Lípidos en las membranas, ¿dónde si no?

La membrana celular es lo que separa lo vivo de lo no vivo. Tan solo unos 3-4 nm… ¿Por qué no es más gruesa? ¿Por qué no más fina? ¿Por qué está hecha de varios tipos de lípidos? ¿Qué tiene eso que ver con mi alimentación? ¿Y con mi temperatura corporal? ¿O cómo el cerebro crea ideas complejas? Para poder dar respuesta, alguna vez, a esas preguntas, hay que conocer uno de los componentes principales de toda membrana: sus lípidos.

Ósmosis
Tomado de Punto Sigma

Y es que constituyen la parte hidrofóbica de la membrana. Juegan un papel de frenar (que no impedir) la difusión libre de agua al interior, reduciendo su velocidad unas 1.000 veces. E impide el paso de moléculas hidrofílicas de mayor tamaño. Eso le da tiempo a la célula para controlar su presión osmótica. Si el agua entrara rápidamente, el simple hecho de comer, de nutrirse, de introducir biomoléculas en la célula sustancias, supondría un riesgo mortal para células como las animales, que no tienen pared. Porque aumentaría la concentración interna (hipertonicidad) y promovería turgencia. Ese retraso en la entrada de agua le da a la célula el tiempo suficiente para adaptarse. Si no tiene pared de algún tipo. Si la tiene, todo esto le da un poco igual

Una de las principales características de la membrana es que ha de ser muy estable. Y lo logra gracias a que su estructura está mantenida por fuerzas que no tienen que ver con lo que ocurra en los medios externo e interno. Por fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas-hidrofílicas. Esa estabilidad le permite cambiar de forma a la célula. Incluso de modos muy extremos y sea cual sea su composición en lípidos.

Hay tres clases de lípidos en membranas eucariotas: fosfoglicéricosesfingolípidoscolesterol (especialmente abundante en las células animales) y otros esteroides (en las plantas llegan a ser el 50% de sus membranas). Los tres son anfipáticos. Pero en las células procariotas no hay colesterol. Y en arqueobacterias no hay esos tipos de lípidos.

En los fosfolípidos importa la proporción de ácidos grasos saturados e insaturados. Afectan a la fluidez de la membrana pues los insaturados disminuyen las fuerzas de van der Waals por razones estéricas (su forma es acodada, no recta).

Entre los esfingolípidos destacan la esfingomielina (con fosforilcolina o fosforiletanolamina como grupos polares) y glicolípidos (con glúcidos como grupo polar).

Los esteroides, por sí solos, no forman bicapas, no forman membranas biológicas. Solo aparecen si están mezclados con fosfoglicéricos o esfingolípidos. Su efecto sobre la bicapa depende de su concentración. Si es alta, ordenan las colas apolares, reduciendo la fluidez. Si es baja actúa como cuña, separando las colas apolares entre sí, aumentando la fluidez. A nivel de las cabezas polares, su efecto es restringir el movimiento.

Prenilación
Tomado de Science Direct

¿Puede haber terpenos en las membranas? Sí, si puede. Pero, por lo que sabemos, su presencia procede de lipropoteínas;  que los portan (o portan algún otro tipo de lípido) para anclarse a la membrana. Y es que para un lípido, soltarse de ella y pasar al agua es complicado…

Los lípidos de la membrana pueden rotar sobre sí mismos y desplazarse lateralmente. Es lo que se llama mosaico fluido. Pero no pueden darse la vuelta espontáneamente y cambiar de cara porque tendrían que pasar sus grupos polares por la zona hidrofóbica (hay enzimas, las flipasas, que sí permiten ese volteo de una cara a otra; y así se logra la asimetría lipídica). Y ese movimiento de difusión lateral es muy rápido. Un lípido cambia su posición con otro vecino 10.000.000 veces por segundo. Lo que le da a la membrana una viscosidad similar a la del aceite. De ese modo, un lípido puede viajar de un extremo a otro de la membrana bacteriana en 1 seg y en 20 seg en el caso de la célula eucariota.

