Post on 24-Feb-2018
7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
1/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
VIII Encontro Nacional de Pesquisa em Educao em
Cincias VIII ENPEC I Encuentro Iberoamericano de
Investigacin en Didctica de las Ciencias I IEPEC
Campinas, 5-9 de Dezembro de 2011 1 Comunicacin oral
individual Investigacin terica El Desarrollo Histrico del
Modelo Cientfico de Membrana Plasmtica: The Historical
Development of Plasma Membrane Scientific Model:
didactics perspectives Joglar, Carol2 ; Quintanilla, Mario2 ;
Ravanal, Eduardo3 ; Brunstein, Juan2y4 PUC de Chile2 ,
UCEN3 , UCH4 cjoglarc@uc.cl; mquintag@uc.cl ;
lravanalm@ucentral.cl; jfbrunst@uc.cl
El modelo de Membrana Plasmtica, antecedentes,
estructuracin y avances hacia su consolidacin. Con
excepcin de algunos virus, la mayora de los seres vivos
contiene membranas, estas son un componente limtrofe y
activo que separa la clula del medio extracelular. Tambin
se componen de membranas compartimientos internos de
la clula, como por ejemplo los organelos (Eichman, 1999).
El estudio de las biomembranas est mezclado desde sus
inicios con el estudio de los lpidos (petrleo y aceites) y su
interaccin con el agua. Eichman (1999) menciona que uno
de los primeros en describir la relacin de los lpidos con el
agua fue Plinio el Viejo, en su obra enciclopdica Historia
Natural (ao 77 D.C), compuesta por 37 libros. Plinio seala
que el agua del mar puede ser calmada fcilmente con el
petrleo, idea que con el pasar del tiempo se convirti en
parte del folclor. Siglos ms tarde entre los primeros
experimentos realizados y registrados est del de Benjamn
Franklin en 1774, el cual derram una cucharada de aceite
sobre el mar encrespado, cuenta el: [] aunque no era
ms que una cucharada, produca una calma instantnea,
sobre varia yardas cuadradas, la cual se extenda de manera
asombrosa y gradual hasta que alcanz el sotavento e hizo
que toda esa porcin del estanque, tal vez la mitad de un
acre, fuera tan lisa como un cristal. (Voet & Voet, 2004, p.
405) En ese momento B. Franklin no saba el por qu se
reducan las olas cuando se derramaba el aceite, y tampoco
el por qu solamente consegua calmar olas pequeas. Esta
situacin se generaba debido a la reduccin de la tensin
superficial del agua, provocada por una fina capa
monomolecular de lpidos (Heimburg, 2007). Las
investigaciones acerca de las capas monomoleculares
fueron retomadas cien aos despus. En 1890 Lord Raleigh,
cientfico con formacin en el rea de fsica y matemtica
en VIII Encontro Nacional de Pesquisa em Educao em
Cincias VIII ENPEC I Encuentro Iberoamericano de
Investigacin en Didctica de las Ciencias I IEPEC
Campinas, 5-9 de Dezembro de 2011 4 Cambridge, fue
capaz de repetir el trabajo de Franklin y adems midi el
tamao de la zona que ocupara determinado volumen de
petrleo al ser esparcido en el agua, y el grosor de la pelcula
formada. Un ao despus, una mujer llamada Agnes
Polkeds, le escribe una carta contando que haba
conseguido desarrollar un dispositivo en experimentos
realizados en su propia cocina, para medir el rea exacta
que el aceite ocupa cuando es esparcido sobre el agua. Las
bases de este dispositivo todava son utilizadas hoy por los
cientficos que desarrollan estudios en fenmenos de
superficie (Eichman, 1999). El uso del concepto membrana
biolgica se atribuye al botnico alemn Pfeffer que en el
ao de 1887 (Meza, Romero-Mndez
Armss, 2010), realizaba estudios
propiedades osmticas en las clul
identifica semejanzas entre stas y las
al precipitar ferrocianuro cprico sobr
de la cermica. Los estudios perm
desarrollara la hiptesis en la cual ad
derredor de la clula de una capa
propiedades apropiadas, mas con
invisible, podra tener propiedades
estudios de las propiedades osmtica
relacin del estudio del comportamie
superficies con la membrana ocurre de
ya que durante este mismo periodo Er
(1895), botnico especializado en
farmacologa, realizaba su doctorado
Universidad de Zurich. Entre sus inve
buscaba explicar cmo las clulas v
absorber algunas substancias y exc
contexto el percibe que substancias
atravesaban la membrana con relativa
llama de lipoides, pues las relaci
qumica apolar de las mismas, tambi
hay diferencia cuanto a las propiedad
entre las clulas vegetales y animales
en contra de lo que se pensaba en esa
cientfico, ya que la idea era que
impermeable a casi todo excepto el
permitieron a Overton enunciar do
similitudes entre las membranas bio
como el aceite de oliva. 2. Ciertas mol
mailto:jfbrunst@uc.clmailto:jfbrunst@uc.clmailto:jfbrunst@uc.clmailto:jfbrunst@uc.cl7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
2/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
por disolucin dentro lpidos de la membrana (Eichman,
1999). A pesar de los trabajos desarrollados por Overton,
sus hiptesis no fueron tomadas en cuenta, y los estudios
de la membrana plasmtica, quedaron de cierta forma
parados durante algn tiempo. Sin embargo, los trabajos de
investigacin acerca de las capas monomoleculares fueron
retomados por Irving Langmuir, cientfico de formacin en
Fsica y Qumica, que trabajaba en los laboratorios de la
empresa General Electric - EUA, llegando de esa forma al
estudio del aceite con el agua. Para eso usa una versin
mejorada del aparato desarrollado por Agnes Pockels,
quien consigui mediciones precisas de las superficies
ocupadas por cantidades conocidas de petrleo.
