29.1. La membrana plasmática como barrera selectiva
La membrana plasmática delimita el interior celular del medio extracelular y controla el intercambio de sustancias entre ambos compartimentos. Su componente estructural central es la bicapa fosfolipídica, que actúa como una barrera hidrofóbica altamente selectiva.
La estructura de la bicapa lipídica, la composición en fosfolípidos, glucolípidos y colesterol y el modelo del mosaico fluido se estudian en el Tema 2 · Membrana celular: morfología y organización molecular de Biología.
Las funciones y los mecanismos de transporte desde el punto de vista funcional se estudian en el Tema 4 · Membranas celulares y mecanismos de transporte de Fisiología. Aquí se estudia la membrana desde el punto de vista de su composición y funcionamiento a nivel molecular.
Una bicapa lipídica pura tiene una permeabilidad muy selectiva: es permeable a moléculas hidrófobas pequeñas (O₂, CO₂, hormonas esteroideas) y a moléculas polares sin carga muy pequeñas (agua, urea, etanol), pero prácticamente impermeable a iones (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻) y a moléculas polares grandes (glucosa, aminoácidos, nucleótidos). Este problema se resuelve con las proteínas de transporte de membrana.
| Tipo | Dirección | Energía | Saturabilidad | Proteína | Ejemplos |
|---|---|---|---|---|---|
| Difusión simple | A favor de gradiente | No | No satura | Ninguna | O₂, CO₂, hormonas esteroideas |
| Difusión facilitada | A favor de gradiente | No | Satura (Vmáx) | Transportador o canal | GLUT1 (glucosa), canales iónicos |
| Activo primario | Contra gradiente | ATP directo | Satura | Bomba (ATPasa) | ATPasa Na⁺/K⁺, SERCA, ABC |
| Activo secundario (simportador) | Sustrato contra gradiente; Na⁺ a favor | Gradiente Na⁺ (indirecto) | Satura | Cotransportador | SGLT1 (glucosa + Na⁺ intestino) |
| Activo secundario (antiportador) | Sustrato contra gradiente; Na⁺ a favor (sentidos opuestos) | Gradiente Na⁺ (indirecto) | Satura | Cotransportador | NCX (Na⁺/Ca²⁺ cardiomiocito) |
Tal y como se estudia en Biología, la membrana plasmática no es simétrica:
- La cara extracelular está enriquecida en glucolípidos y glucoproteínas que forman el glicocáliz, una cubierta de carbohidratos que protege a la célula, participa en el reconocimiento celular y determina el grupo sanguíneo ABO.
- La cara citosólica es rica en fosfatidilserina (carga negativa) y fosfatidilinositol (precursor de segundos mensajeros).
- Esta asimetría se mantiene activamente y tiene consecuencias funcionales directas. Por ejemplo, la exposición de fosfatidilserina en la cara externa es una señal de apoptosis que los macrófagos reconocen.
29.2. Proteínas de membrana: clasificación y estructura
Las proteínas de membrana representan aproximadamente el 50% de la masa de la membrana plasmática y son responsables de prácticamente todas sus funciones específicas: transporte, señalización, adhesión celular y actividad enzimática.
Se clasifican en dos grandes grupos según cómo se asocian a la bicapa:
- Proteínas integrales (transmembrana): están embebidas en la bicapa y solo pueden extraerse con detergentes que disuelven la membrana lipídica.
- Su característica estructural clave es la presencia de uno o varios dominios transmembrana formados por α-hélices de aproximadamente 20 aminoácidos hidrofóbicos.
- Este número exacto (20 aminoácidos) conformados en α-hélice tienen exactamente la longitud necesaria (~30 Å) para atravesar la región hidrofóbica de la bicapa.
- Los aminoácidos Lys y Pro están sistemáticamente ausentes de estos dominios por dos motivos:
- La lisina es hidrofílica.
- La prolina interrumpe la hélice.
