Fusión de membranas

Qué es la fusión de membranas

El término procede del latín fusio, -onis (acción de fundir o derramar, derivado de fundere) y del latín membrana (piel delgada que recubre un órgano). En biología celular designa el fenómeno mediante el cual dos bicapas lipídicas entran en contacto íntimo, reorganizan sus lípidos y se funden hasta generar una sola membrana sin solución de continuidad. No se trata de una rotura seguida de reparación: la bicapa mantiene su integridad durante todo el proceso, y el contenido acuoso encerrado por cada membrana solo se mezcla cuando se completa la apertura de un poro de fusión.

Esta capacidad resulta posible gracias a la fluidez inherente de las membranas biológicas, cuya composición en fosfolípidos, colesterol y proteínas permite deformaciones locales controladas. Theodore Schwann observó ya en 1847 que las paredes de ciertas células podían fundirse entre sí, aunque el mecanismo molecular no comenzó a esclarecerse hasta bien avanzado el siglo XX.

Mecanismo de la fusión: del tallo al poro

Según el modelo aceptado actualmente (conocido como modelo del tallo o stalk model), la fusión transcurre en varias etapas consecutivas. Primero, las dos membranas se aproximan lo suficiente como para vencer la repulsión electrostática e hídrica que las separa; las moléculas de agua asociadas a las cabezas polares de los lípidos deben ser desplazadas. En ese punto de contacto se forma una protrusión local que da lugar al llamado tallo de hemifusión, una conexión en reloj de arena donde las hemicapas externas (proximales) de ambas bicapas ya se han unido, mientras las hemicapas internas (distales) permanecen separadas.

Puede ocurrir que el tallo se expanda radialmente y forme un diafragma de hemifusión, una lámina lipídica compuesta solo por las hemicapas distales. La apertura de un poro dentro de ese diafragma, o directamente desde el propio tallo, completa la fusión y permite la mezcla del contenido acuoso. Las simulaciones moleculares publicadas a partir de 2002 sugieren que, en determinadas condiciones, el tallo no se expande en diafragma sino que desestabiliza las membranas adyacentes y genera perforaciones transitorias cuya coalescencia termina originando el poro.

Proteínas que dirigen la fusión

En las células eucariotas, la fusión de membranas rara vez es espontánea. Proteínas especializadas se encargan de acercar las bicapas, deformarlas localmente y reducir la barrera energética que separa cada intermedio. Las más estudiadas son las proteínas SNARE (del inglés soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor), que median la exocitosis, la fusión de vesículas con lisosomas y numerosas rutas del tráfico vesicular intracelular.

El complejo SNARE se ensambla cuando una v-SNARE (presente en la vesícula) se trenza con las t-SNARE complementarias (presentes en la membrana diana) formando un haz de cuatro hélices paralelas. Esa estructura ejerce una tracción mecánica que tira de las dos bicapas hasta ponerlas en contacto, facilitando la formación del tallo. En la transmisión sináptica, por ejemplo, las SNARE neuronales (sintaxina-1, SNAP-25 y sinaptobrevina) permiten que la liberación del neurotransmisor ocurra en milisegundos. La rapidez contrasta con la fusión célula-célula o la fusión viral, procesos que pueden tardar segundos o minutos porque utilizan maquinarias proteicas distintas.

Otro grupo relevante lo constituyen las fusexinas, proteínas de fusión identificadas tanto en virus envueltos como en gametos y en ciertos organismos unicelulares. Su principio estructural se ha conservado a lo largo de la evolución, pero los mecanismos concretos con los que promueven la unión de bicapas varían considerablemente de un contexto biológico a otro.

Contextos biológicos en los que interviene

La fusión de membranas participa en procesos celulares muy diversos. Durante la exocitosis, las vesículas secretoras se funden con la membrana celular para liberar su contenido al espacio extracelular. En la endocitosis, el proceso discurre en sentido inverso: la membrana plasmática se invagina y se sella formando una vesícula que se dirige hacia el interior celular. La fusión con lisosomas permite la degradación del material captado.

En la fecundación, la membrana del espermatozoide se fusiona con la del ovocito, paso previo a la fusión de pronúcleos. Los virus envueltos, como el de la gripe o el VIH, explotan proteínas de fusión propias para introducir su genoma en la célula hospedadora. La formación de fibras musculares multinucleadas durante el desarrollo embrionario depende también de la fusión de membranas de mioblastos adyacentes, un proceso en el que intervienen las proteínas miomezcladora y miofusina.

Preguntas frecuentes

De dónde procede el término fusión en este contexto

Del verbo latino fundere (derramar, verter, fundir). La voz pasó al castellano como «fusión» y en biología celular se adoptó por analogía con la metalurgia: dos piezas independientes se funden hasta formar una sola. La primera observación documentada del fenómeno se atribuye a Theodore Schwann en 1847, aunque el uso sistemático del término membrane fusion en la literatura científica no se generalizó hasta la segunda mitad del siglo XX.

La fusión de membranas siempre requiere proteínas

No. En condiciones experimentales, bicapas lipídicas puras pueden fusionarse si se las fuerza a un contacto muy estrecho, por ejemplo mediante campos eléctricos pulsados (electrofusión) o con polietilenglicol. En el organismo, sin embargo, la fusión espontánea sería demasiado lenta e inespecífica; las proteínas de fusión la aceleran y la restringen a las membranas adecuadas en el momento preciso.

En qué se diferencia la hemifusión de la fusión completa

En la hemifusión solo se han unido las hemicapas externas de las dos bicapas. Los lípidos de esas hemicapas ya pueden mezclarse, pero el contenido acuoso de cada compartimento permanece separado porque las hemicapas internas forman todavía una barrera. La fusión se considera completa cuando se abre un poro que permite también la mezcla de contenidos, un paso que a menudo constituye la etapa limitante del proceso.

Referencias

1. Chernomordik LV, Kozlov MM. Mechanics of membrane fusion. Nat Struct Mol Biol. 2008;15(7):675-683. Disponible en: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2548310/
2. Atlas de Histología Vegetal y Animal. Membrana celular: asimetría, fusión, reparación. Universidad de Vigo. Disponible en: https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/3-propiedades2.php
3. Aguilar P. Fusexinas: el pegamento de las células. CONICET. Disponible en: https://www.conicet.gov.ar/fusexinas-el-pegamento-de-las-celulas/
4. Jahn R, Scheller RH. SNAREs: engines for membrane fusion. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006;7(9):631-643. Disponible en: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16912714/