Introducción a la Membrana Celular

La membrana celular o membrana plasmática es una estructura fundamental que delimita y protege la célula, controlando el intercambio de sustancias entre el interior celular y el medio externo. Su estructura única permite mantener la homeostasis celular mientras facilita la comunicación y el transporte selectivo.

## Modelo Mosaico Fluido

### Historia del Modelo

- 1935: Davson y Danielli - Modelo sándwich

- 1972: Singer y Nicolson - Modelo mosaico fluido

- Actualidad: Refinamientos y nuevos descubrimientos

### Características del Modelo Actual

- Bicapa lipídica fluida: Base estructural dinámica

- Proteínas móviles: Embebidas como un mosaico

- Asimetría: Composición diferente en cada cara

- Permeabilidad selectiva: Control del transporte

- Fluidez variable: Adaptación a condiciones

## Componentes de la Membrana

### 1. Lípidos de Membrana (40-50%)

#### Fosfolípidos

- Estructura anfipática: Cabeza hidrofílica (grupo fosfato)

- Dos colas hidrofóbicas (ácidos grasos)

- Tipos principales: Fosfatidilcolina (PC)

- Fosfatidilserina (PS)

- Fosfatidilglicerol (PG)

- Fosfatidiletanolamina (PE)

- Esfingomielina

- Distribución asimétrica: Composición diferente en cada cara

#### Colesterol

- Localización: Entre fosfolípidos, más en cara externa

- Función: Regulación de fluidez A altas temperaturas: Reduce fluidez excesiva

- A bajas temperaturas: Previene rigidez

- Proporción: ~30% en células animales

- Ausencia: En plantas y la mayoría de bacterias

#### Glicolípidos

- Estructura: Lípido + carbohidrato

- Localización: Solo en cara externa

- Función: Reconocimiento celular

- Ejemplos: Cerebrósidos, gangliósidos

### 2. Proteínas de Membrana (45-55%)

#### Clasificación por Localización

##### Proteínas Integrales

- Características: Embebidas en la bicapa

- Anclaje: Regiones hidrofóbicas

- Extracción: Requiere detergentes

- Tipos: Transmembranales (atraviesan completamente)

- Monotópicas (un solo lado)

##### Proteínas Periféricas

- Características: Unidas a superficie

- Anclaje: Interacciones electrostáticas

- Extracción: Cambios de pH o fuerza iónica

- Localización: Cara interna o externa

##### Proteínas de Anclaje Lipídico

- GPI: Anclaje glicosilfosfatidilinositol

- Acilación: Unión de ácidos grasos

- Prenilación: Grupos prenilo

#### Clasificación Funcional

- Transportadoras: Canales, bombas, carriers

- Enzimáticas: Catálisis en membrana

- Receptoras: Señalización celular

- Estructurales: Citoesqueleto, adhesión

- Reconocimiento: Antígenos, lectinas

### 3. Carbohidratos (2-10%)

#### Glicocálix

- Definición: Capa de carbohidratos en superficie externa

- Componentes: Glicoproteínas (proteína + carbohidrato)

- Glicolípidos (lípido + carbohidrato)

- Funciones: Reconocimiento celular

- Adhesión celular

- Protección mecánica

- Antígenos de superficie

## Propiedades de la Membrana

### Fluidez de Membrana

#### Factores que Afectan la Fluidez

- Temperatura: Alta: Mayor fluidez

- Baja: Mayor rigidez

- Composición de ácidos grasos: Saturados: Menor fluidez

- Insaturados: Mayor fluidez

- Longitud de cadena: Más larga = menos fluida

- Colesterol: Estabiliza fluidez

- Concentración de proteínas: Reduce fluidez

#### Importancia de la Fluidez

- Función de proteínas de membrana

- Transporte de sustancias

- Fusión y fisión de membranas

- Señalización celular

- Movimiento celular

### Asimetría de Membrana

#### Distribución Asimétrica de Lípidos

#### Mantenimiento de la Asimetría

- Flipasas: Transportan lípidos hacia cara interna

- Flopasas: Transportan hacia cara externa

- Scramblasas: Intercambio bidireccional

- Síntesis específica: Inserción dirigida

## Transporte a Través de la Membrana

### Transporte Pasivo

#### Difusión Simple

- Mecanismo: A favor del gradiente de concentración

- Energía: No requiere ATP

- Sustancias: Gases: O₂, CO₂, N₂

- Moléculas pequeñas apolares: Etanol

- Agua (limitadamente)

