lehninger capítulo 11 membranas biológicas y transporte

7/22/2019 Lehninger Captulo 11 Membranas biolgicas y transporte

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c a p t u l o

MEMBRANAS BIOLOGICASYTRANSPORTE11.1 Composicin y arquitectura

de las membranas 37011.2 Dinmica de membranas 38011.3 Transporte de solutos a travs

de membranas 389Buenas vallas hacen buenos vecinos.

-Roben Frost, "Mending Wall," en North of Boston, 1914

F r oba b l e m e n t e l a p r i m e r a clulaaparecen e l m om e n t o enq u e se formuna m e m b r a n a que e n c e r r a b a un p e q u e ov o l u m e n de solucin a c u o s a y lo s e p a r a b a del r e s t o del un i ve r s o . La s m e m br a na s de f i ne n l o s lmtes e x t e r n o s de las c-lu las y r e g u l a n el trficom o l e c u l a r a travsde e s t o s lmtes(Fig. 11-1); en cuas eucariicasdividen el e s pa c i o i n t e r noe n c om pa r t i m i e n t o s d i s c r e t o s pa r a s e g r e ga r p r oc e s os y c o m p o n e n t e s . O r g a n i z a n s e c u e n c i a s c o m p l e j a s de r e a c c i o n e s yson de i m por t a nc i a p r i nc i pa l t a n t o pa r a la conservacnde laenergabiolgicac om o pa r a lacomunicacinin te rce lu la r . Lasa c t i v i da de s biolgicasde l a s m e m br a na s son c ons e c ue nc i a des us no t a b l e s p r op i e da de s fsicas. La s m e m br a na s son flexibles,a u t o s e l l a n t e s y s e l e c t i va m e n t e pe r m e a b l e s a los so lu tos polares . Su f lexibi lidad les perm ite los cam bios de forma que acomp a a n al c r e c i m i e n t o c e l u l a r y al m ovi m i e n t o (tal c o m o elm ovi m i e n to a m e b o i de ) . Su c a pa c i da d pa r a r om pe r s e y sel larsepe r m i t e que se fus ionen dos membranas t a l como sucede en laexoci tos i s o que un c om pa r t i m i e n t o s e nc i l l o de n t r o de unam e m br a na pue da e xpe r i m e n t a r unafisin,dando lugar a la formacinde dos compar t imientos se l l ados tal c om o oc u r r e en laendocitosis o en la divisince lular s in que se produzcan grandesprddasa travsde la superficie celular . Debido a que l as memb r a n a s son s e l e c t i va m e n t e pe r m e a b l e s , r e t i e ne n c i e r t o s c om pue s t o s e iones dent ro de cuasy de n t r o de c om pa r t i m i e n t o scelulares especficosal t i empo que exc luyen ot ros .

L a s m e m b r a n a s no son m e r a s ba r r e r a s pa s i va s . I nc l uye ne n su composicinun conjunto de proenasespec ia l i zadas enp r o m o v e r o ca ta l i zar var ios procesos ce lu la res . En la super f i cie celular , los t r a n s p o r t a d o r e s m u e v e n s o l u to s orgncosascomo iones inorgnicosa travsde la m e m b r a n a ; los r e c e p t o r e s c a p t a n s e a l e s e x t e r na s y pr ovoc a n c a m bi os m o l e c u l a r e se n laclulay la s mocuasde adhesnm a n t i e n e n cuasvec i na s un i da s . De n t r o de laclula, e x i s te n m e m b r a n a s que or-ganizan procesos ce lu la res t a les como la snesisde lpidos yc ier tas proenaso la transduccinde energae n m i t oc ond r i a sy c loroplas tos . Las membranas estnc om pue s t a s s i m p l e m e n t epor dos capas de mocuaspor lo que son mu y de lgadas ; se l aspuede cons iderar bscamenecomo bidimens ionales . Debido aq ue las col i s iones in te rmoleculares son m u c h o ms pr oba b l e s

M e m br a nabicapa

FIGURA 11-1 Membranas biolgicas. Vistas en seccin transversal,todas las membranas celulares comparten una apariencia trilaminarcaracterstica. Cuando se tie un eritrocito con tetrxido de osmio yse observa al microscopio electrnico, la membrana plasmtica apa-rece como una estructura de tres capas, de 5 a 8 nm (50 a 80 A) degrosor. Las imgenes trilaminares consisten en dos capas densas enelectrones (el osmio, unido a las superficies externa e interna de lamembrana) separadas por una regin central menos densa.

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370 Captulo 11 Membranas b io lg icas y transporte

en este espacio bicl imensional que en el espacio t r idimensional ,la ef iciencia de c ier tas ru tas ca ta l i zadas enzmicameneesm uc ho m a yor de n t r o de una m e m b r a na b i d i m e nsi ona l.

En e s t e captulode s c r i b i m os en pr imer lugar la c om pos i cinde l a s m e m br a na s c e l u l a re s y su a r qu i t e c t u r a qumca lae s t r uc t u r a m o l e c u l a r s ob r e la que se a s i e n t a n sus f unc i one sbiolgicas. Acontinuacind e s c r i b i r e m o s las e x t r a o r d i na r i a scaracersticas dnmcasde l as m e m b r a n a s en la s que lpidosy proenasse de s p l a z a n l o s unos c on r e s pe c t o a l as o t ras . Laadhesnce lular , la e ndoc i t o s i s y las fus iones de m e m b r a n aque t ienen lugar t ras una infeccinvricailustrarnel papel din-mico de las proenasde m e m br a na . Pa s a m os acontinuacinalt r a ns po r t e de solutos a travsde l a s m e m br a na s m e d i a do porproenasm e di a n t e t r a ns po r t a do r e s y c a na l e s inicos. En captulospos ter iores t ra ta remos e l pape l de l as membranas en l atranscluccinde s e a l e s (Captulos 12 y 2 3 ) , transduccindeenerga(Captulo19) , snesisde lpidos (Captulo21) y snes is de proenas(Captulo2 7 ) .

11.1 Composicin y arquitecturade las membranasU n a m a n e r a de e n t e nde r l a funcinde l a s m e m br a na s es e s t u diar sucomposicin: de t e r m i na r , por e jemplo , qu c o m p o n e n t e s estnn o r m a l m e n t e p r e s e n t e s en t o d a s las m e m b r a n a s ycuesse e n c u e n t r a n ncameneen m e m b r a n a s con func ion e s especficasA n t e s de descr ib i r la e s t r u c t u r a y funcindel a m e m br a na c o ns i de r a r e m os , po r t a n t o , l os c om pon e n t e s m oleculares de l as membranas : l as proenasy lpidospo l a r e s quecons t i tuyen cas i la to ta l idad de l a masa de l as m e m b r a na s b i o lgicasy lo s glcidospr e s e n t e s c om o pa r t e de gucoproenasy glucolpidos.Cada tipo de membrana presenta una composicinde protenas y lpidos caractersticaLas proporc iones re la t ivas de proenay lipido varancon cadat ipo de membrana (Tabla 11-1) , lo que refleja la divers idad depa pe l e s biolgicos. Por e j e m p l o , c i e r t a s ne u r ona s t i e ne n unava i na de miel ina , una m e m b r a n a pasmicae x t e n s a que se

enrol l a a l rededor de laclulam uc ha s ve c e s y qu e acac om oaislante elctricopasivo. La vaina de nelinaconsiste principalm e n t e e n lpidos, pero l as membrana s de b ac ter ias , mi tocondriasy cloroplastos en l as que t i enen lugar muchos pro cesos meab-licos catalizados enzmcamenecont ienen ms proenaque lip ido (en masa sobre masa to ta l ) .

Para los estudios de la composicnde membranas es esencial en pr imer lugar a i s l a r la m e m b r a n a de iners C u a n d o ses om e t e n l a s cuas eucariicasa fuerzas mecncasde cizall a sus m e m b r a n a s pasmicasse d e s g a r r a n y f ragmentan l i b e r a n d o c o m p o n e n t e citoplasmticos y or ga n i l l o s un i dos amembranas t a les como mi tocondr ias , c loroplas tos , l i sosomas yncleosLos f r a gm e n t os de la m e m b r a n a pasmicay lo s or-gnuosi n t a c t o s pue de n a i s l a r s e por tcncasde cent r i fugacinde s c r i t a s en elCaptulo1 (vaseFig. 1-8).

El anlisisqumcode las m e m br a na s a i s l a da s de f ue n t e sdiversas pone de m a ni f i e s t o c i e r t a s p r op i e da de s c om une s . Lacomposicinde los lpidosde l a m e m br a na e s caracersticadecada re ino, espec ie , t e j ido y t ipo celular as c o m o de los organi l los dent ro de un t i po de t e r m i na do de clula. L a m e m b r a n apasmicapor e j e m p l o , este n r i q u e c i d a en c o l e s t e r o l y nocont iene cardio l ip ina en cant idades de tec tables (Fig . 11-2) ; enl a m e m br a na m i t oc ond r i a l i n t e r na de h e p a t o c i t o s la dis t r ibucines inversa : muy poco c oles te rol y mucha cardiolip ina . Esclaro que las cuast i enen mecanismos para cont ro la r l as c la se s y c a n t i d a d e s de lpidos de m e m b r a n a s i n t e t iz a d o s y p a r adirigir lpidosespecficosa organi llos concre tos . En mu chos casos , podemos suponer l as venta jas adapta t ivas de las dist intasc om bi na c i one s de lo s lpidosde m e m b r a n a ; en o t r o s c a s os , elsignif icado funcional de e s t a s c om pos i c i one s esttodavapordescubr i r .

