La Membrana Celular: Estructura, Composición y Funciones Esenciales

La membrana celular (membrana citoplasmática, plasmática o plasmalema) rodea a la célula, definiendo su extensión y manteniendo las diferencias esenciales entre el contenido celular y su entorno.

Todas las membranas biológicas tienen la misma estructura básica común: una bicapa lipídica y proteica. Solo difieren en la proporción de los lípidos y las proteínas, y en las funciones que estas realizan, las cuales dependen de la función específica de la membrana.

Composición Química de la Membrana Celular

Lípidos

Constituyen la estructura básica de las membranas.

• Fosfolípidos:
  • Fosfatidilcolina
  • Fosfatidiletanolamina
  • Fosfatidilserina
  • Esfingomielina
• Esteroles:
  • Colesterol: Regula la fluidez de la membrana, hace a la bicapa menos deformable, disminuye su permeabilidad a pequeñas moléculas hidrosolubles y evita la cristalización de la bicapa.
  • Fitosteroles
  • Hopanoides
• Glucolípidos:
  • Cerebrósidos
  • Gangliósidos

Los lípidos sirven para:

• Dar resistencia y fluidez (dependiendo de la longitud de los ácidos grasos, insaturaciones y cantidad de esteroles).
• Regular la permeabilidad.

Proteínas de Membrana

Desempeñan las funciones específicas de las membranas (regular el paso de sustancias, comunicación celular, función enzimática, uniones celulares, etc.). Algunas forman parte de la propia estructura de la membrana.

Atendiendo a su disposición en la membrana, se clasifican en:

• Proteínas integrales: Aquellas que están inmersas en la bicapa lipídica, por lo que son difíciles de extraer. Se dividen en:
  • Intrínsecas: Unidas a las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos, no poseen zonas hidrófilas y no atraviesan completamente la membrana.
  • Transmembrana: Atraviesan la membrana, con una parte en el lado extracelular y otra en el lado intracelular.
• Proteínas periféricas (extrínsecas): Aquellas que se unen a la superficie de la membrana, bien por uniones covalentes con los lípidos o con proteínas integrales. Son fáciles de extraer.

Glúcidos de Membrana

Oligosacáridos unidos covalentemente a lípidos y proteínas. Solo se localizan en la cara externa de las membranas plasmáticas eucariotas. Forman una especie de cubierta denominada glucocálix (conjunto de azúcares en la cara externa que ayuda a retener agua y a facilitar la difusión de sustancias).

Estructura de las Membranas: Modelo del Mosaico Fluido

El modelo del Mosaico Fluido (propuesto por Singer y Nicholson) establece que:

• Tanto las proteínas como los lípidos de la membrana se disponen a modo de mosaico, en el que no ocupan posiciones fijas, sino que se desplazan unos respecto de otros lateralmente.
• Las proteínas y lípidos interaccionan entre ellos.
• Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de todos sus componentes.

Funciones de la Membrana Celular

Dependen de los componentes y de la relación entre lípidos y proteínas, y sobre todo, de las funciones que estas realizan.

• Intercambio de sustancias.
• Uniones celulares (especialmente en seres vivos pluricelulares).
• Permeabilidad selectiva.
• Dar forma a la célula y limitarla.
• Reconocimiento e identificación.

Transporte de Sustancias a Través de la Membrana

La membrana es una barrera semipermeable que, debido a su composición mayormente lipídica, permite fácilmente el paso de pequeñas moléculas apolares a favor de gradiente (es decir, una sustancia más concentrada en un lado que en otro), y es altamente impermeable a los iones y a las moléculas cargadas.

Para facilitar el paso de sustancias a través de la membrana, existen dos tipos de proteínas:

• Proteínas transportadoras (carriers o permeasas).
• Proteínas de canal (porinas).

Tipos de Transporte a Través de Membranas

Transporte de Moléculas de Pequeña Masa Molecular

Transporte Pasivo

• Se produce de forma espontánea a favor de gradiente electroquímico.
• No consume energía.
• A mayor diferencia de concentraciones (mayor diferencia de gradiente) entre ambos lados de la bicapa, mayor velocidad de transporte.
• Puede ser:
  1. Difusión simple: Cuando la sustancia atraviesa la bicapa lipídica. Ejemplos: gases, moléculas apolares y pequeñas moléculas polares sin carga (agua, etanol, urea).
  2. Difusión Facilitada: Cuando existen proteínas de membrana que permiten el paso de sustancias:
     • Proteínas de canal o porinas (iones y agua).
     • Proteínas transportadoras, permeasas o carriers (azúcares, aminoácidos y nucleótidos).

Transporte Activo

• Se realiza en contra de gradiente electroquímico.
• Requiere gasto energético.
• Las proteínas implicadas son enzimas de membrana denominadas ATPasas.

Funciones del transporte activo:

• Mantiene el equilibrio osmótico y el volumen celular.
• Genera y mantiene el potencial eléctrico de las membranas.

Ejemplo: La bomba de sodio-potasio es una ATPasa que, al hidrolizar ATP, cambia su conformación para bombear iones sodio (Na+) hacia el exterior y iones potasio (K+) hacia el interior de la célula, manteniendo así los gradientes iónicos.

