MEMBRANA CITOPLÁSMICA
1.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA
La membrana citoplásmica bacteriana es la estructura de tipo bicapa proteo-lipídica que delimita al protoplasto. Su proporción proteínas: lípidos es superior a la de las membranas celulares eucarióticas, llegando a alcanzar valores relativos de 80:20.
1.1.1 CARENCIA, EN GENERAL, DE ESTEROLES
Las membranas procarióticas, a diferencia de las de eucariotas, carecen de esteroles (con las salvedades de Cianobacterias, ciertas bacterias metilotrofas; además, los micoplasmas presentan colesterol, pero lo “secuestran” de las células eucarióticas a las que parasitan).
Pero en cambio, en muchas bacterias existe una peculiar clase de compuestos policíclicos, denominados hopanoides (triterpenoides pentacíclicos) que parecen condicionar parte de la rigidez de las membranas citoplásmicas. Los hopanoides se sintetizan a partir del mismo tipo de precursores que los esteroles. (Por cierto, como dato curioso diremos que los sedimentos de combustibles fósiles como el petróleo presentan cantidades gigantescas de hopanoides, lo que confirma el papel que tuvieron las bacterias en su formación).
1.1.2 LÍPIDOS
Abundan sobre todo los fosfolípidos derivados del ácido fosfatídico:
|
fosfatidiletanolamina
|
|
fosfatidilglicerol
|
|
cardiolipina (difosfatidilglicerol)
|
En bacterias Gram-positivas, además se encuentran glucolípidos y glucofosfolípidos.
La composición y proporción concretas de los distintos tipos de lípidos son variables entre distintas cepas bacterianas, y dentro de cada cepa, en función de las condiciones de cultivo (temperatura, pH, etc.).
Los ácidos grasos esterificados con el glicerol en los fosfolípidos son principalmente:
1) saturados, como p. ej.:
a) palmítico (16:0)
b) mirístico (14:0)
c) de cadena ramificada (muy frecuentes en muchas bacterias Gram-positivas)
2) monoinsaturados (sobre todo en Gram-negativas), como p. ej.:
a) palmitoleico (cis-9, 16:1)
b) cis-vaccénico (cis-11, 18:1)
A diferencia de eucariotas, no existen ácidos grasos poliinsaturados, con la excepción de las Cianobacterias. Este grupo de bacterias fotosintéticas tiene, además, la capacidad de modificar mediante desaturasas el grado de saturación de sus ácidos grasos, lo que representa un mecanismo adaptativo frente a cambios de temperatura.
Las bacterias pueden modificar la proporción entre ácidos grasos insaturados y saturados, con objeto de mantener un estado de fluidez adecuado en la membrana, como adaptación a cambios de temperatura:
|
a altas temperaturas, aumenta la proporción de ácidos grasos saturados,
|
|
a bajas, aumenta la de los insaturados. Las bacterias psicrófilas (amantes del frío) presentan casi todos sus ácidos grasos de tipo insaturado.
|
En Arqueas, en lugar de los habituales lípidos a base de ésteres de ácidos grasos con glicerol, existen lípidos a base de éteres de alcoholes de cadena larga con glicerol (p. ej., difitanil-glicerol-diéteres). Los alcoholes suelen ser derivados poliisoprenoides. Este tipo de membranas son más rígidas que las de eubacterias. Incluso existen arqueas con membranas a partir de tetrafitanil-diglicerol-tetraétereres, que consituyen bicapas monomoleculares.
Como ya vimos en el tema anterior, la membrana citoplásmica alberga un transportador lipídico de tipo politerpenoide, llamado undecaprenil-fosfato, presente en pequeña cantidad (<1%). Igualmente se dan quinonas isoprenoides (como la menaquinona o la ubiquinona) que, como veremos en otro capítulo, participan en cadenas de transporte de electrones. En algunas bacterias existen igualmente variedades de pigmentos carotenoides.
1.1.3 PROTEÍNAS
Constituyen la mayor parte de la membrana bacteriana (hasta el 80% en peso seco). Existe una gran variedad de tipos de proteínas en una misma bacteria (hasta 200), pero la composición y proporción concreta varía según las condiciones de cultivo.
