II. LAS UNIDADES Y LA ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS
PARA formar las membranas biol�gicas, la naturaleza aprovech� las propiedades de unas sustancias que no pueden incluirse estrictamente dentro de las que hemos llamado polares o no polares. Se trata de compuestos que en su misma mol�cula tienen una parte polar y otra no polar. A este grupo pertenecen, por ejemplo, los jabones y los detergentes, que est�n formados por una cadena apolar, o "cola", de �tomos de carbono e hidr�geno, y una "cabeza", que tiene una carga negativa o positiva. Hay un grupo numeroso de estas sustancias, a las cuales se llama anfif�licas o anfip�ticas (del griego anfi: ambos), porque parecen mostrar simpat�a o, en t�rminos reales, capacidad para interactuar, por una parte, con sustancias polares y, por otra, con sustancias apolares. A continuaci�n veremos c�mo se comportan estas sustancias en diferentes condiciones, pero principalmente en el agua, que es el solvente principal de los seres vivos, as� como las influencias que algunos otros componentes de las soluciones en que se encuentran, como los iones, pueden tener en su comportamiento.
Si disolvemos mol�culas de jab�n en agua, como se muestra en la figura 9, lo que se produce no es una soluci�n verdadera; de hecho no es transparente, y al colocarla contra la luz la vemos m�s o menos turbia u opalina, porque las mol�culas realmente no se han disuelto, sino que se han organizado en forma de part�culas muy peque�as. Si la vemos ilumin�ndola de un lado en una habitaci�n oscura nos daremos cuenta que dispersa la luz (se ve luminosa al observarla de un lado), precisamente por la presencia en ella de esas part�culas de cierto tama�o. El fen�meno es semejante a la luminosidad de las part�culas de polvo iluminadas por un rayo de sol en una habitaci�n m�s o menos oscura.
La formaci�n de esas part�culas tiene lugar porque las cadenas de �tomos de
carbono o "colas" hidrof�bicas de las mol�culas, como cualquier cadena hidrof�bica,
son rechazadas por el agua; esto provoca que todas se agrupen, dando lugar a
las estructuras llamadas micelas, que son min�sculas esferas en las cuales las
"colas" o porciones apolares forman la parte central, y hacia el exterior se
sit�an las "cabezas" o porciones polares, que s� pueden interactuar con el agua
(Figura 9). Esta propiedad de formar micelas no es m�s que una de las manifestaciones
de las interacciones de los detergentes y jabones con el agua. Si colocamos
jab�n o detergente sobre la superficie del agua, se puede formar una capa monomolecular
(de una sola mol�cula de grueso), en la cual las "colas" hidrof�bicas, rechazadas
por el agua, quedan expuestas al aire, y las "cabezas" hidrof�licas sumergidas
en el agua. Pero m�s a�n, las paredes de las burbujas de jab�n no son otra cosa
que una doble capa de jab�n o detergente con las colas orientadas hacia el aire
y las cabezas hacia la capa de jab�n, en contacto tambi�n con una fin�sima capa
de agua, que, adem�s, se evapora con facilidad y da como resultado la p�rdida
de la estructura y la ruptura de la burbuja a pocos segundos de que se ha formado.
Figura 9. Las micelas, estructuras que forman las mol�culas de jab�n en
el agua, y su relaci�n con �sta.
No es dif�cil imaginar ahora que las propiedades de las sustancias anfif�licas difieran seg�n su estructura individual, y que estas diferentes propiedades modifiquen tambi�n las de las micelas u otras estructuras que forman. El estudio de las propiedades de las micelas, por otra parte, ha servido de base para suponer en un principio y confirmar luego muchas de las propiedades de las membranas biol�gicas que, como veremos a continuaci�n, obedecen a las mismas reglas generales de comportamiento y comparten algunas de las propiedades generales con las micelas.
