Hispanopedia WikiUna membrana polarizada es una membrana lipídica que posee una carga eléctrica positiva en un lado y una carga negativa en el otro, lo que genera el potencial de reposo en las células vivas. La polarización de una membrana está determinada por la distribución de protones disociables e iones permeables dentro y fuera de ella, los cuales se desplazan pasivamente a través de canales iónicos o activamente mediante bombas iónicas , creando un potencial de acción . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Estructura y composición
Las membranas polarizadas constan de una bicapa de fosfolípidos , con proteínas de membrana incrustadas que ayudan al transporte molecular y a la estabilidad de la membrana, así como lípidos que principalmente contribuyen a la estructura y compartimentalización de las proteínas de membrana . La naturaleza anfifílica de los fosfolípidos crea la estructura de bicapa de la membrana. Estos fosfolípidos contienen una región de cabeza hidrofílica con un fosfato unido a diversos grupos funcionales . Esta región de cabeza se localiza para mirar hacia el espacio extracelular fuera de la célula, así como hacia la región intracelular citosólica de la célula. La región de cola de fosfolípido hidrofóbica consiste en una cadena de moléculas de carbono unidas a hidrógeno, con dos categorías: saturadas o insaturadas . [ 4 ]
La polarización de las membranas celulares se establece y mantiene mediante el transporte activo y pasivo de iones a través de la membrana a través de proteínas de membrana , específicamente proteínas de canal y bombas de iones . Estas proteínas mantienen un gradiente electroquímico bombeando ciertos iones dentro y fuera de la célula. Este gradiente de iones produce una carga positiva en un lado y una carga negativa en el otro. [ 5 ]
El mecanismo principal para generar este gradiente electroquímico es la actividad de la bomba de sodio-potasio (Na/K ATPasa), que utiliza el transporte activo para bombear dos iones de potasio (K+) hacia el interior de la célula y tres iones de sodio (Na+) hacia el exterior por ciclo. Esta es una proteína de clase P, lo que significa que se fosforila durante el proceso y utiliza adenosín trifosfato (ATP) como fuente de energía. [ 6 ]
Los canales iónicos, que son específicos en cuanto a los iones que pueden atravesarlos, también son cruciales para la polarización y su mantenimiento. Los canales iónicos dependientes de voltaje se activan o desactivan en respuesta a cambios en el potencial de membrana, permitiendo que diversos iones fluyan a favor de su gradiente de concentración según la especificidad del canal. Estos canales son fundamentales en la propagación y transducción de potenciales de acción en el sistema nervioso, donde la activación y desactivación transitoria de dichos canales iónicos permite la transducción de señales. [ 7 ]
Función en las funciones celulares
Las membranas polarizadas son componentes celulares clave que facilitan la compartimentalización, la comunicación intercelular y la señalización. Las células utilizan activamente las membranas polarizadas para formar y mantener gradientes electroquímicos y regular tanto el entorno intracelular como el extracelular. La polarización es crucial en diversos tipos de células, pero especialmente importante en las neuronas. [ 8 ]
En las neuronas del sistema nervioso central y periférico , las membranas polarizadas permiten la propagación y transducción de potenciales de acción . Como se explicó anteriormente, esta polarización se mantiene mediante bombas de sodio-potasio y diversos canales iónicos que aseguran el mantenimiento de un gradiente electroquímico. Estos potenciales de acción indican a las neuronas la liberación de neurotransmisores , lo que provoca una mayor polarización de las neuronas aferentes o una respuesta directa a una señal.
Las membranas polarizadas también contribuyen a mantener la homeostasis intracelular en los lisosomas . Los lisosomas son orgánulos celulares altamente ácidos que almacenan proteasas que ayudan a degradar orgánulos usados o diversos polímeros biológicos. La acidez del interior del lisosoma se mantiene gracias a las bombas de protones , que bombean activamente iones de hidrógeno hacia su interior. Este movimiento masivo de iones dentro y fuera del lisosoma da lugar a una membrana lisosomal polarizada, con un potencial de reposo negativo.
Tipos de membranas polarizadas
Membranas plasmáticas
Las membranas plasmáticas exhiben polaridad electroquímica mediante el establecimiento y mantenimiento de un potencial de membrana en reposo. Las células con membranas plasmáticas polarizadas deben amortiguar y distribuir adecuadamente ciertos iones, como sodio (Na + ), potasio (K + ), calcio (Ca2 + ) y cloruro (Cl− ) , para establecer y mantener esta polaridad. Las proteínas de canal integrales, como la bomba de sodio-potasio, mantienen activamente el gradiente electroquímico mediante el movimiento de iones sodio y potasio. Los canales iónicos dependientes de voltaje en las neuronas permiten cambios transitorios en el potencial de membrana, lo que facilita la transducción de señales a través de potenciales de acción y/o la liberación de neurotransmisores .
