El modelo de Membrana Plasmática, antecedentes, estructuración y avances hacia su consolidación.

TEMA  A SOCIALIZAR;

Buenas amigos les saluda su amigo, les doy la apertura a un tema de estudio básico de lo que es la unidad funcional del cuerpo humano como es la célula pero en esta ocasión no hablaremos de ella sino de uno de sus componentes principales como es la membrana plasmática y de sus modelos  

El modelo de Membrana Plasmática, antecedentes, estructuración y avances hacia su consolidación.

 Con excepción de algunos virus, la mayoría de los seres vivos contiene membranas, estas son un componente limítrofe y activo que separa la célula del medio extracelular. También se componen de membranas compartimientos internos de la célula, como por ejemplo los organelos (Eichman, 1999). El estudio de las biomembranas está mezclado desde sus inicios con el estudio de los lípidos (petróleo y aceites) y su interacción con el agua. Eichman (1999) menciona que uno de los primeros en describir la relación de los lípidos con el agua fue Plinio el Viejo, en su obra enciclopédica Historia Natural (año 77 D.C), compuesta por 37 libros.

Plinio señala que el agua del mar puede ser calmada fácilmente con el petróleo, idea que con el pasar del tiempo se convirtió en parte del folclor. Siglos más tarde entre los primeros experimentos realizados y registrados está del de Benjamín Franklin en 1774, el cual derramó una cucharada de aceite sobre el mar encrespado, cuenta el:

“ […] aunque no era más que una cucharada, producía una calma instantánea, sobre

varia yardas cuadradas, la cual se extendía de manera asombrosa y gradual hasta

que alcanzó el sotavento e hizo que toda esa porción del estanque, tal vez la mitad de

un acre, fuera tan lisa como un cristal.” (Voet & Voet, 2004, p. 405).

En ese momento B. Franklin no sabía el por qué se reducían las olas cuando se derramaba el aceite, y tampoco el por qué solamente conseguía calmar olas pequeñas. Esta situación se generaba debido a la reducción de la tensión superficial del agua, provocada por una fina capa monomolecular de lípidos (Heimburg, 2007).

Las investigaciones acerca de las capas monomoleculares fueron retomadas cien años después. En 1890 Lord Raleigh, científico con formación en el área de física y matemática en Cambridge, fue capaz de repetir el trabajo de Franklin y además midió el tamaño de la zona que ocuparía determinado volumen de petróleo al ser esparcido en el agua, y el grosor de la película formada. Un año después, una mujer llamada Agnes Polkeds, le escribe una carta contando que había conseguido desarrollar un dispositivo en experimentos realizados en su propia cocina, para medir el área exacta que el aceite ocupa cuando es esparcido sobre el agua. Las bases de este dispositivo todavía son utilizadas hoy por los científicos que desarrollan estudios en fenómenos de superficie (Eichman, 1999).

El uso del concepto “membrana biológica” se atribuye al botánico alemán Pfeffer que en el año de 1887 (Meza, Romero-Méndez, Lincón, & Sánchez-Armáss, 2010), realizaba estudios con respecto a las propiedades osmóticas en las células vegetales, donde identifica semejanzas entre éstas y las membrana obtenidas al precipitar ferrocianuro cúprico sobre las paredes porosas de la cerámica. Los estudios permitieron que Pfeffer desarrollara la hipótesis en la cual admitía la existencia al derredor de la célula de una capa de protoplasma de propiedades apropiadas, mas con un espesor fino e invisible, podría tener propiedades osmóticas.

De los estudios de las propiedades osmóticas de las células y la relación del estudio del  comportamiento de los lípidos en superficies con la membrana ocurre de forma “casi casual”, ya que durante este mismo periodo Ernest Charles Overton (1895), botánico especializado en fisiología celular y farmacología, realizaba su doctorado en botánica en la Universidad de Zurich. Entre sus investigaciones, Overton buscaba explicar cómo las células vegetales conseguían absorber algunas substancias y excretar otras, en ese contexto el percibe que substancias de origen lipídico atravesaban la membrana con relativa facilidad, por eso las llama de “lipoides”, pues las relaciona a la naturaleza química apolar de las mismas, también menciona que no hay diferencia cuanto a las propiedades de permeabilidad entre las células vegetales y animales. Esta situación viene en contra de lo que se pensaba en esa época en el mundo científico, ya que la idea era que la membrana era impermeable a casi todo excepto el agua. Estos estudios permitieron a Overton enunciar dos hipótesis: 1. Hay similitudes entre las membranas biológicas y los lípidos, como el aceite de oliva. 2. Ciertas moléculas (lípidos) pasan por “disolución” dentro lípidos de la membrana (Eichman, 1999).