Las micelas tambi�n han permitido hacer estudios sobre las caracter�sticas generales de las superficies que ofrecen al medio, no s�lo frente al solvente mismo, sino tambi�n frente a otros componentes o condiciones del medio ambiente, como la acidez o la alcalinidad (pH), o la presencia de otras sustancias, principalmente iones de diferentes cargas o valencias, etc. Esta informaci�n en muchas ocasiones ha permitido establecer principios o normas generales de comportamiento que se pueden aplicar a otras estructuras semejantes, incluyendo a las membranas biol�gicas.
Parte de la informaci�n b�sica que se ha obtenido de las micelas es la relativa al estado f�sico de las porciones apolares rechazadas por el agua. El estudio de la fluidez del interior de las micelas ha permitido predecir propiedades importantes de las membranas biol�gicas por extrapolaci�n, en cuanto a su estado f�sico, acomodo, efectos del largo de la cadena apolar, de la presencia de dobles ligaduras en ella, de la carga de las cabezas, de la presencia de iones en el agua, etc�tera.
LAS MEMBRANAS COMO CAPAS DOBLES DE FOSFOL�PIDOS
Hay un tipo de sustancias anfif�licas o anfip�ticas que tienen semejanza con las mencionadas y mostradas en la Figura 1; sin embargo, difieren de ellas esencialmente porque en lugar de una "cola" apolar, tienen dos. La naturaleza ha elaborado diversas clases de ellas, y corresponden al grupo de los fosfol�pidos.
El nombre proviene del hecho de que la cola hidrof�bica corresponde en su estructura a la de una grasa (l�pido), y en la "cabeza" polar se encuentra un grupo fosfato (fosfo) que contiene f�sforo (representado por el s�mbolo P) en su estructura.
Uno de los hechos interesantes en relaci�n con estas mol�culas es que la mayor�a
de ellas comparte propiedades comunes, pues tienen dos cadenas hidrof�bicas
(aunque pueden ser m�s), que son de longitud variable, pero las m�s comunes
tienen entre 16 y 18 �tomos de carbono y un n�mero variable de dobles enlaces
entre los �tomos de carbono. En la composici�n de la "cabeza" hay una mayor
variabilidad, no s�lo en la estructura misma, sino tambi�n en cuanto al n�mero
y al signo de las cargas el�ctricas. En la Figura 10 se representan s�lo tres
de estos fosfol�pidos, y se intenta se�alar que puede haber diversidad en las
cabezas y en las colas. De hecho, en una mol�cula de un fosfol�pido, las dos
cadenas de �tomos de carbono no son necesariamente iguales.
Figura 10. Distintos tipos de fosfol�pidos. N�tese que para la lecitina
mostrada, las "colas " son dos mol�culas de �cido oleico, de 18 �tomos de carbono
con una doble ligadura. Para la cardiolipina se presenta una mol�cula que tiene
cuatro mol�culas de �cido palm�tico, de 16 �tomos de carbono.
�C�MO SE COMPORTAN EN EL AGUA?
Estas mol�culas no se dispersan con facilidad en el agua como los detergentes
y los jabones; sin embargo, por medios f�sicos, como con el ultrasonido, se
puede lograr su dispersi�n. Como resultado de ello, �stas se organizan formando
ves�culas peque��simas, cuyas paredes est�n formadas por una doble capa de fosfol�pidos,
como se muestra en forma esquem�tica en la Figura 11. A estas ves�culas se les
ha dado el nombre de liposomas, y muestran propiedades interesantes, que se
asemejan much�simo a las membranas biol�gicas.
Figura 11. Esquema que muestra las ves�culas que forman los fosfol�pidos,
as� como el acomodo de �stos para formar la estructura membranosa.
Las ves�culas formadas artificialmente con fosfol�pidos o liposomas, son estructuras cerradas que no permiten el paso de sustancias i�nicas o polares ni de mol�culas grandes en ning�n sentido. Curiosamente, tal y como sucede con las membranas biol�gicas, s� son permeables al agua. Estas caracter�sticas han hecho que los liposomas, formados con diversos tipos de fosfol�pidos, se hayan utilizado much�simo para estudiar las propiedades de las membranas. Se ha llegado inclusive a reproducir en ellos muchos de los fen�menos que se encuentran en las membranas naturales de las c�lulas (v�ase el cap�tulo VIII).
