El modelo de mosaico fluido explica varias observaciones sobre la estructura de las membranas celulares funcionales . Según este modelo biológico , existe una bicapa lipídica (capa gruesa de dos moléculas que consta principalmente de fosfolípidos anfipáticos ) en la que están incrustadas moléculas de proteína . La bicapa lipídica le da fluidez y elasticidad a la membrana . También se encuentran pequeñas cantidades de carbohidratos en la membrana celular. El modelo biológico, que fue ideado por SJ Singer y GL Nicolsonen 1972, describe la membrana celular como un líquido bidimensional que restringe la difusión lateral de los componentes de la membrana. Dichos dominios se definen por la existencia de regiones dentro de la membrana con capullos especiales de lípidos y proteínas que promueven la formación de balsas de lípidos o complejos de proteínas y glicoproteínas . Otra forma de definir dominios de membrana es la asociación de la membrana lipídica con los filamentos del citoesqueleto y la matriz extracelular a través de proteínas de membrana. [1] El modelo actual describe características importantes relevantes para muchos procesos celulares, que incluyen: señalización célula-célula , apoptosis , división celular , formación de membranas y fusión celular. El modelo de mosaico fluido es el modelo más aceptable de la membrana plasmática. Su función principal es separar el contenido de la celda del exterior.
Maquillaje químico
Químicamente, una membrana celular se compone de cuatro componentes: (1) Fosfolípidos (2) Proteínas (3) Carbohidratos (4) Colesterol
Evidencia experimental
La propiedad fluida de las membranas biológicas funcionales se había determinado mediante experimentos de marcado , difracción de rayos X y calorimetría. Estos estudios mostraron que las proteínas integrales de la membrana se difunden a velocidades afectadas por la viscosidad de la bicapa lipídica en la que estaban incrustadas, y demostraron que las moléculas dentro de la membrana celular son dinámicas en lugar de estáticas. [2]
Los modelos anteriores de membranas biológicas incluyeron el modelo de membrana de unidad de Robertson y el modelo de tres capas de Davson-Danielli . [1] Estos modelos tenían proteínas presentes como láminas vecinas a una capa de lípidos, en lugar de incorporadas en la bicapa de fosfolípidos. Otros modelos describieron unidades regulares y repetidas de proteínas y lípidos. Estos modelos no estaban bien respaldados por datos microscópicos y termodinámicos , y no tenían en cuenta la evidencia de las propiedades dinámicas de la membrana. [1]
Frye y Edidin realizaron un experimento importante que proporcionó evidencia que apoya la biología fluida y dinámica. Utilizaron el virus Sendai para obligar a las células humanas y de ratón a fusionarse y formar un heterocarión . Utilizando la tinción de anticuerpos , pudieron demostrar que las proteínas humanas y de ratón permanecían segregadas para separar las mitades del heterocarión poco tiempo después de la fusión celular. Sin embargo, las proteínas finalmente se difundieron y con el tiempo se perdió el borde entre las dos mitades. Bajar la temperatura ralentizó la velocidad de esta difusión al hacer que los fosfolípidos de la membrana pasen de una fase fluida a una de gel. [3] Singer y Nicolson racionalizaron los resultados de estos experimentos utilizando su modelo de mosaico fluido. [2]
El modelo de mosaico fluido explica los cambios en la estructura y el comportamiento de las membranas celulares a diferentes temperaturas, así como la asociación de las proteínas de membrana con las membranas. Si bien Singer y Nicolson tenían evidencia sustancial extraída de múltiples subcampos para respaldar su modelo, los avances recientes en microscopía de fluorescencia y biología estructural han validado la naturaleza del mosaico de fluidos de las membranas celulares.
Desarrollos posteriores
Asimetría de membrana
Además, las dos valvas de las membranas biológicas son asimétricas y se dividen en subdominios compuestos por proteínas o lípidos específicos, lo que permite la segregación espacial de los procesos biológicos asociados con las membranas. El colesterol y las proteínas que interactúan con el colesterol pueden concentrarse en balsas de lípidos y limitar los procesos de señalización celular solo a estas balsas. [4] Otra forma de asimetría fue mostrada por el trabajo de Mouritsen y Bloom en 1984, donde propusieron un modelo de colchón de interacciones lípido-proteína para abordar la evidencia biofísica de que la membrana puede variar en espesor e hidrofobicidad de proteínas. [5]
Membranas no bicapa
La existencia de formaciones lipídicas no bicapa con importantes funciones biológicas se confirmó después de la publicación del modelo de mosaico fluido. Estas estructuras de membrana pueden ser útiles cuando la célula necesita propagar una forma no bicapa, lo que ocurre durante la división celular y la formación de una unión gap . [6]
Curvatura de la membrana
La bicapa de la membrana no siempre es plana. La curvatura local de la membrana puede ser causada por la asimetría y la organización no bicapa de los lípidos como se discutió anteriormente. Se logra una curvatura más dramática y funcional a través de los dominios BAR , que se unen al fosfatidilinositol en la superficie de la membrana, lo que ayuda a la formación de vesículas , la formación de orgánulos y la división celular. [7] El desarrollo de la curvatura está en constante cambio y contribuye a la naturaleza dinámica de las membranas biológicas. [8]
Movimiento de lípidos dentro de la membrana.
