thumb|Fosfolípidos organizados en liposomas, micelas y bicapa lipídica.
Los lípidos constituyen aproximadamente el 50 % de las moléculas de las membranas biológicas, en la mayoría de las células. Sin embargo, en las membranas mitocondriales, esta proporción puede rebajarse hasta solo un 15% de la masa total de la membrana. Los lípidos se pueden juntar de distintos modos para formar una membrana: en micelas, en bicapas lipídicas o bien en liposomas, pero las membranas plasmáticas son siempre bicapas (con excepción de la "monocapa" presente en algunas de las arqueas, que son bastante más estables y resistentes a la disgregación, por lo tanto, no resulta extraño que este tipo de membrana sea habitual entre las arqueas hipertermófilas, que se desarrollan en ambientes con temperaturas muy altas).
Estas mismas, son las que permite que accedan distintos tipos de sustancias, lo que tienen que cumplir con la característica.
Características principales
Función y estructura básica
La función principal de los lípidos en las membranas biológicas es estructural. En efecto, son los lípidos quienes dan soporte a las membranas, componentes esenciales de toda célula, ya que permiten formar diferentes compartimentos celulares en las células eucariotas, además de ser quienes marcan la frontera entre las células y el mundo extracelular (gracias a la membrana plasmática). Por otra parte, los lípidos actúan como barrera al flujo de moléculas grandes o polares.
La mayoría de las membranas están formadas por bicapas de un grosor de entre 6 y 10 nm.Bioquímica, capítulo 12, Lípidos y membranas celulares, Jeremy M. Berg, John L Tymozcko y Lubert Stryer En una porción de una membrana animal de 1 μm x 1 μm se encuentran 5 millones de moléculas lipídicas, por lo que en una membrana animal de una célula pequeña se suelen encontrar mil millones de moléculas lipídicas.Biología Molecular de la Célula, Parte IV, Capítulo 10, Bruce Alberts
Todas las células constan de membranas plasmáticas formadas por bicapas lipídicas. A raíz de los efectos de las interacciones hidrofóbicas por parte de los lípidos (al ser apolares, no interactúan con las moléculas de agua), las moléculas lipídicas se juntan de forma espontánea y los lípidos forman un agregado, en modo de micelas de diámetro de 10-20 nm que constituyen vesículasBioquímica, Parte IV, Capítulo 24, Estructura y dinámica de las membranas biológicas, Werner Müller-Esterl cuando los lípidos tienen forma de cuña (ácidos grasos) y en forma de bicapas cuando las moléculas son cilíndricas (fosfolípidos). Todos los lípidos de membrana tienen unas cabezas hidrofílicas (siente atracción por el agua) que están en contacto con el agua y unas colas hidrofóbicas (apolar) que quedan escondidas en el agregado. Todas las interacciones entre lípidos para formar membranas son no covalentes.
Casi todos los lípidos de membranas son pues anfipáticos, exceptuando unos muy pocos ácidos neutros. Esta condición, además de conferirles a los lípidos la posibilidad de formar bicapas o micelas, está al origen de las propiedades de autosellado. Estas propiedades permiten a las bicapas cerrarse espontáneamente, ya que no pueden existir extremos libres en las bicapas y consecuentemente se cierran sobre sí mismas. Este sellado es energéticamente favorable y permitió el aparecer de la vida, ya que una célula necesita tener unas fronteras para ser viable y para ser caracterizada como tal.
Movilidad y fluidez
La característica principal de los lípidos de membrana es que tienen una alta fluidez que les permite mucho movimiento, contrariamente a lo que se pensaba hasta 1972, momento en el que Jonathan Singer y Garth Nicolson propusieron el modelo del mosaico fluido.
La fluidez de las membranas causada por los lípidos permite la permeabilidad selectiva de las moléculas que atraviesan la membrana, además de ser imprescindible en algunos procesos metabólicos, cómo es el caso del movimiento del coenzima Q en la membrana mitocondrial, en procesos de transporte o en la transducción de señales.
Los lípidos tienen varias formas de movimiento: pueden moverse lateralmente, en el plano de la membrana, pueden rotar sobre sí, pueden tener movimientos de flexión en los cuales son las cadenas las que se mueven, y finalmente pueden padecer procesos de flip-flop.
Tipos de movimiento
Difusión lateral: es el movimiento más común en los lípidos de membrana y es de una velocidad alta. En efecto, su coeficiente de difusión es de 10-8 cm/s. Es decir que se difunde en toda la longitud de la membrana en unos pocos segundos. Rotación y flexión: son fenómenos observados pero de los cuales se sabe poco. Se podría pensar que es para facilitar en algunos casos la entrada de las moléculas en la célula y aumentar así la permeabilidad. Flip-flop: permite el traspaso de los lípidos de una capa a la otra de la bicapa. Es un proceso muy lento y que consume mucha energía, ya que las cabezas polares de los fosfoglicéridos deben atravesar un medio apolar. Aun así, es imprescindible, para que se regenere la monocapa no citosólica. Por ello, los lípidos cuentan con la ayuda de unas enzimas que facilitan el movimiento: las flipasas o translocadoras de fosfolípidos. Estas enzimas se encuentran en el Retículo Endoplasmático, dónde se sintetizan los lípidos, y en la membrana plasmática. El movimiento de flip-flop es raro y ocurre solo una vez por día.
Regulación de la fluidez
La fluidez de las bicapas lipídicas está controlada por varios factores. Esta regulación debe ser precisa para que no se detengan los procesos de transporte o enzimáticos, ya que se pueden detener si la viscosidad aumenta o baja más allá de un nivel límite. Por ello algunos mecanismos permiten controlar la fluidez. La composición de la membrana y la temperatura son los elementos que más interfieren en la viscosidad de la membrana.
