Membranas celulares: dinámico, comunicante, diseñado

¿Bicapas sencillas de lípidos? ¡No! Las membranas celulares se han convertido en jugadores magistrales en numerosas funciones celulares. Estas “pieles” de células, que rodean no solo a las células completas, sino a sus núcleos y orgánulos, son realmente sorprendentes. Si imaginas “pieles” uniformes como globos de goma alrededor de las células, lo has entendido mal. Las membranas celulares incluyen no solo los lípidos sino también los canales, las máquinas y los procesos integrados en ellos, así como la piel humana es un órgano complejo que abarca numerosos poros, sensores y vasos de soporte. Current Biology dedicó un número especial a las membranas celulares. Veamos algunos aspectos destacados de los últimos descubrimientos.

En primer lugar, los científicos han descubierto que las diferentes moléculas de lípidos pueden producir diferentes curvas y formas. Sabemos que los microbios pueden adquirir diversas formas, desde esferas hasta varillas, a glóbulos amorfos como la ameba. La Figura 1 en un artículo de Garcia et al. muestra que “Los lípidos pueden determinar la curvatura de la membrana”, como en el caso de los cilíndricos, cónicos y cónicos inversos. Esta flexibilidad es importante no solo para la morfología general de la célula, sino también para cada una de sus estructuras integradas. Las membranas deben ser lo suficientemente resistentes para evitar el material no deseado y proporcionar un soporte firme para su maquinaria. ¡Ciertamente, el flagelo bacteriano que gira rápidamente no funcionaría en una membrana endeble! Y, sin embargo, las membranas necesitan flexibilidad para doblarse y dejar entrar moléculas deseables. Las membranas son los muros cerrados donde tiene lugar el transporte activo, superando la ley natural de ósmosis que inundaría una célula con moléculas indeseables o perdería sus joyas de la corona.

La membrana ciliar
En el artículo “Cómo se organiza la membrana ciliar al revés para comunicarse desde el exterior”, los autores describen las membranas que rodean al cilio (una de las máquinas moleculares irreduciblemente complejas que Michael Behe ​​discutió en su libro, La caja negra de Darwin en 1996). Estos sistemas celulares importantes, que no son todos móviles, funcionan como antenas en la mayoría de las células. Las antenas artificiales generalmente están hechas de metal y responden a las ondas electromagnéticas. ¿A qué responden las antenas celulares?

Como una interfaz importante con el resto del mundo, la membrana ciliar es un ejemplo fascinante de cómo la especialización de la membrana confiere funciones críticas, permitiendo que el cilio funcione como la antena de la célula. Esencial para las funciones de señalización de los cilios es el control preciso de la compartimentación, composición y morfología de la membrana ciliar. Los diferentes tipos de cilios exhiben diversas morfologías de membrana, y la morfología y la remodelación de las membranas ciliares se pueden modificar dinámicamente por la actividad de señalización. [Énfasis añadido.]

Los cilios son mucho más dinámicos que las antenas de metal pasivas a las que estamos acostumbrados a escala humana. Behe contó sobre las entrañas de microtúbulos 9 + 2, con sus motores moleculares, en su libro, pero incluso la membrana que rodea toda esa maquinaria está altamente especializada. Si desea probar cuán sofisticada es la membrana alrededor de un cilio, observe algunas de las cosas que tienen que hacer.

Los cilios, organelos que se mueven para ejecutar funciones como la fecundación y señalizar para ejecutar funciones como la fotorrecepción y el patrón embrionario, se componen de un núcleo de microtúbulos doblados nueve veces cubiertos por una membrana. Distintos tipos de cilios muestran distintas morfologías de membrana, que van desde simples cilindros en forma de cúpula hasta invaginaciones muy adornadas y discos de membrana de segmentos externos de fotorreceptores. Crítica para la capacidad de señalización de los cilios, tanto la composición proteica como la lípida de las membranas ciliares son diferentes de las de otras membranas celulares. Esta especialización presenta un desafío único para la célula ya que, a diferencia de los organelos unidos a la membrana, la membrana ciliar es contigua a la membrana plasmática circundante. Esta membrana ciliar distinta se genera en concierto con múltiples eventos de remodelación de membrana que comprenden el proceso de ciliogénesis. Una vez que se forma el cilio, el control de la composición de la membrana ciliar depende de máquinas moleculares discretas, incluyendo una barrera a las proteínas de membrana que ingresan al cilio en una región especializada de la base del cilio llamada zona de transición y un adaptador de tráfico que controla la proteína G localización del receptor (GPCR) en el cilio llamado BBSome. La membrana ciliar se puede remodelar aún más mediante la eliminación de proteínas de membrana mediante la liberación de vesículas extracelulares ciliar que pueden funcionar en la comunicación intercelular, la eliminación de proteínas innecesarias o el desensamblaje ciliar.