Durante la década de 1970, se reconoció que las moléculas lipídicas individuales experimentan una difusión lateral libre dentro de cada una de las capas de la membrana lipídica. [9] La difusión ocurre a alta velocidad, con una molécula de lípido promedio que se difunde ~ 2 µm, aproximadamente la longitud de una célula bacteriana grande , en aproximadamente 1 segundo. [9] También se ha observado que las moléculas de lípidos individuales giran rápidamente alrededor de su propio eje. [9] Además, las moléculas de fosfolípidos pueden, aunque rara vez lo hacen, migrar de un lado de la bicapa lipídica al otro (un proceso conocido como flip-flop). Sin embargo, el flip-flop podría mejorarse con enzimas flippase. Los procesos descritos anteriormente influyen en la naturaleza desordenada de las moléculas de lípidos y las proteínas que interactúan en las membranas lipídicas, con consecuencias para la fluidez, la señalización, el tráfico y la función de la membrana.
Restricciones a la fluidez bicapa
Existen restricciones a la movilidad lateral de los componentes lipídicos y proteicos en la membrana fluida impuestas por la formación de subdominios dentro de la bicapa lipídica. Estos subdominios surgen por varios procesos, por ejemplo, unión de componentes de la membrana a la matriz extracelular, regiones de membrana nanométrica con una composición bioquímica particular que promueven la formación de balsas lipídicas y complejos proteicos mediados por interacciones proteína-proteína. [1] Además, las asociaciones proteína-citoesqueleto median en la formación de "vallas citoesqueléticas", corrales en los que los lípidos y las proteínas de la membrana pueden difundirse libremente, pero que rara vez pueden salir. [1] La restricción de las velocidades de difusión lateral de los componentes de la membrana es muy importante porque permite la especialización funcional de regiones particulares dentro de las membranas celulares.
Balsas lipídicas
Las balsas lipídicas son plataformas nanométricas de membrana con una composición particular de lípidos y proteínas que se difunden lateralmente, navegando sobre la capa líquida de bilípidos. Los esfingolípidos y el colesterol son componentes importantes de las balsas lipídicas. [10]
Complejos proteicos
Las proteínas y glicoproteínas de la membrana celular no existen como elementos individuales de la membrana lipídica, como propusieron por primera vez Singer y Nicolson en 1972. Más bien, se presentan como complejos difusos dentro de la membrana. [1] El ensamblaje de moléculas individuales en estos complejos macromoleculares tiene importantes consecuencias funcionales para la célula; tales como transporte de iones y metabolitos , señalización, adhesión celular y migración . [1]
Cercas citoesqueléticas (corrales) y unión a la matriz extracelular
Algunas proteínas incrustadas en la capa bilípida interactúan con la matriz extracelular fuera de la célula, los filamentos del citoesqueleto dentro de la célula y las estructuras en forma de anillo septin. Estas interacciones tienen una gran influencia en la forma y la estructura, así como en la compartimentación . Además, imponen limitaciones físicas que restringen la difusión lateral libre de proteínas y al menos algunos lípidos dentro de la capa bilípida. [1]
Cuando las proteínas integrales de la bicapa lipídica están unidas a la matriz extracelular, no pueden difundirse libremente. Las proteínas con un dominio intracelular largo pueden colisionar con una valla formada por filamentos del citoesqueleto. [11] Ambos procesos restringen la difusión de proteínas y lípidos directamente involucrados, así como de otros componentes interactivos de las membranas celulares.
Las septinas son una familia de proteínas de unión a GTP altamente conservadas entre los eucariotas. Los procariotas tienen proteínas similares llamadas paraseptinas. Forman estructuras anulares compartimentadas fuertemente asociadas con las membranas celulares. Los septinos participan en la formación de estructuras como cilios y flagelos, espinas dendríticas y yemas de levadura. [12]
Cronología histórica
- 1895 - Ernest Overton planteó la hipótesis de que las membranas celulares están hechas de lípidos. [13]
- 1925 - Evert Gorter y François Grendel encontraron que las membranas de los glóbulos rojos están formadas por una capa grasa de dos moléculas de espesor, es decir , describieron la naturaleza bilípida de la membrana celular. [14]
- 1935 - Hugh Davson y James Danielli propusieron que las membranas lipídicas son capas compuestas por proteínas y lípidos con estructuras en forma de poros que permiten una permeabilidad específica para ciertas moléculas. Luego, sugirieron un modelo para la membrana celular, que consiste en una capa de lípidos rodeada por capas de proteínas a ambos lados de la misma. [15]
- 1957 - J. David Robertson , basado en estudios de microscopía electrónica, establece la "Hipótesis de la Membrana Unitaria". Esto, establece que todas las membranas de la célula, es decir , el plasma y las membranas de orgánulos, tienen la misma estructura: una bicapa de fosfolípidos con monocapas de proteínas a ambos lados de la misma. [dieciséis]
- 1972 - SJ Singer y GL Nicolson propusieron el modelo de mosaico fluido como una explicación de los datos y la evidencia más reciente sobre la estructura y termodinámica de las membranas celulares. [2]
notas y referencias
- ↑ a b c d e f g h Nicolson GL (2014). "El modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana: sigue siendo relevante para comprender la estructura, función y dinámica de las membranas biológicas después de más de 40 años" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1838 (6): 1451-146. doi : 10.1016 / j.bbamem.2013.10.019 . PMID 24189436 .
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