La teoría celular tiene su origen en observaciones microscópicas del siglo XVII , pero tuvieron que pasar casi doscientos años antes de que se desarrollara una teoría completa de la membrana celular para explicar qué separa a las células del mundo exterior. En el siglo XIX se aceptó que debía existir algún tipo de barrera semipermeable alrededor de una célula. Los estudios sobre la acción de las moléculas anestésicas llevaron a la teoría de que esta barrera podría estar formada por algún tipo de grasa ( lípido ), pero aún se desconocía su estructura. Una serie de experimentos pioneros en 1925 indicaron que esta membrana de barrera constaba de dos capas moleculares de lípidos: una bicapa lipídica . Nuevas herramientas a lo largo de las siguientes décadas confirmaron esta teoría, pero persistió la controversia sobre el papel de las proteínas en la membrana celular. Finalmente , se compuso el modelo de mosaico fluido en el que las proteínas "flotan" en un "mar" fluido de bicapa lipídica. Aunque simplista e incompleto, todavía hoy se hace referencia a este modelo.
Desde la invención del microscopio en el siglo XVII se sabe que el tejido vegetal y animal está compuesto de células : la célula fue descubierta por Robert Hooke . La pared celular vegetal era fácilmente visible incluso con estos primeros microscopios, pero no se veía ninguna barrera similar en las células animales, aunque era lógico que existiera alguna. A mediados del siglo XIX, esta cuestión se investigaba activamente y Moritz Traube observó que esta capa exterior debía ser semipermeable para permitir el transporte de iones. [1] Sin embargo, Traube no tenía evidencia directa de la composición de esta película y afirmó incorrectamente que se formó por una reacción interfacial del protoplasma celular con el líquido extracelular. [2]
La naturaleza lipídica de la membrana celular fue intuida correctamente por primera vez por Georg Hermann Quincke en 1888 , quien observó que una célula generalmente adopta una forma esférica en el agua y, cuando se parte por la mitad, forma dos esferas más pequeñas. El único otro material conocido que exhibió este comportamiento fue el petróleo. También observó que una fina película de aceite se comporta como una membrana semipermeable, exactamente como se predijo. [3] Basándose en estas observaciones, Quincke afirmó que la membrana celular comprendía una capa fluida de grasa de menos de 100 nm de espesor. [4] Esta teoría se amplió aún más con la evidencia del estudio de los anestésicos. Hans Horst Meyer y Ernest Overton observaron de forma independiente que las sustancias químicas que actúan como anestésicos generales también son solubles tanto en agua como en aceite. Interpretaron esto en el sentido de que para atravesar la membrana celular una molécula debe ser al menos moderadamente soluble en aceite, su "teoría lipoide de la narcosis". Basándose en esta evidencia y en experimentos adicionales, llegaron a la conclusión de que la membrana celular podría estar compuesta de lecitina ( fosfatidilcolina ) y colesterol . [5] Una de las primeras críticas a esta teoría fue que no incluía ningún mecanismo para el transporte selectivo dependiente de la energía. [6] Este “defecto” permaneció sin respuesta durante casi medio siglo hasta que se descubrió que moléculas especializadas llamadas proteínas integrales de membrana pueden actuar como bombas de transporte de iones.
Así, a principios del siglo XX se conocía la naturaleza química, pero no la estructural, de la membrana celular. Dos experimentos realizados en 1924 sentaron las bases para llenar este vacío. Al medir la capacitancia de las soluciones de eritrocitos , Fricke determinó que la membrana celular tenía un espesor de 3,3 nm. [7] Aunque los resultados de este experimento fueron precisos, Fricke malinterpretó los datos en el sentido de que la membrana celular es una sola capa molecular. Debido a que los grupos de cabeza de lípidos polares están completamente hidratados, no aparecen en una medición de capacitancia, lo que significa que este experimento en realidad midió el espesor del núcleo de hidrocarburo , no toda la bicapa . Gorter y Grendel abordaron el problema desde una perspectiva diferente, realizando una extracción con solvente de lípidos de eritrocitos y extendiendo el material resultante como una monocapa en una artesa Langmuir-Blodgett . Cuando compararon el área de la monocapa con el área de superficie de las células, encontraron una proporción de dos a uno. [8] Los análisis posteriores de este experimento mostraron varios problemas, incluida una presión de monocapa incorrecta, una extracción de lípidos incompleta y un cálculo erróneo del área de superficie celular. [9] A pesar de estos problemas, la conclusión fundamental: que la membrana celular es una bicapa lipídica, era correcta.