Finalmente en el ao de 1916, Langmuir publica un artculo
sobre sus estudios acerca de monocapa moleculares
(Langmuir, 1916) en el cual relat el comportamiento de los
fosfolpidos en el agua, donde sus grupos polares se
disponan perpendicularmente al agua y los hidrocarburos
en direccin opuesta a ella. Estas conclusiones fueron
claves para la comprensin, posterior, de la bicapa lipdica
de las membranas biolgicas. La compresin de la
estructura de la membrana era todava reducida y
tangenciales a los estudios de los lpidos y su
comportamiento. Sin embargo Gorter profesor mdico
pediatra y tambin investigador, llamado E. Gorter, junto
con su asistente de investigacin F. Grendel, trabajaban en
el laboratorio del hospital peditrico de la universidad de
Leinden, Holanda y fueron de cierta forma los primeros en
investigar especficamente las membranas biolgicas y su
espesor. De los trabajos realizados por Langmuir en 1916
sobre el comportamiento en agua, de las monocapas de
lpidos, estos investigadores extrajeron los lpidos de las
membranas de eritrocitos provenientes de varios animales,
cuyas clulas rojas tienen tamaos diferenciados. Para esto
usaron acetona juntamente a otros solventes (Gorter,
Grendel, 1925) y notaron que al extenderlos sobre el agua,
stos ocupaban el doble de la superficie de cada una de las
clulas desde donde provenan, como lo mencionan en el
artculo de su autora: Nosotros, por tanto, suponemos
que todo eritrocito est rodeado por una capa de lpidos, de
los cuales los grupos polares se dirigen al interior y al
exterior, en gran parte de la misma manera en que Bragg
(1) supone que las molculas se orientan en un "cristal" de
un cido graso, y como se disponen las molculas de una
burbuja de jabn segn Perrin (2). En el lmite de dos fases,
siendo una la solucin acuosa de la hemoglobina, y la otra
el plasma, dicha orientacin parece ser a priori la ms
probable. Cualquier otra explicacin que no tenga en
cuenta esta relacin constante entre la superficie de los
eritrocitos[...] y el contenido de lipoides parece muy difcil
de sostener. Hemos examinado la sangre del hombre y del
conejo, perro, conejillo de indias, ovejas y cabras. Existe una
gran diferencia en el tamao de los hemates de estos
animales, pero la superficie total de los eritrocitos en 0,1 cc
de sangre no muestran una divergencia similar, porque los
animales que tienen clulas muy pequeas (de cabra y
oveja) tienen mayor cantidad de estas clulas en su sangre
que los animales con clulas de mayores dimensiones
(perro y el conejo). Damos todos los resultados de nuestros
experimentos, omitiendo nicamente aquellos en los que
no hemos podido evitar prdidas en el procedimiento de
evaporacin de la acetona. Est claro que todos nuestros
resultados concuerdan muy bien con
los eritrocitos estn cubiertos por un
grasas que es de dos molculas de e
llev a la importante conclusin que
eritrocitos est cubierto por una cap
naturaleza lipdica, la cual tiene como e
dos molculas. Podemos notar la i
descubrimiento, ya que habla de una
doble capa de lpidos (bicapa lipdica),
resultados presentaron algunos pe
clculo en los resultados, sus conclusio
y como veremos ms adelante, bs
actual de membrana plasmtica.
