La teoría celular tiene su origen en observaciones microscópicas del siglo XVII , pero pasaron casi doscientos años antes de que se desarrollara una teoría completa de la membrana celular para explicar qué separa a las células del mundo exterior. En el siglo XIX se aceptó que debía existir alguna forma de barrera semipermeable alrededor de una celda. Los estudios sobre la acción de las moléculas anestésicas llevaron a la teoría de que esta barrera podría estar formada por algún tipo de grasa ( lípido ), pero la estructura aún se desconocía. Una serie de experimentos pioneros en 1925 indicó que esta membrana de barrera consistía en dos capas moleculares de lípidos: una bicapa lipídica. Nuevas herramientas durante las próximas décadas confirmaron esta teoría, pero persistió la controversia sobre el papel de las proteínas en la membrana celular. Finalmente, el modelo de mosaico fluido se compuso en el que las proteínas "flotan" en un "mar" de bicapa lipídica fluida. Aunque simplista e incompleto, este modelo todavía es ampliamente referenciado en la actualidad.
Teorías de barreras tempranas
Desde la invención del microscopio en el siglo XVII se sabe que el tejido vegetal y animal está compuesto de células : la célula fue descubierta por Robert Hooke . La pared celular de la planta era fácilmente visible incluso con estos primeros microscopios, pero no se veía una barrera similar en las células animales, aunque era lógico que existiera una. A mediados del siglo XIX, esta cuestión se estaba investigando activamente y Moritz Traube señaló que esta capa exterior debe ser semipermeable para permitir el transporte de iones. [1] Sin embargo, Traube no tenía evidencia directa de la composición de esta película y afirmó incorrectamente que se formó por una reacción interfacial del protoplasma celular con el líquido extracelular. [2]
La naturaleza lipídica de la membrana celular fue intuida correctamente por primera vez por Quincke, quien notó que una célula generalmente forma una forma esférica en el agua y, cuando se rompe por la mitad, forma dos esferas más pequeñas. El único otro material conocido que mostró este comportamiento fue el aceite. También señaló que una fina película de aceite se comporta como una membrana semipermeable, precisamente como se predijo. [3] Basado en estas observaciones, Quincke afirmó que la membrana celular comprendía una capa fluida de grasa de menos de 100 nm de espesor. [4] Esta teoría se amplió aún más con la evidencia del estudio de los anestésicos. Hans Horst Meyer y Ernest Overton notaron independientemente que los químicos que actúan como anestésicos generales son también solubles tanto en agua como en aceite. Interpretaron esto en el sentido de que para atravesar la membrana celular, una molécula debe ser al menos escasamente soluble en aceite, su "teoría lipoide de la narcosis". Con base en esta evidencia y en experimentos adicionales, llegaron a la conclusión de que la membrana celular podría estar hecha de lecitina ( fosfatidilcolina ) y colesterol . [5] Una de las primeras críticas a esta teoría fue que no incluía ningún mecanismo para el transporte selectivo dependiente de la energía. [6] Este "defecto" permaneció sin respuesta durante casi medio siglo hasta que se descubrió que moléculas especializadas llamadas proteínas integrales de membrana pueden actuar como bombas de transporte de iones.
Descubrimiento de la estructura de la bicapa lipídica
Así, a principios del siglo XX se conocía la naturaleza química, pero no estructural, de la membrana celular. Dos experimentos en 1924 sentaron las bases para llenar este vacío. Al medir la capacitancia de las soluciones de eritrocitos , Fricke determinó que la membrana celular tenía un grosor de 3,3 nm. [7] Aunque los resultados de este experimento fueron precisos, Fricke malinterpretó los datos en el sentido de que la membrana celular es una sola capa molecular. Debido a que los grupos de cabeza de lípidos polares están completamente hidratados, no aparecen en una medición de capacitancia, lo que significa que este experimento realmente midió el espesor del núcleo de hidrocarburo , no la bicapa completa . Gorter y Grendel abordaron el problema desde una perspectiva diferente, realizando una extracción con solvente de lípidos de eritrocitos y esparciendo el material resultante como una monocapa en un canal Langmuir-Blodgett . Cuando compararon el área de la monocapa con el área de la superficie de las células, encontraron una proporción de dos a uno. [8] Los análisis posteriores de este experimento mostraron varios problemas, incluida una presión de monocapa incorrecta, una extracción de lípidos incompleta y un error de cálculo del área de la superficie celular. [9] A pesar de estos problemas, la conclusión fundamental, que la membrana celular es una bicapa lipídica, fue correcta.