A pesar de los trabajos desarrollados por Overton, sus hipótesis no fueron tomadas en cuenta, y los estudios de la membrana plasmática, quedaron de cierta forma parados durante algún tiempo. Sin embargo, los trabajos de investigación acerca de las capas monomoleculares fueron retomados por Irving Langmuir, científico de formación en Física y Química, que trabajaba en los laboratorios de la empresa General Electric - EUA, llegando de esa forma al estudio del aceite con el agua. Para eso usa una versión mejorada del aparato desarrollado por Agnes Pockels, quien consiguió mediciones precisas de las superficies ocupadas por cantidades conocidas de petróleo. Finalmente en el año de 1916, Langmuir publica un artículo sobre sus estudios acerca de monocapa moleculares (Langmuir, 1916) en el cual relató el comportamiento de los fosfolípidos en el agua, donde sus grupos polares se disponían perpendicularmente al agua y los hidrocarburos en dirección opuesta a ella. Estas conclusiones fueron claves para la comprensión, posterior, de la bicapa lipídica de las membranas biológicas.

La compresión de la estructura de la membrana era todavía reducida y tangenciales a los

estudios de los lípidos y su comportamiento. Sin embargo Gorter profesor médico pediatra y también investigador, llamado E. Gorter, junto con su asistente de investigación F. Grendel, trabajaban en el laboratorio del hospital pediátrico de la universidad de Leinden, Holanda y fueron de cierta forma los primeros en investigar específicamente las membranas biológicas y su espesor. De los trabajos realizados por Langmuir en 1916 sobre el comportamiento en agua, de las monocapas de lípidos, estos investigadores extrajeron los lípidos de las membranas de eritrocitos provenientes de varios animales, cuyas células rojas tienen tamaños

diferenciados. Para esto usaron acetona juntamente a otros solventes (Gorter, Grendel, 1925) y notaron que al extenderlos sobre el agua, éstos ocupaban el doble de la superficie de cada una de las células desde donde provenían, como lo mencionan en el artículo de su autoría:

“Nosotros, por tanto, suponemos que todo eritrocito está rodeado por una capa de lípidos, de los cuales

los grupos polares se dirigen al interior y al exterior, en gran parte de la misma manera en que Bragg (1)

supone que las moléculas se orientan en un "cristal" de un ácido graso, y como se disponen las

moléculas de una burbuja de jabón según Perrin (2). En el límite de dos fases, siendo una la solución

acuosa de la hemoglobina, y la otra el plasma, dicha orientación parece ser a priori la más probable.

Cualquier otra explicación que no tenga en cuenta esta relación constante entre la superficie de los

eritrocitos[...] y el contenido de lipoides parece muy difícil de sostener. Hemos examinado la sangre del

hombre y del conejo, perro, conejillo de indias, ovejas y cabras. Existe una gran diferencia en el tamaño

de los hematíes de estos animales, pero la superficie total de los eritrocitos en 0,1 cc de sangre no

muestran una divergencia similar, porque los animales que tienen células muy pequeñas (de cabra y

oveja) tienen mayor cantidad de estas células en su sangre que los animales con células de mayores

dimensiones (perro y el conejo). Damos todos los resultados de nuestros experimentos, omitiendo

únicamente aquellos en los que no hemos podido evitar pérdidas en el procedimiento de evaporación de

la acetona. Está claro que todos nuestros resultados concuerdan muy bien con la suposición de que los

eritrocitos están cubiertos por una capa de sustancias grasas que es de dos moléculas de espesor.”2.

Esto los llevó a la importante conclusión que la membrana de los eritrocitos está cubierto por una capa de substancias de naturaleza lipídica, la cual tiene como espesor el tamaño de dos moléculas. Podemos notar la importancia de este descubrimiento, ya que habla de una posible estructura de doble capa de lípidos (bicapa lipídica), a pesar de que en sus resultados presentaron algunos pequeños errores de cálculo en los resultados, sus conclusiones fueron correctas y como veremos más adelante, básicas para el modelo actual de membrana plasmática.