Algunas proteínas y el colesterol parecen frenar la libre difusión de los lípidos, creando zonas más fluidas y otras menos. Agrupando los lípidos en pequeñas “balsas” (también llamadas por su nombre inglés “rafts” o, incluso, microdominios de membrana). De este modo, proteínas con funciones complementarias pueden permanecer agregadas. Más bien, la membrana parece ser un mosaico de mosaicos fluidos.

La visión antigua de un único mosaico fluido ya no está vigente.

Membrana raft
Tomado de Membranas Celulares
Sección de raft
Tomado de NIGMS

El tipo de lípido influye en el grosor de la membrana (las regiones ricas en fosfoglicéridos son más estrechas que las ricas en esfingolípidos, más anchas). Lo cual afecta a la movilidad de las proteínas hacia unas u otras partes. El colesterol hace que las regiones de fosfoglicéridos se ensanchen. Pero las de esfingolípidos no las altera.

grosor de la membrana
Tomado de FASEB

Por otro lado, aunque la membrana es una estructura única, tiene dos caras. Que, habitualmente, son muy distintas en composición de lípidos y proteínas. La interna, hacia el citoplasma (o el orgánulo, si es una membrana interna), y la externa hacia el medio (o hacia el citoplasma, si es una membrana interna). Esto tiene que ser tenido en cuenta, también, para entender la formación de vesículas. Los lípidos con cabezas polares voluminosas tienen un efecto de aplanar la membrana. Las de menor tamaño, en cambio, facilitan su curvatura. Combinando distinto grosor y distinta curvatura en distintas caras, la célula se adapta a todos los cambios de forma. Eso se logra en el Aparato de Golgi al fabricar las vesículas que irán a parar a las membranas.

Recuérdalo cada vez que estornudes. Porque el mucus está formado, fundamentalmente, por proteínas que salieron de la célula en vesículas. Las cuales se formaron gracias a esas propiedades de las membranas.

3-4 nm, la distancia entre lo vivo y lo inerte

Y es que las membranas son la interfaz entre lo vivo y lo no vivo. Me gustaría que pensases en cosas que haces, cosas que te pasan. Y que encuentres relación con ellas. ¿Qué relación existirá entre la sed y las membranas? ¿Y con el hambre? ¿Y con el pensamiento, las emociones, la memoria? ¿Hay enfermedades que suceden porque algo va mal en las membranas? Y más, más, muchas más preguntas…

Pero esa interfaz es muy, muy, muy estrechita. Apenas 3-4 nm. Apenas 3 ó 4 millonésimas partes de un milímetro… Eso es lo que separa al citoplasma, el escenario de la vida, del medio exterior, inerte. Ese límite mantiene dentro unas condiciones de concentración y de carga distintas; un desequilibrio entre dentro y fuera. Y, recuerda, el desequilibrio puede generar energía, el equilibrio es la muerte.

Yo te dejo algunas ideas. Tú verás que haces con ellas… Tú verás cómo relacionas estas ideas, en qué contextos serían relevantes, qué decisiones te podrían ayudar a tomar, qué problemas podrías resolver, a qué personas podría interesar conocerlas para darles qué uso; incluso qué empresa que vendiera qué producto querría saber de esto; o, por último, pero no menos importante, que tipo de gestor público tendría que saber de esto para dar mejor servicio a la población.

Todo organismo vivo tiene membranas. Y con ellas controla el intercambio de materia, energía e información con el exterior. Lo consigue regulando el tráfico de moléculas entre fuera y dentro. Incluso puede tener membranas en su interior, dividiéndole en compartimentos, y crear diferencias de materia, energía e información dentro de sí. Al controlar el tráfico de moléculas entre las partes interiores.

- Las membranas están formadas por una doble capa de lípidosenfrentadas por sus colas apolares y orientadas sus cabezas polares hacia interior y exterior. Y, embebidas en esa trama de lípidos, aparecen proteínas. Que pueden portar, o no, glúcidos. Y las proteínas pueden estar solo en una de las dos caras, la externa o la interna, o atravesar la membrana completa.

MonolayerBilayer
Tomado de Science Direct

- Las arqueobacterias tienen una estructura algo diferente. sus lípidos son distintos. Incluso, con frecuencia, pero no siempre, no es una bicapa, sino una monocapa. Con lípidos largos que tienen en ambos extremos cabezas apolares. De ese modo logra una estabilidad de la membrana mucho mayor. Que es lo que necesita en situaciones ecológicas como las que caracterizan a las arqueobacterias. Situaciones extremas de temperatura, salinidad, presión.