LAS MEMBRANAS CELULARES EST�N FORMADAS CON CAPAS DOBLES DE FOSFOL�PIDOS
Desde 1925, los investigadores Gorter y Grendel propusieron que las membranas de las c�lulas est�n formadas por una capa doble de fosfol�pidos. La propuesta result� de un experimento muy sencillo: estos autores aislaron los fosfol�pidos de una cantidad conocida de gl�bulos rojos (eritrocitos) y los colocaron sobre la superficie del agua, de manera que formaran una capa de una sola mol�cula de grueso, y midieron el �rea. Tomando en cuenta la forma y las dimensiones de los gl�bulos rojos, calcularon el �rea de la superficie de los eritrocitos de donde proven�an los fosfol�pidos y encontraron que el �rea de los fosfol�pidos dispersos era el doble de la calculada para las c�lulas. Con este sencillo experimento y una serie de consideraciones te�ricas, basadas en las propiedades de las mol�culas, tal y como las hemos descrito hasta ahora, estos investigadores propusieron entonces que los fosfol�pidos deber�an estar formando una capa doble en la membrana, adem�s, con las porciones apolares opuestas y alejadas del agua, como se mostr� en la Figura 11. Esta proposici�n no recibi� la atenci�n debida, y pasaron muchos a�os antes de que se le diera la importancia y el valor que merec�a.
Una buena parte de la evidencia de que las membranas celulares est�n formadas por una capa doble de fosfol�pidos proviene de experimentos llevados a cabo con bicapas artificiales de fosfol�pidos, en las que se puede simplificar enormemente el problema y hacer estudios que en las c�lulas �ntegras ser�an complicados. Pero la mayor parte de las observaciones realizadas en las bicapas artificiales se pueden aplicar a las membranas de las c�lulas.
Cuando se muestra la imagen de una membrana obtenida por microscop�a electr�nica, se observa una doble sombra que hace ya muchos a�os se interpret� en el sentido de que los l�pidos estaban en el centro de la membrana y que sus dos superficies estaban recubiertas con prote�nas. Sin embargo, esta misma imagen se observa en las bicapas artificiales, en las cuales no hay prote�nas; se concluye que la doble sombra no representa otra cosa que las superficies de las dos capas de fosfol�pidos.
Hay un procedimiento en el cual se puede congelar una muestra para observarla a trav�s del microscopio electr�nico, pero antes se le fractura en lugar de te�irla directamente, generando dos superficies. Todas las observaciones realizadas con membranas permiten concluir que la doble capa se fractura en la parte central que tiene menor resistencia, en donde la fuerza de cohesi�n s�lo est� dada por la d�bil atracci�n de las porciones polares de los fosfol�pidos.
La conclusi�n de que las membranas de las c�lulas est�n formadas por una doble capa de fosfol�pidos no se ha alcanzado por medio de argumentos aislados. Como ante cualquier problema cient�fico, s�lo es posible concluir algo si evidencias numerosas se�alan lo mismo. Lo mencionado es s�lo una parte de las pruebas de que las membranas son as�. Hay muchos otros elementos, tanto te�ricos como experimentales, que coinciden, de modo que en la actualidad no hay duda de que las membranas de las c�lulas tienen como estructura b�sica esta doble capa de fosfol�pidos.
Tambi�n debe quedar claro que esta estructura existe cuando las c�lulas se encuentran en el agua. Es s�lo la relaci�n rec�proca del agua y de los fosfol�pidos la que da lugar a la organizaci�n mencionada; si el agua desaparece, deja de existir la doble capa. Aunque por ejemplo hay manera de secar ciertos microorganismos, la realidad es que no puede hacerse completamente; siempre es necesario dejar un m�nimo de agua para mantenerlos vivos.