Una década más tarde, Davson y Danielli propusieron una modificación a este concepto. En su modelo, la bicapa lipídica estaba recubierta a cada lado con una capa de proteínas globulares . [10] Según su punto de vista, esta cubierta de proteína no tenía una estructura particular y se formó simplemente por adsorción a partir de la solución. Su teoría también era incorrecta porque atribuía las propiedades de barrera de la membrana a la repulsión electrostática de la capa de proteína en lugar del costo energético de cruzar el núcleo hidrófobo . Una investigación más directa de la membrana fue posible mediante el uso de microscopía electrónica a fines de la década de 1950. Después de teñir con etiquetas de metales pesados, Sjöstrand et al. notaron dos bandas oscuras delgadas separadas por una región clara, [11] que interpretaron incorrectamente como una sola capa molecular de proteína. J. David Robertson hizo una interpretación más precisa, quien determinó que las bandas oscuras densas en electrones eran los grupos de cabeza y las proteínas asociadas de dos monocapas lipídicas opuestas. [12] [13] En este cuerpo de trabajo, Robertson propuso el concepto de "unidad de membrana". Esta fue la primera vez que la estructura bicapa se asignó universalmente a todas las membranas celulares, así como a las membranas de orgánulos .
Evolución de la teoría de la membrana
La idea de una membrana semipermeable , una barrera que es permeable al solvente pero impermeable a las moléculas de soluto , se desarrolló aproximadamente al mismo tiempo. El término ósmosis se originó en 1827 y se dio cuenta de su importancia para los fenómenos fisiológicos , pero no fue hasta 1877 cuando el botánico Wilhelm Pfeffer propuso la teoría de la membrana de la fisiología celular . Desde este punto de vista, se vio que la célula estaba rodeada por una superficie delgada, la membrana plasmática y el agua y los solutos de la célula, como el ion potasio, existían en un estado físico como el de una solución diluida . En 1889, Hamburger utilizó la hemólisis de eritrocitos para determinar la permeabilidad de varios solutos. Al medir el tiempo requerido para que las células se hinchen más allá de su límite elástico, la velocidad a la que los solutos ingresan a las células podría estimarse mediante el cambio que acompaña al volumen celular. También descubrió que había un volumen aparente no disolvente de aproximadamente el 50% en los glóbulos rojos y más tarde demostró que esto incluye agua de hidratación además de la proteína y otros componentes no disolventes de las células. Ernest Overton (un primo lejano de Charles Darwin) propuso por primera vez el concepto de membrana plasmática lipídica (aceite) en 1899. La principal debilidad de la membrana lipídica era la falta de una explicación de la alta permeabilidad al agua, por lo que Nathansohn (1904) propuso la teoría del mosaico. En esta vista, la membrana no es una capa pura de lípidos, sino un mosaico de áreas con lípidos y áreas con gel semipermeable. Ruhland refinó la teoría del mosaico para incluir poros que permitan el paso adicional de moléculas pequeñas. Dado que las membranas son generalmente menos permeables a los aniones , Leonor Michaelis concluyó que los iones se adsorben en las paredes de los poros, cambiando la permeabilidad de los poros a iones por repulsión electrostática . Michaelis demostró el potencial de membrana (1926) y propuso que estaba relacionado con la distribución de iones a través de la membrana. [14] Harvey y James Danielli (1939) propusieron una membrana bicapa lipídica cubierta a cada lado con una capa de proteína para tener en cuenta las mediciones de la tensión superficial. En 1941, Boyle & Conway demostraron que la membrana del músculo de rana en reposo era permeable tanto al K + como al Cl-, pero aparentemente no al Na +, por lo que la idea de cargas eléctricas en los poros era innecesaria ya que un solo tamaño de poro crítico explicaba la permeabilidad al K + , H + y Cl-, así como la impermeabilidad a Na +, Ca + y Mg ++.
La aparición del concepto de bomba de membrana de estado estacionario
Con el desarrollo de trazadores radiactivos , se demostró que las células no son impermeables al Na +. Esto fue difícil de explicar con la teoría de la barrera de membrana, por lo que se propuso la bomba de sodio para eliminar continuamente el Na + a medida que penetra en las células. Esto impulsó el concepto de que las células se encuentran en un estado de equilibrio dinámico , utilizando constantemente energía para mantener los gradientes de iones . En 1935, Karl Lohmann descubrió el ATP y su función como fuente de energía para las células, por lo que se propuso el concepto de una bomba de sodio impulsada metabólicamente . El tremendo éxito de Hodgkin , Huxley y Katz en el desarrollo de la teoría de la membrana de los potenciales de membrana celular , con ecuaciones diferenciales que modelaron correctamente los fenómenos, proporcionó aún más apoyo a la hipótesis de la bomba de membrana.
La visión moderna de la membrana plasmática es la de una bicapa lipídica fluida que tiene componentes proteicos incrustados en su interior. La estructura de la membrana ahora se conoce con gran detalle, incluidos modelos 3D de muchos de los cientos de proteínas diferentes que están unidas a la membrana. Estos importantes avances en fisiología celular colocaron a la teoría de la membrana en una posición de dominio.
