Biomembranas: estructura y funciones
Las biomembranas son estructuras de naturaleza principalmente lipídica, muy dinámicas y selectivas, que forman parte de las células de todos los seres vivos. En esencia, se encargan de establecer los límites entre la vida y el espacio extracelular, además de decidir de manera controlada qué puede entrar y salir de la célula.
Las propiedades de la membrana (como fluidez y permeabilidad) están determinadas directamente por el tipo de lípido, la saturación y longitud de estas moléculas. Cada tipo de célula tiene una membrana con una composición característica de lípidos, proteínas y carbohidratos, que le permite llevar a cabo sus funciones.
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El modelo que actualmente es aceptado para describir la estructura de las membranas biológicas recibe el nombre de “mosaico fluido”. Fue desarrollado en el año 1972 por los investigadores S. Jon Singer y Garth Nicolson.
Un mosaico es la unión de distintos elementos heterogéneos. En el caso de las membranas estos elementos comprenden distintos tipos de lípidos y proteínas. Estos componentes no son estáticos: contrariamente, la membrana se caracteriza por ser extremadamente dinámica, donde los lípidos y proteínas están en constante movimiento.´
En algunos casos podremos encontrar carbohidratos anclados a algunas proteínas o bien a los lípidos que forman la membrana. A continuación vamos a explorar los principales componentes de las membranas.
Los lípidos son polímeros biológicos formados por cadenas de carbonos, cuya principal característica es la insolubilidad en el agua. Aunque cumplen múltiples funciones biológicas, la más resaltante es su papel estructural en las membranas.
Los lípidos que son capaces de formar membranas biológicas están compuestos por una porción apolar (insoluble en agua) y una polar (soluble en agua). Este tipo de moléculas se conocen como anfipáticas. Estas moléculas son fosfolípidos.
¿Cómo se comportan los lípidos en el agua?
Cuando los fosfolípidos entran en contacto con el agua, la porción polar es la que realmente entra en contacto con ella. En contraste, las “colas” hidrofóbicas interactúan entre sí, intentando escapar del líquido. En solución, los lípidos pueden adquirir dos patrones de organización: micelas o bicapas lipídicas.
Las micelas son pequeños agregados de lípidos, donde las cabezas polares se agrupan “mirando” al agua y las colas lo hacen entre sí en el interior de la esfera. Las bicapas, como su nombre lo indica, son dos capas de fosfolípidos donde las cabezas dan al agua, y las colas de cada una de las capas interactúan entre sí.
Estas formaciones ocurren de manera espontánea. Es decir, no se necesita energía que propulse la formación de micelas o de bicapas.
Esta propiedad anfipática es, sin lugar a dudas, la más importante de ciertos lípidos, ya que permitió la compartimentalización de la vida.
No todas las membranas son iguales
En términos de su composición lipídica, no todas las membranas biológicas son iguales. Estas varían en términos de la longitud de la cadena de carbonos y la saturación entre ellos.
Con saturación nos referimos al número de enlaces que existen entre los carbonos. Cuando hay dobles o triples enlaces, la cadena es insaturada.
La composición lipídica de la membrana determinará sus propiedades, particularmente su fluidez. Cuando existen dobles o triples enlaces, las cadenas de carbono se “tuercen”, creando espacios y disminuyendo el empaquetamiento de las colas lipídicas.
Las torceduras reducen la superficie de contacto con las colas vecinas (específicamente las fuerzas de interacción de van der Waals), debilitando la barrera.
En contraste, cuando se incrementa la saturación de la cadena, las interacciones de van der Waals son mucho más fuertes, incrementando la densidad y fortaleza de la membrana. Del mismo modo, la fuerza de la barrera puede incrementarse si la cadena de hidrocarburos incrementa en longitud.
El colesterol es otro tipo de lípido formado por la fusión de cuatro anillos. La presencia de esta molécula también ayuda a modular la fluidez y permeabilidad de la membrana. Estas propiedades también pueden ser afectadas por variables externas, como la temperatura.
En una célula normal, un poco menos de la mitad de la composición de la membrana son proteínas. Estas pueden encontrarse embebidas en la matriz lipídica de múltiples maneras: inmersas totalmente, es decir, integrales; o bien de forma periférica, donde solamente una porción de la proteína se encuentra anclada a los lípidos.
Las proteínas son usadas por algunas moléculas como canales o transportadores (de la vía activa o pasiva) para ayudar a que las moléculas grandes e hidrofílicas crucen la barrera selectiva. El ejemplo más resaltante es la proteína que funciona como bomba sodio-potasio.
Los carbohidratos pueden estar anclados a las dos moléculas anteriormente mencionados. Generalmente se encuentran rodeando a la célula y desempeñan un papel en el marcado, reconocimiento y comunicación celular en general.
Por ejemplo, las células del sistema inmune utilizan este tipo de marcaje para diferenciar lo propio de lo ajeno, y así saber cuál célula debe ser atacada y cuál no.
¿Cómo se establecen los límites de la vida? A través de biomembranas. Las membranas de origen biológico son las encargadas de delimitar el espacio celular en todas las formas de vida. Esta propiedad de compartimentalización es indispensable para la generación de los sistemas vivos.
De esta manera, se puede crear un ambiente diferente en el interior de la célula, con las concentraciones y movimientos de materiales necesarios que son óptimos para los seres orgánicos.
Adicionalmente, las membranas biológicas también establecen límites en el interior de la célula, originando los compartimientos típicos de las células eucariotas: mitocondrias, cloroplastos, vacuolas, etc.
Las células vivas requieren de una salida y entrada constante de ciertos elementos, por ejemplo intercambio de iones con el ambiente extracelular y excreción de sustancias de desecho, entre otros.
La naturaleza de la membrana la hace permeable a ciertas sustancias e impermeable a otras. Por esta razón, la membrana, junto con las proteínas en su interior, actúan como una especie de “portero” molecular que orquesta el intercambio de materiales con el medio.
Las moléculas de pequeño tamaño, que no son polares, pueden cruzar sin ningún inconveniente la membrana. En contraste, cuanto más grande es la molécula y más polar es, se incrementa proporcionalmente la dificultad del paso.
Para poner un ejemplo puntual, una molécula de oxígeno puede transitar por una membrana biológica mil millones de veces más rápido que un ión cloruro.
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