�QUE PROPIEDADES TIENEN LAS BICAPAS?
Impermeabilidad. Dado que la m�s importante de las funciones de las membranas es tal vez la de formar una capa protectora alrededor de las c�lulas, la impermeabilidad es una de las principales propiedades de las bicapas que se debi� demostrar. No s�lo ha sido posible demostrar la impermeabilidad, sino tambi�n algo que deb�a esperarse a partir de la composici�n grasa o lip�dica de la membrana. Hace aproximadamente 40 a�os, Collander, haciendo investigaciones con el alga Nitella, encontr� que las sustancias pueden pasar a trav�s de la membrana en muy estrecha relaci�n con su solubilidad en las grasas. Esto es precisamente lo que deb�a esperarse si la membrana equivale en cierta forma a una capa de grasa que rodea a la c�lula.
Por otra parte, las propiedades de las membranas no s�lo son de inter�s para satisfacer la curiosidad de los investigadores. El conocimiento puede ser interesante hasta en el caso, por ejemplo, del dise�o de medicamentos que deben actuar dentro de las c�lulas; para ello lo ideal es que su estructura les permita penetrar a las c�lulas porque se "disuelven" en la membrana. Esto tambi�n es cierto para algunos t�xicos, cuyos efectos se deben en gran parte a los efectos que tienen sobre las membranas. Uno de estos casos es la lesi�n que el tolueno y otros solventes org�nicos producen sobre las membranas de las c�lulas, y que parecen compartir con los solventes industriales que algunos individuos inhalan, utiliz�ndolos como enervantes.
Sin embargo, en el mismo experimento realizado por Collander fue muy claro que el agua difiere del comportamiento general de otras sustancias. Siendo poco soluble en aceite, entra con gran velocidad a las c�lulas. Este comportamiento no tiene una explicaci�n clara hasta ahora, pero s� es un hecho que tanto las membranas biol�gicas como las bicapas artificiales tienen una gran permeabilidad al agua. En los organismos animales, por ejemplo, no hay membrana celular alguna que el agua no pueda atravesar; inclusive hay algunas que adem�s tienen mecanismos para aumentar esta permeabilidad; como en el caso, por ejemplo, de la piel de la rana o de algunas c�lulas de ri��n en las cuales los movimientos del agua adem�s se pueden regular por medio de hormonas.
Otra propiedad importante de las membranas es la elasticidad. Las c�lulas y otras estructuras membranosas contenidas en ellas deben ser el�sticas. Por numerosas razones ser�a inconveniente tener membranas r�gidas, que impedir�an el movimiento o al acomodo de las c�lulas. La Figura 12 muestra una imagen de una amiba y la de un alga, obtenida con el microscopio electr�nico de barrido; es claro que esta estructura no se lograr�a con una membrana r�gida.
La elasticidad de la membrana parece deberse a una raz�n muy simple: sucede que las cadenas de �tomos de carbono de los fosfol�pidos que se encuentran en el centro de la doble capa se comportan como las mol�culas de cadenas libres, y tienen una gran movilidad, como si se encontraran en estado l�quido. Esto, por otra parte, se puede demostrar por medio de diversos procedimientos; adem�s, es posible ver que esta "fluidez" o estado f�sico de las membranas, como para cualquier sistema, depende de la temperatura.
Resistencia. Aunque pudiera pensarse que las membranas celulares son fr�giles, �ste no es el caso; su resistencia es considerable; esto es cierto inclusive para las membranas formadas artificialmente por un s�lo tipo de fosfol�pido, como la fosfatidiletanolamina (Figura 12).
Figura 12. Micrograf�a de una amiba y de un alga (Spirulina maxima) tomada
en el microscopio electr�nico de barrido por el Dr. Alfonso C�rabez, del Instituto
de Fisiol�gia Celular de la UNAM. Es de hacer notar la gran capacidad
que la membrana tiene para plegarse sin romperse.