La composicin pr o t e i c a de m e m b r a n a s de orgenesdifer e n t e s varaa un ms a m pl i a m e n t e que sucomposicinlipdica,lo que refleja suespecializacin funcional . En l o s ba s t one s del a re t ina de l o s ve r t e b r a dos una porcinde laclulaestm u ye s pe c i a l i z a da pa r a la recepcinde la luz; ms del 90% de suproenade m e m b r a n a en e s t a regin es una glucoprotenaque a bs o r be luz l l a m a da r odops i na . La m e m b r a n a pasmicam e no s e s pe c i a l i z ada de los e r i t roc i tos t i ene unas 20 proenasp r o m i n e n t e s as c om o doc e na s de o t r a s ms minor i t a r i as ; granpa r t e destasacancomo t ranspor tadores responsables , cada

TABLA 11-1 Componentes mayoritarios de las membranas plasmticas de varios organismosComponentes (% en peso)

Protena Fosfolpido Estero/ Tipo deestero/ Otros lpidosVaina de mielina humana 30 30 19 Colesterol Galactolpidos, plasmalgenosHgado de ratn 45 27 25 Colesterol -Hoja de maz 47 26 7 Sitosterol GalactolpidosLevadura 52 7 4 Ergosterol Triacilgliceroles, esteres esterlicosParamecium (protista ciliado) 56 40 4 Estigmasterol - coli 75 25 0

Nota: los valores no suman el 100% en todos loscasos, porque hay otros componentes adems de protena, fosfolpidos yesterales;las plantas, porejemplo, tienen concentraciones elevadas de glucolpidos.


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cu"O


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372 Captulo 11 Membranas b i o l g i c a s y transporte Cadenas deoigosacridoglucoprotena

Bicajlipidie I

Cabezas polaresde fosfopdo

Poenaperifrica-Protena integral(hlice t r a n s m e mbrana nica)

Protema perifricaunida covalentementea lipido'Poenain tegra l(hicest r ansmembr a na mltiples)

FIGURA 11-3 Modelo del mosaico fluido para la estructura de lamembrana. Las cadenas de acilo graso del interior de la membranaforman una regin hidrofbica fluida. Las protenas integrales flotanen este mar de l pidos, sostenidas por interacciones hidrofbicas consus cadenas laterales de am in oc id os apolares. Tanto las protenas

como los lpidos se pueden desplazar libremente en el plano de la bicapa, pero el movimiento de una cara de la bicapa a la otra est restrin-gido. Las porciones de glcido unidas a algunas protenas y Ipidos dela membrana plasmtica estn expuestas en la cara extracelular de lamembrana.

sus par tes hidrofbicasen contac to mient ras que sus grupos h i -droficosinteractancon el agua que los envuelve.Recurdeseque los agregados lipideosdisminuyen la superficie hidrofbicae xpue s t a al agua y as minimizan elnmerodemocuasen lacapa, de a gua o r de na da en la in te r fase lpido-agua(vaseFig.2-7) , ciando lugar as a un i nc r e m e n t o deenropaLas in te rac

c iones hidrofbicasent re l asmocuasde l ip ido proporc ionanla fuerza termodinmcapara la formaciny m a n t e n i m i e n t o dees tos agregados .

E n funcinde las c ond i c i one s p r e c i s a s y de la na t u r a l e z ade los lpidos se forman tres t ipos de agregados lipideos c ua ndolo s lpidosanipicosse mezclan con agua (Fig 11-4) . Las m i-

Las unidades individualest ienen forma de cua(seccin t r ansversa] dela cabeza mayor quela de la cadena lateral)

(a) Micela

CavidadLas unidades individuales soncilindricas (seccint r ansversa l dela cabeza igual a la de la cadena lateral)

FIGURA 11-4 Agregados de lpidos antipticos que se forman en elagua, (a) En las micelas, las cadenas hidrofbicas de los cidos grasosse hallan secuestradas en el n cleo de la esfera. No hay prct ica-mente agua en el interior hidrofbico. (b) En una bicapa abierta, todas las cadenas laterales acilo excepto las que estn en los bordes de

(b) Bicap a (c) Liposo mala lmina estn protegidas de la interaccin con el agua, (c) Cuandouna bicapa biclimensional se pliega sobre s misma, forma una bicapacerrada, una vescula hueca tridimensional (liposoma) que encierrauna cavidad acuosa.


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celas son estructuras esfricasque contienen entre pocas docenas y algunos miles de mocuas anipicasordenadas consus regiones hdrofbcashacia el interior, excluyendo el aguay sus grupos de cabeza hidrofflcos en la superficie, en contactocon el agua. La formacinde las nceasestfavorecida cuando el reade la seccntransversal del grupo de cabeza es mayor que la de las cadenas laterales acilo, tales como las de loscdosgrasos libres, lisofosfolpidos(fosfolpidos a los que lesfalta un solo cdograso) y detergentes como el dodecilsulfatode sodio (SDS;p. 92).

Un segundo tipo de agregado lipclicoen agua es la bicapa,en la cual dos monocapas de lpidos forman una hoja bidimen-sional. La formacinde la bicapa tiene lugar fclmenecuandola seccntransversal del grupo de cabeza y las cadenas laterales acilo son similares, como en el caso de glicerofosfolpidos yesfingolpiclos.Las porciones hdrofbcasde cada monocapa,excluidas del agua, interaccionan entre s. Los grupos de cabezamdrolicos interaccionan con el agua en cada superficie de labicapa. Dado que las regiones hdrofbcasde sus extremos(Fig. 1 l-4b) esnen contacto transitorio con el agua, la hoja enbicapa es relativamente inestable y forma esponneamenemitercer tipo de agregado: se repliega sobre s misma formandouna esfera vacallamada vescuao liposoma (Fig. ll-4c). Enla formacinde vescuasla bicapa pierde sus regiones extremas hdrofbcasexpuestas al agua, consiguiendo mxmaestabilidad dentro del entorno acuoso. Estas vescuasen bicapaencierran agua, creando un compartimiento acuoso separado.Es probable que los precursores de las primeras cuasse asemejaran a liposomas, en los cuales el contenido acuoso se mantendraseparado del exterior gracias a una hoja hidrofbica.

Las membranas bogcasesnconstruidas por bicapas li-pdcasde 3 nm (30 ) de grosor con proenasque sobresalena cada lado. El nceohidrofbicode la memb rana , formadopor los grupos CH2 y CH3 de los acilos grasos es tanapolar como el decano y los liposomas formados en el laboratorio a partir de lpidospuros son prcicameneimpermeables alos solutos polares, al igual que las membranas bogcas(aunque estas ltimas, como veremos, son permeables a los solutospara los que disponen de transportadores especficos)

Los lpidosde la membrana pasmicason asimricosensu distribucin entre las dos caras de la bicapa, aunque la asimeraa diferencia de la de las proenasde membrana, no esabsoluta. En la membrana pasmicade los eritrocitos, porejemplo, los lpidos que contienen colina (fosfaticlilcolina y es-fingonelina) se encuentran principalmente en la cara externade la bicapa (extracelular o exopasmica)(Fig. 11-5), mientras que fosfatidilserma. la fosfatidile tanolamina y los fosfati-dilinositoles son mucho ms frecuentes en la cara mt er na(ctopasmica).Los cambios en la distribucinde lpidos entre las hojas de la membrana pasmicatienen consecuenciasbiolgicas. Por ejemplo, socuan do la fosfatidilserma de lamembrana pasmicapasa a la cara externa puede una plaqueta realizar su papel en la formacin de un coguosangu-neo . Para muchos otros tipos de cuas la exposicnde lafosfatidilserma en la superficie externa marca una cuaparasu destruccnpor apoptosis.

Fosfopdode membranaPorcentajedel total defosfopdodela membrana Distribu:::r. fra membrana

100Monocapainterna ( Monocapa) exte 100i l l l 1

Fosfatidiletanolam na 30Fosfatidilcolma 27 i .-Esfingomielina 23 E 1Fosfatidilserina 15 |osfatidilserinaFosfatidilmositolosfatidilmositolFosatidilinositol4-fosfato -5Fosatidilinositol4,5-bisfosfatocdofosfatdico j ' -

FIGURA 11-5 Distribucin asimtrica de fosfolpidos entre las monocapas interna y externa de la membrana plasmtica de eritrocito.La distribucin de un fosfolpido especfico se determina al tratar laclula intacta con fosfolipasa C, la cual no puede alcanzar lpidos dela monocapa interna pero elimina lo grupos de cabeza de lpidos enla monocapa externa. La proporcin de cada grupo de cabeza elimi-nado proporciona una estimacin de la fraccin de cada lipido en lamonocapa externa.

