2.3 Estructura y composición membranal

Ha fascinado a botánicos desde el siglo diecinueve la capacidad de las membranas celulares vegetales para regular la toma de solutos. En esos tiempos las técnicas experimentales disponibles limitaron la investigación del proceso. No obstante, ya en los primeros años del siglo veinte se habían establecido algunos hechos básicos sobre la penetración de solutos a través de la membrana plasmática y tonoplasto, como por ejemplo la relación inversa entre la penetración de la membrana y el diámetro de moléculas no cargadas y las tasas a las que penetran las membranas. Se han confirmado recientemente estas propiedades de las membranas como ultrafiltros, por lo menos en su principio (Tabla 2.5).

De este modo, además de las paredes celulares (Sección 2.2.1) las membranas celulares son barreras efectivas para solutos de alto peso molecular. La mayoría de quelatantes sintéticos como EDTA (ver también Tabla 2.4) y sideróforos microbianos como los quelatantes específicos de hierro (Sección 16.5) son de alto peso molecular y esta limitada su tasa de penetración a través de la membrana plasmática de las células radicales. Es posible, por lo tanto, usar altas concentraciones externas de solutos orgánicos de alto peso molecular como el polietilenglicol como efectivos osmóticos a fin de inducir una deficiencia hídrica (estrés hídrico) en plantas.

Las moléculas que son altamente solubles en solventes orgánicos, i.e., con propiedades lipofílicas, penetran las membranas mucho mas rápido que lo que se predice en base a su tamaño. Presumiblemente los principales factores responsables de la rápida penetración son la solubilidad de estas moléculas en la membrana y su habilidad para difundirse a través del corazón lipídico de las membranas.

Las membranas se componen típicamente de dos clases principales de compuestos: proteínas y lípidos. Los carbohidratos comprenden solo una mínima fracción de las membranas. La abundancia relativa de proteínas y lípidos puede ser bastante variable dependiendo de si la membrana es plasmática, mitocondrial ó del cloroplasto. Las membranas también difieren en diámetro, por ejemplo en espinaca desde 10.5 nm (membrana plasmática) a 8.1 nm (tonoplasto) y 6.3 nm (retículo endoplasmático). Sin embargo, todas las biomembranas tienen alguna estructura básica común como se muestra en el modelo de la Fig. 2.4.

Fig. 2.4 Modelo de biomembrana con lípidos polares y con proteínas integradas, cualquiera extrínseca ó intrínseca. La última puede atravesar la membrana para formar “proteínas de canal”.

Los lípidos polares (e.g., fosfolípidos) con cabezas cargadas hidrofílicas (grupos fosfato, amino y carboxílicos) se orientan hacia la superficie membranal. Las moléculas proteicas pueden estar adheridas (proteínas extrínsecas), por ejemplo, por ligamiento electrostático a las superficies como enzimas de membrana. Otras proteínas pueden estar integradas dentro de las membranas (proteínas intrínsecas), ó cruzar las membranas para formar “proteínas de canal” (proteínas transportadoras) que funcionan en el transporte membranal de solutos polares como los iones (Sección 2.4).

Tres lípidos polares representan los mayores componentes lipídicos de membranas: los fosfolípidos, los glucolípidos, y menos abundantes, los sulfolípidos (excepto en las membranas tilacoidales de los cloroplastos, donde ellas están en cantidades considerables). Se muestran a continuación ejemplos de estos lípidos polares:

Otro grupo importante de lípidos de membrana consisten los esteroles, por ejemplo el β-sitosterol:

A través de su rol estructural en las membranas los esteroles pueden afectar indirectamente los procesos de transporte como la actividad de la ATPasa bombeadora de protones de la membrana plasmática. De acuerdo con esta afirmación el contenido de esteroles es muy bajo en las endomembranas (e.g., retículo endoplasmático) pero puede ascender hasta más del 30% de los lípidos totales en la membrana plasmática y también en el tonoplasto (Tabla 2.6). A pesar de estas diferencias en los lípidos, la composición de ácidos grasos de fosfolípidos es similar en ambas membranas. Los ácidos grasos de cadena larga en los lípidos polares de membrana varían en ambos en longitud y en grado de insaturación (i.e., numero de enlaces dobles) que influyen el punto de fusión (Tabla 2.6).