Pero hay otros elementos que pueden agregar resistencia a la bicapa, como pueden
ser, por ejemplo, las fuerzas de atracci�n entre las cabezas de los fosfol�pidos
con diferente signo en su carga. Tal es el caso de las mol�culas de lecitina
(Figura 10), que tienen una carga positiva y una negativa en la porci�n polar
y se atraen entre s�. A�n en el caso de mol�culas con un solo signo en la carga,
como la fosfatidiletanolamina, que l�gicamente presentan repulsi�n de sus cabezas
cuando se encuentran en presencia de Ca2+ o de Mg2+, estos
cationes, no s�lo neutralizan las cargas, sino que forman adem�s puentes entre
ellas, transformando la condici�n desfavorable para aumentar la atracci�n y
con ello la resistencia de la membrana (Figura 13).
Figura 13. Esquema que muestra c�mo el ion de calcio (Ca2+),
que tiene dos cargas positivas, puede aumentar la estabilidad de una membrana
formada por fosfatidil serina, cuyas mol�culas tender�an a repelerse por tener
carga negativa.
Pero las propiedades generales mencionadas se pueden obtener pr�cticamente con cualquiera de los fosfol�pidos. Sin embargo, en las distintas clases de c�lulas hay un n�mero muy grande de diferentes fosfol�pidos; sin duda esto debe tener una significaci�n, pero s�lo en algunos casos se ha llegado a demostrar que, por ejemplo, ciertos sistemas de transporte requieren precisa y estrictamente algunos tipos de fosfol�pidos. En el caso, por ejemplo, del transporte del az�car galactosa en Escherichia coli (el colibacilo), �ste s�lo funciona con membranas preparadas con los fosfol�pidos que tiene la bacteria. Al cambiarlos por otros, el transpostador no funciona. Algo semejante se ha encontrado en algunos componentes de los sistemas respiratorios mitocondriales y en algunas bacterias que forzosamente requieren de ciertos fosfol�pidos para su buen funcionamiento. Aunque el asunto no se ha estudiado con suficiente detalle, en la naturaleza es dif�cil encontrar sustancias o fen�menos que no tengan un significado e importancia precisos. El caso de los diferentes tipos de fosfol�pidos de seguro no escapa a esta regla general.
LAS PROTE�NAS DE LAS MEMBRANAS
Aunque nos hemos limitado a mencionar con detalle a los l�pidos como los componentes de las membranas de las c�lulas, esto es simplemente una forma de presentaci�n del tema. Los l�pidos constituyen la estructura b�sica de la membrana, act�an como una pel�cula de recubrimiento y aislante, que evita el paso de la mayor parte de las sustancias que se encuentran dentro o fuera de una c�lula. Pero en t�rminos de utilidad, de nada servir�a una membrana concebida as�; ya se�alamos que se requieren elementos que permitan, entre otras cosas, el intercambio con el exterior, pero no s�lo de sustancias, sino tambi�n de otros tipos de interacciones, como la comunicaci�n, el contacto, etc. Es aqu� donde intervienen las prote�nas.
Las prote�nas son tal vez las estructuras m�s complicadas que hay en las c�lulas. Est�n formadas por la uni�n de 20 unidades diferentes, los amino�cidos. A partir de estas unidades se forman mol�culas m�s grandes, unidas siempre de acuerdo a un orden definido en cada c�lula para cada prote�na. El tipo de enlace es el pept�dico.
Dado que cada amino�cido tiene caracter�sticas especiales de tama�o, signo y n�mero de cargas, hidrofobicidad, etc., al formarse cadenas entre ellos, se produce una organizaci�n especial que se traduce en estructuras de gran complejidad, cuyo papel dentro de las c�lulas es realizar funciones complicadas. Por ejemplo, cada transformaci�n qu�mica de una sustancia en otra es pr�cticamente promovida o catalizada por una prote�na, llamada enzima, y hay miles diferentes de ellas.
