Antes de la aparición de la microscopía electrónica en la década de 1950, los científicos no conocían la estructura de una membrana celular ni cuáles eran sus componentes; los biólogos y otros investigadores utilizaban pruebas indirectas para identificar las membranas antes de que pudieran visualizarse realmente. En concreto, fue a través de los modelos de Overton , Langmuir , Gorter y Grendel, y Davson y Danielli , que se dedujo que las membranas tienen lípidos , proteínas y una bicapa . La llegada del microscopio electrónico, los hallazgos de J. David Robertson, la propuesta de Singer y Nicolson y el trabajo adicional de Unwin y Henderson contribuyeron al desarrollo del modelo de membrana moderno. Sin embargo, la comprensión de los modelos de membrana pasados dilucida la percepción actual de las características de la membrana. Después de una intensa investigación experimental, los modelos de membrana del siglo anterior dieron paso al modelo de mosaico fluido que generalmente se acepta como una descripción parcial.
Evert Gorter y François Grendel (fisiólogos holandeses) abordaron el descubrimiento de nuestro modelo actual de la estructura de la membrana plasmática como una bicapa lipídica. Simplemente plantearon la hipótesis de que si la membrana plasmática es una bicapa , entonces el área de superficie de la monocapa de lípidos medida sería el doble del área de superficie de la membrana plasmática. Para examinar su hipótesis, realizaron un experimento en el que extrajeron lípidos de un número conocido de glóbulos rojos ( eritrocitos ) de diferentes fuentes de mamíferos, como humanos, cabras, ovejas, etc. y luego esparcieron los lípidos como una monocapa en un canal de Langmuir-Blodgett . Midieron el área de superficie total de la membrana plasmática de los glóbulos rojos y, utilizando el método de Langmuir, midieron el área de la monocapa de lípidos. Al comparar los dos, calcularon una relación estimada de 2:1 Monocapa de lípidos: Membrana plasmática . Esto respaldó su hipótesis, que condujo a la conclusión de que las membranas celulares están compuestas de dos capas moleculares opuestas. [1] Los dos científicos propusieron una estructura para esta bicapa, con las cabezas hidrófilas polares orientadas hacia afuera, hacia el entorno acuoso, y las colas hidrófobas orientadas hacia adentro, lejos del entorno acuoso, a ambos lados de la membrana. Aunque llegaron a las conclusiones correctas, algunos de los datos experimentales eran incorrectos, como el cálculo erróneo del área y la presión de la monocapa lipídica y la falta de exhaustividad de la extracción de lípidos. Tampoco lograron describir la función de la membrana y tenían suposiciones falsas, como la de que las membranas plasmáticas consisten principalmente en lípidos. Sin embargo, en general, esta visión de la estructura de la bicapa lipídica se convirtió en la suposición subyacente básica para cada refinamiento sucesivo en una comprensión moderna de la función de la membrana. [2]
Tras la propuesta de Gorter y Grendel, inevitablemente surgieron dudas sobre la veracidad de tener una simple bicapa lipídica como membrana. Por ejemplo, su modelo no podía dar respuestas a preguntas sobre la tensión superficial, la permeabilidad y la resistencia eléctrica de las membranas. Por ello, el fisiólogo Hugh Davson y el biólogo James Danielli sugirieron que las membranas efectivamente tienen proteínas. Según ellos, la existencia de estas "proteínas de membrana" explicaba lo que no podía responder el modelo de Gorter-Grendel.
En 1935, Davson y Danielli propusieron que las membranas biológicas están formadas por bicapas lipídicas recubiertas por ambos lados con láminas delgadas de proteína y simplificaron su modelo en la teoría "paucimolecular" . [3] Esta teoría declaró que todas las membranas biológicas tienen un centro "lipoide" rodeado de monocapas de lípidos que están cubiertas por monocapas de proteína. En resumen, su modelo fue ilustrado como un "sándwich" de proteína-lípido-proteína. El modelo de Davson-Danielli arrojó nueva luz sobre la comprensión de las membranas celulares, al enfatizar el importante papel que desempeñan las proteínas en las membranas biológicas.
En la década de 1950, los biólogos celulares verificaron la existencia de membranas plasmáticas mediante el uso de microscopía electrónica (que explicaba las resoluciones más altas). J. David Robertson utilizó este método para proponer el modelo de membrana unitaria. [4] Básicamente, sugirió que todas las membranas celulares comparten una estructura subyacente similar, la membrana unitaria . Usando tinción de metales pesados, la propuesta de Robertson también pareció estar de acuerdo instantáneamente con el modelo de Davson-Danielli. De acuerdo con el patrón trilaminar de la membrana celular visto por Robertson, sugirió que las membranas consisten en una bicapa lipídica cubierta en ambas superficies con láminas delgadas de proteínas (mucoproteínas). Esta sugerencia fue un gran impulso para la propuesta de Davson y Danielli. [5] Sin embargo, incluso con la fundamentación de Robertson, el modelo de Davson-Danielli tenía serias complicaciones, una de las principales era que las proteínas estudiadas eran principalmente globulares y, por lo tanto, no podían encajar en la afirmación del modelo de láminas delgadas de proteínas. Estas dificultades con el modelo estimularon nuevas investigaciones en la organización de la membrana y allanaron el camino para el modelo de mosaico fluido, que se propuso en 1972.
En 1972, S. Jonathan Singer y Garth Nicolson desarrollaron nuevas ideas para la estructura de la membrana. Su propuesta fue el modelo de mosaico fluido , que es uno de los modelos dominantes en la actualidad. Tiene dos características clave: un mosaico de proteínas incrustadas en la membrana y la membrana siendo una bicapa fluida de lípidos. La sugerencia de la bicapa lipídica concuerda con los modelos anteriores, pero considera a las proteínas como entidades globulares incrustadas en la capa en lugar de láminas delgadas en la superficie.