Figura 1: La membrana plasmtica propuest
1935 (Heimburg, 2007)
Siete aos despus el biofsico Kenneth
hoy reconocido como el padre de la b
estudios de las propiedades elctricas
concluy que la membrana celular ten
por otros componentes adems de lp
Heimburg, 2007) . James F. Danielli, ing
el rea de la qumica, que desde los in
como investigador tuvo una fuerte incl
7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
3/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
de las membranas celulares junto a su amigo Hugh Davson.
Fue becado por dos aos para desarrollar investigaciones
en la Universidad de Princeton, EUA, lo que le posibilit
desarrollar trabajos junto a E. Newton Harvey, experto en
estudios de superficie celular. En una de sus investigaciones
con Harvey evidenciaron el requerimiento de un factor
adicional en la membrana, que seran las protenas. Fue
unos de los periodos ms fructferos de la vida de Danielli.
En el ao de 1935, volvi a Inglaterra a la University College
of London, y continu desarrollando sus estudios acerca del
transporte en la membrana celular con Hugh Davson,
fisilogo y amigo particular. A pesar de ser mundialmente
conocido por el desarrollo del primer modelo de membrana
plasmtica, Danielli desarroll una gran cantidad de otras
investigaciones, como por ejemplo el transporte facilitado,
tambin desarroll investigaciones en diversas reas de la
bioqumica (Stein, 1986). El modelo propuesto por Danielli y
Davson en el ao 1935 para la membrana plasmtica fue
aceptado por gran parte de la comunidad cientfica de aquella
poca. A diferencia del anterior, este modelo inclua protenas en
la membrana plasmtica, donde por sobre la bicapa se
encontraban protenas adsorbidas, la mayora solubles en el
agua, y que los fosfolpidos son anfipticos. En el artculo
propuesto en la poca, ellos m encionan: En la actualidad existe
un cuerpo de evidencia considerable que apoya la opinin de que
las clulas vivas estn rodeadas por una fina pelcula de material
lipdico. El trmino lipoide utilizado aqu se refiere a una
sustancia mucho ms soluble en hidrocarburos que en el agua
[...] Esto ofrece un argumento bastante slido respecto a que en
estas clulas la pelcula que separa el contenido de la celda
elctrica del medio circundante es de grosor unimolecular y
trimolecular. Si, como parece razonable suponer, la misma
membrana de una pelcula se ocupa tanto de las propiedades
elctricas y de la permeabilidad, se convierte en relevante para
considerar si las potencialidades de una pelcula de tal dimensin
son suficientes para explicar los fenmenos observados en los
sistemas biolgicos(Danielli & Davson, 1935, pag 495)
(Traduccin del autor). La propuesta de Danielli y Davson, que f ue
conocida como la teora Paucimolecular (Meza et al., 2010),
describe una bicapa lipdica y dos capas de protenas globulares,
siendo una interna y la otra externa a la bicapa (figura 2). La
regin externa de las protenas sera hidroflica y la interior
hidrofbica. Estas conclusiones partieron de la observacin deentrada y salida de substancia a la clula, motivo por el cual no
fue considerado como un modelo, ya que en este periodo las
evidencias acerca de la membrana eran indirectas pues la
resolucin de los microscopios de aquella poca se limitaba a los
200 nm, impidiendo as la observacin de la estructura ----
Figura 2: El modelo de membrana plasmtica prop
(Heimburg, 2007)
--bimolecular de la membrana, la cual tie
de espesor (Heimburg, 2007).
Danielli y Davson concluyen que la
membranas a los solutos se explica desd
fisicoqumica acerca de las regiones hidr
membranas celulares y no por reaccioneslos solutos son necesarios para explica
transporte de las membranas celulares (H
Bsicamente este modelo era un sndwi
por ambos lados de protenas. Este mode
membrana fue aceptado durante la
gradualmente insuficiente para explicar
investigaciones. En el ao de 1957, J. D. R
departamento de Anatoma de la Univers
escribi un artculo donde present su te
imgenes que se podan observar de la
tambin de su estructura nica, lo que
membrana (Robertson, 1957), tambi
modelo unitario. Este modelo confirma
por Gorter & Grendel (1925) y de Danielli y
se perciba una caracterstica trilaminar d
las dos lneas exteriores serian las capas d
la bicapa de lpidos. En el artculo de
concluye: Aunque este documento n
naturaleza precisa de la sustancia pu
primera vez la presencia de capas de
membrana de la clula de Schwann y esta
directa de cada una de estas capas con
comparables en la vaina de mielina. Se h
existe dicha continuidad en los 150 .
