Heterogeneidades de membrana
 |
| Esquema realizado por Sanger y Nicholson en su articulo original, en el que se representa el modelo de mosaico fluído |
Restricciones al movimiento por temperatura y composición
La fluidez de la membrana cambia con la temperatura, disminuyendo a medida que la temperatura decae y aumentando a medida que la temperatura crece. A partir de estudios realizados con bicapas lipídicas artificiales se sabe que cada bicapa tiene una temperatura de transición característica (Tm) para la cual se gelifica (se vuelve más viscosa) cuando se enfría y se hace otra vez fluida cuando se calienta. Este cambio en el estado de la membrana se denomina transición de fase. Para que una membrana funcione correctamente debe mantenerse en el estado fluido. Un cambio en la fluidez hace que las funciones que dependen de la movilidad o del cambio conformacional de las proteínas se vean afectadas, incluyendo procesos vitales tales como el transporte de solutos a través de la membrana, la detección y la transmisión se señales.
El grado de fluidez de la membrana depende también de su composición lipídica y sobre todo de la naturaleza de las colas hidrocarbonadas de ácidos grasos: cuanto más regulares y compactas sea el agrupamiento de las colas, mas viscosa (menos fluida) será la bicapa. El grado de compactamiento depende de dos propiedades: longitud y grado de instauración (cantidad de enlaces dobles). Una menor longitud de cadena y un mayor grado de insaturación reducen la interacción de las colas hidrocarbonadas y aumenta la fluidez de la bicapa.
La mayoría de los organismos, tanto procariotas como eucariotas, son capaces de regular la fluidez de la membrana, principalmente cambiando la composición lipídica de las mismas. Esta estabilidad es especialmente importante en los poiquilotermos, organismos como bacterias, hongos, protistas, plantas y animales de sangre fría. Ya que la fluidez lipídica disminuye a medida que la temperatura desciende, la membranas de estos organismos se gelificarían con el enfriamiento si el organismo no tuviera manera de compensar los descensos de la temperatura ambiente. Por ejemplo, las células de bacterias y levaduras en presencia de temperaturas elevadas elaboran lípidos con colas más largas que contienen menos enlaces dobles. Mientras que en las células animales la fluidez de membrana es modulada por la inclusión de colesterol. Se encuentra abundantemente en la membrana plasmática, endureciendo la bicapa lipídica, siendo mas rígida y menos permeable.
 |
| Se muestra un modelo de membrana en el que se observa una balsa de lípidos con una composición diferente al resto de la membrana |
Restricciones al movimiento por interacciones moleculares
Además de la temperatura y la composición molecular, hay otros factores que restringen la fluidez de determinadas moléculas presentes en la membrana: son las interacciones moleculares. Pueden ser de tres tipos:
a) existen anclajes de ciertas proteínas, como las integrinas, a la matriz extracelular y al citoesqueleto.
b) Los filamentos de actina y otras proteínas del citoesqueleto forman una red de compartimentos en la periferia del citosol, justo en las proximidades de la membrana plasmática, que impide el desplazamiento lateral libre de proteínas transmembrana con su parte citosólocia protuberante. Así, el movimiento de estas proteínas quedaría limitado a ciertas zonas de la membrana.
c) Se produce restricción del movimiento de lípidos y proteínas de membrana por asociaciones que no dependen de moléculas ajenas a la propia membrana, sino de las propiedades físico-químicas de las dichas moléculas. Esto hace que se produzcan movimientos de moléculas en grupos y no de forma individual.
Las interacciones de las moléculas de la membrana con proteínas externas, citoesqueleto o matriz extracelular, son obvias en cuanto al efecto que producen en la movilidad molecular. En los fibroblastos se observó que las proteínas se mueven preferentemente en direcciones paralelas a los microfilamentos que se encuentran justo debajo de la membrana plasmática. Esto implica que los microfilamentos pueden servir de caminos por los que las proteínas de membrana pueden moverse. Pero ¿Cómo se forman las heterogeneidades producidas por interacciones químicas en la membrana? Los lípidos son componentes esenciales de la membrana: forman la estructura de la membrana, permiten su fluidez, participan en el potencial eléctrico y algunos participan en cascadas de señalización. Pero también pueden asociarse entre sí mediante interacciones eléctricas. Los esfingolípidos tienden a formar asociaciones estables cuando se combinan con el colesterol. Estos grupos forman una fase lipídica que es más densa (más compacta) que los glicerofosfolípidos. Comportándose como si fueran "balsas" que flotan en un mar de lípidos. Se denominan balsas de lípidos. Las balsas lipídicas o “lipid rafts” son, por tanto, microdominios ricos en glicoesfingolípidos y colesterol. Además, son zonas de un espesor mayor que el resto de la membrana y se sabe que son más insolubles o resistentes a la disolución en ciertos detergentes que el resto de la membrana. Hay también algunos gliccerofosfolípidos presentes en las balsas, siendo sus cadenas de ácidos grasos mucho más saturadas que los que están situados en la membrana que las rodea. Estas propiedades, además de la rigidez y de la naturaleza hidrofóbica del colesterol, permiten el buen empaquetamiento del colesterol y de las colas hidrocarbonadas de glicoesfingolípidos y glicerofofolípidos. El resultado es que, las balsas lipídicas son más espesas y menos fluidas que el resto de la membrana, permitiendo su identificación como microdominios lipídicos diferenciados.
