En esta página se explica cómo se ha llegado al modelo químico y físico de membrana celular actual.
La estructura de la membrana celular, es decir, cómo se organizan las moléculas que la componen, ha ido en paralelo con el descubrimiento de dichas moléculas y sus propiedades, así como con el avance de los aparatos como el microscopio electrónico y de las técnicas experimentales en los laboratorios (Figura 1). Inicialmente se pensaba que las células estaban delimitadas por una capa terminal de características desconocidas, que se describía como un límite del protoplasma.
La primera propuesta sobre la composición de la membrana fue hecha por C.E. Overton en 1895 (Figura 2). Observó que las moléculas de naturaleza lipídica entraban más fácilmente en las células que las hidrofílicas por lo que intuyó que debía existir una barrera o cubierta lipídica delimitando a la célula. Incluso llegó a proponer que estaba compuesta por colesterol y otros lípidos.
Más tarde, I. Langmuir descubrió que los lípidos anfipáticos, con una parte hidrófoba y otra hidrofílica, se disponían en las superficies acuosas formando monocapas con las cabezas polares hacia la parte acuosa y la parte hidrófoba fuera del agua. Es decir, formaban una membrana de una capa de lípidos (Figura 2). .
En torno a 1925, E. Gorter y F. Grendel, querían saber cuántos lípidos había en los eritrocitos. Se encontró que los lípidos extraídos de la membrana de los glóbulos rojos, los cuales sólo tienen la membrana plasmática, formaban una monocapa en la superficie de soluciones acuosas con un área que era el doble de la superficie estimada de la membrana del propio glóbulo rojo (Figura 2).
El resultado les llevó a proponer que los glicerofosfolípidos se organizaban formando una bicapa lipídica con las cabezas polares hacia la solución acuosa, intracelular y extracelular, respectivamente, mientras que sus partes hidrófobas quedaban recluidas en su interior, a salvo del ambiente acuoso. Habían propuesto el modelo de bicapa lipídica de la membrana celular que explicaba tanto sus características físicas como químicas, y que además era termodinámicamente favorecida (Figura 2).
En la década de 1930 nuevos experimentos aportaron datos acerca de las propiedades mecánicas de las membranas, los cuales no podían ser explicados simplemente con la participación de los lípidos. Así que se introdujo a las proteínas como parte de las membranas y como responsables de esos nuevos datos experimentales. H. Davdson y J.F. Danielli propusieron un modelo trilaminar de la membrana incorporando a las proteínas a la bicapa lipídica. Colocaron a las proteínas recubriendo la bicapa lipídica, es decir, tapizando ambas superficies, intentando que cumplieran las leyes termodinámicas (Figura 2).
El modelo trilaminar de Davdson y Danielli se vio reforzado por las imágenes de microscopía electrónica. A esta organización oscuro-claro-oscuro se le denominó unidad de membrana, y se consideró universal para cualquier membrana celular. En esta época se midió el espesor de la membrana, 6-8 nm y A pesar de ello no se explicaba muy bien como los iones y otras moléculas cargadas podían cruzar la membrana.
En 1966, Green y Benson, trabajando con liposomas de mitocondrias, descubrieron que se podían extraer trozos, subunidades, de membranas con lípidos y proteínas, luego sugirieron que los lípidos podían ser solventes de proteínas globulares. En esos mismos años también se propuso que en las membranas había muchas proteínas y éstas no era probable que fueran sólo periféricas, sino que deberían formar parte de la membrana con las porciones de sus cadenas con aminoácidos localizadas entre las cadenas de ácidos grasos y otras porciones hidrofílicas saliendo por ambos lados de la membrana. En la década de los 70 del siglo pasado dos líneas de investigación mostraron evidencias de que había proteínas insertadas en las membranas.
En 1972, S.J. Singer y G. Nicolson (Science 175: 720-731), recogieron la información acumulada en la década anterior y propusieron el modelo de mosaico fluido de membrana (Figuras 2 y 3) para incorporar todos estos datos nuevos (ver Figura 1 de Nicolson 2014). Uno de sus grandes ventajas era que recurría a la termodinámica, fuerzas electro-químicas, para explicar la organización de la membrana. Esto suponía que no sólo explicaba sino que predecía las propiedades de la membrana. Propusieron que las membranas están formadas por proteínas embebidas en una bicapa lipídica (de ahí la palabra mosaico). Las proteínas se incorporan a la bicapa y tienen dominios intra y extracelulares. El término fluido fue otro gran avance conceptual. Las moléculas de la membrana no estaban estáticas sino podían moverse lateralmente en la bicapa por difusión, con lo cual la membrana se transformó en una estructura dinámica y maleable. Incluso se sugirió que la membrana es asimétrica, es decir que la monocapa citosólica tenía una composición diferente a la monocapa externa.
Actualmente, el modelo se ha ido modificando y ajustando a los nuevos datos experimentales, que indican que la característica preponderante de la membrana es heterogeneidad, más que fluidez (Figura 3). Hay restricciones al movimiento. Por tanto el modelo de membrana actual está basado en el modelo de mosaico fluido, pero curiosamente, la posibilidad de difusión de las moléculas no produce una homogeneidad química de la membrana sino todo lo contrario, una heterogeneidad de dominios distribuidos por toda la extensión de la membrana.
Hay numerosos datos con técnicas recientes que probablemente nos harán dibujar a las membranas de manera diferente a como aparecen actualmente en la mayoría de los libros de texto.
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