La composición lipídica característicamente no solo difiere entre membranas de células individuales sino también entre células de diferentes especies vegetales, también fuertemente afectada por factores ambientales. En hojas, por ejemplo, se presentan marcadas variaciones anuales en los niveles de esteroles y en raíces disminuyen ambos el contenido de fosfolípidos y la proporción de ácidos grasos altamente insaturados bajo deficiencia de zinc. En muchos casos los cambios en la composición lipídica reflejan la adaptación vegetal a su ambiente mediante el ajuste de las propiedades de la membrana. Generalmente, los ácidos grasos altamente insaturados predominan en plantas que crecen en clima frío. Durante la aclimatación vegetal a bajas temperaturas también se observa frecuentemente un aumento en ácidos grasos altamente insaturados. Tal cambio mueve el punto de congelamiento (i.e., la temperatura de transición) de las membranas a una temperatura menor y puede así ser de importancia para el mantenimiento de las funciones de la membrana a bajas temperaturas. Es cuestionable, sin embargo, generalizar acerca del efecto de la temperatura sobre la composición lipídica de las membranas. En centeno, por ejemplo, que es una especie vegetal tolerante al frío, la proporción de ácidos grasos poliinsaturados en las raíces disminuye en vez de incrementarse cuando las raíces fueron refrigeradas.

Durante la aclimatación de raíces a bajas temperaturas también se realza la síntesis de nuevas proteínas de membrana y aumentan considerablemente los fosfolípidos. Ya que los fosfolípidos probablemente actúan como receptores para fitohormonas como el ácido giberélico, puede estar relacionada con estos cambios la creciente sensibilidad de membranas a bajas temperaturas al ácido giberélico.

Frecuentemente están altamente correlacionadas las propiedades de membrana entre la selectividad iónica y composición lipídica como por ejemplo entre la toma del cloruro y los esteroles y galactolípidos (Sección 16.6). Además los cultivos fríjol, remolacha azucarera y cebada difieren no solo en la composición de ácidos grasos de las membranas radicales sino también considerablemente en la toma de sodio (Sección 10.2).

Las alteraciones en la composición lipídica de las membranas radicales son también respuestas típicas a cambios en el suministro de nutrientes minerales ó exposición a la salinidad. De los nutrientes minerales, el calcio juega el rol más directo en el mantenimiento de la integridad de la membrana, una función que es discutida en la Sección 2.5.2. En raíces de soya, los cambios en el suministro de calcio y de nitrógeno afectan la relación de ácidos grasos saturados a insaturados así como la tasa de toma de ciertos herbicidas. Puede observarse un incremento en la permeabilidad de membrana en raíces que sufren de deficiencia de fósforo y zinc. En caso de deficiencia de fósforo, se asume que el factor responsable es el agotamiento de fosfolípidos en las membranas. En caso de deficiencia de zinc, se presume que esta involucrada en el agujereado de membrana la autooxidación de los ácidos grasos altamente insaturados en las membranas.

Se demuestra claramente la naturaleza dinámica de las membranas, por ejemplo, por la rápida disminución en el eflujo de solutos de bajo peso molecular (potasio, azucares, aminoácidos) después de reabastecer de zinc a raíces deficientes en zinc. Otro ejemplo es la rápida incorporación de constituyentes de membrana suplidos externamente como los fosfolípidos a la estructura de la membrana. Para la membrana plasmática las tasas de recambio parecen estar en el orden de solo unas pocas horas. Tales tasas de recambio indican que ciertas subunidades (e.g., con proteínas intrínsecas; Fig. 2.4) son ya sintetizadas y transportadas a la membrana plasmática vía vesículas secretoras como por ejemplo el aparato de Golgi.

