El límite entre el sistema celular y su entorno –intersticio– lo constituyen las membranas plasmáticas, representando obstáculos selectivos, debido a la naturaleza de los lípidos y su auto-ensamblaje, tal y como lo presenté en el post: Lípidos de membrana. Así pues, como toda una tertulia metabólica exclusiva en el interior de la célula, se permite el paso únicamente de moléculas selectas. Si bien es cierto, las moléculas polares manifiestan afinidad con las cabezas de los fosfolípidos, el trayecto se vuelve impenetrable al interactuar con las cadenas de ácidos grasos. De este modo, el núcleo hidrofóbico de la bicapa lipídica es una fuerte barrera para moléculas polares de gran tamaño, iones, moléculas cargadas.
Este es un tema fascinante, que les entrego en este post, para que naveguemos por la aventura científica que representa la célula y sus extraordinarios componentes proteicos, en perspectiva hacia todo el organismo de manera sistémica.

En efecto, tienen “pase libre” las moléculas hidrofóbicas como el benceno, igualmente, gases como el dióxido de carbono y el oxígeno, debido a que son moléculas no polares y sin carga eléctrica, ambas intervinientes en procesos metabólicos como reactivos o productos, en reacciones de carboxilación, y de oxigenación vital en la ruta aeróbica del catabolismo de la glucosa para la obtención de energía(ATP).

Les presento un Video–Animación explicativo de la permeabilidad selectiva.

Fuente: en mi cuenta de YouTube @01carmincortez


En relación a lo planteado, si las membranas requieren mantener el volumen celular, el pH, al igual que la distribución iónica intra y extracelular, a fin de generar entornos favorables para la actividad enzimática y producir gradientes eléctricos necesarios para los tejidos excitables, surge la pregunta: ¿Cómo es posible que siendo estructuras tan selectivas puedan permitir tales condiciones? Esto es factible porque no sólo los lípidos conforman este diseño, también constan de una porción proteica que incide en la asimetría de las membranas, al igual que proporciona mecanismos de transporte, para la transferencia de combustibles metabólicos, traslado de productos, eliminación de desechos y sustancias tóxicas.

De este modo, las proteínas de membrana ejercen diversas funciones para asegurar la homeostasis a nivel celular, incidiendo directamente en acciones cotidianas, desde la base molecular expresada por nuestro fenotipo y fisiología del organismo. Es cierto que las proteínas constituyen un apartado extenso en cuanto a su estructura, secuencia aminoacídica, conformación, comportamiento; sin embargo, el presente post está dirigido a las funciones de las proteínas embebidas en las membranas biológicas y su conformación por proceso de selección en la evolución química, mediante la ejemplificación de casos para establecer nexos con la fisiología en la cotidianidad de los participantes. En función de lo expuesto, a continuación se plantean los objetivos:

Objetivos

• Describir la disposición de las proteínas de membrana y su vínculo con la fisiología de la célula.
  
• Ejemplificar funciones específicas de las proteínas de membrana, en casos particulares del organismo.
  
• Diseñar material ilustrativo para el abordaje didáctico de las funciones biológicas de las proteínas de membrana.
  

Ladrillos Biológicos

Las proteínas son macromoléculas biológicas constituidas por carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, en algunos casos presentan azufre. Vale decir que, adicionalmente pueden presentar otros elementos, como por ejemplo fósforo, asociado al caso de la caseína (fosfoproteína); hierro, tal como la hemoglobina; y metaloproteínas que pueden también poseer un zinc o cobre en su grupo prostético.

Como puede notarse los elementos claves de la vida: esqueleto de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, componen a las proteínas. En esta fórmula fundamental incide la capacidad de formar enlaces covalentes fuertes entre estos elementos, constituyendo enlaces químicos comunes en los sistemas biológicos. Del mismo modo, la conformación del esqueleto de carbono también posibilita la configuración de variadas estructuras moleculares, diversidad necesaria para el cumplimiento de distintas funciones en el organismo, de esta forma se tienen determinadas estructuras para sustratos específicos y tareas precisas.

Durante el proceso evolutivo de selección, se establecieron 20 ladrillos básicos, “primordiales” para la constitución proteica de nuestros cuerpos, se tienen entonces aminoácidos que se asocian covalentemente en largas cadenas polipeptídicas. Este tipo de enlace covalente entre dos aminoácidos se denomina enlace peptídico, y sucede entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro.

A continuación les muestro una imagen ejemplificativa de este tipo de enlace:

Es importante indicar que, el código genético compone el comando central en la determinación de la organización, secuencia exacta y ordenada de estos sillares de la vida, puesto que su papel biológico está determinado por la transcripción de los triples de bases en el ADN, además de la traducción adecuada de los codones y sus respectivos anticodones.

Contenido dependiente de la Fisiología de Membrana

En cuanto al contenido proteico de las membranas biológicas, éste difiere dependiendo del tipo de célula u orgánulo celular, por ejemplo: las neuronas de axones mielinizados, tienen bajo contenido en proteínas, debido a que se requiere de las moléculas lipídicas funcionando como aislantes eléctricos para la conducción saltatoria del impulso nervioso. Por su parte, las membranas mitocrondriales y cloroplastos, asociados a procesos de transducción de energía exhiben un alto contenido proteico, puesto que presentan los complejos y fotosistemas respectivamente.