Una década después, Davson y Danielli propusieron una modificación de este concepto. En su modelo, la bicapa lipídica estaba recubierta a cada lado con una capa de proteínas globulares . [10] Según su opinión, esta cubierta proteica no tenía una estructura particular y se formaba simplemente por adsorción de una solución. Su teoría también era incorrecta porque atribuía las propiedades de barrera de la membrana a la repulsión electrostática de la capa de proteína en lugar del costo energético de cruzar el núcleo hidrofóbico . A finales de la década de 1950 se hizo posible una investigación más directa de la membrana gracias al uso de la microscopía electrónica . Después de teñir con etiquetas de metales pesados, Sjöstrand et al. observaron dos finas bandas oscuras separadas por una región clara, [11] que interpretaron incorrectamente como una única capa molecular de proteína. J. David Robertson hizo una interpretación más precisa, quien determinó que las bandas oscuras densas en electrones eran los grupos de cabeza y las proteínas asociadas de dos monocapas lipídicas opuestas. [12] [13] En este trabajo, Robertson propuso el concepto de "membrana unitaria". Esta fue la primera vez que la estructura bicapa se asignó universalmente a todas las membranas celulares, así como a las membranas de los orgánulos .
La idea de una membrana semipermeable , una barrera que es permeable al disolvente pero impermeable a las moléculas del soluto , se desarrolló aproximadamente al mismo tiempo. El término ósmosis se originó en 1827 y se dio cuenta de su importancia para los fenómenos fisiológicos , pero no fue hasta 1877 cuando el botánico Wilhelm Pfeffer propuso la teoría de la membrana de la fisiología celular . Desde este punto de vista, se veía que la célula estaba rodeada por una superficie delgada, la membrana plasmática , y el agua y los solutos de la célula, como el ion potasio , existían en un estado físico similar al de una solución diluida . En 1889, Hamburger utilizó la hemólisis de eritrocitos para determinar la permeabilidad de varios solutos. Al medir el tiempo necesario para que las células se hinchen más allá de su límite elástico, se pudo estimar la velocidad a la que los solutos ingresan a las células mediante el cambio que lo acompaña en el volumen celular. También descubrió que había un volumen aparente de no disolvente de aproximadamente el 50% en los glóbulos rojos y más tarde demostró que esto incluye agua de hidratación además de las proteínas y otros componentes no disolventes de las células. Ernest Overton (un primo lejano de Charles Darwin) propuso por primera vez el concepto de membrana plasmática lipídica (aceite) en 1899. La principal debilidad de la membrana lipídica era la falta de una explicación de la alta permeabilidad al agua, por lo que Nathansohn (1904) propuso la teoría del mosaico. Desde este punto de vista, la membrana no es una capa lipídica pura, sino un mosaico de áreas con lípidos y áreas con gel semipermeable. Ruhland refinó la teoría del mosaico para incluir poros que permitieran el paso adicional de moléculas pequeñas. Dado que las membranas son generalmente menos permeables a los aniones , Leonor Michaelis concluyó que los iones son adsorbidos en las paredes de los poros, cambiando la permeabilidad de los poros a los iones por repulsión electrostática . Michaelis demostró el potencial de membrana (1926) y propuso que estaba relacionado con la distribución de iones a través de la membrana. [14] Harvey y James Danielli (1939) propusieron una bicapa lipídica Membrana cubierta en cada lado con una capa de proteína para tener en cuenta las mediciones de la tensión superficial. En 1941, Boyle y Conway demostraron que la membrana del músculo de rana en reposo era permeable tanto al K+ como al Cl-, pero aparentemente no al Na+, por lo que la idea de cargas eléctricas en los poros era innecesaria ya que un solo tamaño de poro crítico explicaba la permeabilidad al K+. , H+ y Cl- así como la impermeabilidad al Na+, Ca+ y Mg++.
Con el desarrollo de trazadores radiactivos , se demostró que las células no son impermeables al Na+. Esto era difícil de explicar con la teoría de la barrera de membrana, por lo que se propuso la bomba de sodio para eliminar continuamente el Na+ a medida que penetra en las células. Esto impulsó el concepto de que las células se encuentran en un estado de equilibrio dinámico , utilizando constantemente energía para mantener los gradientes iónicos . En 1935, Karl Lohmann descubrió el ATP y su papel como fuente de energía para las células, por lo que se propuso el concepto de bomba de sodio impulsada metabólicamente . El tremendo éxito de Hodgkin , Huxley y Katz en el desarrollo de la teoría de membrana de los potenciales de membrana celular , con ecuaciones diferenciales que modelaron correctamente los fenómenos, proporcionó aún más apoyo a la hipótesis de la bomba de membrana.
La visión moderna de la membrana plasmática es la de una bicapa lipídica fluida que tiene componentes proteicos incrustados en su interior. La estructura de la membrana ahora se conoce con gran detalle, incluidos modelos 3D de muchas de los cientos de proteínas diferentes que están unidas a la membrana. Estos importantes avances en la fisiología celular colocaron la teoría de la membrana en una posición dominante.