La incorporación de además compuestos suplidos externamente, sin embargo, deja a las membranas más sensibles al daño. La incorporación de antibióticos como la nistatina induce la formación de poros (“huecos”) en las membranas y una correspondiente rápida filtración de solutos de bajo peso molecular como el potasio.  Los ácidos monocarboxílicos como el ácido acético y el ácido butírico, también inducen daño a la membrana. Las especies no disociadas de estos ácidos son tomadas rápidamente y conducen al súbito incremento del agujereado de membrana, como lo indica la filtración de potasio y nitrato desde el tejido radical. La capacidad de los ácidos monocarboxílicos para inducir el agujereado de membrana se incrementa con el largor de la cadena del ácido [C₂(ácido acético) → C₈(ácido caprílico)] y por lo tanto con el incrementado comportamiento lipofílico, así como con una disminución del pH externo (R۰COO^- + H⁺ → R۰COOH). Los ácidos monocarboxílicos no disociados pueden incrementar el agujereado de la membrana al cambiar la composición de ácidos grasos de la membrana, particularmente al disminuir la proporción de ácidos grasos poliinsaturados como el ácido linolénico. Es de considerable importancia ecológica el efecto de los ácidos monocarboxílicos sobre la permeabilidad de la membrana radical, ya que estos ácidos se acumulan en suelos inundados (Sección 16.4).

Estos ejemplos demuestran que por un rango de factores ambientales se afectan la composición, estructura e integridad de membrana. En la ultima década en particular, se ha acumulado creciente evidencia de que un rango de factores de estrés ambientales como la alta intensidad lumínica, la sequía, las heladas, los contaminantes aéreos, y también las deficiencias de nutrientes minerales son dañinas para las plantas al deteriorar la integridad de la membrana, y esto eleva los niveles de especies tóxicas de oxigeno que están causalmente involucradas en este deterioro.

Como se muestra en la Fig. 2.5, estas especies tóxicas de oxigeno son cualquiera radicales como el superóxido (O₂^.-) ó hidroxilo (OH^.), ó la molécula peróxido de hidrogeno (H₂O₂). Todas se forman en varias reacciones y procesos metabólicos donde el oxigeno este involucrado, por ejemplo en la fotosíntesis y en la respiración, incluyendo la oxidación de NADPH ó NADH en la interfase membrana plasmática–pared celular. La toxicidad por especies activadas de oxigeno y sus derivados se causa, por ejemplo por la oxidación de grupos tioles (-SH) de enzimas y la peroxidación de los ácidos grasos poliinsaturados de membrana. Los organismos aeróbicos incluyendo plantas poseen un rango de sistemas de defensa (Fig. 2.5) para la detoxificación de radicales de oxigeno y peróxido de hidrogeno, incluyendo la superóxido dismutasa (O₂^.-→H₂O₂) y la peroxidasa/catalasa (H₂O₂ →H₂O ).

  Fig. 2.5 Modelo de generación de, y peroxidación lipídica membrana por, radicales de oxígeno y peróxido de hidrógeno, y sistemas de secuestro y detoxificación. (I. Cakmak, no publicado.)

La nutrición mineral vegetal puede afectar en varios niveles ambos, la generación de especies tóxicas de oxigeno de peróxido de hidrogeno, y los mecanismos para su detoxificación. Esto puede resumirse así:

1. Como un componente de enzimas detoxificantes (e.g., zinc, cobre, manganeso, ó hierro en las superóxido dismutasas; hierro en peroxidasas y catalasas);

2. Por acumulación de precursores para la formación de radicales (e.g., fenoles y quinonas) bajo deficiencia nutricional (e.g., deficiencia de boro);

3. A través de la disminución en la actividad demanda (i.e., la demanda) y la acumulación de fotosintatos y correspondientemente elevados niveles de especies tóxicas de oxigeno en hojas fuente bajo deficiencia de nutrientes minerales (e.g., potasio y magnesio).

Varios de estos aspectos son discutidos en mayor detalle en secciones relevantes sobre fotosíntesis (Capitulo 5) y sobre las funciones de los nutrientes minerales (Capítulos 8 y 9).  

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