Las protenas perifricas de membranase solubilizan fcilmenteLas proenasde membrana se pueden dividir operacionalmenteen dos grupos (Fig 11-6). Las protenasintegrales esnfirmemente unidas a la membrana y sose pueden liberar por laaccnde agentes que interfieren en las interacciones hidrofbcastales como detergentes, disolventes orgncoso desnaturalizantes. Las protenas perfrcasse asocian con lamembrana a travsde interacciones eecrosticasy enlacesde hdrgenocon los dominios mdroflicos de las proenasintegrales y con los grupos de las cabezas polares de los lpidosde membrana. Pueden liberarse con tratamientos relativamentesuaves que interfieren en las interacciones eecrostticasorompen los puentes de hdrgenoun agente utilizado habi-tualmente es el carbonato a pH elevado. Las proenasperif-ricas pueden servir como reguladores de enzimas unidos amembrana o pueden limitar la movilidad de las proenasintegrales formando ligaduras intramoleculares.Muchas protenas abarcan la bicapa lipdicaLa topoogade las protemas de membrana (localizacinrelativa a la bicapa lipdica) puede investigarse con reactivos quereaccionan con las cadenas laterales de la proenapero que nopueden cruzar la membrana (reactivos qumcospolares que


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374 Captulo 11 Membranas b io l g icas y transporte

Poenain tegra l(dominio hidrofbicorecubierto por detergente)FIGURA 11-6 Protenas perifricas e integrales. Las protenas demembrana se pueden distinguir operacionalmente por las condiciones requeridas para liberarlas de la membrana. La mayora de las protenas perifricas se pueden liberar por cambios en el pH o en lafuerza i n ica , la e l imin ac i n de Ca 2+ por un agente quelante o laadicin de urea o carbonato. Las protenas integrales pueden ser extradas con detergentes, que destruyen las interacciones hidrofbicascon la bicapa l ip d ica y forman agrupaciones parecidas a micelas alrededor de molculas proteicas individuales. Las protenas integralesunidas covalentemente a un lipido de membrana, tal como el glucosilfosatidilinositol (GPI; vase Fig. 11-14), pueden ser liberadas mediante el tratamiento con fosfolipasa C.

reacc ionan con aminas pr imar ias de r e s i duos de Lys, por e jemplo, o enzimas como la t r ips ina que c o r t a n proenaspe r o queno pueden cruzar l a membrana . Para es tos es tudios es muy tile l e r i t roc i to humano, debido a que no t i ene organi l los unidos am e m b r a n a y a que la m e m b r a n a pasmicaes lanicam e m br a na p r e s e n t e . S i una protenade m e m b r a n a de un er i t roc i toi n t a c t o r e a c c i ona con un a ge n t e i m pe r m e a b l e a la m e m b r a n a ,u n a p a r t e de e s t a proenad e b e ser e x p u e s t a h a c i a la c a r ae x t e r i o r ( e x t r a c e l u l a r ) de la m e m b r a n a . La t r ips ina cor ta losdominios ext race lu la res pero no afecta a los dominios que per manecen sepul tados dent ro de l a b icapa o e xpue s t o s s o l a m e n t ee n la super f i c ie in te r ior a m e n o s que se r o m p a la m e m b r a n apasmicay es tos dominios sean acces ib les al enzima.

E x p e r i m e n t o s con t a l es reac t ivos con espec i f i c idad topo-lgicam u e s t r a n que lagucoprotenadel e r i t r oc i t o g l i c o f o -

r ina a ba r c a la to ta l idad de la m e m b r a n a pasmicaSu dom i n i o a m i no - t e r m i na l ( po r t a do r de las c a d e n a s de gcidos) see n c u e n t r a en la super f i c ie externa y p u e d e c o r t a r s e con t r ipsina. El ext remo carboxi lo- te rmina l sobresa le hac ia el interior ,d o n d e no p u e d e r e a c c i o n a r con r e a c t i vos i m pe r m e a b l e s . Losdom i n i os a m i no - t e r m i na l y c a r box i l o - t e r m i na l c on t i e ne n mu-chos res iduos amnocdospolares o cargados y son, por t a n t o ,b a s t a n t e hidroflicos. No obs t a n t e , ha y un s e gm e n t o en el c e n tr o de laproena( res iduos 75 a 93) que cont iene mayor i t a r i a -m e n t e r e s i d u o s amnocdoshidrofbicos, lo que s ug i e r e quela gl icoforina t iene un s e g m e n t o t r a n s m e m b r a n a o r d e n a d o talc o m o se m u e s t r a en la Figura 11 -7.

Hay ot ro hecho que se pue de d e duc i r de l o s r e s u l t a dos del o s e xpe r i m e n t os con la glicoforina: su disposicinen la raem-

1 3 1FIGURA 11-7 Disposicin transbicapa de la glicoforina en el eritrocito. Un dominio hidrofl ico, que contiene todos los residuos de a z car, se encuentra en la superficie externa y otro dominio hidrof l icosobresale de la cara interna de la membrana. Los hexgonos rojos representan un tetrasacrido [que contiene dos Neu5Ac (cido s il ico) ,Gal y GalNAc] unido por O a una Ser o una Thr; el hexgono azul representa una cadena de ol igosacrido unida por N a un residuo deAsn. El tamao relativo de las unidades de o l ig o s acr id o es mayorque el que aqu se muestra. Un segmento de 1 9 residuos hidrofbicos(residuos del 75 al 93) forma una hl ice a que atraviesa la bicapa dela membrana (vase Fig. 1 1 - 1 1 a). El segmento del residuo 64 al 74tiene algunos residuos hidrofbicos y probablemente penetra en lacara externa de la bicapa l ip d ica.


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11.1 Compo s i c i n y arquitectura de las membranas 375

b r a n a es asimtrica. Estudios s imi la res con o t r a s proenasdem e m b r a n a m u e s t r a n que cada una t i ene unaorientacine s p e cficaen la b i c a pa ; un dom i n i o de una proenat r a n s m e m b r a n a ests i e m pr e e nc a j a do ha c i a el e x t e r i o r m i e n t r a s que elot ro s i empre se dirige hacia el interior . Ademslas g l uc op r o -tenasde la m e m b r a n a pasmicaestns i t ua da s i nva r i a b l e m e n t e con sus r e s i duos glucdicos en la super f i c ie externa dela clula. Tal como veremos , el o r d e n a m i e n t o asimtricode lasproenasde membrana l es conf ie re asimerafuncional . Todasla s mocuasde una b o m b a inicade t e r m i na da , por e jemplo ,t i e n e n la m i s m a orientacin, por lo que t oda s e l l a s bom be a nen la m i s m a direccin.Las protenas integrales son sostenidas en lamembrana por interacciones hidrofbicas con l pidosLa uninf i rme de lasproenasin tegra les a l a s m e m br a na s ese l resul t ado de i n t e r a c c i one s hidrofbicas e n t r e los lpidosdemembrana y los dominios hidrofbicosde la proenaEn algun a s proenasexi s te una sola secuencia hidrofbicaen el centr o de la proena(tal c o m o s u c e d e en la gl icofor ina) o en ele x t r e m o a m i no o carboxi lo . Ot ras t i enen mltiples s e c ue nc i a shidrofbicas, c a da una de las c ua l e s , c ua ndo a dop t a n c on f o r macinde hlicea, t i ene una longi tud suf ic iente para abarcarla b icapa lipdica (Fig. 11- 8 ) . Las m i s m a s tcncasque hanpe r m i t i do ladetermnacinde la e s t r uc t u r a t r id i m e ns i ona l dela s proenass o l ub le s pue de n , en pr inc ip io , apl i carse aprote-n a s de m e m b r a n a . En la prctica, sin e m b a r g o , h a s t a h a c epoco ha sido difcilcr i s ta l i zar las . Las n ueva s tcncas estnsu-pe r a ndo e s t e obstcuoy e m pi e z a n a a pa r e c e r de forma regul a r e s t r uc t u r a s cristalogrficas de proenasde m e m b r a n a , conlo que t e n e m o s un m e j o r c onoc i m i e n t o a nive l molecular del os a c on t e c i m i e n t o s que t i enen lugar en l a s m e m br a na s .

U na de la s proenasque a ba r c a n la m e m b r a n a y que estm e j o r e s t ud i a da es la b a c t e r i o r r o d o p s i n a , que c on t i e ne s i e t es e c ue nc i a s i n t e r na s muy hidrofbicas y que cruza s ie te vecesla b icapa lipdica. La ba c t e r i o r r odops i na es una b o m b a de pr o t one s a c c i ona da por la lu z que estd e n s a m e n t e e m p a q u e t a d aen formaciones regulares en la m e m b r a n a prpurade l a bac teri a Halobacterium salinarum. La cristalografade r a yos Xrevela una e s t r uc t u r a c on s ie t e s e gm e n t os a-helicoidales, cadaun o de los cuales atraviesa la bicapa lipdica, que estnc one c t a d o s m e d i a n t e b u c l e s no hel icoida les en las c a r a s e x t e r na ei n t e r na de l a membrana (Fig . 11-9) . En la s e c ue nc i a de a m i no cdosde la bacter ior rodops ina pueden ident i f i carse s i e te segm e n t o s de u n o s 20 r e s i duos hidrofbicos, cada uno de elfos delongi tud suf ic iente para formar unahlicea que a ba r c a la bi-capa lipdica. I n t e r a c c i one s hidrofbicas ent re los amnocdosapolares y los grupos ac i lo graso de lo s lpidosde l a m e m br a naa nc l a n f i r m e m e n t e la proenaa la m e m b r a n a . Las s ie te hli-ces se e n c u e n t r a n a g r u p a d a s y se or i e n t a n de m o d o no c om p l e t a m e n t e pe r pe nd i c u l a r al p l a no de la bicapa , formando unar u t a t r a n s m e m b r a n a p a r a el m ovi m i e n t o de los p r o t o n e s . Talc om o ve r e m os en el Captulo12, e s t e patrnde s ie te hiceshidrofbicasque a ba r c a n la m e m b r a n a e s un mot ivo comnenl a s p r o t e m a s de m e m br a na que i n t e r v i e ne n en la recepcindes e a l e s .