- Proteínas periféricas: no penetran en la bicapa sino que se asocian a su superficie mediante interacciones electrostáticas con los grupos polares de los fosfolípidos o mediante unión a proteínas integrales.
- Se pueden extraer con cambios de pH o fuerza iónica, sin necesidad de detergentes.
- Ejemplos: espectrina del eritrocito, proteínas del citoesqueleto cortical.
Proteína integral de membrana: proteína que atraviesa la bicapa lipídica con uno o más dominios transmembrana de α-hélice hidrofóbica. Requiere detergentes para su extracción. Ejemplos: receptores, transportadores GLUT, ATPasa Na⁺/K⁺, canales iónicos.
| Tipo | Asociación con la bicapa | Extracción | Ejemplos | Función |
|---|---|---|---|---|
| Integral (transmembrana) | Atraviesa la bicapa con α-hélices hidrofóbicas (~20 aa) | Requiere detergentes | GLUT1, ATPasa Na⁺/K⁺, canales iónicos, receptores de membrana | Transporte, señalización, catálisis |
| Periférica tipo A | Unida electrostáticamente a los grupos polares de fosfolípidos | pH alto o alta fuerza iónica | Espectrina, ankirina (eritrocito) | Soporte estructural, citoesqueleto cortical |
| Periférica tipo B | Unida covalentemente a un lípido de membrana (GPI, miristato, palmitato) | Fosfolipasa específica | Proteínas ancladas a GPI (CD55, CD59, prión PrP) | Señalización, complemento, defensas |
29.3. Transporte pasivo: difusión simple y difusión facilitada
- Difusión simple: las moléculas lipófilas pequeñas (O₂, CO₂, hormonas esteroideas) y el agua difunden directamente a través de la bicapa a favor de su gradiente de concentración sin necesitar proteínas. La velocidad es proporcional al gradiente de concentración y no satura. A mayor diferencia de concentración, mayor flujo, sin límite máximo.
- Difusión facilitada: iones y moléculas polares que no pueden atravesar la bicapa por difusión simple lo hacen a través de proteínas transportadoras específicas, también a favor de gradiente y sin consumo de energía.
A diferencia de la difusión simple, la difusión facilitada tiene cinética saturable. Es decir, cuando todos los transportadores están ocupados, la velocidad alcanza un máximo (Vmáx) y no aumenta aunque siga incrementándose la concentración del sustrato. Este comportamiento es análogo a la cinética enzimática de Michaelis-Menten (ver Tema 7 · Cinética enzimática y velocidad de reacción).
La difusión facilitada tiene tres características que la distinguen de la difusión simple:
(1) Especificidad: cada transportador reconoce su sustrato.
(2) Saturabilidad: existe una Vmáx.
(3) Inhibición competitiva: otras moléculas similares compiten por el mismo transportador.
Son las mismas propiedades que definen a las enzimas, porque los transportadores son en esencia enzimas de membrana que catalizan el paso de sustancias.
29.4. Transporte activo primario: las bombas
El transporte activo primario mueve moléculas o iones contra su gradiente electroquímico, lo que requiere un aporte directo de energía en forma de ATP. Las proteínas que realizan este trabajo se denominan bombas o ATPasas de transporte.
29.4.1. ATPasa Na⁺/K⁺ (bomba sodio-potasio)
Es la bomba más importante de las células animales y el prototipo de las ATPasas de clase P (se fosforilan transitoriamente durante el ciclo).
Por cada molécula de ATP hidrolizada, exporta 3 Na⁺ al exterior e importa 2 K⁺ al interior. El balance neto es electrogénico (expulsa más cargas positivas de las que importa), contribuyendo al potencial de membrana negativo interior.
ATPasa Na⁺/K⁺: bomba de transporte activo que hidroliza ATP para exportar 3 Na⁺ e importar 2 K⁺ por ciclo. Mantiene el alto [K⁺] intracelular y el alto [Na⁺] extracelular que son esenciales para el potencial de membrana, el transporte secundario y la regulación del volumen celular.