Figura 1: La membrana plasmática propuesta por Gorter y, 1935 (Heimburg, 2007)

Siete años después el biofísico Kenneth Stewart Cole (1932), hoy reconocido como el padre de la biofísica debido a sus estudios de las propiedades eléctricas de las células vivas, concluyó que la membrana celular tenía que estar formada por otros componentes además de lípidos (Eichman, 1999; Heimburg, 2007) .

James F. Danielli, inglés con formación en el área de la química, que desde los inicios de sus trabajos como investigador tuvo una fuerte inclinación a los estudios de las membranas celulares junto a su amigo Hugh Davson. Fue becado por dos años para desarrollar investigaciones en la Universidad de Princeton, EUA, lo que le posibilitó desarrollar trabajos junto a E. Newton Harvey, experto en estudios de superficie celular. En una de sus investigaciones con Harvey evidenciaron el requerimiento de un factor adicional en la membrana, que serían las proteínas. Fue unos de los periodos más fructíferos de la vida de Danielli.

En el año de 1935, volvió a Inglaterra a la University College of London, y continuó desarrollando sus estudios acerca del transporte en la membrana celular con Hugh Davson, fisiólogo y amigo particular. A pesar de ser mundialmente conocido por el desarrollo del primer modelo de membrana plasmática, Danielli desarrolló una gran cantidad de otras investigaciones, como por ejemplo el transporte facilitado, también desarrolló investigaciones en diversas áreas de la bioquímica (Stein, 1986).

El modelo propuesto por Danielli y Davson en el año 1935 para la membrana plasmática fue aceptado por gran parte de la comunidad científica de aquella época. A diferencia del anterior, este modelo incluía proteínas en la membrana plasmática, donde por sobre la bicapa se encontraban proteínas adsorbidas, la mayoría solubles en el agua, y que los fosfolípidos son anfipáticos. En el artículo propuesto en la época, ellos mencionan:

“En la actualidad existe un cuerpo de evidencia considerable que apoya la opinión de que las

células vivas están rodeadas por una fina película de material lipídico. El término lipoide

utilizado aquí se refiere a una sustancia mucho más soluble en hidrocarburos que en el agua

[...] Esto ofrece un argumento bastante sólido respecto a que en estas células la película que

separa el contenido de la celda eléctrica del medio circundante es de grosor unimolecular y

trimolecular. Si, como parece razonable suponer, la misma membrana de una película se

ocupa tanto de las propiedades eléctricas y de la permeabilidad, se convierte en relevante

para considerar si las potencialidades de una película de tal dimensión son suficientes para

explicar los fenómenos observados en los sistemas biológicos”(Danielli & Davson, 1935, pag 495)

La propuesta de Danielli y Davson, que fue conocida como la teoría Paucimolecular (Meza et al., 2010), describe una bicapa lipídica y dos capas de proteínas globulares, siendo una interna y la otra externa a la bicapa (figura 2). La región externa de las proteínas sería hidrofílica y la interior hidrofóbica. Estas conclusiones partieron de la observación de entrada y salida de substancia a la célula, motivo por el cual no fue considerado como un modelo, ya que en este periodo las evidencias acerca de la membrana eran indirectas pues la resolución de los microscopios de aquella época se limitaba a los 200 nm, impidiendo así la observación de la estructura bimolecular de la membrana, la cual tiene cerca de 5 y 10 nm de espesor (Heimburg, 2007).

Figura 2: El modelo de membrana plasmática propuesto por Danielli y Davson (Heimburg, 2007)

Danielli y Davson concluyen que la permeabilidad de las membranas a los solutos se explica desde los conceptos de la fisicoquímica acerca de las regiones hidrófilas y lipófilas de las membranas celulares y no por reacciones químicas, también que los solutos son necesarios para explicar las propiedades de transporte de las membranas celulares (Heimburg, 2007).

Básicamente este modelo era un “sándwich” de lípidos cubierto por ambos lados de proteínas. Este modelo de estructura de la membrana fue aceptado durante largo tiempo, siendo gradualmente insuficiente para explicar resultados de nuevas investigaciones.