- Factores: Gradiente de concentración

- Tamaño molecular

- Liposolubilidad

- Temperatura

#### Difusión Facilitada

- Mecanismo: A través de proteínas específicas

- Energía: No requiere ATP

- Características: Saturación

- Especificidad

- Inhibición competitiva

- Tipos de proteínas: Canales: Paso directo

- Transportadores: Cambio conformacional

##### Canales Iónicos

- Características: Selectividad iónica

- Compuertas (voltaje, ligando, mecánicas)

- Conductancia alta

- Ejemplos: Canales de Na⁺

- Canales de K⁺

- Canales de Ca²⁺

- Canales de Cl⁻

##### Transportadores (Carriers)

- Uniporte: Una sustancia en una dirección

- Simporte: Dos sustancias en misma dirección

- Antiporte: Dos sustancias en direcciones opuestas

#### Ósmosis

- Definición: Difusión del agua a través de membrana semipermeable

- Fuerza motriz: Gradiente de potencial químico del agua

- Acuaporinas: Canales específicos para agua

- Presión osmótica: Presión necesaria para detener ósmosis

##### Soluciones y Efectos

- Isotónica: Misma concentración de solutos Efecto: Sin cambio de volumen

- Hipotónica: Menor concentración de solutos Efecto: Entrada de agua, hinchamiento

- Hipertónica: Mayor concentración de solutos Efecto: Salida de agua, encogimiento

### Transporte Activo

#### Transporte Activo Primario

- Energía: Hidólisis directa de ATP

- Función: Contra gradiente electroquímico

- Ejemplos principales: Bomba Na⁺/K⁺-ATPasa

- Bomba Ca²⁺-ATPasa

- Bomba H⁺-ATPasa

- Bomba H⁺/K⁺-ATPasa

##### Bomba Na⁺/K⁺-ATPasa

- Estequiometría: 3 Na⁺ fuera, 2 K⁺ dentro por ATP

- Función: Mantiene gradientes iónicos

- Genera potencial de membrana

- Regula volumen celular

- Mecanismo: Unión de 3 Na⁺ (interior)

- Fosforilación por ATP

- Cambio conformacional

- Liberación de Na⁺ (exterior)

- Unión de 2 K⁺ (exterior)

- Desfosforilación

- Liberación de K⁺ (interior)

#### Transporte Activo Secundario

- Energía: Gradiente iónico (generalmente Na⁺)

- Dependencia: Transporte activo primario

- Tipos: Simporte (cotransporte)

- Antiporte (intercambio)

- Ejemplos: Na⁺/glucosa (intestino)

- Na⁺/aminoácidos

- Na⁺/Ca²⁺ (antiporte)

- Na⁺/H⁺ (antiporte)

## Transporte Vesicular

### Endocitosis

#### Fagocitosis

- Sustrato: Partículas sólidas grandes (>0.5 μm)

- Mecanismo: Reconocimiento y adhesión

- Formación de pseudópodos

- Envolvimiento de partícula

- Formación de fagosoma

- Fusión con lisosomas

- Digestión

- Células especializadas: Macrófagos

- Neutrófilos

- Células dendríticas

- Algunos protozoarios

- Funciones: Defensa inmunitaria

- Eliminación de células muertas

- Nutrición (unicelulares)

#### Pinocitosis

- Sustrato: Líquidos y solutos

- Vesículas: Pequeñas (~100 nm)

