Curso: Biología Terapia Ocupacional 2012

• Encierra a la célula • Define sus límites • Mantiene diferencias entre citosol y ambiente extracelular • Mantienen las diferencias entre el contenido de cada organelo y el citosol • Todas presentan una estructura común: una fina bicapa de lípidos y proteínas que se mantienen unidos por interacciones nocovalentes • Bicapa lipídica: estructura fluida básica y barrera impermeable para la mayoría de las moléculas solubles en agua • Proteínas: encargadas de todas las funciones y diferencias entre las membranas

ESTRUCTURA Y FUNCION DE LA MEMBRANA PLASMATICA

Héctor R. Contreras M. [email protected]

Lípidos: más del 50% de la masa total de las membranas de las células animales 5 x 106 moléculas de lípidos por um2 de membrana Todos los lípidos de membrana son anfipáticos Fosfolípidos Otro grupo fosfato

Cabeza polar hidrofílica

glicerol

Esfingolípidos: esfingosina en vez de glicerol Esfingomielina

Colas apolares hidrofóbicas

Tipos de Fosfolípidos:

Otro grupo: Colina Fosfatidilcolina Etanolamina Fosfatidiletanolamina Serina Fosfatidilserina Inositol Fosfatidilinositol

Los ácidos grasos normalmente contienen cadenas de 14 a 24 átomos de carbono Saturados, sin dobles enlaces Insaturados, con uno o más dobles enlaces

FOSFATIDILCOLINA

El doble enlace genera una pequeña curvatura en una de las colas, lo que afecta el empacamiento de los fosfolípidos uno al lado del otro fluidez de la membrana

Las moléculas de lípidos se mueven dentro de la bicapa

Comportamiento de los fosfolípidos en solución acuosa Los fosfolípidos espontáneamente se agregar para esconder su cola hidrofóbica en el interior y exponer su cabeza hidrofílica al agua Miscela: Si presentan forma cónica

Difusión lateral: muy rápida Coeficiente de difusión, D:108 cm2/seg Rotación muy rápida sobre su eje y flexibilidad de sus cadenas hidrocarbonadas Flip-flop: muy lento, menos de uno al mes para una molécula individual

Las moléculas de fosfolípidos están confinadas a su propia bicapa. Existen enzimas llamadas translocadoras de fosfolípidos que aceleran el movimiento flip-flop cuando es necesario, por ejemplo durante la síntesis en el RE.

Bicapa: Si presentan forma cilíndrica. Este arreglo deja en los extremos las colas hidrofóbicas expuestas al agua, lo que lo vuelve energéticamente más desfavorable, para evitarlo la bicapa de fosfolípidos se pliega y se fusionan sus extremos generando un compartimento sellado

Colesterol

La fluidez de las membranas depende de su composición A temperatura fisiológica (37ºC) las células de mamíferos mantienen los fosfolípidos en estado líquido, si baja éstos pueden pasar a estado gel: transición de fase La temperatura a que ocurre es más baja si las cadenas hidrocarbonadas son cortas o contienen dobles enlaces Las insaturaciones producen bicapas más finas y más difíciles de congelar

Glicolipidos

Se ubican exclusivamente en la bicapa externa Constituyen el 5% de los lípidos de membrana Se adicionan en el Golgi

Las membranas plasmáticas de células eucariontes presentan alto contenido de colesterol, hasta una molécula por fosfolípido.

Los más complejos son los gangliosidos, que poseen oligosacáridos con uno o más residuos de ácido siálico, que les dan una carga neta negativa. Se han identificado más de 40 Son muy abundantes en células nerviosas (5 a 10% del total de lípidos)

Aumenta las propiedades de barrera de permeabilidad de los fosfolípidos

Se orienta con el grupo hidroxilo próximo a la cabeza polar de los fosfolípidos y su rígida estructura de anillos esteroidales interactúa con parte de la cadena hidrocarbonada próxima a la cabeza polar inmovilizándola parcialmente.