Según el modelo, las proteínas de membrana se dividen en tres clases según cómo están vinculadas a la bicapa lipídica:
En cuanto a la naturaleza fluida de la membrana, los componentes lipídicos son capaces de moverse en paralelo a la superficie de la membrana y están en constante movimiento. Muchas proteínas también son capaces de realizar ese movimiento dentro de la membrana. Sin embargo, algunas tienen una movilidad restringida debido a que están ancladas a elementos estructurales como el citoesqueleto a ambos lados de la membrana.
En general, este modelo explica la mayoría de las críticas al modelo de Davson-Danielli . Eliminó la necesidad de acomodar las proteínas de membrana en capas superficiales delgadas, propuso que la variabilidad en las proporciones proteína/lípido de diferentes membranas simplemente significa que diferentes membranas varían en la cantidad de proteína que contienen, y mostró cómo la exposición de los grupos de cabeza de lípidos en la superficie de la membrana es compatible con su sensibilidad a la digestión por fosfolipasa . Además, la fluidez de las bicapas lipídicas y la entremezcla de sus componentes dentro de la membrana facilitan la visualización de la movilidad tanto de los lípidos como de las proteínas.
Henderson y Unwin han estudiado la membrana púrpura mediante microscopía electrónica, utilizando un método para determinar las estructuras proyectadas de muestras cristalinas no teñidas. Aplicando el método a muestras inclinadas y utilizando los principios propuestos por DeRosier y Klug para la combinación de dichas vistas bidimensionales, obtuvieron un mapa tridimensional de la membrana con una resolución de 7 Å. El mapa revela la ubicación de los componentes proteínicos y lipídicos, la disposición de las cadenas polipeptídicas dentro de cada molécula proteica y la relación de las moléculas proteicas en la red. [6]
Se han utilizado micrografías de alta resolución de matrices cristalinas de proteínas de membrana, tomadas con una dosis baja de electrones para minimizar el daño por radiación, para determinar la estructura tridimensional mediante una transformada de Fourier . Estudios recientes sobre uniones Gap™ de hepatocitos de rata teñidas negativamente y sometidas a reconstrucciones de Fourier tridimensionales (de micrografías electrónicas de dosis baja ) indican que las seis subunidades proteínicas están dispuestas en un cilindro ligeramente inclinado tangencialmente, que encierra un canal de 2 nm de ancho en la región extracelular. Las dimensiones del canal dentro de la membrana eran más estrechas, pero no se pudieron resolver (Unwin y Zampighi, 1980). Un pequeño movimiento radical de las subunidades en los extremos citoplasmáticos podría reducir la inclinación de la subunidad tangencialmente al eje séxtuple y cerrar el canal. [7]
Se obtendrán más detalles de la organización molecular a medida que se disponga de más métodos de preparación, de modo que se obtengan imágenes tridimensionales de alta resolución comparables a las de las membranas púrpuras. Mediante el uso de procedimientos ingeniosos para el análisis de matrices periódicas de macromoléculas biológicas , en las que se combinaron datos de imágenes de electrones de baja dosis y patrones de difracción, Henderson y Unwin (1975) reconstruyeron una imagen tridimensional de membranas púrpuras con una resolución de 0,7 nm. Se empleó la inclusión de glucosa para aliviar el daño por deshidratación y dosis bajas (< 0,5 e/A*) para reducir el daño por irradiación. Las micrografías electrónicas de membranas no teñidas se registraron de modo que la única fuente de contraste fuera un contraste de fase débil inducido por el desenfoque.
En su experimento, Unwin y Henderson descubrieron que la proteína se extiende a ambos lados de la bicapa lipídica y está compuesta por siete hélices α, dispuestas a una distancia de entre 1 y 1,2 nm, con una longitud de 3,5 a 4,0 nm y dispuestas perpendicularmente al plano de la membrana. Las moléculas están organizadas alrededor de un eje triple con un espacio de 2 nm de ancho en el centro que está lleno de lípidos. Este elegante trabajo representa el avance más significativo hasta el momento, ya que nos ha proporcionado por primera vez la estructura de una proteína de membrana integral in situ. La disponibilidad de la secuencia de aminoácidos, junto con la información sobre la densidad de dispersión de electrones del trabajo de Henderson y Unwin, ha estimulado los esfuerzos de construcción de modelos (Engleman et al., 1980) para encajar la información de la secuencia de bacteriorrodopsina en una serie de segmentos α-helicoidales.
Basándose en el modelo de mosaico fluido, se propuso un marco denominado código proteolipídico para explicar la organización de la membrana. [8] El código proteolipídico se basa en el concepto de zona, que es una región funcional de la membrana que se ensambla y se estabiliza con dependencia tanto de proteínas como de lípidos. Se propone que las proteínas integrales y ancladas a lípidos formen tres tipos de zonas: proteínas con una huella lipídica asociada, [9] islas de proteínas y huecos de solo lípidos. Aunque estos últimos no contienen proteínas como parte de su conjunto de partículas internas o estructura primaria, sí contienen proteínas en su asociación cuaternaria con los dos primeros tipos de zona que influyen en la composición del hueco. La idea de que los lípidos pueden agruparse independientemente de las proteínas a través de interacciones lípido-lípido y luego reclutar proteínas integrales está prohibida en el marco, aunque se permite la agrupación de lípidos independiente de las proteínas y se designa como estructura secundaria de zona.