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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 [email protected]; [email protected] ;

[email protected]; [email protected]

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:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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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


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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 .


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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


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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).


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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.

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