Son importantes en: • Adhesión celular • Reconocimiento celular • Protección de células (pH) • Receptores para ciertas toxinas bacterianas (colera)

• Bicapa menos deformable • Decrece la permeabilidad a pequeñas moléculas solubles en agua • Tiende a hacer la bicapa menos fluida • Inhibe las posibles transiciones de fase

La composición lipídica de las membranas varía de un tipo celular a otro

La composición lipídica varía de una bicapa a otra (asimetría) Eritrocitos Externa: Glicolípidos Fosfatidilcolina Esfingomielina

% de lípidos totales por peso Lípido Colesterol Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Fosfatidilcolina Esfingomielina Glicolipidos Otros

hígado glóbulorojo mitocondria 17 7 4 24 19 7 22

23 18 7 17 18 3 13

3 25 2 39 0 trazas 21

RE 6 17 5 40 5 trazas 27

Interna: Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina

E.coli 0 70 trazas 0 0 0 30

La membrana contiene Rafts lipídicos Microdominios ricos en esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana. La bicapa lipídica es un poco más gruesa en estos lugares y se tienden a acumular ciertas proteínas. Las colas de los esfingolípidos pueden interactuar entre las dos bicapas Parecen estar involucrados en el transporte por vesículas

Integración de los lípidos en la membrana

„

“Rafts” lipídicos En la membrana existen “rafts” En la membrana existen “rafts” (balsa),  (balsa),  microdominios microdominios ricos en esfingolípidos,  ricos en esfingolípidos,  colesterol y proteínas de membrana colesterol y proteínas de membrana

„

Glicolípidos

Las dos capas de FFL de una membrana  Las dos capas de FFL de una membrana  tienen distintos FFL dándole propiedades  tienen distintos FFL dándole propiedades  especiales a cada una especiales a cada una

Función de los fosfolípidos en las señales celulares

PROTEÍNAS DE MEMBRANA

Modelo de Mosaico Fluido de Singer y Nicholson, 1972

Señales extracelulares pueden Activar la PI 3-quinasa que Fosforila el fosfatidilinositol al Cual se pueden unir varias Moléculas de señalización intracelular

Señales extracelulares pueden activar fosfolipasas que cortan los fosfolipidos y el fragmento actuar como una molécula de señalización

Dependiendo del tipo celular habrán de 15 a 50 proteínas diferentes, distribuidas asimétricamente en ambas bicapas

La enzima proteína quinasa C (PKC), es activada en respuesta a señales externas y se une a la monocapa citosólica, a través de la fosfatidilserina. Requiere de este fosfolípido cargado negativamente para su actividad

Proteínas de membrana

Proteínas periféricas: Fuera de la bicapa, unidas no-covalentemente a otras proteínas o lípidos. Se pueden extraer facilmente con soluciones iónicas o cambios de pH Proteínas integrales: En el interior de la bicapa. Sólo se pueden solubilizar usando detergentes

Diferentes maneras en que las proteínas se asocian a la bicapa lipídica:

Distintas Distintas formas formas en en que que una una proteína proteína se se puede puede asociar asociar aa la la membrana. membrana. Las Las porciones porciones que que atraviesan atraviesan la la membrana membrana deben deben ser ser apolares apolares 1: Transmembrana, de paso único de α-hélice 2: Transmembrana, de paso múltiple α-hélice 3: Transmembrana, barril β 4: En una sola monocapa, anclada por una α-hélice anfipática 5: Unida sólo a la monocapa citosólica por unión covalente con un fosfolípido 6: unida sólo a la monocapa externa vía un oligosacárido de fosfatidilinositol (GPI) 7 y 8: Unidas por interacciones no-covalentes a otras proteínas de membrana

Posición y movimiento de las proteínas en la membrana

En la mayoría de las proteínas de transmembrana la cadena polipeptídica que cruza la bicapa lipídica tiene conformación α-hélice Normalmente tienen una orientación única en la membrana dependiendo de cómo fueron sintetizadas e insertadas en el RER

Segmentos de 20 a 30 aminoácidos muy hidrofóbicos son suficientemente largos para insertarse en la bicapa con estructura de α-hélice

Las  Las proteínas  proteínas se  se encuentran  encuentran en  en sitio  sitio más  más o  o menos  menos definidos  definidos de  de la  la  membrana  membrana  (dominios).  (dominios).  Estos  Estos  sitios  sitios  son  son  determinados  determinados  por  por  la  la  asociación de proteínas con otras estructuras que las mantienen en su  asociación de proteínas con otras estructuras que las mantienen en su  lugar.  lugar. De  De otro  otro modo  modo estas  estas se  se distribuirían  distribuirían homogéneamente  homogéneamente en  en la  la  membrana membrana