Membranas de orgánulos
Las mitocondrias, presentes en todas las células del cuerpo humano, requieren un potencial de membrana en reposo en la membrana mitocondrial interna para sintetizar adenosín trifosfato (ATP). Esta polaridad de la membrana se establece mediante una serie de bombas de protones que transportan iones de hidrógeno al interior de la mitocondria. Este transporte de iones de hidrógeno es fundamental para el almacenamiento de energía durante la fosforilación oxidativa . El mismo mecanismo se utiliza para acidificar los lisosomas y el espacio intraorganelar del lisosoma.
Membranas en células excitables
Las células excitables, es decir, aquellas que poseen la capacidad única de generar y transducir impulsos eléctricos, emplean membranas polarizadas con gradientes electroquímicos altamente fluctuantes. Las neuronas y las fibras musculares son los principales ejemplos de células excitables. Las neuronas generan señales eléctricas mediante la activación de canales iónicos dependientes de voltaje, mientras que las fibras musculares utilizan métodos similares para coordinar la contracción muscular.
Membranas fotosintéticas
Las membranas polarizadas no se encuentran exclusivamente en humanos ni en mamíferos. En las plantas, las membranas tilacoides dentro del cloroplasto generan y mantienen gradientes electroquímicos vitales para la vía fotosintética. Las reacciones dependientes de la luz generan un gradiente de protones similar al que se encuentra en las mitocondrias , proporcionando el gradiente necesario para la síntesis de ATP. Esta polaridad generada por las reacciones dependientes de la luz se convierte en ATP y NADPH durante el ciclo de Calvin .
Tecnología y técnicas para el estudio de membranas polarizadas
Investigadores y científicos utilizan diversas técnicas para estudiar las propiedades y el comportamiento de estas membranas polarizadas. Estas técnicas y herramientas permiten realizar mediciones precisas de canales iónicos individuales y gradientes electroquímicos de ciertos iones a través de la membrana celular. Esta área de investigación resulta muy beneficiosa para comprender los principios de las células excitables y posibilita innovaciones en biotecnología y tratamientos médicos.
Electrofisiología mediante la técnica de patch-clamp
La técnica de patch-clamp supuso una importante innovación en la comunidad científica, ya que permitió medir las propiedades de uno o varios canales iónicos en tiempo real. Esta técnica emplea una micropipeta de vidrio con un diámetro interno diminuto que forma un sello hermético en la superficie de la membrana celular (sello de gigaohmios). Este sello permite medir el flujo de corriente a través de una porción muy pequeña de la membrana. El voltage clamp es una variante de la técnica de patch-clamp en la que la membrana se mantiene a un potencial constante y se mide la corriente necesaria para ello. Esta información se utiliza para caracterizar las corrientes que subyacen al potencial de acción.
Técnicas de imagen por fluorescencia
Los colorantes fluorescentes sensibles a iones permiten obtener imágenes espaciales y temporales de gradientes electroquímicos de ciertos iones (por ejemplo, calcio o potasio). La intensidad de estos colorantes varía según la concentración de determinados iones, la cual está directamente relacionada con el potencial de membrana. Fluo-4 es un colorante fluorescente para la obtención de imágenes de calcio que se utiliza para monitorizar las concentraciones intracelulares de calcio en células vivas. Esta monitorización resulta especialmente útil para medir el crecimiento y la maduración de las redes neuronales durante el aprendizaje, dado que el calcio es una molécula clave en la señalización y la regulación.
Véase también
Referencias
- ↑ "Canales de membrana". Biología celular . Elsevier. 2017. págs. 261–284 . doi : 10.1016/b978-0-323-34126-4.00010-4 . ISBN 978-0-323-34126-4.
- ↑ Nicholls, David G.; Ferguson, Stuart J. (2013). «Bioenergética cuantitativa». Bioenergética . Elsevier. págs. 27–51 . doi : 10.1016/b978-0-12-388425-1.00003-8 . ISBN 978-0-12-388425-1.
- ↑ McCormick, David A. (2014). «Potencial de membrana y potencial de acción». De las moléculas a las redes . Elsevier. págs. 351–376 . doi : 10.1016/b978-0-12-397179-1.00012-9 . ISBN 978-0-12-397179-1.
- ↑ «Fundamentos químicos». Biología celular molecular . WH Freeman and Company. 2016. págs. 22–44 . ISBN 978-1464183393.
- ↑ Biología Celular Molecular . WH Freeman and Company. 2016. ISBN 978-1464183393.
- ↑ Skou, Jens Christian (1957). "La influencia de algunos cationes en una adenosina trifosfatasa de nervios periféricos". Biochimica et Biophysica Acta . 23 (2): 394– 401. doi : 10.1016/0006-3002(57)90343-8 . PMID 13412736 .
- ↑ Martin, Robert (2011). De la neurona al cerebro . Oxford University Press. ISBN 978-0878936090.
- ↑ Lin, Benjamin; Lv, Zhiyi; Wu, Yi (2021). "Establecimiento y mantenimiento de la polaridad celular" . Frontiers in Cell and Developmental Biology . 9. Licencia Creative Commons Atribución. doi : 10.3389/fcell.2021.722003 . PMC 8278096. PMID 34277646 .
- Biología de membranas
- Electrofisiología