Lo cual viene también bien para reflexionar, un segundito solo, sobre el superficial parecido entre bacterias y arqueobacterias. Y es que si dos organismos se diferencian en algo tan vital como la membrana, todos los demás parecidos son menores al lado de esa gran diferencia. Todos. Por muchos que sean.

- Si hay varias membranas en la célula (es decir, si es eucariota), pueden variar mucho en su composición de lípidos y proteínas, pero su estructura es similar. Por tanto, las membranas cumplen su función o se adaptan a las condiciones del medio gracias a la dotación de lípidos y proteínas (o incluso glucoproteínas) con las que cuenta. Y si el medio cambia, la dotación de lípidos y proteínas cambia. De lo cual se encarga mediante el tráfico de vesículas que se sintetizan en el Aparato de Golgi.

Puertas en las membranas

En “Qué es la vida (más o menos)” te indicaba que para poder existir, los seres vivos necesitamos estar en desequilibrio. Y que eso lo logramos con algún tipo de límite entre dentro y fuera. En “Vivir es cuestión de fuera y dentro” te contaba cómo los seres vivos aprovechamos la energía del Sol (o la energía de los que aprovechan la energía del Sol; expresión muy compleja que quiere decir solamente que me como una lechuga o una naranja). En “Los grandes inventos eucariotas: el tabique y el retraso” te decía cómo las células eucariotas (las nuestras) habían aprendido a dividir su interior en partes y así evitar el equilibrio (que es la muerte) al menos el rato suficiente hasta que llegue la comida y podamos volver a generar desequilibrio.

Pero las barreras no son buenas. Evitan que las cosas salgan, sí. Y eso está bien si es comida. Pero está mal si es un desecho. Y también evitan que las cosas entren. Y eso está bien si son venenos, pero es una pena si es comida.

¿Con qué logran los seres vivos todo ese tejemaneje de pasar lo que quieren a un lado, y mantenerlo allí, concentrado, mientras impiden que otras cosas lo hagan? ¿Cómo logran los seres vivos tener mucho de algo y poco de otro algo dentro, y viceversa fuera?

Con transportadores de membrana. Pero no cualquier transportador: específicos.

Un transportador de membrana no es sino una molécula biológica que tiene dos requisitos: tiene dos modos de funcionamiento, abierto y cerrado; y tiene forma (para que solo pueda pasar a su través una molécula que encaje, y no todas las demás). Las proteínas cumplen ambos requisitos.

Te dejo una simulación de la Universidad de Colorado en Boulder para que pruebes lo que ocurre cuando añades moléculas a un lado y a otro, cuando añades transportadores de membrana de un tipo y de otro, cuando esos transportadores están siempre abiertos o cuando pueden estar abiertos y cerrados. Te dejo decidir si vas a añadir una cantidad de una sustancia al principio y ya está, o vas a ir poniéndola cada cierto tiempo. Te dejo decidir qué sustancia es comida y cuál es desecho, y qué parte es dentro y cuál es fuera. Juega y obtén tus conclusiones. Y si quieres, deja tu comentario para quien quiera pasar por aquí.

Si te digo que este simulador le falta algo que sí hacemos los seres vivos. Transformar sustancias. Una vez que algo ha entrado, y nos interesa, lo cambiamos y así no puede salir y se acumula dentro. Es nuestro truco y es más sencillo de lo que parece (imagina que lo verde, una vez que entra, se convierte en amarillo; y ya no puede salir, porque no es verde y no cabe por las puertas verdes). Pero eso te lo cuento otro día.

Las funciones vitales en la membrana

Te contaba hace poco que la vida son cuatro cosas. Bueno, son algunas más, la verdad. Pero, simplificando, sí, sí, son tres y otra. Nutrirse, relacionarse, reproducirse, por un lado; y hacerlo mejor que otros con los que tenemos que compartir recursos escasos (competir, vamos).