Transporte de Moléculas de Elevada Masa Molecular

Las sustancias o partículas entran o salen de la célula por procesos que implican la formación de vesículas.

Endocitosis

Las sustancias o partículas entran en la célula por invaginaciones de la membrana, originándose una vesícula que encierra el material ingerido.

Atendiendo a la naturaleza y el tamaño de las sustancias englobadas, se diferencian:

• Pinocitosis: Es un tipo de endocitosis en la que la invaginación está revestida de clatrina, englobando líquidos y pequeñas partículas disueltas.
• Fagocitosis: Implica prolongaciones de la membrana (pseudópodos) que terminan por envolver fragmentos celulares o microorganismos, formando una vesícula de fagocitosis (ej. ameba, macrófagos).
• Endocitosis mediada por receptor: Similar a la pinocitosis, pero requiere que los receptores específicos de la membrana detecten y unan las sustancias antes de iniciar el proceso de invaginación (ej. absorción de colesterol en el intestino).

Exocitosis

Mecanismo de eliminación de moléculas y macromoléculas (sustancias de desecho, mensajeros químicos, neurotransmisores, etc.). Es el proceso contrario a la endocitosis: la vesícula con las sustancias se desplaza hasta la membrana, se fusiona con ella y libera su contenido al exterior (ej. secreción de hormonas en glándulas).

Transcitosis

Sistema de transporte que permite a una sustancia atravesar todo el citoplasma de una célula, desde la zona superior a la inferior. Típico de células epiteliales, combinando endocitosis y exocitosis.

Uniones Celulares: Complejos de Unión

Los complejos de unión son estructuras especializadas que permiten la adhesión, comunicación y sellado entre células.

En Tejidos Animales

Los vegetales tienen pared celular que cumple funciones de soporte y comunicación, por lo que sus uniones son diferentes.

• Uniones estrechas (oclusivas): Unen las membranas de dos células adyacentes mediante interacciones de proteínas de membrana, formando una barrera impermeable que impide el paso de sustancias entre las células. Son típicas de los epitelios (ej. intestino, vejiga).
• Uniones adherentes: Sujetan a dos células, conectando sus citoesqueletos (filamentos de actina) y proporcionando resistencia mecánica.
• Uniones comunicantes (Gap Junctions): Son canales formados por proteínas (conexinas) que permiten el paso directo de pequeñas moléculas e iones entre los citoplasmas de células adyacentes, facilitando la comunicación intercelular rápida.
• Desmosomas: Complejos de unión que confieren gran resistencia a la tracción mecánica. Están formados por una placa proteica intracelular a la que se unen filamentos intermedios del citoesqueleto, anclando las células entre sí.

En Tejidos Vegetales y Hongos

• Plasmodesmos: Son canales citoplasmáticos que atraviesan las paredes celulares de células vegetales adyacentes, permitiendo la comunicación directa y el paso de moléculas (incluso orgánulos pequeños) entre sus citoplasmas. Son funcionalmente análogos a las uniones gap, pero sin proteínas especializadas.

Estructuras Celulares Asociadas a la Membrana

Pared Celular

Son estructuras rígidas que protegen las células de cambios osmóticos, les confieren resistencia mecánica y contribuyen a la forma celular.

Pared Bacteriana

• Está formada principalmente por el heteropolisacárido peptidoglucano (mureína).
• Existen dos tipos principales de paredes bacterianas que reaccionan de forma diferente a la tinción de Gram, lo que permite distinguir a las bacterias en Gram positivas y Gram negativas.

En las bacterias Gram positivas, la pared de peptidoglucano es gruesa y se encuentra directamente sobre la membrana plasmática. En las Gram negativas, la pared de peptidoglucano es más delgada y está cubierta por una membrana externa lipopolisacárida.

Pared Vegetal

• Compuesta principalmente de celulosa, hemicelulosa y pectina. En algunos tejidos, también puede contener lignina y suberina.
• Protege, da forma y consistencia a las células vegetales. También permite la unión, reconocimiento y comunicación entre células de un tejido.

Estructura de la Pared Vegetal

1. Lámina media: Se forma en el momento de la división celular (es la primera en formarse). Compuesta de pectinas, es responsable de mantener unidas a las células adyacentes.
2. Pared primaria: Más gruesa que la lámina media, está formada por celulosa y muy poca pectina. Se forma sobre la lámina media cuando la célula está creciendo.
3. Pared secundaria: Se forma cuando la célula ha dejado de crecer. Es la más gruesa y consistente, formada por celulosa, y en algunos tejidos también por lignina y suberina.

Matriz Extracelular (MEC)

Es el medio externo que generan las células de los tejidos animales.

• Ayuda a mantener unidas a las células.
• Confiere a los tejidos elasticidad y resistencia a la tracción.
• Sirve de vía de comunicación entre las células al permitir la difusión de sustancias.
• También participa en procesos de diferenciación celular, crecimiento y migración de células durante la organogénesis.

Composición de la Matriz Extracelular

• Proteínas fibrosas: Colágeno y elastina.
• Proteoglucanos: Ácido hialurónico.
• Glucoproteínas estructurales: Fibronectina y laminina.