17.3: Membranas y Lípidos de Membrana

Todas las células vivas están rodeadas por una membrana celular. Las células vegetales (Figura \(\pageIndex{1A}\)) y las células animales (Figura \(\pageIndex{1B}\)) contienen un núcleo celular que también está rodeado por una membrana y contiene la información genética de la célula. Todo lo que se encuentra entre la membrana celular y la membrana nuclear, incluidos los fluidos intracelulares y varios componentes subcelulares, como las mitocondrias y los ribosomas, se llama citoplasma. Las membranas de todas las células tienen una estructura fundamentalmente similar, pero la función de la membrana varía enormemente de un organismo a otro e incluso de una célula a otra dentro de un solo organismo. Esta diversidad surge principalmente de la presencia de diferentes proteínas y lípidos en la membrana.

Figura \(\pageIndex{1}\): (A) Una Célula Vegetal Idealizada. No todas las estructuras que se muestran aquí ocurren en cada tipo de célula vegetal. (B) Una Célula Animal Idealizada. Las estructuras que se muestran aquí rara vez se encuentran todas en una sola célula animal.

Los lípidos en las membranas celulares son altamente polares, pero tienen dos características: parte del lípido es iónico y, por lo tanto, se disuelve en agua, mientras que el resto tiene una estructura hidrocarbonada y, por lo tanto, se disuelve en sustancias no polares. A menudo, la parte iónica se conoce como hidrofílica, que significa «amante del agua», y la parte no polar como hidrofóbica, que significa» temer al agua » (repelida por el agua). Cuando se les permite flotar libremente en el agua, los lípidos polares se agrupan espontáneamente en cualquiera de tres arreglos: micelas, monocapas y bicapas (Figura \(\pageIndex{2}\)).

Figura \(\pageIndex{2}\): Estructuras Lipídicas Polares Formadas Espontáneamente en el Agua: Monocapa, Micela y Bicapa

Las micelas son agregaciones en las que las colas de hidrocarburos de los lípidos, al ser hidrofóbicas, se dirigen hacia el centro del ensamblaje y lejos del agua circundante, mientras que las cabezas hidrofílicas se dirigen hacia afuera, en contacto con el agua. Cada micela puede contener miles de moléculas de lípidos. Los lípidos polares también pueden formar una monocapa, una capa de una molécula de espesor en la superficie del agua. Las cabezas polares se enfrentan al agua, y las colas no polares se pegan en el aire. Las bicapas son capas dobles de lípidos dispuestas de manera que las colas hidrofóbicas se intercalan entre una superficie interna y una superficie externa que consiste en cabezas hidrofílicas. Las cabezas hidrofílicas están en contacto con el agua a ambos lados de la bicapa, mientras que las colas, secuestradas dentro de la bicapa, no pueden tener contacto con el agua. Bicapas como esta forman cada membrana celular (Figura \(\pageIndex{3}\)).

Figura \(\pageIndex{3}\): Diagrama Esquemático de una Membrana Celular. La membrana que encierra una célula animal típica es una bicapa de fosfolípidos con moléculas de colesterol y proteínas incrustadas. Cadenas cortas de oligosacáridos están unidas a la superficie exterior.

En el interior de la bicapa, las colas hidrofóbicas (es decir, las porciones de ácidos grasos de las moléculas de lípidos) interactúan por medio de fuerzas de dispersión. Las interacciones se debilitan por la presencia de ácidos grasos insaturados. Como resultado, los componentes de la membrana son libres de moler hasta cierto punto, y la membrana se describe como fluida.

Los lípidos que se encuentran en las membranas celulares se pueden clasificar de varias maneras. Los fosfolípidos son lípidos que contienen fósforo. Los glicolípidos son lípidos que contienen azúcar. Estos últimos se encuentran exclusivamente en la superficie externa de la membrana celular, actuando como marcadores de superficie distintivos para la célula y, por lo tanto, sirviendo en el reconocimiento celular y la comunicación entre células. Los esfingolípidos son fosfolípidos o glicolípidos que contienen el alcohol amino insaturado esfingosina en lugar de glicerol. Las estructuras diagramáticas de los lípidos representativos de la membrana se presentan en la Figura \(\pageIndex{4}\).