Esas funciones vitales se dan ya en el elemento más pequeño que tiene vida. La célula. Y se dan en una parte a la que pocos hacen mucho caso. Todo el mundo conoce el núcleo de la célula, sí. Es la parte famosa. Allí está el ADN, el código donde está escrito mucho acerca de cómo somos. Y eso nos ciega, no nos deja ver otras partes de la célula muy importantes.

La membrana, por ejemplo. Que es de lo que te quiero hablar hoy.

En la membrana hay nutrición, hay relación y hay competencia. La membrana es un órgano de la célula implicado en más funciones que el ADN, cuyo único papel más o menos activo es la reproducción.

En la membrana hay nutrición porque hay transportadores. Un transportador es una proteína que se abre y se cierra. Y como es una proteína, tiene forma. Que es, quizá, la característica más importante de las proteínas: tener forma. Así, el transportador es una puerta que se abre y se cierra, pero no para que pase cualquier sustancia, no. Sólo la que encaje con él. Por tanto, la membrana es un filtro. Abriendo y cerrando sus transportadores deja entrar sólo lo que quiere dejar entrar. O salir, que los transportadores también sirven para expulsar.

La membrana, gracias a sus transportadores, lleva a cabo la nutrición.

En la membrana hay relación porque hay receptores. Que son proteínas que tienen forma. En ellas encaja otra sustancia que haya en el medio externo a la célula. Y solo ella. Se trataría de una sustancia que indique algo, que sea señal de algo. Y si está y encaja, la célula se activa, se pone en marcha algo para dar respuesta a aquello asociado a la molécula que ha captado.

La membrana, gracias a sus receptores, lleva a cabo la relación.

¿Y la competencia? Con transportadores y receptores que se abren más eficientemente, más exactamente. A veces también con nuevos transportadores y receptores. Competir, para las células, es ser más rápidas, más exactas, más completas gracias a sus transportadores y receptores.

Así de sencillo… ¿O no?

Pues no del todo. He exagerado mucho en este post. He sido muy categórico. En líneas generales es cierto lo que te pongo, pero hay muchos matices que en menos de 450 palabras no me caben. Esos aparecerán otro día, en otro post, seguro… :)

Atracción fatal (según…)

Vía Maikelnai’s blog me entero de un tipo de terapia contra el cáncer. Consistente en aplicar unos nanodiscos magnetizados y un campo magnético exterior. Los discos, unidos a anticuerpos específicos, llegan  y se adhieren a la célula tumoral. Y el campo magnético exterior, oscilando (cambiando de polaridad, norte a sur y de sur a norte) hace que los discos tiren y empujen, empujen y tiren. Al final, si hay suficientes, la membrana de la célula tumoral se romperá. O sea, muerte para el tumor y para el paciente.

Aún falta mucho para que esto se pueda convertir en un resultado clínico, eso sí. Porque el experimento ha sido in vitro. Eso quiere decir que ha sido en una placa de Petri, con un cultivo de células. No en tejidos vivos dentro de un organismo vivo. Donde los anticuerpos tienen dificultades para llegar a las células tumorales, como ten contaba en “Terapia vascular para ayudar a tratar el cáncer“; donde si llegan tienen que ser suficientes en número como para destrozar la membrana, donde el 90% de éxito del experimento puede que no baste para erradicar un tumor, dado que son muy pocas las células neoplásicas que realmente proliferan, las verdaderas responsables del cáncer, por lo que matar a muchas puede ser inútil si sobreviven las importantes o algunas de ellas; también habrá que encontrar cuál es la manera más eficiente de manipular los campos magnéticos para lograr que el número que llegue cause el mayor daño posible al tumor. Quizá falten incluso muchos factores, aún desconocidos, por manipular, por valorar, o por esquivar.

Se ha encontrado una vía más. Y sabemos que de alguna vendrá la curación de los cánceres. Pero todavía no. Todavía falta un poco. Ojalá se pusiera más empeño, bajo la forma de más financiación.

ResearchBlogging.org

Kim, D., Rozhkova, E., Ulasov, I., Bader, S., Rajh, T., Lesniak, M., & Novosad, V. (2009). Biofunctionalized magnetic-vortex microdiscs for targeted cancer-cell destruction Nature Materials DOI: 10.1038/nmat2591