-ooc

H ,N I

(,4 Tipo III

* , . ; v' v

)

Int er i or

Tipo IV

Tipo V

Tipo VI

Exter i orFIGURA 11-8 Protenas integrales de membrana. Para protenas conocidas de la membrana plasmt ica, las relaciones espaciales de losdominios proteicos con la bicapa l ip d ica se agrupan en seis categoras, tos tipos I y II tienen slo una hlice transmembrana; el dominoamino-terminal est en el exterior de la c lu la en las protenas detipo I y en el interior en las de tipo II. Las protenas de tipo III tienenmltiples hlices transmembrana en un nico polippticlo. En las pro-tenas de tipo IV, los dominios transmembrana de varios polipptidosdiferentes se unen para formar un canal a travs de la membrana, fasprotenas de tipo V estn unidas a la bicapa principalmente por l pi-dos unidos covalentemente (vase Fig. 11-14) y las protenas de tipoVI tienen tanto hlices transmembrana como anclajes l ip d icos (GPI).

En esta figura, y en otras a lo largo del libro, representamos segmentos de protenas transmembrana en sus conformaciones ms pro-bables: como hlices a de seis a siete vueltas. A veces estas hlices semuestran simplemente como ci lindros. Como se conocen relativamente pocas protenas de membrana por cristalografa de rayos X,nuestra representacin de los dominios extramembrana es arbitraria yno necesariamente a escala.

El c e n t r o de reaccinfotosintticode una b a c t e r i a pr-p u r a fue l a p r i m e r a p r o t e m a de m e m br a na r e s ue l t a por cristalografa. A u n q u e es una proenade m e m b r a n a ms comple jaq u e la b a c t e r i o r r o d o p s i n a , estc ons t r u i da s ob r e los m i s m o sp r i nc i p i o s . El c e n t r o ele reaccin t i e n e c u a t r o s u b u n i d a d e sprote icas , t r es de las c ua l e s c on t i e ne n s e gm e n t os en hlice a


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Ext remo

carboxiloFIGURA 11-9 Bacteriorrodopsina, una protena que cruza la membrana. (PDB ID 2AT9) ta cadena pol ipept d ica sencilla se pliega ensiete hl ices a hidrofbicas , cada una de las cuales atraviesa la bicapa l ip d ica de forma aproximadamente perpendicular al plano dela membrana. Las siete hl ices transmembrana estn agrupadas y elespacio alrededor y entre ellas se llena con las cadenas acilo de los lpidos de membrana. El retinal, que es un pigmento que absorbe luz(vase Fig. 10-21), est sepultado muy adentro de la membrana encontacto con varios de los segmentos helicoidales (no mostrados), fashlices estn coloreadas para corresponderse con la grfica hidrop-tica de la Figura 11-11 b.

que a ba r c a n la m e m br a n a ( F i g . 11 - 10 ) . Es t o s s e gm e n t os sonricos en amnocdosapolares y sus cadenas l a te ra les hidrof-bicas estnor ientadas hac ia el e x t e r i o r de lamolcula d o n d einteracc ionan con los lpidosde m e m br a na . La a r qu i t e c t u r a del a p r o t e m a del c e n t r o de reaccines , por c ons i gu i e n t e , la inve r s a de la vista en lamayoradeproenashidrosolubles quet i e ne n sus r e s i duos hidrofbicos e n t e r r a dos de n t r o delnceop r o t e i c o y sus r e s i d u o s hidroflicosen la super f i c ie (recur-d e n s e , por e jemplo , l as es t ruc turas de la mioglobina y de la h e m o g l o b i n a ) . En elCaptulo19 ve r e m os va r i a s proenasdem e m b r a n a c o m p l e j a s que t i e ne n mltiples s e g m e n t o s t r a n s m e m br a na he l ic o i da le s en los que l as caden as hidrofbicasestn s i tuadas para in te racc ionar con la bicapa lipdica.Puede predecirse la topologa de una protenaintegral de membrana a partir de su secuenciaD e t e r m i n a r la e s t r u c t u r a t r id i m e n s i o n a l de una p r o t e m a dem e m b r a n a , o su topologa, es g e n e r a l m e n t e m u c h o ms difcilque de t e r m i na r su s e c ue nc i a amnocdala cual se p u e d e obt e n e r porsecuencacnde laproenao de su ge n . Se c o n o cen mi les de s e c u e n c i a s deproenasde m e m b r a n a , p e r o seha n e s t a b l e c i do r e l a t i va m e n t e poc a s e s t r uc t u r a s t r i d i m e ns i o na l e s por cristalografade r a yos X o e s pe c t r o s c op i a de NMR.La p r e s e nc i a de s e c ue nc i a s c on t i nua s de ms de 20 amnoci-dos hidrofbicos en unaproenade m e m b r a n a se t om a ge ne r a l m e n t e c o m o p r u e b a de que t a l e s s e c ue nc i a s a t r a v i e s a n labicapa lipdica, a c t ua ndo c om o a nc l as hidrofbicas o formandocanales t ransmembrana . Vi r tua lmente todas l as proenasin te

gra les t i enen al m e n o s una de e s t a s s e c ue nc i a s . La aplicacinde es ta lgicaa s e c ue nc i a s genmcasc om pl e t a s c onduc e a laconclusinde que en m uc ha s e s pe c i e s e n t r e el 10 % y el 20 %de todas l as proenasson proenasin tegra les de m e m b r a n a .

Qu pode m os p r e de c i r s ob r e la e s t r uc t u r a s e c unda r i a del a s po r c i one s de lasproenasi n t e g r a l e s de m e m b r a n a quea ba r c a n la bicapa? Una secuencia a -he l i coida l de 20 a 25 resid u o s es lo s u f i c i e n t e m e n t e l a r ga c om o pa r a a ba r c a r el g r os o r(3 0 ) de l a b icapa lipdica[recurdeseq u e la longi tud de unahlicea es de 1,5 ( 0 , 1 5 n m ) por r e s i duo amnocido]. Unac a d e n a polipeptdicar o d e a d a de lpidos, sin mocuasdea gua con las que f o r m a r e n l a c e s de hidrgeno, t i e n d e a form a r hicesa u hojas 3 , en las que semxmzanlos enlacesd e hidrgeno i n t r a c a t e na r i o s . Si las c a de na s l a t e r a l e s de losamnocdosde unahliceson a po l a r e s , las i n t e r a c c i one s hidrofbicas co n el e n t o r no lipdico estabi l izan an ms la hlice

Varios modossenci l los deanisisde s e c ue nc i a de aminocdosp r opo r c i ona n una prediccinde e s t r uc t u r a s e c unda r i a ba s t a n t e p r e c i s a pa r a las proenast r a n s m e m b r a n a . Lapolar idad re la t iva de c a da amnocido se de t e r m i na e xpe r i -

FIGURA 11-10 Estructura tridimensional del centro de reaccin fo-tosinttico de Rhodopseudomonas viridis, una bacteria prpura. Estafue la primera protena integral de membrana cuya estructura atmicase determin por mtodos de difraccin de rayos X (PDB ID 1 PRC).Once segmentos a-helicoidales de tres de las cuatro subunidades cruzan la bicapa l ip d i ca , formando un cilindro de 45 A (4,5 nm) delargo; residuos hidrofbicos en el exterior del cilindro interaccionancon l p idos de la bicapa. En esta representacin de cintas, residuosque son parte de las hlices transmembrana se muestran en amarillo.Los grupos prostticos (pigmentos que absorben luz y transportadoreselectrnicos; vase Fig. 19-45) estn en rojo.