El mecanismo funciona por cambios conformacionales acoplados a la fosforilación:
- En la conformación E1, los tres sitios de unión a Na⁺ están accesibles desde el citosol.
- Tras la fosforilación por ATP pasa a E2, los sitios quedan expuestos al exterior con baja afinidad para Na⁺ (que se libera) y alta afinidad para K⁺ (que se une).
- La desfosforilación regresa a E1, los K⁺ quedan expuestos al citosol y se liberan.
La digoxina y otros glucósidos cardíacos inhiben la ATPasa Na⁺/K⁺ desde la cara extracelular. Al reducir el gradiente de Na⁺, el antiportador Na⁺/Ca²⁺ no puede expulsar Ca²⁺ eficientemente y el calcio intracelular aumenta, potenciando la contracción miocárdica (efecto inotrópico positivo).
Este mecanismo explica su uso en la insuficiencia cardíaca, pero también su estrecho margen terapéutico. La intoxicación digitálica produce arritmias graves por exceso de Ca²⁺ intracelular.
Otras bombas de clase P importantes son:
- La ATPasa de Ca²⁺ del retículo sarcoplásmico (SERCA), que bombea Ca²⁺ al interior del retículo endoplásmico manteniendo la concentración citosólica de Ca²⁺ en reposo en ~100 nM (10.000 veces menor que la extracelular).
- La ATPasa H⁺/K⁺ de las células parietales gástricas, responsable de la secreción de ácido clorhídrico y diana de los inhibidores de la bomba de protones (omeprazol, pantoprazol).
29.4.2. Superfamilia ABC (ATP-Binding Cassette)
Son bombas que usan el ATP no para fosforilarse sino para abrir y cerrar una puerta molecular que transporta sustratos muy diversos: iones, aminoácidos, péptidos, lípidos y fármacos.
La proteína MDR1 (P-glicoproteína, ABCB1) es la más relevante clínicamente. Esta proteína exporta fármacos hidrófobos desde el interior celular al exterior, actuando como una bomba de expulsión de tóxicos.
La sobreexpresión de MDR1 en células tumorales es una causa principal de resistencia a múltiples fármacos (multidrug resistance). Las células cancerosas que sobreexpresan MDR1 expulsan activamente quimioterápicos (doxorrubicina, vincristina, paclitaxel) antes de que alcancen concentraciones citotóxicas intracelulares. El desarrollo de inhibidores de MDR1 es una estrategia activa en oncología para superar esta resistencia.
29.5. Transporte activo secundario: simportadores y antiportadores
El transporte activo secundario no consume ATP directamente, sino que aprovecha el gradiente electroquímico de Na⁺ generado por la ATPasa Na⁺/K⁺. El Na⁺ tiende a entrar a la célula por su gradiente de concentración y de carga (el interior es negativo). Esta tendencia se convierte en energía para transportar otra molécula contra su propio gradiente.
Existen dos tipos según la dirección relativa del transporte:
- Los simportadores transportan el Na⁺ y el sustrato en el mismo sentido (ambos entran).
- El cotransportador SGLT1 es el ejemplo más importante: cotransporta 2 Na⁺ + 1 glucosa hacia el interior del enterocito, acumulando glucosa contra su gradiente.
- El SGLT2, en el túbulo proximal renal, reabsorbe glucosa del filtrado glomerular.
- Los inhibidores del SGLT2 (gliflozinas: empagliflozina, dapagliflozina) bloquean esta reabsorción y producen glucosuria, reduciendo la glucemia en la diabetes tipo 2.
- Los antiportadores transportan el Na⁺ y el sustrato en sentidos opuestos.