Membranas en ciernes: la internet celular
¿Sabías que las células usan el correo electrónico? Mire un fascinante artículo de la serie sobre “Exosomas y ectosomas en comunicación intercelular“. En este artículo, Jacopo Meldolesi revisa lo que se conoce acerca de la ciencia en ciernes de la comunicación intercelular.

Hasta hace casi 30 años, se creía que los fragmentos de membrana observados en el fluido extracelular eran el resultado de la apoptosis y otros procesos de muerte celular. Esta propuesta ha sido cada vez más cuestionada durante las últimas dos décadas y ahora se sabe que está equivocada. De hecho, junto con fragmentos de membrana, el fluido extracelular contiene dos tipos de vesículas extracelulares (VE), exosomas y ectosomas, que actúan cerca y también a una distancia considerable de sus células progenitoras.

Esta historia es comparable al mito del “ADN basura”. Los fragmentos de membrana de los que habla Meldolesi son en realidad paquetes de información que viajan entre las células. Los exosomas son más pequeños (50-150 nm) y se forman a partir de membranas endocíticas; Los ectosomas son más grandes (100-500 nm) y se forman a partir de la membrana plasmática. Lleno de proteínas, ARN, enzimas y otras moléculas de información, y repleto de múltiples receptores, estos paquetes de viaje (ilustrados en la Figura 2) conectan las células para formar un tipo de red social. La analogía con el correo electrónico es sorprendente:

Tanto para los exosomas como para los ectosomas, la carga luminal y la superficie son heterogéneas cuando se comparan las vesículas liberadas por diferentes tipos de células o por células individuales en diferentes estados funcionales. Después de la liberación, los dos tipos de vesículas navegan a través del fluido extracelular en diferentes tiempos y distancias. Posteriormente, interactúan con células diana reconocidas y experimentan fusión con membranas endocíticas o plasmáticas, seguidas por la integración de membranas de vesículas en sus membranas de fusión y la descarga de cargas luminales en el citosol, lo que produce cambios en la fisiología celular. Después de la fusión, los componentes del exosoma / ectosoma se pueden volver a ensamblar en vesículas nuevas que luego se reciclan a otras células, activando las redes efectoras.

Meldolesi dice que “ahora se sabe que todas las células se comunican mediante el intercambio de moléculas grandes a través del tráfico de VE”, pero aún se desconoce mucho sobre lo que realmente hacen estos pequeños paquetes de información. Los científicos han sabido sobre la exocitosis y la endocitosis, procesos que entregan moléculas de una célula a otra, como las vesículas que entregan neurotransmisores a través de las sinapsis entre las células nerviosas. Los exosomas y ectosomas, por el contrario, pueden viajar largas distancias y entregar diversos tipos de moléculas a otras células. “Se han encontrado ARNs no codificantes y secuencias de ADN entre las cargas de la luz del exosoma”, dice, “aunque sus mecanismos de acumulación no son claros”.

A diferencia del correo electrónico, estos paquetes con membrana parecen compartir partes funcionales tangibles de una célula a otra, como si pudieras enviarle a un amigo algunas de tus enzimas o genes. Casi cuestiona la teoría celular en sí: ¿qué pasa con la noción de una célula autónoma e independientemente viable cuando todos sus vecinos comparten partes? Numerosas preguntas de investigación surgen al darse cuenta de que las células comparten información de esta manera: ¿Qué proceso decide los contenidos? ¿Cómo navegan los paquetes hasta el destino? ¿Qué enfermedades resultan cuando las cosas van mal? El futuro parece brillante para descubrir funciones en estos sobres de membrana llenos de información que se pensaba que eran restos de células muertas.

Membranas Nucleares
Veamos brevemente otro ejemplo: la membrana nuclear. DeMagistris y Antonin describen “La naturaleza dinámica del sobre nuclear” en su artículo. Prepárese para asombrarse.

Al igual que otras membranas en la célula, la membrana nuclear está compuesta principalmente de bicapas lipídicas. Esta membrana, sin embargo, enfrenta un gran desafío de control de calidad. Su membrana doble debe ser demolida y reconstruida en dos copias idénticas en cada división celular. Esto debe suceder rápidamente, sin que se filtren materiales nucleares sensibles al citoplasma, después de que otras máquinas hayan trabajado febrilmente para duplicar todo el ADN, enrollarlo y desenrollarlo en los cromosomas, y organizar los cromosomas en el huso mitótico. No solo eso, la membrana nuclear está tachonada con cientos de copias del Nuclear Pore Complex (NPC), una de las estructuras proteicas más elaboradas de la célula. Cada copia del NPC tiene más de 500 proteínas. ¡Habla sobre una operación logística masiva!

