Una estructura dinámica y fluida: la membrana celular

Los límites de la célula

Cada célula es una unidad autónoma, relativamente independiente, rodeada por una membrana que regula el paso de sustancias hacia el interior y hacia el exterior.

La membrana celular -o plasmática– es esencial en la vida de la célula. Como todas las membranas biológicas, es una estructura dinámica y fluida formada por fosfolípidos y proteínas. No sólo define los límites de la célula, sino que además permite que ésta exista como una entidad diferente de su entorno, regulando el tránsito de sustancias hacia afuera y hacia adentro de ella. En las células eucariontes hay membranas internas similares a la plasmática que definen los compartimientos y las organelas, lo que permite mantener las características distintivas de cada estructura y del citosol, la fracción del citoplasma rica en proteínas, libre de organelas.

La membrana generalmente está rodeada por un medio acuoso y, en consecuencia, las moléculas de fosfolípidos se disponen en una bicapa, con sus colas hidrófobas apuntando hacia el interior y sus cabezas hidrófilas de fosfato apuntando hacia el exterior. Tiene entre 7 y 9 nanómetros de grosor y no se puede visualizar con el microscopio óptico. En cambio, con el microscopio electrónico se identifica como una doble delgada y continua, es decir, como una doble capa cuya estructura se puede reconocer.

El modelo estructural más aceptado de membrana es el llamado modelo de mosaico fluido

Aunque los lípidos y las proteínas, unidos a proteínas periféricas o a proteínas concentradas en el interior, parecen estar anclados en una posición fija en la membrana, la estructura de la bicapa es fluida. Algunas de las proteínas incluso pueden desplazarse lateralmente por la bicapa, de manera que la estructura en “mosaico” de fosfolípidos y proteínas cambia en el tiempo. En algunos organismos, la bicapa de fosfolípidos alberga grandes cantidades de moléculas de colesterol que la hacen más rígida y menos permeable a moléculas solubles pequeñas.

Las capas interior y exterior de la membrana celular difieren de manera considerable en su composición química. En general tienen concentraciones diferentes de distintos tipos de lípidos. En muchas clases de células, la capa externa es particularmente rica en glucolípidos y glucoproteínas.

La composición proteica de las dos capas también es diferente. Las proteínas embutidas en la bicapa, denominadas proteínas integrales de membrana, tienen una orientación espacial definida y las porciones que se extienden a uno u otro lado son completamente distintas en su composición de aminoácidos y su estructura terciaria. A su vez, existe otro grupo de proteínas, denominadas proteínas periféricas, que no atraviesan la bicapa lipídica, sino que se unen a una u otra cara de la membrana mediante interacciones con otras proteínas.

Las cadenas de carbohidratos que sobresalen de la cara exterior de la membrana, unidas a lípidos y a proteínas de membrana, están implicadas en la adhesión de las células entre sí y en el reconocimiento de moléculas en la superficie de la membrana.

En las células eucariontes, todas las membranas, incluidas las organelas, tienen la misma estructura general. Pero si se comparan membranas de distintos tipos celulares, se pueden encontrar diferentes clases de lípidos y, en particular, diferente cantidad y tipo de proteínas y glúcidos. Estas diferencias en la composición química confieren propiedades especiales a las membranas de distintas células y organelas, que se relacionan con las funciones que cumple cada una de ellas.

Las proteínas, en extremo diversas en su estructura, desempeñan una variedad de actividades y son responsables de muchas funciones esenciales de las membranas biológicas. Algunas son enzimas, ya que catalizan determinadas reacciones químicas; otras son receptores, implicados en el reconocimiento y la unión de moléculas señalizadoras que vienen desde el exterior de la célula, como las hormonas o elementos de la matriz extracelular que les permiten a las células responder a señales ambientales. Finalmente, otras funcionan como proteínas de transporte, con papeles críticos en el movimiento de sustancias a través de la membrana.

Un ambiente especial para las células: la matriz extracelular

A lo largo de la historia evolutiva, la presencia de proteínas de membrana capaces de establecer contactos con células semejantes probablemente contribuyó a la conformación de tejidos en los organismos multicelulares. Las proteínas de membrana permiten la adhesión de las células entre sí y la consecuente formación de un tejido específico. Por otra parte, existen uniones celulares especializadas que contribuyen a la comunicación entre las células.

Rodeando a las células se encuentra la matriz extracelular, formada por un conjunto de materiales localizados en un espacio, el espacio extracelular, que en ocasiones es extremadamente pequeño, y que proporciona a las células un ambiente particular. La matriz está formada por proteínas fibrosas y por la sustancia fundamental, constituida principalmente por proteínas y carbohidratos asociados en distintas combinaciones, que cumplen funciones estructurales además de participar en la adhesión entre las células y la matriz; es decir, que las células, a través de los carbohidratos y las proteínas de sus membranas, interactúan con las proteínas y los carbohidratos de la matriz.

La matriz tiene un papel fundamental en el desarrollo de tejidos y órganos, a través del control de la diferenciación celular, la morfogénesis, la migración de las células y su metabolismo.

Por fuera de la membrana, la pared celular

Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que sólo las células vegetales están rodeadas por un pared celular. Esta pared realiza muchas de las funciones que cumple la matriz extracelular en las células animales, aunque la estructura y la composición de la pared difiere enormemente de la matriz. Aunque la pared es una estructura rígida, no es estática, ya que interviene en funciones relacionadas con la diferenciación de las células vegetales durante el crecimiento. De un modo similar a la matriz extracelular, la pared celular de los vegetales conecta a las células entre sí formando tejidos, transmite señales que influyen en el crecimiento y la división celular, y en la morfogénesis.

Cuando una célula vegetal se divide, se forma una capa delgada de material aglutinante entre las dos células nuevas, que constituye la laminilla media. Formada por pectinas (los compuestos responsables del comportamiento de gel que presentan las gelatinas) y otros polisacáridos, la laminilla media, como parte de la pared, mantiene juntas a las células contiguas. Luego, cada célula vegetal construye su pared celular primaria a cada lado de esta laminilla.

La pared primaria contiene principalmente moléculas de celulosa, asociadas en haces de microfibrillas; esos haces están dispuestos en una matriz de polímeros viscosos. La pared celular es un filtro un poco más impermeable que la matriz extracelular de las células animales; sin embargo, su estructura porosa deja pasar materiales solubles que toman contacto con la membrana plasmática.

En las plantas, el crecimiento ocurre fundamentalmente por alargamiento celular, en un proceso en el que la célula agrega nuevos materiales a sus paredes. Sin embargo, no crece igual en todas direcciones.

A medida que la célula madura, puede formar una pared secundaria que ya no es capaz de expandirse de la misma manera que la pared primaria. La pared secundaria con frecuencia contiene polisacáridos como la lignina, que la refuerzan. La célula vegetal que en principio esta viva, a menudo muere, y sólo deja la pared externa como una obra arquitectónica de la célula. Muchas algas también contienen celulosa en sus paredes, mientras que en las paredes de hongos y procariontes por lo general esta sustancia está ausente.