Figura \(\pageIndex{4}\): Las estructuras componentes de algunos Lípidos Importantes de Membrana

Los fosfoglicéridos (también conocidos como glicerofosfolípidos) son los fosfolípidos más abundantes en las membranas celulares. Consisten en una unidad de glicerol con ácidos grasos unidos a los dos primeros átomos de carbono, mientras que una unidad de ácido fosfórico, esterificada con una molécula de alcohol (generalmente un aminoácido, como en la parte (a) de la Figura \(\pageIndex{5}\)) está unida al tercer átomo de carbono de glicerol (parte (b) de la Figura \(\pageIndex{5}\)). Observe que la molécula de fosfoglicérido es idéntica a un triglicérido hasta la unidad de ácido fosfórico [parte (b) de la Figura \(\pageIndex{5}\)].

Hay dos tipos comunes de fosfoglicéridos. Los fosfoglicéridos que contienen etanolamina como aminoácidos se denominan fosfatidiletanolaminas o cefalinas. Las cefalinas se encuentran en el tejido cerebral y los nervios y también desempeñan un papel en la coagulación de la sangre. Los fosfoglicéridos que contienen colina como unidad de aminoácidos se denominan fosfatidilcolinas o lecitinas. Las lecitinas se encuentran en todos los organismos vivos. Al igual que las cefalinas, son componentes importantes del tejido nervioso y cerebral. Las yemas de huevo son especialmente ricas en lecitinas. Las lecitinas de calidad comercial aisladas de la soja se utilizan ampliamente en los alimentos como agentes emulsionantes. Se utiliza un agente emulsionante para estabilizar una emulsión, una dispersión de dos líquidos que normalmente no se mezclan, como el aceite y el agua. Muchos alimentos son emulsiones. La leche es una emulsión de grasa en agua. El agente emulsionante en la leche es una proteína llamada caseína. La mayonesa es una emulsión de aceite de ensalada en agua, estabilizada por lecitinas presentes en la yema de huevo.

Las esfingomielinas, los esfingolípidos más simples, contienen un ácido graso, un ácido fosfórico, esfingosina y colina (Figura \(\pageIndex{6}\)). Debido a que contienen ácido fosfórico, también se clasifican como fosfolípidos. Las esfingomielinas son componentes importantes de la vaina de mielina que rodea el axón de una célula nerviosa. La esclerosis múltiple es una de varias enfermedades que resultan del daño a la vaina de mielina.

La mayoría de las células animales contienen esfingolípidos llamados cerebrósidos (Figura \(\pageIndex{7}\)). Los cerebrósidos están compuestos de esfingosina, un ácido graso, y galactosa o glucosa. Por lo tanto, se parecen a las esfingomielinas, pero tienen una unidad de azúcar en lugar del grupo fosfato de colina. Los cerebrósidos son componentes importantes de las membranas de las células nerviosas y cerebrales.

Figura \(\pageIndex{7}\): Cerebrósidos. Los cerebrósidos son esfingolípidos que contienen una unidad de azúcar.

Los esfingolípidos llamados gangliósidos son más complejos, por lo general contienen una cadena ramificada de tres a ocho monosacáridos y / o azúcares sustituidos. Debido a la considerable variación en sus componentes de azúcar, se han identificado alrededor de 130 variedades de gangliósidos. La mayoría de los procesos de reconocimiento y comunicación de célula a célula (p. ej., antígenos de grupos sanguíneos) dependen de las diferencias en las secuencias de azúcares de estos compuestos. Los gangliósidos son más frecuentes en las membranas externas de las células nerviosas, aunque también ocurren en cantidades más pequeñas en las membranas externas de la mayoría de las otras células. Debido a que los cerebrósidos y los gangliósidos contienen grupos de azúcar, también se clasifican como glicolípidos.