En el año de 1957, J. D. Robertson, científico del departamento de Anatomía de la

Universidad College, Londres, escribió un artículo donde presentó su testimonio y mostró las imágenes que se podían observar de la membrana celular y también de su estructura única, lo que llamó de “unidad de membrana” (Robertson, 1957), también conocido como el modelo unitario. Este modelo confirma los avances realizados por Gorter & Grendel (1925) y de Danielli y Davson (1935), ya que se percibía una característica trilaminar de la membrana donde las dos líneas exteriores serian las capas de proteínas y la interior la bicapa de lípidos. En el artículo de la época Robertson concluye:

“Aunque este documento no da respuesta a la naturaleza precisa de la sustancia puente,

demuestra por primera vez la presencia de capas definidas dentro de la membrana de la célula

de Schwann y establece una continuidad directa de cada una de estas capas con capas de

dimensiones comparables en la vaina de mielina. Se ha demostrado que no existe dicha

continuidad en los 150 ≈. Un hueco central en mesaxones con cualquier capa de mielina de

dimensiones comparables. De hecho, el puente es, a los límites de la resolución de las

micrografías que aquí se presentan, obliterados en la vaina de mielina. Por lo tanto, parece

que las capas lipídicas organizadas de la mielina no se continúan en el puente central del

mesaxon. Esta conclusión se enfrenta de manera importante con la controversia iniciada hace

varios años por Sjöstrandand y Rhodin (1953), con su hipótesis de que las capas lipídicas

organizadas están presentes en los espacios entre las capas densas de las membranas

intercelulares y otras membranas de este tipo. Se considera que esta hipótesis es refutada por

los resultados presentados aquí” (Robertson, 1957, pag. 1046).

Robertson la definía, conforme lo menciona Meza, et. Al. (2010), “la bicapa lipídica como una barrera al libre flujo de iones y moléculas hidrófilas, no descartaba la posible presencia de canales acuosos a través de los cuales pudiese darse el transporte de estos materiales”. En su investigación Robertson describe la “estructura común” (figura 3) de todas las membranas celulares, incluso de los orgánulos, sin embargo “eso no quita la posibilidad de composiciones diferenciadas” de acuerdo a su especificidad (Eichman, 1999; Heimburg, 2007; Robertson, 1957).

Figura 3: Estructura de la membrana relatada por D. J. Roberton (Heimburg, 2007)

El modelo de unidad de la membrana fue enseñado en las escuelas durante la década del sesenta e inicios de la década de setenta. En los libros de texto aparecía una imagen de micrografía electrónica (figura 4) para demostrar la estructura trilaminar de la membrana y su aspecto de “sándwich”. Sin embargo durante la década de los sesenta a través de microfotografías, se percibió que las proteínas tienen formato helicoidal, estando de esta forma como mosaico, no como una camada continua, y las estructura de las camadas lipídicas también presentaban características más de líquidos que sólidos, llevando a cuestionar así el modelo propuesto por Robertson.

Figura 4: Imagen de las membrana celular trilaminar mencionada por J. D. Robertson (Heimburg, 2007)

A inicios de la década del setenta, el modelo de la unidad de membrana fue  reemplazado por el modelo propuesto por los bioquímicos S. J. Singer, profesor de biología de la Universidad de California y Garth Nicolson investigador asociado de Armand Hammer Cancer Center, del Salk Institute para Estudios Biológicos, los dos en La Jolla,San Diego, EUA (Singer & Nicolson, 1972). Estos investigadores propusieron un “nuevo” modelo de membrana, para eso mantuvieron la bicapa lipídica propuesta por Gorter & Grendel (1925), que fue modificada por Danielli y Davson (1935) y por Robertson (1959), entretanto a las proteínas propuestas por los investigadores que los antecedieron, se les propuso una forma globular y flotantes en la bicapa lipídica, anulando de cierta forma el modelo de “sándwich”. A este modelo se le llamó de Modelo de Mosaico Fluido, como lo describen en el artículo de la época:

“Se presenta un modelo de mosaico fluido para la organización general y estructura de las

 Proteínas y los lípidos de las membranas biológicas. El modelo es consistente con las

Restricciones impuestas por la termodinámica. En este modelo, las proteínas integradas a la

Membrana son un conjunto heterogéneo de moléculas globulares dispuestas en una estructura

anfipática, es decir, con los grupos iónicos y altamente polares sobresaliendo de la membrana

Hacia la fase acuosa, y gran parte de los grupos no polares profundos en el interior

Hidrofóbico de la membrana. Estas moléculas globulares están parcialmente incrustadas en

Una matriz de fosfolípidos. La mayor parte de los fosfolípidos están organizadas como una

Doble capa fluida discontinua, aunque una pequeña fracción de los lípidos pueden interactuar

específicamente con las proteínas de membrana. La estructura de mosaico fluido es, por lo

tanto, formalmente análoga a una solución de proteínas integrales (o lipoproteínas) orientada

de modo bidimensional en el solvente viscoso de la bicapa fosfolípididica” (Singer & Nicolson,

1972, pag, 730).