Casi al mismo tiempo, el desarrollo del primer modelo de membrana, la bicapa pintada, permitió la investigación directa de las propiedades de una bicapa artificial simple. Al "pintar" una solución lipídica reconstituida a través de una abertura, Mueller y Rudin pudieron determinar que la bicapa resultante exhibía fluidez lateral, alta resistencia eléctrica y autocuración en respuesta a la punción. [15] Esta forma de modelo bicapa pronto se conoció como “BLM”, aunque desde el principio el significado de este acrónimo ha sido ambiguo. Ya en 1966, BLM se utilizaba para referirse a "membrana lipídica negra" o "membrana lipídica bimolecular". [16] [17]
Frye y Edidin demostraron por primera vez de manera concluyente esta misma fluidez lateral en la superficie celular en 1970. Fusionaron dos células marcadas con diferentes etiquetas fluorescentes unidas a membranas y observaron cómo se mezclaban las dos poblaciones de tinte. [18] Los resultados de este experimento fueron clave en el desarrollo del modelo de "mosaico fluido" de la membrana celular por Singer y Nicolson en 1972. [19] Según este modelo, las membranas biológicas están compuestas en gran parte por una bicapa lipídica desnuda con proteínas. penetrando hasta la mitad o completamente a través de la membrana. Estas proteínas se visualizan flotando libremente dentro de una bicapa completamente líquida. Esta no fue la primera propuesta de una estructura de membrana heterogénea. De hecho, ya en 1904 Nathansohn propuso un “mosaico” de regiones permeables e impermeables al agua. [20] Pero el modelo de mosaico fluido fue el primero en incorporar correctamente la fluidez, los canales de membrana y múltiples modos de acoplamiento proteína/bicapa en una sola teoría.
La investigación continua ha revelado algunas deficiencias y simplificaciones en la teoría original. [21] Por ejemplo, se describe que las proteínas de canal tienen un canal de agua continuo a través de su centro, lo que ahora se sabe que es generalmente falso (una excepción son los complejos de poros nucleares , que tienen un canal de agua abierto de 9 nm). [22] Además, la difusión libre en la superficie celular a menudo se limita a áreas de unas pocas decenas de nanómetros de ancho. Estos límites a la fluidez lateral se deben a los anclajes del citoesqueleto , la separación de fases lipídicas y las estructuras proteicas agregadas. Los estudios contemporáneos también indican que una cantidad mucho menor de la membrana plasmática es lípidos “desnudos” de lo que se pensaba anteriormente y, de hecho, gran parte de la superficie celular puede estar asociada a proteínas. A pesar de estas limitaciones, el modelo de mosaico fluido sigue siendo una noción general popular y a menudo referenciada para la estructura de las membranas biológicas.
El modelo de consenso moderno de las membranas celulares se basa en el modelo de mosaico fluido que visualiza una bicapa lipídica que separa el interior del exterior de las células con canales iónicos, bombas y transportadores asociados que dan lugar a los procesos de permeabilidad de las células. En el pasado se desarrollaron hipótesis alternativas que en gran medida han sido rechazadas. Uno de estos conceptos opuestos desarrollado tempranamente en el contexto de los estudios sobre ósmosis , permeabilidad y propiedades eléctricas de las células fue el de Gilbert Ling . [23] La idea moderna sostiene que todas estas propiedades pertenecían a la membrana plasmática , mientras que la opinión de Ling era que el protoplasma era responsable de estas propiedades.
A medida que crecía el apoyo a la teoría de la membrana de la bicapa lipídica, se desarrolló este concepto alternativo que negaba la importancia de la membrana de la bicapa lipídica. Procter y Wilson (1916) demostraron que los geles, que no tienen una membrana semipermeable , se hinchaban en soluciones diluidas . Loeb (1920) también estudió extensamente la gelatina , con y sin membrana, demostrando que muchas de las propiedades atribuidas a la membrana plasmática podían duplicarse en geles sin membrana. En particular, descubrió que se podía desarrollar una diferencia de potencial eléctrico entre la gelatina y el medio exterior, basándose en la concentración de H+.
Algunas críticas a la teoría de la membrana se desarrollaron en la década de 1930, basadas en observaciones como la capacidad de algunas células para hincharse y aumentar su superficie en un factor de 1000. Una capa lipídica no puede estirarse hasta ese punto sin convertirse en un mosaico (perdiendo así su propiedades de barrera). Estas críticas estimularon la continuación de los estudios sobre el protoplasma como principal agente determinante de las propiedades de permeabilidad celular. En 1938, Fischer y Suer propusieron que el agua en el protoplasma no es libre sino en forma químicamente combinada, y que el protoplasma representa una combinación de proteína, sal y agua. Demostraron la similitud básica entre la hinchazón de los tejidos vivos y la hinchazón de los geles de gelatina y fibrina . Dimitri Nasonov (1944) consideraba a las proteínas como los componentes centrales responsables de muchas propiedades de la célula, incluidas las eléctricas.
En la década de 1940, las teorías de la fase masiva no estaban tan bien desarrolladas como las teorías de la membrana y fueron rechazadas en gran medida. En 1941, Brooks & Brooks publicaron una monografía La permeabilidad de las células vivas, que rechaza las teorías de la fase masiva. [24]