7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
4/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
mesaxones con cualquier capa de mielina de dimensiones
comparables. De hecho, el puente es, a los lmites de la
resolucin de las micrografas que aqu se presentan, obliterados
en la vaina de mielina. Por lo tanto, parece que las capas lipdicas
organizadas de la mielina no se continan en el puente central
del mesaxon. Esta conclusin se enfrenta de manera importante
con la controversia iniciada hace varios aos por Sjstrandand y
Rhodin (1953), con su hiptesis de que las capas lipdicas
organizadas estn presentes en los espacios entre las capas
densas de las membranas intercelulares y otras membranas deeste tipo. Se considera que esta hiptesis es refutada por los
resultados presentados aqu (Robertson, 1957, pag. 1046)
(Traduccin del autor).. Robertson la defina, conforme lo
menciona Meza, et. Al. (2010), la bicapa lipdica como una
barrera al libre flujo de iones y molculas hidrfilas, no
descartaba la posible presencia de canales acuosos a travs de
los cuales pudiese darse el transporte de estos materiales. En su
investigacin Robertson describe la estructura comn (figura 3)
de todas las membranas celulares, incluso de los orgnulos, sin
embargo eso no quita la posibilidad de compos iciones
diferenciadas de acuerdo a su especificidad (Eichman, 1999;
Heimburg, 2007; Robertson, 1957).
Figura 3: Estructura de la membrana relatada por D. J. Roberton (Heimburg,
2007)
El modelo de unidad de la membrana fue enseado en las
escuelas durante la dcada del sesenta e inicios de la dcada de
setenta. En los libros de texto apareca una imagen de
micrografa electrnica (figura 4) para demostrar la estructura
trilaminar de la membrana y su aspecto de sndwich. Sin
embargo, durante la dcada de los sesenta a travs de
microfotografas, se percibi que las protenas tienen formato
helicoidal, estando de esta forma como mosaico, no como una
camada continua, y las estructuras de las camadas lipdicas
tambin presentaban caractersticas ms de lquidos que slidos,
llevando a cuestionar as el modelo propuesto por Robertson
Figura 4: Imagen de las membrana celular trilam
Robertson (Heimburg, 2007)
A inicios de la dcada del setenta, el m
membrana fue reemplazado por el mod
bioqumicos S. J. Singer, profesor de biolog
California y Garth Nicolson investigador
Hammer Cancer Center, del Salk Ins
Biolgicos, los dos en La Jolla,San Diego, E
1972). Estos investigadores propusieron
membrana, para eso mantuvieron la bic
por Gorter & Grendel (1925), que fue mo
Davson (1935) y por Robertson (1959), en
propuestas por los investigadores que lo
propuso una forma globular y flotantes
anulando de cierta forma el modelo d
modelo se le llam de Modelo de Mo
describen en el artculo de la poca: Se p
mosaico fluido para la organizacin gene
protenas y los lpidos de las membranas b
consistente con las restricciones
termodinmica. En este modelo, las pro
membrana son un conjunto heterog
7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
5/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
globulares dispuestas en una estructura anfiptica, es decir, con
los grupos inicos y altamente polares sobresaliendo de la
membrana hacia la fase acuosa, y gran parte de los grupos no
polares profundos en el interior hidrofbico de la membrana.
Estas molculas globulares estn parcialmente incrustadas en
una matriz de fosfolpidos. La mayor parte de los fosfolpidos
estn organizada como una doble capa fluida discontinua,
aunque una pequea fraccin de los lpidos pueden interactuar
especficamente con las protenas de membrana. La estructura
de mosaico fluido es, por lo tanto, formalmente anloga a unasolucin de protenas integrales (o lipoprotenas) orientada de
modo bidimensional en el solvente viscoso de la bicapa
fosfolpididica (Singer & Nicolson, 1972, pag, 730) (Traduccin
del autor).. El modelo (figura 5) propone que las biomembranas
se componen bsicamente de protenas y lpidos los cuales son
compuestos por las colas hidrofbica, que estn localizadas para
el lado interno de la bicapa que es fluida y por las cabezas
hidroflica para los lados externos de la membrana en contacto
con el agua y el medio liquido intra y extracelular. Las protenas
estaran flotando en esa bicapa y son de dos tipos: a) las protenas
perifricas que estn en la regin ms externa de la membrana y
se ligan y desligan fcilmente de la misma, b) las protenas
integrales, las cuales no se pueden separar fcilmente de los
lpidos de la bicapa, stas componen la mayor cantidad de
protenas de la membrana. Segn Heimburg (2007) El nombre del
modelo provendra de Danielli y Davson (1935), a pesar que estos
investigadores no lo mencionaron, ellos destacaron que algunas
protenas pareca que interactuaba con los lpidos circundantes.