Según su localización en la membrana, y su grado de unión con la porción lipídica, se distingue entre:
|
proteínas integrales de membrana (=endoproteínas): son proteínas estrechamente unidas a la membrana, por lo general atravesadas en plena bicapa lipídica. Son difíciles de extraer, teniéndose que recurrir a detergentes y/o disolventes orgánicos para separarlas respecto de los lípidos. Las proteínas integrales pueden desplazarse lateralmente en la bicapa lipídica, pero no son capaces de rotar, por lo que siempre presentan una determinada orientación o polaridad. Algunas presentan hidratos de carbono que sobresalen hacia la superficie externa (glucoproteínas).
|
|
Proteínas periféricas (= epiproteínas): unidas a la superficie de la membrana, de forma más débil, por lo que son más fáciles de extraer y purificar. Incluso algunas establecen contactos sólo transitorios con la membrana.
|
1.2 ESTRUCTURA
Métodos de observación y estudio
A microscopio óptico, se recurre a la tinción con Azul Victoria. A microscopio electrónico, en cortes ultrafinos, se observan una estructura de unos 7 nm de grosor, con dos capas externas densas a los electrones limitando una capa central transparente.
Los estudios mediante difracción de rayos X y de resonancia magnética nuclear (RMN) demuestran una estructuración básica a base de cadenas de fosfolípidos en una bicapa, según se describe a continuación.
Estructura
Consiste en una bicapa lipídica, con los grupos polares (hidrófilos) hacia afuera, y las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos (o, en el caso de Arqueobacterias, de alcoholes) hacia adentro, ajustándose al modelo de mosaico fluido de Singer y Nicholson. Inmersas en esta bicapa se encuentran las abundantes proteínas, que pueden moverse lateralmente en el mosaico de moléculas de lípidos, igualmente dotados de una rápida movilidad. Parece ser que no existe movilidad de lípidos entre las dos capas.
La membrana citoplásmica es asimétrica (aunque no tanto como la membrana externa de Gram-negativas). Esto se traduce en el hecho de que muchos de los procesos que tienen lugar en la membrana sean vectoriales (tengan una dirección determinada).
1.3 FUNCIONES DE LA MEMBRANA CITOPLASMICA
La membrana citoplásmica de los procariotas es una notable estructura multifuncional (como uno podría esperar de la constatación del gran número de tipos de proteínas), siendo el sitio donde se producen muchos procesos metabólicos complejos, en un grado desconocido en el resto del mundo vivo.
Citemos brevemente las principales funciones de la membrana procariótica (aunque en este y otros temas las estudiaremos en detalle):
|
Barrera osmótica (que mantiene constante el medio interno), impidiendo el paso libre de sales y de compuestos orgánicos polares
|
|
Es el límite metabólicamente activo de la célula: establece la frontera entre el protoplasto y el medio externo, impidiendo la pérdida de metabolitos y macromoléculas del protoplasto.
|
|
Ahora bien, merced a sistemas de transporte, permite selectivamente el paso de sustancias entre el exterior y el interior (y viceversa).
|
|
Interviene, además, en procesos bioenergéticos (fotosíntesis, respiración)
|
|
Participa en la biosíntesis de componentes de membrana, de pared y de cápsulas,
|
|
En la secreción de proteínas.
|
Desglosaremos brevemente estos diversos tipos de papeles de la membrana.
1.3.1 PARTICIPACIÓN EN PROCESOS BIOENERGÉTICOS
Contiene todos los componentes requeridos para la transducción de energía y la producción de ATP, por procesos respiratorios. En el caso de una bacteria quimiotrofa, esto incluye:
|
deshidrogenasas
|
|
cadenas de transporte de electrones (con quinonas, citocromos, etc.)
|
|
ATP-asas (ATP sintasas/hidrolasas)
|
Algunas bacterias fotosintéticas anaerobias también incluyen este tipo de componentes en la membrana citoplásmica.