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11.1 C o m p o s i c i n y arquitectura de las membranas 377

m e nt a l m e n t e m i d i e ndo la variacinde energal ibre que se pr o duce cu ando la cadena l a te ra l de l res iduo pasa de un disolventeapolar al agua . Es ta variacindeenergalibre de t r ansferenc iae s de s de muyexergncapa r a r e s i duos muy po l a r e s o c a r ga dos ha s t a m uy endergncapa r a r e s i duos con c a de na s l a t e r a le s aromicaso h i d r oc a r bona da s alifticas. La ldrofobicicladglobal de una s e c ue nc i a deamnocdosse es t ima sumando lasenergasl ibres de t r ansferenc ia d e los res iduos en l a secuencia ,lo que da un ndcehdropticopa r a a que l l a regin(vaseTabla 3-1) . Para loca l i zar secuencias con po t e nc i a l pa r a a t r a ve s a r las m e m b r a n a s , se ca lculan los ndceshidropticosdesegmentos suces ivos ( l l amados ventanas) de un t a m a o de t e r m i na do que osci la entre 7 y 20 amnocdosPa r a una ve n t a nade 7 res iduos , por e jemplo , los ndcespara los res iduos de l 1 al7, del 2 al 8, del 3 al 9, etc. , se r e p r e s e n t a n tal c o m o se indicae n la Figura 11-11 (se m u e s t r a el ndice pa r a el res iduo in te r m e d i o en cada ventan a , e l r es iduo 4 para los res iduos 1 a 7, pore jemplo) . Una regincon ms de 20 res iduos con un alto ndicehidroptico es , presumiblemente , un s e gm e n t o t r a ns m e m br a na .Cuando las secuencias de proenasde m e m b r a na de e s t r uc t u r at r id imens ional conocida se anal izan de e s t a m a ne r a se observauna c o r r e s pon de nc i a ba s t a n t e bue na e n t r e la s p r e d i c c i one s yl o s s e gm e n t os que se s a be que a ba r c a n la m e m br a na . Los an-lisis hidropticos p r e d i c e n un s o l o s e gm e n t o hidrofbicoenhlicepa ra la gl icoforina (Fig. 11-1 la ) y siete seg me ntos t ran smembrana para l a bac ter ior rodops ina (Fig . 11- l lb) , en concor dancia con los es tudios exper im enta les .

A pa r t i r de sus s e c u e n c i a s deamnocdosy losgrficoshidropticos, se c r e e que m u c h a s de lasproenasde t r a n s po r t e de s c r i t a s en e s t e captulo t i enen mltiples regiones he l i coida les que a t raviesan l a membrana , es decir , que p e r t e n e c e na los t ipos III o IV deproenasin tegra les (Fig. 11-8) . Cuandolas predicc iones son c o h e r e n t e s con los e s t ud i o s qumcos delocalizacindeproenas( t a l e s c om o los de s c r i t o s a n t e r i o r m e n t e p a r a la glicoforina o la b a c t e r i o r r o d o p s i n a ) , la s upos i cinde que l as regiones hidrofbicas c o r r e s p o n d e n a dominiosque a ba r c a n la m e m b r a n a estm u c h o ms just i f icada.

HdrofbcoHi Ir

60 100Nmerode residuo

(a) Gl icoforina130

ofoflil

HdrofbicoHdroflico

100 150 200Nmerode residuo

(b ) Bacter i orrod op s i n aFIGURA 11-11 Grficas hidropticas. El ndice hidroptico (vaseTa-bla 3-1) se representa frente al nmero de residuo para dos protenasintegrales de membrana. El ndice hidroptico para cada residuo ami-n o c id o en una secuencia de longitud definida (llamada ventana) seutiliza para calcular la hidropata media de los residuos de esta ventana. El eje horizontal muestra el nmero de residuo de la mitad de laventana, (a) La glicoforina de eritrocitos humanos tiene una nica secuencia hidrofbica entre los residuos 75 y 93 (amarillo); compreseesto con la Figura 11-7. (b) La bacteriorrodopsina, de la que se sabepor estudios fsicos independientes que tiene siete hlices transmembrana (vase Fig. 11-9), tiene siete regiones hidrofbicas . Obsrvese,sin embargo, que la grfica hidroptica es ambigua en la regin de lossegmentos 6 y 7. Estudios fsicos han confirmado que esta regin tienedos segmentos transmembrana.

9 9 3

i

Canal de K+ Maltoporina Fosfolipasa A de lam e m br a na e x t e rna Fosfoporina EFIGURA 11-12 Acu mu lac i n de residuos deTyr yTrp de protenasde membrana en la interfase agua-lpido. Se conocen las estructurasdetalladas de estas cinco protenas integrales de membrana a partir deestudios cristalogrficos. El canal de K+ (PDB ID 1BL8) es de la bacteria Streptomyces lividans (vase Fig. 11-48); maltoporina (PDB ID1AF6), fosfolipasa A de la membrana externa (PDB ID 1QD5), OmpX

(PDB ID 1QJ9) y fosfoporina E (PDB ID 1 PHO) son protenas de lamembrana externa de E. coli. Los residuos deTyr (naranja) yTrp (rojo)se encuentran predominantemente en el punto en que las regionesapolares de las cadenas ac l i cas se encuentran con la regin de losgrupos de cabeza polares. Los residuos cargados (Lys, Arg, Glu, Asp)se muestran en azul; estn casi exclusivamente en las fases acuosas.


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FepA OmpLAFIGURA 11-13 Protenas de membrana con estructura en barril [i.Se muestran cinco ejemplos, vistos en el plano de la membrana; loscuatro primeros son de la membrana externa de E. coli. FepA (PDB ID1 FEP), que interviene en la captacin de hierro, tiene 22 cadenas (3que abarcan la membrana. OmpLA (procedente de PDB ID 1QD5),una fosfolipasa, es un barril j8 de 12 cadenas que se encuentra enforma ded me r o en la membrana, ta maltoporina (de PDB ID 1MAL),un transportador de maltosa, esun trmero con cada uno de losmonmeros construido por 1 6 cadenas f. TolC (PDB ID 1 EK9), otrotransportador, tiene tres subunidades separadas, cada una de las cuales aporta cuatro cadenas (3a este barril de 12 cadenas. La toxinaa-hemolisina de Staphylococcus aureus (PDB ID 7AHL, en la parteinferior se muestra la vista desde arriba) est compuesta por siete subunidades idnticas, cada una de las cuales aporta un par de cadenas /3en forma de horquilla al barril de 14 cadenas.

Ot r a caracterstican o t a b l e de m u c h a s proenast r a n s m e m b r a n a de e s t r uc t u r a c onoc i da es la pr e s e nc i a de r e s i duosd e Tyr y Trp en la in te r fase ent re l ip ido y agua (Fig . 11-12) .Las cadenas l a te ra les de e s t o s r e si duos s i rve n , a pa r e n t e m e n t e ,como anc las de l a in te rfase de l a mem brana , cap aces de in te rac-c i ona r simutneamenecon la fase lipdicac e n t r a l y con lasfases acuosas a a m bos l a dos de la m e m b r a n a .

Los dom i n i os hidrofbicos de a l guna s proenasi n t e g r a le s de m e m b r a n a p e n e t r a n soen una hoja de la b i c a pa . Lac ic looxigenasa , d iana de la accinde la a s p i r i na , es un e jemplo de ello; sushiceshidrofbicas no a ba r c a n la to ta l idad del a m e m br a na s i no que i n t e r a c c i ona n f ue r t e m e n t e con los grupos acilo de un laclo de la bicapa (vaseRecuad ro 21-2 , Fig . la).

No todas lasproenasin tegra les de m e m b r a n a estnform a d a s porhicesa t r a n s m e m br a na . Ot r o m o t i vo e s t r uc t u r a ltambin comnen lasproenasde m e m b r a n a es el bar r i l /3(vaseFig. 4-20d) , en el que 20 o mss e g m e n t o s t r a n s m e m br a na o r ga n i z a dos f o r m a n ho j a s 3 que r e c u b r e n la p a r t e int e r i o r de un c i l indro (Fig. 11- 13 ) . Los m i s m os f a c t o r e s quef a vo r e c e n la formacindehicesa en el i n t e r i o r hidrofbico de una b i c a pa lipdica es tabi l i zan tambin los bar r i l es /3 .C u a n d o no ha y mocuasde agua d i sponibles para formar enl a c e s de hidrgenocon eloxgenoy el nitrgeno del e n l a c epeptdico, la formacinmxmade p u e n t e s de hidrgenoin-t r a c a t e na r i o s da lugar a la conformacinms e s t a b l e . Las hoj a s 3 p l a na s no m a xi m i z a n e s t a s i n t e r a c c i one s , por lo que nos e e nc ue n t r a n ge ne r a l m e n t e en el interior de la m e m b r a n a ; losba r r i l e s 3 p e r m i t e n t o d o s los e n l a c e s de hidrgenopos i b l e sy son, a p a r e n t e m e n t e , f r e c u e n t e s en lasproenasde m e m

brana . Las po r i n a s ,proenasque pe r m i t e n el pa s o de c ier tossolutos polares a travsde l a m e m br a na e x t e r na de l a bac ter i ag r a m - ne ga t i va E. coli, pr e s e n t a n m uc hos ba r r i l e s /3 de mltip l e s c a de na s que revi s ten el pa s o t r a ns m e m br a na po l a r .