Otras protenas pueden contener canales o poros. De acuerdo
a investigaciones posteriores estas protenas estaran el rea que
est en contacto con la bicapa lipdica con caractersticas
hidrofbicas (Heimburg, 2007; Singer & Nicolson, 1972).
Figura 5: Figura del Modelo de Mosaico Fluido propuesto Singer y
Nicolson.(Singer & Nicolson, 1972).
Tiempos despus surgieron observaciones al modelo de Singer y
Nicolson entre ellas (Meza, Romero_Mndez, Lincn, & Snchez-
Armss, 2010), quienes mencionan que los parmetros
intrnsecos de los materiales de la membrana (por ejemplo:
densidad, mdulo elstico, viscosidad, energa libre superficial ymdulo de deformacin) mostraban diferencias significativas con
respecto a los observados en bicapas lipdicas artificiales.
Debido a este tipo de inconsistencias las crticas no demoraron,
lo que no se esperaba para el modelo propuesto, esto llev a la
incorporacin de la nocin de asimetra entre las dos monocapas
lipdicas. Los estudios realizados a partir de bicapas y monocapas
sintticas, segn Meza et al. (2010) permiti establecer los
principios termodinmicos que subyacen la segregacin de fases
inter e intra monocapas. En el ao 1988 Simons y van Meer,
proponen el modelo de microdominios lipdicos (Simons &
Meers, 1988), conocido actualmente como balsas de
membrana. Hay discordancias cuanto a que si este sera
realmente un nuevo modelo o simplem
modelo de Singer y Nicolson, ya que para a
modelo todava es vlido (Eddin, 2003; Ve
otros fue substituido por el modelo de Edd
Meer plantean que los complejos glicoes
se mantiene estrechamente empaquetado
unidades de balsas en la monocapa ext
plasmtica. Posteriormente, en la d
demuestra que esta situacin tambin o
interna, o sea la que est en contacto embargo su estructura y sus propiedades
para los investigadores (Meza et al., 2010)
ha consensuado la redefinicin del conce
rafts) a favor de balsas de membranas (m
segn Meza et al. (2010) se componen
en la membrana, heterogneos, a
enriquecidos con esteroides y
compartimentan procesos celulares. Ac
dos tipos de balsas de membranas: 1) las b
son muy pequeas y dinmicas y 2) l
invaginaciones de la membrana plasmtic
importante hoy a las balsas de membrana
la transduccin de seales extracelulares,
provocadas por virus, endocitocis y exoci
que la desestabilizacin de las mismas pod
y/o la actividad de algunas protenas de
al., 2010).
7/25/2019 MEMBRANA 11.pdf
6/6
2 Traduccin y destaque del autor, desde el artculo escrito por el mdico E. Gorter y su asistente de investigacin F. Grendel (Gorter & Grendel, 1925) .
Figura 6: Tipos de balsas de membrana: planas y caveolas (extraido de Meza et
al., 2010, pag. 6)
A pesar del profundo y notorio avance del modelo de membrana
plasmtica, a inicios de la segunda dcada del siglo veintiuno, las
crticas al modelo de balsas de la membrana ya se han iniciado.
Los principales hitos en la evolucin del modelo de membrana
plasmtica se iniciaron muchos aos antes que su visualizacin
en el microscopio. Como mencionamos anteriormente, desde los
estudios de la interaccin de los lpidos con el agua de forma
lenta y gradual, esos conocimientos han sido usados para la
comprensin de las propiedades de la membrana plasmtica, sus
caractersticas
estructurales y finalmente
el desarrollo de los
aspectos dinmicos de la
membrana.
Este proceso histrico
parte de simples
observaciones del
comportamiento del aceite
en el agua y llega al
complejo modelo de balsas
de membrana, este
modelo dinmico y actual
posibilita entender las
repercusiones funcionales
que tiene en el contexto de
cada clula, sin embargo
todava deja una gran
camino a recorrer por los
cientficos para, quien
sabe, descubrir nuevos y
complejos mecanismos defuncionamiento de las biomembranas, que a pesar de tan
pequeas y delgadas, realizan funciones fundamentales en el
mantenimiento de la integridad celular y consecuentemente del
ser vivo.