En estas balsas pueden entrar proteínas, o incluso las proteínas pueden ser nucleadoras de este tipo de "dominios" en los cuales estén dichas proteínas más un conjunto de lípidos asociados. Estas asociaciones son espontáneas y existen gran variedad de lípidos y proteínas que pueden asociarse de manera diversa. Por tanto la membrana habría que verla como un mosaico de "dominios", siendo diferenciables por su composición molecular. Estas asociaciones o dominios (lípidos, lípidos + proteínas) son muy dinámicas, de manera que pueden cambiar su tamaño, su composición, crearse y desaparecer continuamente. Curiosamente estas heterogeneidades no se han identificado todavía en la lámina interna de la membrana citoplasmática.
Hay otra forma de crear dominios de membrana basados en el el espesor o la curvatura de la membranas. La composición lipídica de una bicapa influye en su espesor, que a su vez puede desempeñar un papel en la localización de una proteína en una membrana en particular. Estudios con membranas artificiales demuestran que la esfingomielina se asocia para formar bicapas más gruesas y parecidas a un gel que las que forman los fofolípidos. El colesterol y otras moléculas que disminuyen la fluidez de membrana, aumentan el grosor de esta. La curvatura local también depende de los tamaños relativos de las cabezas polares y de las colas no polares de sus fosfolípidos constituyentes. Los lìpidos con colas largas y cabezas grandes tienen forma cilíndrica, los que tienen las cabezas pequeñas tienen forma de cono. Esto hace que hace que las bicapas compuestas de lípidos cilíndricos son planas y las que tienen mayor cantidad de lipidos con forma de cono constituyen bicapas curvadas. Este efecto sobre la curvatura puede desempeñar un papel en la formación de fositas y evaginaciones de membrana altamente curvadas, de vesículas de membrana internas de estructuras especializadas de membrana, como las microvellosidades. Ciertas proteínas se sienten más cómodas, por su configuración 3D en membranas planas planas o en curvadas, lo que lleva a una segregación de las moléculas.
Una célula típica contiene una miríada de tipos de membranas, cada una con propiedades únicas conferidas por su mezcla particular de lípidos y proteínas. Por ejemplo, las diferencias entre membranas de RE y el Aparato de Golgi se explica en gran parte por el hecho de que los fosfolípidos son sintetizados en RE, mientras que los esfingolípidos lo son en el Golgi. Como resultado, la proporción de esfingomielina, como un porcentaje del total de fósforo lipídico, es alrededor de seis veces más alta en las membranas del Golgi que en las de RE. Otras veces, la translocación de las membranas de un compartimiento celular a otro puede enriquecer selectivamente membranas en ciertos lípidos. Todo esto produce microdominos deferentes según la membrana que estemos considerando, incluso como hemos visto antes, entre monocapas de una misma membrana. Las diferencias en la composición lipídica son propias de la especialización funcional de la membrana.
¿Qué evidencias experimentales hay?
Las interacciones moleculares impiden la homogeneidad de la membrana en cuanto a la distribución de sus componentes. ¿Cómo se han encontrado estas heterogeneidades?
a) Extracción con solventes orgánicos.
b) Medidas de la concentración de colesterol.
c) Uso de anticuerpos marcados con fluorescencia.
d) Anticuerpos con oro coloidal y microscopía de barrido.
En fibroblastos se ha observado que las proteínas se mueven preferentemente en direcciones paralelas a los microfilamentos que se encuentran justo debajo de la membrana plasmática. Esto implica que los microfilamentos pueden servir de caminos por los que las proteínas de membrana pueden moverse.
¿Son todos los microdominios iguales?