GLICOCALIX

Muchas células confinan las proteínas de membrana a dominios específicos de la bicapa lipídica. Células epiteliales se observa diferencias entre membrana apical, lateral y basal. Estas diferencias serían mantenidas por las uniones celulares

Formas de restringir el movimiento lateral de proteínas. A: ensamblaje en grandes agregados interacción con macromoléculas B: fuera de la célula C: dentro de la célula D: interacción con proteínas de la superficie de otra célula

TRANSPORTE A TRAVES DE LA MEMBRANA

Transporte a través de membranas

Toda comunicación entre la célula y su medio es a través de la membrana. La membrana plasmática presenta permeabilidad selectiva

„

Permeabilidad selectiva „ „

Difusión Osmosis

Transportadores „

Pasivos: „

Canales

„

Proteínas transportadoras

Los canales son específicos de la sustancia  Los canales son específicos de la sustancia  que pasa a través de ellos. Estos se pueden  que pasa a través de ellos. Estos se pueden  abrir y cerrar. Cuando están abiertos, la  abrir y cerrar. Cuando están abiertos, la  sustancia pasa a favor de un gradiente de  sustancia pasa a favor de un gradiente de  concentración sin usar energía concentración sin usar energía

Transportadores 2 „

Activos „

Transporte activo „ „

Cotransporte: La proteína cotransportadora Cotransporte: La proteína cotransportadora no utiliza energía pero funciona según un  no utiliza energía pero funciona según un  gradiente de concentración logrado en otro  gradiente de concentración logrado en otro  lugar de la membrana gracias a una bomba  lugar de la membrana gracias a una bomba  que usa energía. En el cotransporte, se  que usa energía. En el cotransporte, se  transporta una sustancia a favor del  transporta una sustancia a favor del  gradiente de concentración y otra  gradiente de concentración y otra  generalmente en contra de él. Cuando las dos  generalmente en contra de él. Cuando las dos  moléculas pasan hacia el mismo lado de la  moléculas pasan hacia el mismo lado de la  membrana se llaman simportadores membrana se llaman simportadores y cuando  y cuando  pasan a lados opuestos se llaman  pasan a lados opuestos se llaman  antiportadores antiportadores

El transporte simple activo usa una proteína  El transporte simple activo usa una proteína  (llamadas también bombas de membrana)  (llamadas también bombas de membrana)  que cambia su conformación al unirse a  que cambia su conformación al unirse a  fosfatos donados por el ATP. La falta de ATP  fosfatos donados por el ATP. La falta de ATP  impide su función. Suelen bombear en contra  impide su función. Suelen bombear en contra  del gradiente de concentración del gradiente de concentración

Transporte simple Cotransporte (transporte activo secundario)

Difusión: Proceso espontáneo mediante el cual una sustancia se desplaza desde una región de mayor concentración a una de menor concentración hasta eliminar las diferencias de concentraciones en ambas regiones. La difusión del agua por la membrana ocurre con mayor rapidez que la de iones y pequeños solutos apolares, se dice que la membrana es semipermeable Osmosis: movimiento de agua a través de una membrana semipermeable desde una región de menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto

Dando el tiempo necesario, virtualmente cualquier molécula podría difundir a través de la bicapa lipídica de acuerdo a su gradiente de concentración, pero las polares demorarían muchísimo Existen proteínas transportadoras que realizan difusión facilitada o mediada por transportadores. (transporte pasivo) Son proteínas de transmembrana de múltiple paso que permiten que solutos hidrofílicos crucen la membrana sin entrar en contacto con el interior de la bicapa hidrofóbica

Proteínas que forman Canales y proteínas Transportadoras

Unen solutos específicos y sufren cambios conformacionales

Forman canales acuosos a través de la bicapa

CANALES IÓNICOS

Difusión facilitada vía Transportadores Son selectivos a los iones Fluctúan entre estado abierto y estado cerrado Se abren en respuesta a un estímulo específico: • Voltaje: cambios de voltaje en la membrana • Stress mecánico • Unión de ligando: extracelular: neurotansmisor intracelular: un ión o un nucleótido

