de que el calcio se mantenga unas 4.000 veces menos concentrado en el citosol que en el medio extracelular.

Glucoproteína P (P-170). Comprende una variedad de isoformas de proteínas transmembranosas que se expresan en las membranas plasmática de los hepatocitos, enterocitos y células del epitelio renal. Intervienen en la excreción hacia la bilis, el intestino y la orina de una serie de toxinas hidrofóbicas del metabolismo normal, a las que transportan contra gradiente al exterior de las células con consumo de ATP. A este tipo de molécula también se la llama ATPasa de resistencia a multidrogas, dado que ciertas células tumorales sobreexpresan esta proteína, que extrae rápidamente del citoplasma a las drogas citostáticas y torna inefectiva la quimioterapia antitumoral.

Bomba de sodio-potasio. Es de fundamental importancia para el metabolismo celular. Está constituida por un tetrámero de dos subunidades transmembranosas y dos . En el dominio citosólico de la subunidad reside el sitio catalítico para a hidrólisis del ATP y el sitio para la unión de tres iones sodio. En el dominio extracelular existe el sitio de unión de dos iones potasio; este sitio puede ser ocupado por la ouabaína, que es un glucósido digitálico que inhibe el funcionamiento de la bomba.

La concentración de sodio es característicamente unas 15 veces mayor en el líquido extracelular que dentro de la célula, mientras que la situación inversa se da para el potasio, que es preferentemente intracelular. Estas concentraciones son mantenidas por la actividad de la bomba de sodio-potasio, que cotransporta ambos iones en contra de sus gradientes. Dado que se debe

hidrolizar una molécula de ATP por cada tres sodios que se extraen y cada dos potasios que se introducen, para mantener las concentraciones iónicas normales el consumo de energía es muy alto, y varía según los tipos celulares desde un 10% hasta un 65% del consumo energético total.

Como consecuencia de la actividad de la bomba de sodio-potasio, la célula puede mantener su balance osmótico y estabilizar así su volumen. En algunos casos de anoxia o lesión celular, la producción de ATP está disminuida y la energía disponible no es suficiente para el funcionamiento normal de la bomba de sodio-potasio. Como ya vimos, en estas circunstancias la lesión celular inicial característica es la tumefacción o edema celular agudo con aumento del volumen celular por ganancia de agua, junto con alteraciones más complejas que culminan en la muerte celular.

Se dice que la bomba de sodio-potasio es electrogénica, vale decir que tiende a crear un potencial eléctrico de membrana, con el interior negativo, dado que por cada tres cationes que extrae de la célula introduce solamente dos. Las propiedades eléctricas de la membrana se considerarán en detalle más adelante.

Transporte activo secundario. Utiliza la energía potencial contenida en el gradiente favorable de la sustancia cotransportada. El elemento más importante que motoriza el cotransporte a través de la membrana plasmática es el sodio, cuyo gradiente favorable, a su vez, debe mantenerse con gran gasto de energía. En algunas ocasiones la sustancia cotransportada es introducida contra gradiente junto con el sodio (simporte), como en uno de los tipos de transportadores de glucosa de los enterocitos o del epitelio renal. En otras células la entrada de sodio se utiliza para extraer al otro elemento (antiporte), como el intercambiador de sodio-calcio de los cardiocitos. A propósito de este último ejemplo, recordemos que los glucósidos digitálicos, como la ouabaína, inhiben la bomba de sodio-potasio. Este es justamente el mecanismo de acción de los digitálicos en la terapia de la insuficiencia cardiaca congestiva: alterar el gradiente de sodio, de modo de interferir en su cotransporte con el calcio; el consiguiente aumento de la concentración de éste en los cardiocitos incrementa su contractilidad.

Permeabilidad de las membranas a macromoléculas y partículas. Las macromoléculas y las partículas de nivel supramolecular, algunas de ellas de gran tamaño, pueden ser introducidas en la célula (o extraídas de ella) por un mecanismo completamente diferente de los que acabamos de analizar. En sentido estricto, estas partículas nunca atraviesan las membranas, sino que por un proceso de deformación y fusión de membranas se produce el llamado transporte en masa, que incluye las diversas formas de endocitosis (pinocitosis y fagocitosis) si el material se incorpora a la célula; si el material es eliminado al exterior se habla de exocitosis.