Un polipptidoes mse x t e n d i d o en la conformacin 3q u e en una hlicea; e n t r e 7 y 9 r e s i duos en una conformacinj8 s on ne c e s a r i o s pa r a a t r a ve s a r l a m e m br a na . Recurdesequee n la conformacin 3 las cadenas l a te ra les se a l t e r na n a u n o yot ro l ado de la hoja (vaseFig. 4-7) . En las c a d e n a s 3 de lasproenasde m e m b r a n a , c a d a s e g u n d o r e s i d u o del s e g m e n t ot r a n s m e m b r a n a es hidrofbico e i n t e r a c c i ona con la bicapa l i pdica; en la i n t e r f a s e lpido-protena es f r e c ue n t e e nc on t r a rr e s i duos aromicosLosdemsr e s i duos pue de n ser o no hi-droflicos. La grfica hidropticano es til pa r a p r e de c i r s e g m e n t o s t r a n s m e m b r a n a en el c a s o deproenascon m ot i vosde bar r i l /3, p e r o a m e d i d a que a u m e n t a la b a s e de d a t o s debar r i l es 3 c onoc i dos es fac t ib le hacer predicc iones de conform a c i o n e s 3 t r a n s m e m b r a n a b a s a d a s en la s e c u e n c i a . Pore j e m p l o , se ha p r e d i c h o , por anisisde s e c u e n c i a , que unb u e n nmerodeproenasde m e m b r a n a de ba c t e r i a s g r a m -negat ivas (Fig . 11-13) cont iene bar r i l es 3 .Lpidos unidos covalentemente anclan algunasprotenas de membranaAl guna s proenasde m e m b r a n a c o n t i e n e n uno o mslpidosu n i d o s c o v a l e n t e m e n t e de var ios t ipos : cdosgr a s os de cadena l a rga , i soprenoides , estereso der ivados g lucos i lados delfosfatidilinositol, GPI (Fig 11-14) . El l ip ido unido proporc iona


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11.1 Compo s i c i n y arquitectura de las membranas 379

C^ T N H 3

Cys C H 2 -

COO"

O11C -

- C H ,

C ~^wwv w Grupo palmiti lo en unaCys interna (o Ser)

N(J /ww wH **


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RESUMEN 11.1 Compos ic in y arquitecturade las membranas

La s m e m br a na s biolgicas definen los lmtesdela clula, dividen las cuasen c om pa r t i m i e n t o sdi scre tos , organizan secuencias de r e a c c i one scomple jas yacanen la recepcinde sea lesy en t r ansformaciones deenerga

La s m e m br a na s se c o m p o n e n de lpidosyproenasen una combinacinvariable y de t e r m i na da pa r a c a daespec ie , t ipo de clulayorgnulo El modelo demosaico f luido describe caracersticasc o m u n e s at oda s l as m e m br a n a s biolgicas. La bicapa lipdicaesl a unidad es t ruc tura l bsicaC a d e n a s de aci lo grasod e fosfolpidosy el nceoe s t e r o i de o de lo s esteresestnor ientados hac ia el in te r ior de la bicapa; susi n t e r a c c i one s hidrofbicasestabi l izan la bicapa perole dan flexibilidad.

Lasproenasperifricasestnasoc iadas dbilmentea la m e m br a na po r i n t e r a c c i one s eecrosticasyp u e n t e s dehidrgenoo por anclajes de lpidos un i dosc ova l e n t e m e n t e . La sproenasin tegra les se asoc ianf ue r t e m e n t e a l a s m e m br a na s por i n t e r a c c i one shidrofbicase n t r e la bicapa lpiday s us c a de na sla te ra les deamnocdosa po l a r e s , queestnor ientadas hac ia e l exter ior de lamolculadeproena

Al guna s p r o t e m a s de m e m br a na a b a r c a n l a b i c a palipdicavar ias veces , con s e c ue nc i a s hidrofbicasde a p r ox i m a da m e n t e 20 r e s i duos amnocdosf o r m a ndo hicesa t r a n s m e m br a na . La s s e c ue nc i a shidrofbicas de e s t e t ipo de t e c t a da s en la sproenasp u e d e n ser us a da s pa r a p r e de c i r su e s t r uc t u r as e c unda r i a y ladisposicin t r a n s m e m br a na . Ba r r i l e s 3m ul t i c a de na s on tambinc o m u n e s en la sproenasin tegra les de m e m br a na . Re s i duos de Tyr y Trp dep r o t e m a s t r a n s m e m b r a n a se hallan a m e n u d oen la m t e r f a s e lpido-agua.

Los lpidosy l as p r o t e m a s de l a s m e m br a na s sei n s e r t a n en l a b icapa con orientacinespecficaas pue s , l as m e m br a na s son es t ruc tura l y func io-n a l m e n t e asimricasM uc ha s proenasdem e m br a na c on t i e ne n oigosacridosunidos coval e n t e m e n t e . La sgucoproenasde la m e m b r a n apasmicaestns i e m pr e o r i e n t a da s con e l dominiop o r t a d o r deglcidoen la super f i c ie ext race lu la r .

11.2 Dinmica de membranasU na caracersticano t a b l e de t oda s las m e m b r a n a s biolgicases su f lexibi l idad, es decir , su c a pa c i da d de c a m bi a r de formas i n pe r de r su in tegr idad ni dejar salir sus c on t e n i dos . La ba s ede e s t a p r op i e da d se e n c u e n t r a en las i n t e r a c c i one s no cova-l e n t e s e n t r e lpidosde la b i c a pa y lo s mornenospe r m i t i dosa los lpidos i nd i v i dua l e s , ya que noestnun i dos e n t r e s deforma covalente . Anaramoss e gu i da m e n t e l a dmrvvcad e las

m e m b r a n a s : los m ovi m i e n t o s que t i enen lugar y l a s e s t r uc t u ras t rans i tor ias permi t idas por e s t o s m ov i m i e n t o s .Los grupos acilo del interior de la bicapa estnordenados en grados diferentesA u n q u e la e s t r uc t u r a de la bicapa lipdicaes ba s t a n t e e s t a b l e ,la s mocuasi nd i v i dua l e s de fosfolpidos yesterest i e ne nuna gran l iber tad de movimiento (Fig . 11-15) . La e s t r uc t u r a yflexibilidad de la bicapa lipdicad e p e n d e n de la t e m pe r a t u r a yde los t ipos de lpidos pr e s e n t e s . A t e m p e r a t u r a r e l a t iva m e n t ebaja los lpidos de l a b icapa forman una f a s e de gel semslidae n la queestnc o n s t r e i d o s f u e r t e m e n t e t o d o s los t ipos dem ovi m i e n t o de lasmocuasindividuales de l ipido; la b i c a pae s pa r a cr i s t a li na ( F i g . l l - 1 5a ) . A t e m pe r a t u r a s r e l a t i va m e n t ee l e va da s la s c a de na s h i d r oc a r bona d a s i nd i v idua l e s de los cidos grasos estne n m ov i m i e n t o c ons t a n t e p r oduc i do po r r o t a cina l r e d e d o r de los e n l a c e s c a r b o n o - c a r b o n o de las l a rgascadenas l a te ra les ac i lo . En e s t e e s t a d o lquidod e s o r d e n a d o ,o estado f luido (Fig. 11- 15b ) , el i n t e r i o r de la b i c a pa es msf luido que slidoy la b i c a pa es c om o un m a r de lpidos en m o v i m i e n to c on s t a n t e . A t e m pe r a t u r a s i n t e r m e d i a s , l os lpidos see n c u e n t r a n en un e s t a d o lquidoo r d e n a d o ; ha y m e nos m ov i m i e n t o trmco de las c a de na s a c i l o de la b i c a p a lipdica,pe r o an t i ene lugar e l movimiento l a te ra l en e l p lano de la bicapa . Es tas d i fe renc ias en el e s t a do de la b i c a pa se obs e r va n

(a) Es tad o p aracr i s ta l i n o (gel)

i [ 91m m

(b) Est ado fluido

El calor produce movimientotrmcode las cadenas laterales(transicinge l > fluido)

FIGURA 11-15 Dos estados de los lpidos de la bicapa. (a) En el estado paracristalino, o fase de gel, los grupos de cabeza polares estnordenados uniformemente en la superficie y las cadenas acilo estncasi quietas y empaquetadas con una geometra regular; (b) en el estado l quido desordenado, o fluido, las cadenas acilo experimentanmucho movimiento trmico y no tienen una organizacin regular. Entre estos dos extremos se halla el estado l quido ordenado, en el quelas molcu las de fosfolpidos individuales pueden difundir lateraI-mente pero 'ios grupos ad o permanecen extendidos y ordenados.


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11.2 D i n m i c a de membranas 381

fcilmente e n l o s l i pos om a s c om pue s t o s po r un nico l ip ido,pe r o l a s m e m br a na s biolgicas c on t i e ne n m uc hos lpidos conuna gran var iedad de cadenas ac i lo graso , por lo que no muest ran cambios de fase abruptos con l a t empera tura .

A t e m p e r a t u r a s fisiolgicas (e nt re u no s 20 y 40 C) loscdosgr a s os s a t u r a dos de c a de na l a r ga ( t a l e s c om o 16 : 0 y18 : 0 ) s e e m pa que t a n b i e n e n una disposicin lquidao r d e nada , pero los g i ros de los cdosgrasos insa turac los (vaseFig. 10-1) in te r f i e ren en es te empaquetamiento favorec iendoel es tado lquidode s o r de na do . Los g r upos a c i l o g r a s o de c a den a cor ta t i enen e l mism o efec to . El con tenid o en esteresde una m e m br a na ( que vara muchsimocon e l organi smo y e lorgani llo ; Tabla i 1-1) es o t ro de te rmin ante imp or tan te de l es t a do lipdico La e s t r uc t u r a p l a na rgidadel nceoe s t e r o i de o ,inser tado ent re cadenas l a te ra les de ac i lo graso , reduce l a l i ber tad de l as cadenas ac i lo graso vec inas para moverse por rotacina l r e de do r de l o s e n l a c e s c a r bono - c a r bono , f o r z a ndo alas cadenas a adoptar su conformacin t o t a l m e n t e e x t e nd i da .La p r e s e nc i a de esteresreduce , por cons iguiente , l a f lu idezen el centro de la bicapa, favoreciendo de este modo la fase l quida ordenada , a l t i empo que incrementa , e l grosor de l a hojalipdica ( tal como se des cribe ms ad ela nte ) .