- Distribución: Todas las células

- Función: Captación de nutrientes

- Muestreo del medio

- Regulación de membrana

#### Endocitosis Mediada por Receptor

- Características: Altamente específica

- Eficiente

- Saturable

- Mecanismo: Unión ligando-receptor

- Concentración en fosas revestidas

- Invaginación

- Formación de vesícula revestida

- Pérdida de revestimiento

- Fusión con endosomas

- Ejemplos: LDL y colesterol

- Transferrina y hierro

- Insulina

- Factores de crecimiento

### Exocitosis

- Función: Secreción de sustancias

- Tipos: Constitutiva: Continua

- Regulada: Por señales

- Mecanismo: Transporte de vesícula

- Reconocimiento de membrana

- Fusión de membranas

- Liberación de contenido

- Ejemplos: Secreción de hormonas

- Liberación de neurotransmisores

- Secreción de enzimas digestivas

- Exocitosis de mucinas

## Ejemplos de Ejercicios Resueltos

> [Ejercicio 1: Análisis de transporte de glucosa] > Enunciado: Una célula intestinal transporta glucosa desde el intestino hacia la sangre contra su gradiente de concentración. ¿Qué tipo de transporte utiliza y cómo funciona?

Resolución:

Análisis del problema:

- Transporte contra gradiente → Requiere energía

- No usa ATP directamente → Transporte activo secundario

- Célula intestinal → Usa gradiente de Na⁺

Mecanismo:

- Cara apical: Cotransportador Na⁺/glucosa (SGLT1)

- Energía: Gradiente de Na⁺ (mantenido por bomba Na⁺/K⁺)

- Cara basolateral: Transportador de glucosa GLUT2 (difusión facilitada)

- Resultado: Transporte transccelular de glucosa

Respuesta: Transporte activo secundario (simporte Na⁺/glucosa) acoplado a difusión facilitada.

> [Ejercicio 2: Efectos osmóticos en células] > Enunciado: Una célula vegetal y una animal se colocan en solución hipotónica. Describe qué ocurre en cada caso y por qué.

Resolución:

Célula Animal:

- Efecto: Entrada masiva de agua por ósmosis

- Consecuencia: Hinchamiento excesivo

- Resultado: Lisis celular (ruptura de membrana)

- Razón: Solo membrana plasmática, sin soporte estructural

Célula Vegetal:

- Efecto inicial: Entrada de agua en vacuola

- Presión de turgencia: Aumenta hasta equilibrio

- Resultado: Célula turgente pero no se rompe

- Razón: Pared celular proporciona soporte mecánico

Diferencia clave: La pared celular vegetal previene la lisis osmótica.

> [Ejercicio 3: Comparación de tipos de endocitosis] > Enunciado: Un macrófago puede capturar tanto bacterias como moléculas pequeñas del medio. Explica los diferentes mecanismos que utiliza.

Resolución:

Destino común: Ambos tipos de vesículas se fusionan con lisosomas para digestión del contenido.

## Comunicación Celular

### Receptores de Membrana

- Canales iónicos dependientes de ligando: Respuesta rápida

- Receptores acoplados a proteína G: Amplificación de señal

- Receptores con actividad enzimática: Autofosforilación

- Receptores de adhesión: Interacciones célula-célula

### Uniones Celulares

#### En Animales

- Uniones estrechas: Barrera de permeabilidad

- Uniones adherentes: Adhesión mecánica

- Desmosomas: Conexión fuerte

- Uniones gap: Comunicación directa

#### En Plantas

- Plasmodesmos: Conexiones citoplasmáticas

- Pared celular: Soporte y comunicación

## Patologías de Membrana

### Enfermedades Relacionadas

- Fibrosis quística: Defecto en canal de Cl⁻ (CFTR)

- Diabetes insípida: Defecto en acuaporinas

- Hipercolesterolemia familiar: Defecto en receptor de LDL

- Distrofia muscular: Defecto en proteínas de membrana

### Toxinas que Afectan Membranas

- Digitálicos: Inhibición de bomba Na⁺/K⁺

- Ouabaína: Bloqueo específico

- Gramicidina: Forma canales no selectivos

- Toxinas formadoras de poros: Lisis celular

## Aplicaciones Biotecnológicas

### Ingeniería de Membranas

- Liposomas: Sistemas de liberación de fármacos

- Membranas artificiales: Biosensores

- Modificación de proteínas: Canales diseñados

- Terapia génica: Vectores lipídicos

### Investigación de Membranas

- Patch-clamp: Estudio de canales individuales

- Microscopía de fuerza atómica: Estructura

- Espectroscopía: Dinámica molecular

- Simulaciones: Modelado computacional