Los eucariotas característicamente organizan su genoma en un compartimiento separado, el núcleo, que está rodeado por la envoltura nuclear como una barrera. Las rupturas de la envoltura nuclear y la exposición de la cromatina amenazan la viabilidad celular y causan la inestabilidad del genoma. A pesar de su función límite esencial, la envoltura nuclear experimenta cambios morfológicos notables, más notables durante la mitosis. Aquí resumimos nuestra comprensión actual de la dinámica de la envoltura nuclear y su relación mutable con el retículo endoplásmico. Discutimos cómo la envoltura nuclear se remodela para insertar complejos nucleares de poro, las puertas de transporte del núcleo, en su estructura de doble membrana. Recientes ciclos de tiempo de microscopía electrónica 3D de complejos de poro nuclear ensamblados muestran que estas estructuras se integran en la envoltura nuclear durante la interfase y la mitosis siguiendo diferentes vías. Ambas vías aseguran que los poros se formen en la envoltura nuclear que conecta el citoplasma y el nucleoplasma.

La Figura 1 en el artículo muestra cómo la envoltura nuclear es contigua al retículo endoplásmico (RE). La Figura 2 muestra cómo el ER posiciona los NPC para la inserción en la membrana y los ensambla en etapas. Los detalles de las etapas se muestran en la Figura 3, con las etapas finales de ensamblaje que se muestran en la Figura 4. Tenga en cuenta que estos son diagramas simplificados. Si tuviéramos que ver la operación real a esa escala, quedaríamos impresionados por su eficiencia y rapidez. Una cosa que sabemos; la división celular generalmente funciona sin problemas.

Conclusiones
Todos los artículos de la serie son fascinantes: puedes aprender sobre caveolas, eisosomas, fusogenes, ataduras de multisubunidades y otras estructuras en las membranas celulares. Es como aprender por primera vez sobre las glándulas sudoríparas, los sensores de temperatura, los sensores táctiles, los folículos pilosos y todas las maravillas incrustadas en la piel humana después de pensar que la piel es un tejido uniforme y sin rasgos distintivos. Y puedes aprender sobre membranas y evolución. ¿Evolución?

En uno de los artículos, Sven B. Gould aborda “Membranas y Evolución“. Esto debería ser bueno. Después de todo lo que hemos visto hasta este punto, ¿cómo va a manejar el darwinismo esto? Gould sabe a lo que se enfrenta:

Las membranas biológicas son vainas anfifílicas delgadas, de solo unos pocos nanómetros de grosor, que definen tanto los límites de todas las células como la diversidad de los compartimentos internos en eucariotas. La membrana plasmática de un procariota típico alberga alrededor del 20-30% de las proteínas expresadas de la célula, y sus lípidos representan aproximadamente el 10% de la masa seca de la célula. Los números para las células eucarióticas son comparables: la diferencia en la relación área de superficie a volumen se compensa en general por el sistema de endomembrana eucariótica. Aproximadamente una cuarta parte de la proteína codificada por el genoma humano lleva al menos un tramo de secuencia que se predice que servirá como un dominio transmembranal. Las membranas albergan el intercambio de sustrato, la detección y la comunicación, y la conservación de energía que da vida mediante síntesis de ATP quimiosmótica.

Él no ha terminado; también señala que “una célula eucariota puede albergar varios cientos de tipos diferentes de especies de lípidos”. ¿Cómo demonios manejará este desafío utilizando solo fuerzas ciegas y accidentales de la evolución?

Básicamente, su respuesta es: “evolucionó”. No es broma; él simplemente afirma que la evolución lo hizo todo.

Esta diversidad es un producto de aproximadamente cuatro mil millones de años de evolución; comenzando con el origen de la vida procariota, a través de la división en bacterias y arqueas, el origen de los eucariontes hace dos mil millones de años, y hasta el día de hoy. Con la eucariogénesis (la transición de la vida procariótica a la eucariótica), la complejidad de las células aumentó con la aparición de nuevos compartimentos de membrana, en los que la mitocondria ocupó un lugar central. La complejidad de la membrana alcanzó un pico a través de endosimbiosis secundarias y terciarias subsiguientes, creando organelos de origen eucariótico rodeados por más de dos membranas. El ascenso evolutivo de las células simples a las complejas se asocia ante todo con un aumento de las cámaras de reacción especializadas y unidas a la membrana. Desde el escape de las fuentes hidrotermales, una herencia continua de membranas plasmáticas separaba la vida de la muerte y una fase plasmática de una fase no plasmática.

¿Cómo uno siquiera comienza a responder a eso? Utiliza “el origen de” y “la aparición de” como palabras mágicas, incluso para motores moleculares como la ATP sintasa. Tal vez la mejor respuesta sea utilizar una redacción similar con algo que conocemos: la “evolución” de automóviles o arquitectura o fábricas. Pero primero, excluye las mentes del diseño. Luego vea si la explicación puede atravesar la membrana de la razón.


Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News

Fuente de la imagen: Illustra Media, Origin: Design, Chance y First Life on Earth.