- El antiportador Na⁺/Ca²⁺ (NCX) expulsa 1 Ca²⁺ al exterior aprovechando la entrada de 3 Na⁺: es el mecanismo principal de extrusión de Ca²⁺ en el cardiomiocito y su disfunción está en la base de la sobrecarga cálcica en la isquemia miocárdica.
29.6. Canales iónicos y acuaporinas
29.6.1. Canales iónicos
Los canales iónicos forman poros acuosos en la membrana que permiten el paso muy rápido (>10⁶ iones/segundo) de iones específicos a favor de su gradiente electroquímico. A diferencia de los transportadores, los canales están abiertos o cerrados (no cambian de conformación con cada ion transportado).
La selectividad iónica se consigue mediante el filtro de selectividad, una región del poro con geometría y distribución de cargas que permite el paso solo de iones de tamaño y carga específicos.
El canal de K⁺ (KcsA) es el modelo estructural más estudiado. Su filtro de selectividad coordina exactamente los K⁺ deshidratados imitando su capa de solvatación acuosa, pero es demasiado pequeño para el Na⁺.
Los canales se clasifican por su mecanismo de apertura:
- Los canales activados por voltaje (voltage-gated) se abren cuando el potencial de membrana cambia.
- Son los responsables del potencial de acción neuronal y muscular.
- El canal de Na⁺ voltaje-dependiente se abre rápidamente con la despolarización, permite la entrada masiva de Na⁺ que propaga el potencial de acción, y se inactiva espontáneamente.
- Los anestésicos locales (lidocaína, bupivacaína) bloquean estos canales en las neuronas sensoriales.
- Los canales activados por ligando (ligand-gated) se abren cuando una molécula específica se une a un sitio del canal.
- El receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) es el prototipo.
- Es un canal catiónico no selectivo que, al unir acetilcolina, se abre y permite la entrada de Na⁺ y Ca²⁺, despolarizando la célula muscular e iniciando la contracción.
- Es el mecanismo de la unión neuromuscular.
| Tipo | Estímulo de apertura | Iones principales | Localización | Relevancia clínica |
|---|---|---|---|---|
| Canal Na⁺ voltaje-dependiente | Despolarización de membrana | Na⁺ | Neurona, músculo esquelético y cardíaco | Anestésicos locales (lidocaína), antiarrítmicos (flecainida) |
| Canal K⁺ voltaje-dependiente | Despolarización sostenida | K⁺ | Neurona, cardiomiocito | Antiarrítmicos clase III (amiodarona) |
| Canal Ca²⁺ voltaje-dependiente (L) | Despolarización | Ca²⁺ | Músculo cardíaco y liso, terminal sináptica | Bloqueantes del calcio (verapamilo, amlodipino) |
| Receptor nicotínico de ACh (nAChR) | Unión de acetilcolina | Na⁺, K⁺, Ca²⁺ | Placa motora, ganglio autónomo | Bloqueantes neuromusculares (pancuronio, succinilcolina) |
| Receptor GABA-A | Unión de GABA | Cl⁻ | SNC (inhibición sináptica) | Benzodiacepinas, barbitúricos, anestésicos generales |
| Receptor NMDA | Glutamato + glicina + despolarización (bloqueo Mg²⁺) | Na⁺, Ca²⁺, K⁺ | SNC (plasticidad sináptica) | Ketamina (antagonista), memantina (Alzheimer) |
Los canales iónicos activados por voltaje y su papel en la generación y propagación del potencial de acción se estudian en detalle en Fisiología General (→ Tema 11 · Conducción del potencial de acción).
