Modelo de mosaico fluido

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Definición de modelo de mosaico fluido

El modelo de mosaico fluido es una forma de comprender las membranas biológicas, consistente con la mayoría de las observaciones experimentales. Este modelo establece que los componentes de una membrana, como las proteínas o los glicolípidos, forman un mosaico móvil en el entorno fluido creado por un mar de fosfolípidos. Existen restricciones para los movimientos laterales y los subdominios dentro de la membrana tienen funciones específicas.

Desarrollo del modelo de mosaico fluido

Este modelo fue desarrollado durante muchos años, gracias al arduo trabajo de científicos de todo el mundo. Comenzó con la hipótesis de que la membrana estaba hecha de una bicapa lipídica , donde el fosfolípido de la membrana se autoensamblaba en una capa dual, con las colas hidrofóbicas no polares enfrentadas entre sí. Las regiones hidrofílicas de la » cabeza » se enfrentan al citosol y la región extracelular. Esto se verificó extrayendo las membranas celulares y esparciendo los lípidos en una sola capa. La superficie total de esta monocapa era el doble de la de la membrana plasmática , lo que apoya la idea de que los lípidos formaban una bicapa.

Sin embargo, esto fue solo el comienzo, ya que se hizo evidente que las membranas celulares tenían que estar hechas de más componentes, para dar cuenta de sus variadas propiedades biofísicas. Por ejemplo, a diferencia de los lípidos puros, las membranas celulares no se congelan con mucha facilidad. La permeabilidad de la membrana a moléculas polares voluminosas tampoco pudo explicarse.

Más de 25 años después de que se propuso el modelo de bicapa lipídica, las membranas celulares se visualizaron por primera vez en la década de 1950. Las observaciones iniciales parecían sugerir que la membrana lipídica estaba cubierta a ambos lados por delgadas láminas de proteínas. Sin embargo, en 1972, dos científicos, Singer y Nicolson, refinaron esto para crear el modelo de mosaico fluido. En esto, se decía que la bicapa de fosfolípidos estaba puntuada por varias proteínas que formaban un patrón en forma de mosaico en la membrana lipídica. Estas proteínas pueden atravesar toda la membrana o interactuar con una de las dos capas lipídicas. Algunas proteínas incluso podrían unirse a la membrana solo a través de una cadena lipídica corta.

La membrana es fluida, pero también tiene una estructura subyacente, estando anclada al citoesqueleto . La naturaleza fluida de la matriz lipídica que forma la membrana se ilustró por primera vez mediante un experimento en el que se fusionaron artificialmente membranas con diferentes composiciones. Las proteínas de ambas células se redistribuyeron por toda la membrana fusionada en menos de una hora.

La imagen ilustra este modelo y muestra la bicapa lipídica, con diferentes tipos de proteínas integrales de membrana, así como colesterol, glicoproteínas y glicolípidos. La imagen también muestra el anclaje de la membrana al citoesqueleto.

Ahora, con técnicas de imagen avanzadas, algunas membranas se han estudiado a gran profundidad, con una resolución de menos de un nanómetro. Estas imágenes pueden incluso revelar la ubicación relativa de diferentes cadenas polipeptídicas y lípidos dentro de la membrana.

Funciones y componentes de las membranas biológicas

La función principal de las membranas celulares es demarcar las regiones internas y externas de la célula. Dentro de la célula, las membranas de los orgánulos realizan la misma función para las estructuras subcelulares.

Esta función viene acompañada de una advertencia: la célula necesita comunicarse activamente con el entorno externo, intercambiar materiales, al mismo tiempo que retiene nutrientes importantes y evita la entrada de sustancias nocivas. Los componentes y la estructura de las membranas biológicas ayudan a cumplir estas funciones y a mantener su permeabilidad selectiva .

Las membranas biológicas, especialmente las membranas celulares, están formadas por fosfolípidos, colesterol y proteínas.

Fosfolípidos

La primera es la propia bicapa de fosfolípidos que crea una capa hidrófoba que separa los ambientes acuosos en ambos lados. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas que constan de una región de «cabeza» hidrófila polar formada por un grupo fosfato y la «cola» hidrófoba no polar que consta de dos ácidos grasos de cadena larga . Estos dos segmentos están unidos covalentemente a una molécula de glicerol .

La imagen muestra una representación esquemática de la estructura química de un fosfolípido, con R1 y R2 refiriéndose a las dos cadenas de ácidos grasos. Normalmente, uno de los dos ácidos grasos estará insaturado, con al menos un doble enlace entre dos átomos de carbono.

Como se ve en la imagen, un ácido graso insaturado tiene una torcedura en su estructura. Esta es una característica importante que afecta la fluidez, la resistencia a la tracción y la permeabilidad de la membrana.