Modelo de mosaico fluido
Casi al mismo tiempo, el desarrollo del primer modelo de membrana, la bicapa pintada, permitió la investigación directa de las propiedades de una bicapa artificial simple. Al “pintar” una solución de lípidos reconstituida a través de una abertura, Mueller y Rudin pudieron determinar que la bicapa resultante exhibía fluidez lateral, alta resistencia eléctrica y autocuración en respuesta a la punción. [15] Esta forma de modelo de bicapa pronto se conoció como “BLM”, aunque desde el principio el significado de este acrónimo ha sido ambiguo. Ya en 1966, BLM se usaba para referirse a "membrana lipídica negra" o "membrana lipídica bimolecular". [16] [17]
Esta misma fluidez lateral fue demostrada por primera vez de manera concluyente en la superficie celular por Frye y Edidin en 1970. Fusionaron dos células marcadas con diferentes etiquetas fluorescentes unidas a la membrana y observaron cómo se mezclaban las dos poblaciones de tinte. [18] Los resultados de este experimento fueron clave en el desarrollo del modelo de "mosaico fluido" de la membrana celular por Singer y Nicolson en 1972. [19] Según este modelo, las membranas biológicas están compuestas en gran parte de bicapa de lípidos desnudos con proteínas penetrando hasta la mitad o completamente a través de la membrana. Estas proteínas se visualizan flotando libremente dentro de una bicapa completamente líquida. Esta no fue la primera propuesta de una estructura de membrana heterogénea. De hecho, ya en 1904 Nathansohn propuso un "mosaico" de regiones impermeables y permeables al agua. [20] Pero el modelo de mosaico de fluidos fue el primero en incorporar correctamente fluidez, canales de membrana y múltiples modos de acoplamiento proteína / bicapa en una teoría.
Investigación moderna
La investigación continua ha revelado algunas deficiencias y simplificaciones en la teoría original. [21] Por ejemplo, se describe que las proteínas de canal tienen un canal de agua continuo a través de su centro, que ahora se sabe que es generalmente falso (una excepción son los complejos de poros nucleares , que tienen un canal de agua abierto de 9 nm). [22] Además, la difusión libre en la superficie celular a menudo se limita a áreas de unas pocas decenas de nanómetros de diámetro. Estos límites a la fluidez lateral se deben a los anclajes del citoesqueleto , la separación de las fases lipídicas y las estructuras proteicas agregadas. Los estudios contemporáneos también indican que mucho menos de la membrana plasmática es lípido "desnudo" de lo que se pensaba anteriormente y, de hecho, gran parte de la superficie celular puede estar asociada a proteínas. A pesar de estas limitaciones, el modelo de mosaico fluido sigue siendo una noción general popular y a menudo referenciada para la estructura de las membranas biológicas.
Teorías obsoletas
El modelo de consenso de la corriente principal moderna de membranas celulares se basa en el modelo de mosaico de fluidos que prevé una bicapa lipídica que separa el interior del exterior de las células con canales de iones asociados, bombas y transportadores que dan lugar a los procesos de permeabilidad de las células. En el pasado se desarrollaron hipótesis alternativas que en gran medida han sido rechazadas. Uno de estos conceptos opuestos desarrollado temprano en el contexto de estudios sobre ósmosis , permeabilidad y propiedades eléctricas de las células fue el de Gilbert Ling . [23] La idea moderna sostiene que todas estas propiedades pertenecían a la membrana plasmática, mientras que la opinión de Ling era que el protoplasma era responsable de estas propiedades.
A medida que crecía el apoyo a la teoría de la membrana bicapa lipídica, se desarrolló este concepto alternativo que negó la importancia de la membrana bicapa lipídica. Procter & Wilson (1916) demostraron que los geles, que no tienen una membrana semipermeable , se hinchan en soluciones diluidas . Loeb (1920) también estudió ampliamente la gelatina , con y sin membrana, mostrando que más de las propiedades atribuidas a la membrana plasmática podrían duplicarse en geles sin membrana. En particular, descubrió que se podía desarrollar una diferencia de potencial eléctrico entre la gelatina y el medio exterior, basándose en la concentración de H +.
Algunas críticas a la teoría de la membrana desarrollada en la década de 1930, basadas en observaciones como la capacidad de algunas células para hincharse y aumentar su superficie en un factor de 1000. Una capa de lípidos no puede estirarse hasta ese punto sin convertirse en un mosaico (perdiendo así su propiedades barrera). Tales críticas estimularon los estudios continuos sobre el protoplasma como el principal agente que determina las propiedades de permeabilidad celular. En 1938, Fischer y Suer propusieron que el agua en el protoplasma no es libre sino en una forma químicamente combinada, y que el protoplasma representa una combinación de proteína, sal y agua. Demostraron la similitud básica entre la hinchazón en los tejidos vivos y la hinchazón de gelatina y geles de fibrina . Dimitri Nasonov (1944) consideró las proteínas como los componentes centrales responsables de muchas propiedades de la célula, incluidas las propiedades eléctricas.
En la década de 1940, las teorías de la fase masiva no estaban tan desarrolladas como las teorías de la membrana y fueron rechazadas en gran medida. En 1941, Brooks & Brooks publicó una monografía The Permeability of Living Cells, que rechaza las teorías de la fase global. [24]
Referencias
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Otras lecturas
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