Categorización según Disposición en la Membrana

Atendiendo a la forma en que se encuentran dispuestas en la bicapa, a las proteínas de membrana se les clasifica en integrales y periféricas. Las primeras –como lo indica su nombre– se sitúan hacia la periferia de la membrana, en la parte externa de cada hemicapa, unidas de forma laxa a las cabezas de los lípidos o a proteínas integrales, por interacciones electrostáticas y enlace de hidrógeno. Este aspecto se ilustra de mejor manera en la siguiente imagen que preparé para ustedes.

Cabe destacar, que existen proteínas integrales de membrana que se encuentran firmemente unidas a uno de los lados de la bicapa, mientras que también se presentan proteínas integrales que atraviesan de lado a lado la bicapa lipídica, a éstas se les llama transmembrana. Esta disposición aporta asimetría a la membrana, lo que posibilita la distribución dispar de iones y moléculas entre los compartimientos externo e interno a ambos lados de la membrana, necesaria para el potencial en reposo. A continuación les presento una imagen ejemplificando la disposición de estas proteínas de membrana:

Papel Biológico

Las proteínas de membrana pueden actuar como canales iónicos, algunos de los cuales pueden presentar compuerta, que actúa como obturador, posibilitando la alternancia entre estados abierto y cerrado. La compuerta puede estar regulada por señalizaciones eléctricas, cambios o mensajeros químicos – canales iónicos dependiente de ligandos – tal como lo constituye el caso de la acetilcolina al llegar a los receptores específicos de la placa motora-, generando la apertura de canales específicos para el ingreso de iones de sodio y desencadenar un potencial de acción en la fibra muscular. Observen la siguiente ilustración.

Cabe señalar que existen proteínas que actúan como transportadoras, cambiando su conformación. Por ejemplo, la glucosa –requerida en las células, debido al rendimiento en ATP que genera su oxidación– no puede ingresar a la membrana por difusión simple, puesto que es una molécula polar cargada, de modo que las colas no polares constituyen una fuerte barrera. De manera que, la molécula de glucosa ingresa a la mayoría de las células valiéndose de glucotransportadores (GluT), actuando como vehículo para su traslado a través de la membrana por difusión facilitada, puesto que la vía de absorción de glucosa por tractogastrointestinal (TG) y a nivel renal, se efectúa por transporte activo secundario.

Observen algunos detalles de estos interesantes procesos, en la siguiente Video-Animación.

Fuente: en mi cuenta de YouTube @01carmincortez


Si partimos de la premisa que el agua es el solvente por excelencia de las células y principal constituyente de los fluidos del organismo, entonces preguntemos: ¿Cómo puede la molécula de agua transitar la membrana? En este caso, el agua al ser una molécula polar pequeña, se vale de reducidos “espacios transitorios” entre las colas hidrofóbicas durante el desplazamiento de los lípidos, para promover su pasaje de un compartimiento a otro –a través de las hemicapas– que representan un pasaje efectivo. Igualmente, poseen canales denominados acuaporinas, tal y como se ha demostrado en determinadas porciones del túbulo renal, constituyendo canales proteicos para la molécula de agua.

De manera análoga, existen proteínas de membrana con función enzimática, otras que actúan como mecanismos conectores (conexinas) –uniones comunicantes–; también se encuentran receptores con especificidad para reconocer su determinado ligando e iniciar el accionar, desencadenando procesos bioquímicos.

Síntesis

La descripción de la disposición de las proteínas de membrana y su vínculo con la fisiología de la célula, se percibe en el límite que separa el líquido intracelular del líquido intersticial adyacente. De este modo, mediante mecanismos de transporte mediados por proteínas, se posibilita el control de las concentraciones de determinados iones en el citosol y en el intersticio, dentro de los límites fisiológicos requeridos, contribuyendo al pasaje de moléculas que representan combustibles metabólicos, control de niveles de pH y volumen celular, expulsión de sustancias, productos metabólicos y desechos.

La ejemplificación de funciones específicas de las proteínas de membrana, en casos particulares del organismo es necesaria para mediar con la abstracción de ciertos procesos biológicos. En efecto, resulta preciso mencionar las investigaciones empíricas de antibióticos en vesículas lipídicas preparadas, para estudiar cómo modifican la permeabilidad a ciertos iones al servir de transportadores o formar conductos.

En cuanto al diseño de material ilustrativo para el abordaje didáctico de las funciones biológicas de las proteínas de membrana, se deja al debate de los lectores, en función de la accesibilidad al contenido, presentación pedagógica y proyección para un fácil entendimiento al público general, con lo cual se pone de manifiesto la #Educación-STEM.

FUENTES: Las imágenes y video-animaciones son creadas por la autora de este post @carmincortez.

Referencias

• Ganong, W. (1998). Fisiología médica. Manual Moderno 16ª Edición: México, D.F.
  
• Lehninger, A. (1972). Bioquímica. Barcelona: Ediciones OMEGA.
  
• Philip, N. (2005). Física biológica: Energía, información y vida. Barcelona: Editorial Reverté, S.A.
  
• Tortora, G. y Derrickson, B. (2013). Principios de anatomía y fisiología. Editorial Panamericana.