Proteinas

Además, la membrana tiene tres tipos de proteínas. Las proteínas integrales de la membrana abarcan toda la membrana, generalmente con hélices alfa que forman la región transmembrana. Estas proteínas forman canales y poros que permiten el movimiento de moléculas grandes o polares a través del segmento hidrófobo de la membrana.

Además, podría haber proteínas incrustadas en una sola valva de la membrana. Estas proteínas se utilizan a menudo en cascadas de señalización y pueden actuar como moléculas portadoras, transduciendo una señal de un segmento de la membrana y transmitiéndola a otra región. Estas membranas se denominan proteínas de membrana periférica. Finalmente, algunas proteínas se adhieren muy ligeramente a la membrana, con solo una pequeña cola lipídica insertada en la región hidrofóbica.

Las proteínas de la membrana pueden unirse covalentemente a los carbohidratos y formar glicoproteínas. Estos pueden interactuar con las moléculas de agua y estabilizar la membrana, además de servir como herramientas importantes para la comunicación intercelular. Forman receptores de hormonas y neurotransmisores.

El otro papel importante de las glicoproteínas es crear una especie de «firma celular». Cuando las células inmunes reconocen estas glicoproteínas, pueden distinguir las células del cuerpo de las de los patógenos. Por ejemplo, la agrupación sanguínea en los tipos A, B y O depende del tipo de glicoproteína presente en la superficie de los glóbulos rojos.

Colesterol

La presencia de colesterol en la capa de fosfolípidos permite que la membrana retenga su permeabilidad e integridad incluso a temperaturas variables. Parece estar insertado en medio de los fosfolípidos. El colesterol evita la compactación de las colas hidrófobas a bajas temperaturas así como la expansión de la membrana bajo el calor. De esta manera, las moléculas pequeñas como el dióxido de carbono y el oxígeno siempre pueden moverse libremente a través de la membrana, mientras que la célula conserva su permeabilidad selectiva para moléculas más grandes.

Otros modelos para estructura de membrana

El modelo de mosaico fluido fue perfeccionado a principios de la década de 1980 por dos científicos llamados Mouritsen y Bloom para crear el «modelo de colchón» para la estructura de la membrana. Demostraron el hecho de que, si bien experimentos anteriores habían sugerido que toda la membrana es fluida y permite la libre difusión de proteínas, de hecho existen subdominios dentro de cada membrana.

Por ejemplo, cuando una proteína transmembrana tiene una región hidrófoba que es ligeramente más larga que el ancho promedio de una membrana celular , la bicapa lipídica se deforma para acomodar esta proteína. Si hay múltiples proteínas cuyos tramos hidrófobos no coinciden exactamente con el ancho de la membrana, la bicapa lipídica terminaría pareciendo un colchón, con regiones intercaladas más gruesas y más delgadas.

Es probable que las regiones más gruesas creen una pendiente que permita que las proteínas se deslicen «hacia abajo», lo que lleva a la agregación de proteínas en algunas regiones. De manera similar, estas deformaciones pueden resultar en la acumulación de lípidos específicos alrededor de esas proteínas. Estas observaciones se relacionaron con datos experimentales anteriores que sugerían la presencia de balsas lipídicas, y la asociación preferencial de proteínas con lípidos respaldaron el «modelo de colchón».

Los modelos modernos de estructura de membranas también tienen en cuenta el efecto de la composición de lípidos. Las membranas celulares están formadas por muchos cientos de fosfolípidos y cada uno de ellos está compuesto por diferentes cadenas laterales de ácidos grasos. Estos ácidos grasos pueden tener diferentes longitudes y contener distintos grados de saturación. También existen consideraciones termodinámicas al estudiar las propiedades de las membranas, ya que, incluso a temperaturas fisiológicas, el grosor de las membranas celulares y la distribución de diferentes lípidos pueden cambiar.

Finalmente, las membranas también tienen estructuras llamadas balsas lipídicas que consisten en lípidos especiales, colesterol y proteínas adheridas a la membrana a través de glicolípidos. Las balsas lipídicas son subdominios importantes, especialmente para la transducción de señales .

Moléculas anfipáticas: moléculas que contienen regiones hidrófilas polares y regiones hidrófobas no polares.
Antígeno: cualquier molécula capaz de producir una respuesta inmunitaria.
Transducción de señales: transmisión de información, en forma de señales eléctricas o químicas, desde el exterior de la celda hacia el interior.
Esfingolípidos: derivados de ácidos grasos de una molécula llamada esfingosina. A menudo se ve en balsas lipídicas de membrana.
Termodinámica: rama de la ciencia que se ocupa de la relación entre el calor y cantidades fundamentales como energía, trabajo, entropía y temperatura.

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