No. Varían en el tamaño, proporción y tipo de lípidos, y el tipo de proteínas que contienen. Las proteínas parecen ser los elementos más heterogéneos y los que dan mayor capacidad fisiológica a estos microdominios. Algunas proteínas se sienten más confortables en ciertos entornos lipídicos respecto a otros y por tanto pueden formar parte de ellas. Incluso pueden llegar a ser formadoras de balsas por interacción con ciertos lípidos. Las proteínas tienen distintos mecanismos para seleccionar o ser seleccionadas por grupos o balsas de lípidos. Aquellas que están ancladas a la membrana mediante cadenas de ácidos grasos seleccionarán un microdominio por las características de esos ácidos grasos, los cuales interactuarán con el resto de lípidos de la membrana. Aquellas que sean transmembrana permitirán interacciones entre los radicales hidróbofobos de sus aminóacidos que están dentro de la membrana con los ácidos grasos de los lípidos de membrana. Además, habrían interacciones de las cabezas polares de los lípidos con partes proteicas no incluidas en la membrana. En definitiva, la interacción lípido-lípido y lípido-proteína condicionan la composición de cada microdominio. Hay que recordar que estos microdominios son muy dinámicos en tamaño y composición.
En cuanto a las propiedades físicas, el espesor y configuración espacial (curvatura) de la membrana determinará segregaciones moleculares características.
¿Qué tipos hay?
Es difícil hacer una clasificación puesto que son muy dinámicos y diferentes en composición. Pero podríamos agruparlos en balsas de lípidos (sólo hay lípidos, fundamentalmente colesterol y esfingolípidos), microdominios formados por proteínas y lípidos, y caveolas, formadas por una alta proporción de colesterol y caveolina. Las caveolas participan en la vía endocítica y se podrían considerar como un subtipo de microdominios formados por proteínas y lípidos. También habrá membranas gruesas y delgadas, así como planas o curvadas.
¿Cuáles son las funciones de estos microdominios?
Las funciones celulares en las que participan los microdominios de membrana están en pleno estudio y cada día se asignan más papeles a estas estructuras. Así, parecen participar en la transducción de señales desde la membrana citoplasmática; son importantes para la regionalización de los orgánulos y por tanto que distintas partes de un orgánulo pueda realizar distintas funciones; participan en la polaridad de las céulas en movimiento; se han relacionado con las estrategias de infección de patógenos, toxinas y priones.
Como hemos dicho, una de las principales funciones de las balsas de lípidos es su intervención en la transducción de señales, secuestrando ciertas moléculas y generando dominios donde se favorece la integración de la señal. Ejemplos de ésta función son la señalización por inmunoglobulina E en procesos alergénicos, la detección de antígenos del receptor TCR de linfocitos T, la señalización con el factor neurotrófico derivado de células gliales (GDNF), señalización dependiente de RAS, la recepeción de la señal Hedgehog…
Ejemplos:
TCR: Receptores de la activación de la respuesta inmune de los linfocitos T. Se unen a los complejos MCH de células presentadoras de antígeno en presencia de éste. Solamente se activan unos pocos receptores, pero generan una gran señal. Esto es posible gracias a una “sinapsis inmunológica” facilitada por el citoesqueleto y las balsas de lípidos, en la que un mismo y pequeño número de receptores se activan repetidas veces. La balsa de lípidos reúne todas las estructuras necesarias para que ésta “sinapsis” se lleve a cabo.
GDNF: Familia de factores importantes para el desarrollo y mantenimiento del sistema nervioso así como para la diferenciación del riñón y las espermatogonias. Dichos factores generan una cascada de señalización tras unirse con un receptor dimerizado GFR-alfa y con RET (tirosin quinasa transmembrana). GFR-alfa está presente en balsas de lípidos, mientras que RET no. Se piensa que la unión del ligando a GFR-alfa produce una serie de cambios en la balsa que permiten la entrada de RET y por lo tanto la generación de la señal.
Hedgehog: La implicación de las balsas de lípidos en la transducción de esta señal es diferente al resto de los casos vistos anteriormente. Esta proteína resultante de la traducción de un morfogen (de drosophila) y su homólogo de mamíferos. Se caracteriza por sufrir dos modificaciones postraduccionales importantes, a nivel de sus extremos, una adición de un residuo de colesterol en el extremo carboxilo terminal y de un residuo palmitato en el extremo amino terminal. Su función es mediar en la separación de dos moléculas, iniciando una cascada de señalización. Al parecer, la adicción del colesterol hace que se fije a ciertas balsas de lípidos, restringiendo su acción a un radio local, y por lo tanto, regulando la distribución de la señal. Éste modo de señalización todavía no se entiende del todo bien, ya que “in vivo” la señal Hedgehog se secreta y afecta a ciertas células diana alejadas de la secretora, por lo que no se queda fijada de por vida en las balsas de lípidos.
Toda esta gran cantidad de ejemplos valen para modelizar teóricamente los modos de señalización en los que intervienen las balsas de lípidos. Así, podemos hablar de tres modos generales del comportamiento de los receptores en las balsas de lípidos:
No hay comentarios:
Publicar un comentario