La s cuasregulan su composicinlipdicade forma quese cons igue una f lu idez cons tante en d iversas condic iones e lecrec im iento . Por e jemplo , cuan do se cul tivan a ba ja t e mp eratur a las ba cte ria s sint et iz an ms cdosgrasos insa turac los ym e n o s cdoss a t u r a dos que c ua ndo s e c u l t i va n a t e m pe r a t u ras e levadas (Tabla 11-2) . Como resul t ado de es te a jus te en l acomposicinlipdica, l as membranas de l as bac ter ias cul t ivada s a a l t a s o ba j as t e m pe r a t u r a s t i e ne n a p r ox i m a da m e n t e e lmismo grado de f luidez.El movimiento de lpidos transbicaparequiere catlisisA t e m p e r a t u r a fisiolgica la clifusint ransbicapa -o "f l ip-f lop"-de una molculade una cara a otra de la bicapa (Fig. 1-16a), sies que t iene lugar, es muy lenta en la mayorad e m e m b r a n a s .

(a ) Dfusint ran sversa lsin catalizar "fl ip-flop"M m u y l e n t a( j . e ndas)

(b ) Dfusint ran sversa lcatal izada por una f i ipasa

O C O o o oFiipasa

rpida(t i , en BegUIldos)X X )

(c ) Dfusint r a n s v e r s a ls in catal izar

111 ;;;/// M! 1 i i| j M

:'\v.\..i ;.'/\iMISj O O Ou y rpida

(1 flm/s)

FIGURA 11-16 Movilidad de fosfolpidos individuales en una bicapa. (a) El movimiento de una cara a la otra es muy lento, a menosque (b) est catalizado por una fiipasa; por el contrario, la difusin lateral dentro de la hoja (c) es muy rpida y no requiere catlisis proteica.

TABLA 11-2 Composicin de cidos grasos de las clulas de E. coli cultivadasa diferentes temperaturas

Porcentaje total de cidos grasos*

cido mirstico (14:0) 4 4 4 8cido palmtico (16:0) 18 25 29 48cido palmitoleico (16:1) 26 24 23 9cido oleico (18:1) 38 34 30 12cido hidroximirstico 13 10 10 8Relacin insaturados/saturadost 2,9 2,0 1,6 0,38Fuente: datos de Marr, A.G. & Ingraham, J.t. (1962) Effect of temperatura on the composition of fatty acids n Escherichia coli.J. Bacterio/. 8 4 , 1260."ta composicin exacta de cidos grasos depende no slo de la temperatura de crecimiento sino tambin de la etapa de crecimientoy de la composicin del medio de cultivo.'Calculada como porcentaje total de 16:1 ms 18:1 dividido por el porcentaje total de 14:0 ms 16:0. El cido hidroximirstico se omitien este clculo.


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El m ov i m i e n t o t r a ns b i c a pa r e qu i e r e que un g r u p o de c a be z apo l a r o c a r g a d o a b a n d o n e su e n t o r n o a c u o s o y se t r a s l a de ali n t e r i o r hidrofbicode la b i c a pa , p r oc e s o que t i e ne una g r a nvariacinpos i t i va de energal ibre . Hay s i t ua c i one s , sin emba r go , en la s que t a l movimiento es esencia l . Por e jemplo , dur a n t e la snesisde la m e m b r a n a pasmticab a c t e r i a n a , sep r o d u c e n fosfolpidosen la superficie interior de l a m e m br a naq u e han de e x p e r i m e n t a r u n a difusinf l ip- f lop para penet ra re n la c a r a e x t e r na ele la bicapa. Una difusint r ansbicapa s imi la r tambines necesar ia en l as cuas eucariicasc ua ndo l o slpidosde m e m br a na s i n t e t i z a dos en un organi l lo han de pasard e la hoja in te rna a la e x t e r n a y deall a o t r o s orgnuosHayuna famil ia de proenasla s f l i pa s a s (Fig . l l -16b) , que fac i l i t a n la difusin f l ip- f lop , proporc ionando un p a s o t r a n s m e m b r a n a que es energicamenems favorable que ladifusinno ca ta l i zada .Lpidos y protenas difunden lateralmenteen la bicapaL as mocuasde l ip ido individuales pueden t ras ladarse l a te r a l m e n t e en el plano de la m e m b r a n a i n t e r ca m b i a n d o su sitiocon mocuaslipdicasve c i nas ( F i g . l l - 16 c ) . Una molculadeu n a de las c a p a s , o c a r a , de la b i c a p a -l a c a r a e x t e r n a de lam e m b r a n a pasmicade er i t roc i to , por e jemplo- puede d i fund i r l a t e r a l m e n t e con tal r a p i de z que pue de dar la vue l t a c om p l e t a al e r i t r oc i t o en s e g u n d o s . E s t a rpidadifusin l a t e r a ld e n t r o del p l a no de la b i c a pa t i e nde a hacer a lea tor ia la pos i cinde la s mocuasindividuales en unos poc os s e gundos .

Se pue de de m os t r a r e xpe r i m e n t a l m e n t e ladifusin l a t e ra lm e d i a n t e launinde s onda s f l uo r e s c e n te s a los grupos de cabe z a de lpidos y ut i l i zando la mcroscopa de fluorescenciapara segui r l as sondas en funcindel t i empo (Fig . 11-17) . Enu n a de la s tcncasse de c o l o r a una p e q u e a regin (5 u. m 2)de una super f i c ie ce lu la r con lpidosma rca do s con f luorescenc ia por medio de radiacinlseri n t e ns a , de m odo que el t rozoi r radiado ya no emi te f luorescencia cuando se obs e r va a la luzm u c h o ms t e nue de l m i c r os c op i o de fluorescencia. Sin emba r go , encuestinde mil i segundos l a regin r e c u p e r a su fluo-

FIGURA 11-17 Medicin de las velocidades de difusin lateral de lpidos mediante recuperacin de la fluorescencia despus de la foto-decoloracin (FRAP). tos l pidos de la hoja exterior de la membranaplasmtica se marcan mediante una reaccin con una sonda fluores-cente impermeable a la membrana (rojo), de manera que la superficiequeda marcada uniforme, cuando se observa al microscopio de fluo-rescencia. Se decolora una pequea rea por i rradiacin con un hazlser intenso, con lo que esta rea deja de ser fluorescente. Con elpaso del tiempo, molculas de lipido marcadas difunden hacia la re-gin decolorada, con lo que vuelve a ser fluorescente. A partir de larecuperacin de la fluorescencia en funcin del tiempo puede deter-minarse el coeficiente de difusin del lipido marcado. Las velocida-des son normalmente elevadas; un lipido que se desplace a estavelocidad podra circunnavegar E. coli en un segundo. (El mtodoFRAP tambin se puede utilizar para medir la difusin lateral de pro-tenas de membrana.)

rescencia , ya que mocuasde l ip ido no decoloradas d i fundenal t rozo decolorado a la vez que mocuasde l ip ido decoloradas d i funden fuera de l mismo. La ve loc idad de recuperacind e la f l uo r e s c e nc i a despusde la fotodecoloracino FRAP( f luorescent recovery a f t e r photobleaching) es una medida dela velocidad dedifusinl a t e ra l de lo s lpidos. Util izando la tc-n i c a FRAP se ha d e m o s t r a d o que a l gunos lpidosde m e m br a na d i f unde n l a t e r a l m e n t e a una ve loc idad de ha s t a 1 xm/s.

Un ha z lserintenso decolora


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FIGURA 11-18 Difusin a saltos de molculas z- p o individuales. El movimiento de una nica molcula e : : : " : -escente enuna superficie celular se registra en v d eo por micro s co p a de f luorescencia, con una resolucin en el tiempo de 25 fis equivalente a40.000 marcos/s). El trazo aqu mostrado representa ura ~:.e:.!a seguida durante 56 ms (un total de 2250 marcos;; el trazo empieza enel rea prpura y contina a travs de las reas azul, verde y naranja.El patrn de movimiento indica difusin rpida dentro de j.na -esicrconfinada (alrededor de 250 nm de dimetro, sealada por un solocolor), con saltos ocasionales a una regin adyacente. Este descubrimiento sugiere que los l pidos se encuentran cercados por vallas moleculares que pueden saltar de vez en cuando.