El modelo (figura 5) propone que las biomembranas se componen básicamente de proteínas y lípidos los cuales son compuestos por las colas hidrofóbica, que están localizadas para el lado interno de la bicapa que es fluida y por las cabezas hidrofílica para los lados externos de la membrana en contacto con el agua y el medio liquido intra y extracelular. Las proteínas estarían flotando en esa bicapa y son de dos tipos: a) las proteínas periféricas que están en la región más externa de la membrana y se ligan y desligan fácilmente de la misma, b) las proteínas integrales, las cuales no se pueden separar fácilmente de los lípidos de la bicapa, éstas componen la mayor cantidad de proteínas de la membrana. Según Heimburg (2007) El nombre del modelo provendría de Danielli y Davson (1935), a pesar que estos investigadores no lo mencionaron, ellos destacaron que algunas proteínas parecía que interactuaba con los lípidos circundantes. Otras proteínas pueden contener canales o “poros”. De acuerdo a investigaciones posteriores estas proteínas estarían el área que está en contacto con la bicapa lipídica con características hidrofóbicas (Heimburg, 2007; Singer & Nicolson, 1972).

Figura 5: Figura del Modelo de Mosaico Fluido propuesto Singer y Nicolson.(Singer & Nicolson, 1972).

Tiempos después surgieron observaciones al modelo de Singer y Nicolson entre ellas (Meza, Romero_Méndez, Lincón, & Sánchez-Armáss, 2010), quienes mencionan que “los parámetros intrínsecos de los materiales de la membrana (por ejemplo: densidad, módulo elástico, viscosidad, energía libre superficial y módulo de deformación) mostraban diferencias significativas con respecto a los observados en bicapas lipídicas artificiales”. Debido a este tipo de inconsistencias las críticas no demoraron, lo que no se esperaba para el modelo propuesto, esto llevó a la incorporación de la noción de asimetría entre las dos monocapas lipídicas. Los estudios realizados a partir de bicapas y monocapas sintéticas, según Meza et al. (2010) “permitió establecer los principios termodinámicos que subyacen la segregación de fases inter e intra monocapas”.

En el año 1988 Simons y van Meer, proponen el modelo de microdominios lipídicos (Simons & Meers, 1988), conocido actualmente como “balsas de membrana”. Hay discordancias cuanto a que si este sería realmente un nuevo modelo o simplemente una mejora del modelo de Singer y Nicolson, ya que para algunos científicos este modelo todavía es válido (Eddin, 2003; Vereb et al., 2003) y para otros fue substituido por el modelo de Eddin (2003). Simons y van Meer plantean que los complejos glicoesfingolípidos-colesterol se mantienen estrechamente empaquetado y se comportan como unidades de balsas en la monocapa externa de la membrana plasmática. Posteriormente, en la década de noventa se demuestra que esta situación también ocurre en la monocapa interna, o sea la que está en contacto con el citoplasma, sin embargo su estructura y sus propiedades, todavía no son claras para los investigadores (Meza et al., 2010).

En los últimos años se ha consensuado la redefinición del concepto balsa lipídicas a favor de balsas de membranas, éstas según Meza et al. (2010) se “componen de pequeños dominios en la membrana, heterogéneos, altamente dinámicos, enriquecidos con esteroides y esfignolípidos que compartimentan procesos celulares”. Actualmente se conocen dos tipos de balsas de membranas: 1) las balsas planas, las cuales son muy pequeñas y dinámicas y 2) las caveolas, que son invaginaciones de la membrana plasmática. Se adjudica un papel importante hoy a las balsas de membrana en la coordinación de la transducción de señales extracelulares, apoptosis, infecciones provocadas por virus, endocitocis y exocitosis. También se sabe que la desestabilización de las mismas podría afectar la expresión y/o la actividad de algunas proteínas de la membrana (Meza et al., 2010).

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