Las prote�nas son en realidad lo que podr�amos considerar como las piezas mismas de la maquinaria celular, y las que se encargan de mover cada paso del complicad�simo mecanismo que da lugar al funcionamiento integral de las c�lulas.
La situaci�n es variable, pero el contenido de prote�nas de las membranas var�a entre un 25 y 75%; esto parece depender del grado de especializaci�n y actividad de cada una de ellas. Una de las que tiene mayor contenido de prote�nas es la mitocondrial, y es explicable, pues este organelo celular tiene a su cargo entre otras cosas, nada menos que la funci�n de proveer de energ�a al resto de la c�lula.
Se utiliza a las prote�nas en las funciones membranales, de la misma forma que para realizar directamente las funciones m�s complicadas de las c�lulas. S�lo estas sustancias alcanzan un grado de complejidad suficiente para realizar tan delicadas funciones como, por ejemplo, colocarse en la superficie de la c�lula y reconocer primero en el exterior a una mol�cula de glucosa, tal vez entre otras 1 000 o 2 000 sustancias, capturarla luego y finalmente introducirla a la c�lula, en ocasiones en contra de su concentraci�n y tendencia natural a moverse, debido a que en el exterior puede estar menos concentrada que en el interior.
Las prote�nas, como componentes de la maquinaria celular, tambi�n son las que ejecutan en las membranas la mayor parte de las funciones propiamente dichas. Sobre la estructura b�sica esencial de una doble capa de l�pidos, impermeable y relativamente inerte, fue necesario implantar las unidades funcionales que dieran sentido a las membranas como fronteras din�micas y que les permitieran un contacto eficiente y adecuado con el exterior. S�lo las prote�nas tienen la capacidad de alcanzar este grado de especializaci�n.
En la Figura 14 se presenta de manera esquem�tica el acomodo de las prote�nas
en las membranas. Aunque algunas pueden estar simplemente adosadas a ellas,
la mayor�a las cruzan de un lado al otro, porque as� lo requieren las funciones
que realizan en la Figura 1 de la introducci�n, ya se mostr� un esquema de algunas
de las funciones de estos componentes de las membranas.
Figura 14. Esquema que muestra c�mo se intercalan las prote�nas en las membranas.
Las prote�nas se presentan en forma m�s o menos compacta, aunque en realidad
est�n constituidas como se mostr� en la figura 11.
LOS CARBOHIDRATOS EN LAS MEMBRANAS
Son numerosas las membranas celulares que contienen carbohidratos (az�cares). En la mayor�a de los casos se trata de cadenas de los az�cares simples o sus derivados, llamados polisac�ridos, que llegan a ser extremadamente complejas. Una de las funciones importantes de estas sustancias parece consistir en servir de elementos de reconocimiento por parte de otras c�lulas u organismos. Tal vez el caso m�s conocido sea el de los polisac�ridos de los gl�bulos rojos, que por la presencia en sus membranas dan lugar a los grupos sangu�neos. La cuesti�n es muy simple, hay dos polisac�ridos, el A y el B; la presencia de ninguno, uno o ambos puede dar lugar a los tipos sangu�neos O, A, B, y AB, con las consecuencias que ello tiene para las transfusiones sangu�neas. Al administrar un tipo de gl�bulos rojos diferente a los que tiene un individuo, su organismo los desconoce y los destruye, y el mecanismo de reconocimiento tiene como base la presencia de estos polisac�ridos.
Es impresionante el gran n�mero de cadenas de az�cares que sobresalen de la superficie de un eritrocito aunque no se conoce el papel m�s que de una parte de ellas.
En resumen, las membranas no s�lo contienen l�pidos; hay tambi�n carbohidratos y prote�nas en proporciones variables: sin embargo, las funciones "activas" de las membranas parecen estar a cargo de las prote�nas, como es el caso de un gran n�mero de otras funciones celulares.