29.6.2. Acuaporinas
Las acuaporinas (AQP) son canales proteicos altamente selectivos para el agua. Permiten el flujo osmótico de agua a una velocidad 10-100 veces mayor que la difusión simple a través de la bicapa. Se han identificado 13 isoformas (AQP0-AQP12) con distribución tisular específica.
| Isoforma | Localización principal | Función | Relevancia clínica |
|---|---|---|---|
| AQP0 | Fibras del cristalino | Transparencia y compactación del cristalino | Mutaciones → cataratas congénitas |
| AQP1 | Eritrocito, túbulo proximal renal, endotelio capilar | Reabsorción de agua en el riñón; transporte de agua en eritrocitos | Déficit raro: concentración urinaria reducida |
| AQP2 | Túbulo colector renal (membrana apical) | Concentración de orina regulada por ADH/vasopresina | Déficit → diabetes insípida nefrogénica; diana de los vaptanes |
| AQP3 | Túbulo colector renal (membrana basolateral), piel | Salida de agua desde la célula tubular hacia el intersticio | Hidratación cutánea; implicada en psoriasis |
| AQP4 | Astrocitos (unión astrocito-capilar), músculo esquelético | Regulación del edema cerebral; homeostasis del LCR | Anticuerpos anti-AQP4 → neuromielitis óptica (enfermedad de Devic) |
El déficit de AQP2 en los túbulos colectores renales es la causa de la diabetes insípida nefrogénica.
En condiciones normales, la ADH (vasopresina) activa la inserción de AQP2 en la membrana apical de las células del túbulo colector, aumentando la permeabilidad al agua y concentrando la orina. Sin AQP2 funcional, el riñón no puede concentrar la orina y el paciente produce grandes volúmenes de orina diluida (poliuria) con polidipsia compensadora.
Los inhibidores del receptor de vasopresina V2 (vaptanes: tolvaptán, satavaptán) se usan en la hiponatremia por SIADH bloqueando precisamente este sistema.
29.7. Transporte de macromoléculas: endocitosis y exocitosis
Las macromoléculas (proteínas, lipoproteínas, polisacáridos) no pueden cruzar la membrana por ninguno de los mecanismos anteriores porque son demasiado grandes. La célula las captura o secreta mediante procesos de fusión y escisión de membrana que implican vesículas.
29.7.1. Endocitosis mediada por receptor
Es el mecanismo más selectivo de captación de macromoléculas. Los receptores específicos de la superficie celular reconocen y se unen a su ligando en el medio extracelular. Los complejos receptor-ligando se concentran en regiones de la membrana denominadas fosas que están recubiertas de clatrina (coated pits).
La clatrina es una proteína que actúa como andamio deformando la membrana hacia el interior. La fosa se invagina y se desprende formando una vesícula recubierta de clatrina. Tras la pérdida de la cubierta, la vesícula se fusiona con el endosoma, donde el pH ácido disocia el ligando del receptor. El ligando continúa hacia los lisosomas para su degradación y el receptor puede reciclarse a la membrana.
El ejemplo más estudiado clínicamente es la captación de LDL por el receptor de LDL (LDLR).
- El LDLR reconoce la ApoB-100 de la LDL, internaliza la partícula, libera el colesterol en los lisosomas (donde se hidroliza el éster de colesterol) y recicla el receptor a la membrana.
- Las mutaciones en el LDLR o en la ApoB-100 producen hipercolesterolemia familiar, con LDL plasmática muy elevada y riesgo cardiovascular extremo.
- Los inhibidores de PCSK9 (evolocumab, alirocumab) actúan evitando la degradación del LDLR, aumentando su reciclaje a la membrana y la captación de LDL.
29.7.2. Exocitosis
Es el proceso inverso.
Vesículas intracelulares se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al medio extracelular.
Es el mecanismo de secreción de neurotransmisores, hormonas peptídicas, enzimas digestivas y componentes de la matriz extracelular.
La fusión de vesícula con membrana está mediada por proteínas SNARE:
- Las v-SNARE de la vesícula interaccionan con las t-SNARE de la membrana diana formando un complejo de cuatro hélices que aproxima y fusiona las dos membranas.
- La toxina botulínica actúa proteolisando las proteínas SNARE en las terminales neuromusculares, bloqueando la exocitosis de acetilcolina y produciendo parálisis flácida.