• Proteínas de membrana llamadas facilitadores del transporte o transportadores • La unión del sustrato genera un cambio conformacional en la proteína que permite que sea trasladada al otro lado de la membrana • Son muy específicos para el sustrato, incluso para la forma D o L de la molécula • Es un transporte pasivo, a favor de la gradiente de concentración y bidireccional • Ejemplo: Transportadores de glucosa (Glut1-5) desde sangre al interior de las células

Difusión facilitada (transporte pasivo)

Las proteínas transportadoras cambian de  Las proteínas transportadoras cambian de  conformación cuando se unen a la sustancia  conformación cuando se unen a la sustancia  transportada. Cuando están libres dan la cara  transportada. Cuando están libres dan la cara  a una lado de la membrana. Cuando se unen  a una lado de la membrana. Cuando se unen  a la sustancia cambian para “abrirse” a la sustancia cambian para “abrirse” hacia el  hacia el  otro lado. otro lado.

Acoplamiento de Transporte activo a gradiente de iones - Cotransporte TRANSPORTE ACTIVO

Transporte activo secundario, sin gasto de ATP, en que se utiliza la gradiente de concentración de iones para conducir otras moléculas en contra del gradiente de concentración de éstas. Muchas células mantienen el pH citoplasmático acoplando la salida de H+ a la entrada de Na+

Transporte de glucosa al interior de las células intestinales en contra de la gradiente acoplado al transporte de sodio a favor de la gradiente

Exterior

Interior

K+ 5mM Na+ 150mM + Ca 100 a 1000 veces menor

100 mM 10 – 20 mM 10-7 M

Difusión Simple

El transporte activo, mediante una bomba dirigida por la hidrólisis de ATP, mantiene esta gradiente de concentraciones

Funcionamiento de la Bomba Na+ - K+ ATPasa

BOMBA Na+ - K+ ATPasa • La bomba es asimétrica, sólo transporta iones en un sentido • Por cada ATP hidrolizado: Salen 3 sodios Entran 2 potasios • La proteína es un tetrámero con dos subunidades: α : Mayor tamaño, transporte β : Más pequeña, ensamblado a la membrana • 1/3 de la energía producida por la célula se usa en este transporte, llegando a 2/3 en células nerviosas

Funciones especiales de los lípidos de membrana „

Fosfolípidos en transducción de señales

Durante la señalización celular los FFL pueden  Durante la señalización celular los FFL pueden  ser modificados para continuar el flujo de  ser modificados para continuar el flujo de  información desde el exterior al interior de la  información desde el exterior al interior de la  célula. Para esto pueden ser fosforilados célula. Para esto pueden ser fosforilados o  o  pueden ser parcialmente degradados pueden ser parcialmente degradados

Glicocalix

LA MATRIZ EXTRACELULAR La matriz extracelular es el componente no celular fundamental del tejido conjuntivo

Papel fundamental envolviendo las células durante el desarrollo

Modelo de lá lámina basal

Endocitosis Las sustancias que van a ser endocitadas son englobadas en invaginaciones de  membrana plasmática que acaban cerrándose y forman vesículas intracelulares que  contienen el material ingerido. Según el tamaño de las partículas endocitadas podemos distinguir dos tipos de endocitosis:

Fagocitosis: El material que se ingiere es muy grande. La célula extiende unas  prolongaciones de membrana llamadas pseudópodos, que rodean progresivamente a la  partícula hasta formar un fagosoma (vesícula de gran tamaño). Estos materiales acaban  digeridos por los lisosomas.

Fagosoma

Pseudópodos

Pinocitosis: El material ingerido es liquido o pequeñas partículas, y queda englobado  en vesículas que se forman a partir de depresiones de membrana llamadas pozos  recubiertos. Estas regiones se caracterizan por la presencia de un armazón proteico  formado por clatrina. A partir de ella se están formando continuamente vesículas de  pinocitosis. ‐ En los dos tipos de endocitosis participan proteínas especiales denominadas receptores de endocitosis, que se  acumulan en las regiones de las membranas que realizan estos procesos y reconocen específicamente los  materiales que van a ser ingeridos, uniéndose a ellos. De este modo las células incorporan por endocitosis  únicamente las sustancias que les interesan.

Exocitosis Es el proceso contrario a la endocitosis. Mediante este proceso se secretan los  materiales necesarios para renovar la membrana plasmática y los componentes de la  matriz extracelular. También se vierten al exterior hormonas, neurotransmisores,  enzimas digestivos…

Endocitosis material

vesícula

Exocitosis