Estructura de los fosfolípidos
La fluidez de las membranas depende sobre todo de la longitud y del nivel de insaturación de los fosfolípidos. En efecto, cuánto más cortos y más insaturados son los lípidos de membrana, más fluida es esta última. Este hecho se debe a que las cadenas largas muestran una mayor asociación entre sí. Concretamente, por cada grupo -CH2- añadido, la energía libre de interacción entre dos cadenas disminuye en 0, 5 kcal mol-1, por lo que la interacción es más fuerte. Cuando las cadenas son más cortas, se reduce pues la interacción entre los grupos alquilos de los lípidos. Por otro lado, el grado de saturación de los fosfolípidos también infiere en la fluidez. Las membranas con lípidos poco insaturados son muy rígidas, ya que las cadenas hidrocarbonadas interaccionan fuertemente entre ellas. Del mismo modo, los dobles enlaces rebajan el empaquetamiento de los lípidos gracias a su “doblez”.
Temperatura
La fluidez de una membrana también depende de la temperatura del medio. Una bicapa puede pasar de estar en forma líquida y viscosa a una forma más ordenada y cristalina, perdiendo pues sus propiedades de movimiento. Este cambio de estado se conoce por transición de fase. Una membrana entra en transición de fase cuando la temperatura supera la temperatura de transición. Más allá de una cierta temperatura, que depende de la longitud y del grado de insaturación de las cadenas de los fosfolípidos, la membrana se fusiona. Por lo tanto, si las colas son cortas e insaturadas, esta temperatura será más baja y será más difícil cristalizar la membrana. Este hecho se observa en las patas de los animales polares, que tienen membranas muy insaturadas para que no se congelen. Por otro lado, algunas bacterias cómo la E.Coli modifican la proporción de lípidos saturados e insaturados en función del cambio de temperatura.Bioquímica, Parte II, Capítulo 10, Lípidos, membranas y transporte celular, Mathews, Van Holde y Ahern
Colesterol
Otro elemento que controla la fluidez de las membranas es la proporción de colesterol. La correlación entre los niveles de colesterol y la fluidez de la membrana es complejo. El anillo esteroide rigidiza la membrana en la región comprendida desde el comienzo de las cadenas carbonadas hasta el carbono 9 de los fosfolípidos. A partir de allí, el segmento isooctilo imposibilita una fuerte interacción entre las cadenas carbonadas de los fosfolípidos, aumentando notablemente la fluidez.Subczynski et al. High Cholesterol/Low Cholesterol: Effects in Biological Membranes Review. Cell Biochem Biophys. 2017 Dec;75(3-4):369-385. DOI 10.1007/s12013-017-0792-7 Esto resulta especialmente relevante a bajas temperaturas, situación en que la fluidez general de la membrana se ve reducida. En este sentido el colesterol resulta un inhibidor, al mismo modo que las insaturaciones, de las transiciones de fase hacia la cristalización. De esta manera, dependiendo de las circunstancias y a región de la bicapa considerada, el colesterol puede aportar tanto a la rigidez como a la fluidez de la membrana plasmática.
Asimetría de los lípidos de membrana
Otra característica importante de los lípidos de membrana es que presentan una fuerte asimetría. Existen dos tipos de asimetría: una en la proporción de fosfolípidos entre una capa y otra de la bicapa lipídica y otra entre diferentes regiones de la membrana.
Esta asimetría responde a una funcionalidad y a la biosíntesis de cada tipo de lípido.
Asimetría entre monocapas
La asimetría entre capas puede ser absoluta, cómo en el caso de los glucolípidos, que siempre se sitúan en la monocapa no citosólica, o no absoluta, como es el caso de los fosfolípidos. La mayoría de los fosfolípidos cargados negativamente se sitúan en la cara interior (fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina) mientras que los fosfolípidos cargados positivamente como la fosfatidilcolina y la esfingomielina se encuentran en la cara exterior. Este desajuste es una de las causas del potencial de membrana que se observa en las membranas celulares.
La asimetría de las membranas también contribuye a la señalización celular. Cada fosfolípido tiene su tarea y su posición es adecuada para realizar la función que le caracteriza. La asimetría se produce en varias etapas: el retículo endoplasmático liso origina los lípidos de las membranas asimétricas. Los hidratos de carbono sintetizados siempre acaban en la cara citosólica del retículo, aunque se formen en la cara luminal. Luego, cuando se añaden los grupos fosfato, los fosfolípidos, gracias a la acción de flipasas, van a la cara luminal o se quedan en la citosólica. Los lípidos que acaban en la cara citosólica de las vesículas se quedan en la monocapa citosólica, de preferencia, mientras que los de la cara luminal se quedan en la monocapa extracelular. Sin embargo, gracias a las flipasas, estas localizaciones son dinámicas y pueden ir cambiando.
Asimetría por microdominios
La otra asimetría que se puede vislumbrar en las membranas es la diferencia de componentes por regiones de membrana. En efecto, la membrana plasmática contiene microdominios enriquecidos en algún lípido como pueden ser esfingolípidos o colesterol. Algunos lípidos se concentran pues en algunas zonas. Esta aglomeración se debe al gran tamaño de algunos esfingolípidos, que mantienen una fuerte interacción entre ellos, lo que crea unas zonas más gruesas que otras en la membrana plasmática. Estos conglomerados, llamados lipid rafts, son de gran ayuda para la transducción de señales por parte de proteínas receptoras.
Los lípidos de membrana confieren pues a la membrana plasmática un alto dinamismo, mediante su movilidad, su fluidez y su asimetría.
Tipos de lípidos en las membranas
En las membranas biológicas hay gran variedad de lípidos, pero se pueden clasificar en cuatro grandes grupos.
Fosfolípidos