En un capítulo posterior veremos en más detalle cómo explica la teoría quimiosmótica de Mitchell el acoplamiento entre el funcionamiento de las cadenas de transporte electrónico (o de la ATP-hidrolasa) y la generación de un gradiente de protones a través de la membrana (potencial electroquímico o fuerza protón-motriz), el cual a su vez puede:
|
generar ATP (desarrollo de un trabajo químico)
|
|
promover transporte de ciertos nutrientes (trabajo osmótico)
|
|
promover movimiento flagelar (trabajo mecánico).
|
1.3.2 PARTICIPACIÓN EN BIOSÍNTESIS DE POLÍMEROS DE LAS ENVUETAS
Como ya hemos visto en temas anteriores, la membrana alberga transportadores (como el undecaprenil-P) y enzimas relacionados con fases de la biosíntesis de polisacáridos de la cápsula, peptidoglucano, ácidos teicoicos y teicurónicos y lipopolisacárido. Igualmente en ella se localizan los enzimas implicados en la síntesis de los lípidos de la propia membrana.
1.3.3 PUNTO DE ANCLAJE DEL CROMOSOMA Y DE ALGUNOS PLÁSMIDOS
Como veremos, sigue estando debatido si un tipo de invaginación de la membrana, llamado mesosoma (ver más adelante, en este capítulo, apartado 3.1) es o no un artefacto, pero parece fuera de duda que el cromosoma se ancla de alguna manera a la cara interna de la membrana (sea a los mesosomas, o como proponen otros, a la cara interna de los anillos perisépticos). En la zona de anclaje parecen residir algunos de los enzimas encargado de la replicación. La membrana tiene igualmente un papel en la separación (segregación) de las dos copias del cromosoma replicado a las células hijas.
1.3.4 BARRERA SELECTIVA
Mantiene la constancia del medio interno (impidiendo la salida de iones, metabolitos y macromoléculas), pero simultáneamente permite o promueve activamente la entrada de nutrientes y la salida de los productos de desecho o de ciertas moléculas excretadas. La función de transporte de nutrientes será tratada en detalle más adelante en este capítulo.
1.3.5 EXPORTACIÓN DE MOLÉCULAS DE SUPERFICIE
Se trata de un sistema por el que ciertas proteínas son trasladadas a su localización definitiva en la membrana citoplásmica, por la intervención de la proteína YidC, que interacciona con zonas hidrofóbicas de aquellas. Un ejemplo de proteínas insertadas de este modo lo constituye la ATP-sintasa de eubacterias. Este sistema, al parecer filogenéticamente primitivo, aparece en eubacterias, parte de arqueas (euriarqueas) y en mitocondrias (donde se denomina Oxa1) y cloroplastos (Alb3), pero no en eucariotas.
2) SISTEMA Sec
El sistema Sec es un sistema universal para la secreción de proteínas, es decir, aparece en los tres dominios de la vida, aunque con variantes en cada uno de ellos. Nosotros vamos a describir el caso de las eubacterias.
|
Las proteínas secretadas se sintetizan como pre-proteínas dotadas en el extremo N-terminal de un péptido señal, de unos 20-30 aminoácidos. Dicha zona consta a su vez de un extremo N-terminal cargado positivamente, seguida de un trecho hidrofóbico, y termina con una zona más polar dotada al final del sitio que va a ser roto por la peptidasa del líder.
|
|
Cuando aún está en el citoplasma, la pre-proteína naciente se une a la proteína SecB (una chaperona específica de esta ruta), la cual impide que la pre-proteína se pliegue totalmente.
|
|
La proteína SecA, que forma un homodímero, reconoce el complejo SecB-preproteína, y lo traslada al complejo de proteínas de membrana SecYEG, que tiene un canal interior de unos 20-30 Å. (Al parecer el canal consta de 3-4 complejos SecYEG).
|
|
Ahora, la proteína SecA, con gasto de ATP, logra que los primeros 20-30 aminoácidos de la pre-proteína entren a través del canal Sec, con lo que el péptido señal aparece por el lado exterior de la membrana.
|
|
Una vez que el péptido señal asoma por el otro lado de la membrana, es cortado en el sitio específico por la peptidasa líder, lo que ayuda a liberar al exterior la parte madura de la proteína secretada.
| |