Ot r a tcncael r a s t r e o de una sola partcula, pe r m i t e segui r el m o v i m i e n t o de una nicamolcula de l ipido en lam e m b r a n a pasmicaen una esca la de t i e m po m uc ho m e nor .Los r e s u l t a dos de es tos es tudios conf i rman la rpidadifusinl a t e r a l de n t r o de r e g i o n e s c o n c r e t a s p e q u e a s de super f i c iecelular y de m u e s t r a n que e l m ov i m i e n t o de una de es tas regione s a una reginvecina estinhibido; los lpidos se c o m p o r t a nc om o si e s t uv i e s e n c e r c a dos por vallas quesopue de n s a l t a rocas iona lmente (Fig . 11-18) .Poenasin te rcambiadorasde cloruro-bicarbonato - Glicoforina Exter i or

M e m br a napasmicaAnqui r inaEspec t r inaTrazo de una mocuade l ipido ind ividualComplejo de unin(act ina)

Int er i or

FIGURA 11-19 Movilidad restringida del ntercambiador cloruro-bicarbonato de eritrocito, ta protena abarca la membrana y se liga ala protena citoesqueltica espectrina mediante otra protena, la anquirina, limitando su movilidad lateral, ta anquirina est anclada a lamembrana por una cadena lateral de palmitilo unida covalentemente(vase Fig. 11-14). La espectrina, una protena larga y filamentosa, seentrecruza en complejos de unin que contienen actina. Una red demo lcu las de espectrina entrecruzadas unidas a la cara citoplasm-tica de la membrana plasmt ica estabiliza la membrana frente a deformaciones. Esta red de protenas de membrana ancladas puede serel "corral" sugerido por el experimento de la Figura 11-18; los rastrosde lipido aq u mostrados estn confinados a subregiones definidaspor las protenas de membrana ligadas.

M uc ha s proenasde membrana parecen f lo ta r en un mard e lpidos. Al igual que los lpidos de m e m b r a n a , estsprote-nas t i enen l iber tad para d i fundi r l a te ra lmente en el plano de labicapa yestnen m ovi m i e n t o c ons t a n t e , tal c om o se d e m u e s t r a m e d i a n t e la tcncaF R A P conproenasde superficie conm a r c a d o r e s f l uo r e s c e n t e s . Al guna sproenasde m e m b r a n a seasoc ian formando grandes agregados ( "parches") en la s upe r ficie de laclulau orgnulo donde l as proenasno se m u e v e nu n a con r e s p e c t o a las o t r a s ; por e j e m p l o , los r e c e p t o r e s deace t i l col ina (vaseFi g . 11 - 51 ) f o r m a n de ns os pa r c he s en lasm e m b r a n a s pasmicasne u r ona l e s de l as s inaps i s . Ot ras prot e m a s de m e m b r a n a estna nc l a da s a e s t r uc t u r a s i n t e r na s queevi tan su l ibre difusin. En l a membrana de l e r i t roc i to , t anto lagl icofor ina como el i n t e r c a m b i a d o r de b i c a r b o n a t o y c l o r u r o(p . 395) estnl igados a la e s pe c t r i na , unaproenaf i lamentosadel c i toesquele to (Fig . 11-19) . Una explicacinpos ible de l patrnde difusinl a t e ra l de la s mocuasde l ip ido mos t rado enla Figura 11-18 es que lasproenasde membrana inmovi l i zada s por suasocacncon la espectr ina son las "val las" que def inen las r e g i one s de m ovi m i e n t o lipdicor e l a t i v a m e n t e nores t r ingido.Los esf ingol pidos y el colesterol se agrupanconjuntamente en balsas de membranaHemos vi s to que ladifusinde los lpidosde m e m br a na de unacara de l a b icapa a la otra es muy lenta a m e nos que estc a t a l izada y que las di ferentes espec ies de lipido de la m e m b r a n apasmicaestndis t r ibuidos de m a n e r a asimtricaen la s doshojas de la bicapa (Fig . 11-5) . Inc luso dent ro de una m i s m ahoja, ladistribucin de lpidos no es aleatoria. Los glucoesfin-golpidos(cerebrsidosyganglisidos), que c on t i e ne n m a yo-r i t a r i a m e n t e cdosgr a s os s a t u r a dos de cadena l a rga , formana g r upa c i one s t r a ns i t o r i a s en la ho j a e x t e r na que e x c l u y e nprcicamenelos glicerofosfolpiclos, los cuales cont ienen ha-b i t u a l m e n t e un grupo ac i lo graso insa turado y un grupo ac i log r a s o s a t u r a do ms cor to . Los grupo s ac i lo sa turad os l a rgos delo s esfingolpiclos pue de n f o r m a r a s oc i a c i one s ms c o m p a c t a sy es tables co n e l l a rgo s i s t ema anular del coles te rol que l as ca-


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RECUADRO 11-1 BIOQUIMICA PRACTICAMicroscopa de fuerza atmica para visualizarprotenas de membranaEn lamcroscopade fuerza atmca ( AFM ) , se de s p l a z a lapunta f ina de una s ondamcroscpicau n i d a a un br a z o depalanca f l exib le a travsde una s upe r f i c i e i r r e gu l a r talcomo una membrana (Fig . 1) . Las in te racc iones electrostticas y de van der Waals ent re l a punta y l a mues t ra producenuna f ue r z a que de s p l a z a la s onda a r r i ba y abajo (en la dimensinz) a m e d i d a que e nc ue n t r a c o l i na s y val les en lam ue s t r a . Un r a yo lserre f l ejado d esd e e l brazo de pa l a nc ade t e c t a m ov i m i e n t o s de tanso1 A. En un t ipo de microscopio de fuerza atmcase ma nt ien e con s tante l a fuerza sobre l a sonda (en relacina ma fuerza estndardel orden dep i c o n e w t o n s ) m e d i a n t e un c i rcui to de retroalimentacinque ha c e que la p l a t a f o r m a que s o s t i e ne la m u e s t r a s u b a oba j e pa r a m a n t e ne r la fuerza cons tante . Una ser ie de bar r i do s en las d i m e n s i o n e s X e y (el p l a no de la m e m b r a n a )p r o p o r c i o n a un m a p a de c u r va s de n i ve l t r i d i m e ns i ona l enla superficie con una resolucinprximaa la escala atmca(0 ,1 nm en l a dimensinver t i ca l y de 0, 5 a 1,0 nm en las dim e n s i o n e s l a t e r a l e s ) . L a s b a l sa s de m e m b r a n a m o s t r a d a sen l a Figura 11-20b se ob t uv i e r on c on e s t a tcnca

En casos favorables , puede u t i l i zarse l a AFM para es tudiar mocuasprote icas mdividuales de ma m e m br a na . La smocuasindividuales de l a bac ter ior rodops ina de l as memb r a n a s prpurade la ba c t e r i a Halobacterium salinarum(vaseFig. 11-9) se ven c o m o e s t r u c t u r a s muy r e gu l a r e s(Fig . 2a) . Cuando se s upe r pone n una s e r i e de mgenesdeun i da de s i nd i v i dua l e s c on la a yuda de un or de na do r , se r e fuerzan ent re s l as par te s rea les d e l a imagen y se el imina elru ido de fondo de la s mgenesindividuales , se ob t i e ne unai m a ge n de al ta resolucinde laproena( i n s e r t o de la Fig.

d e n a s ms c o r t a s y a m e n u d o i n s a t u r a d a s de lo s fosfolpidos.Los mi c r o d om i n i o s de colesterol-esingolpidosde la hoja ext e r na de la m e m b r a n a pasmicavisibles pormcroscopadefuerza atmca (Recuadro 11-1) , son l igeramente ms gr ue s osy ms orde nado s (me nos f lu idos) que los microdo minios vec i nos r i cos en fosfolpidos (Fig. 11-20) y so n ms difcilesde di -

Detector de luz lser

La plataforma se desplaza param a n t e ne r una presincons tantesobre la punta del brazo de palanca.Se representan desplazamientosen la direccinz en funcinde x , y .

FIGURA 1

2a) . La AFM de l a acuapor ina pu r i f icada de E. coli, r e c ons t i tu ida en b i c a pa s lipdicasy vis ta como si se m i r a s e de s de elexter ior de una clula,muestra los detal les f inos de los domin i o s peripasmicosde la proena(Fig . 2b) . La AFM tambinrevela que F 0 , el rotor impulsado por protones de la ATPsintasa de l c loroplas to (p . 742) ,estc om pue s t a po r m uc ha ssubunidades (14 en l a Fig . 2c) d i spues tas en un crculo

solver con de tergentes no inicos; se c om por t a n c om o ba l s a sde esfingolpidode e s t r u c t u r a lquidao r d e n a d a a. la deriva enu n ocanode fosfolpidosde e s t r u c t u r a lquidad e s o r d e n a d a .

Es tas ba l sas de lpidos c on t i e ne n una c a n t i da d e l e va da dedos c lases deproenasin tegra les de m e m br a na : l a s queestna nc l a da s a l a m e m br a na m e d i a n t e dos cdosgr a s os s a t u r a dos

mmih 2


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Balsa enriquecida enesfingolpidos, colesterolI

(b )FIGURA 11-20 Microdominios (balsas) de la membrana plasmtica.(a) Asociaciones estables de esfingolpidos y colesterol en la hoja externa producen un microdominio, ligeramente ms grueso que lasotras regiones de la membrana, que est enriquecido con tipos espec-ficos de protenas de membrana, tas protenas unidas por CPI se encuentran normalmente en la hoja externa de estas balsas, mientras queprotenas con uno o varios grupos acilo de cadena larga unidos covalentemente son frecuentes en la hoja interna. La caveolina se encuentrade modo preferente en balsas curvadas hacia el interior denominadascaveolas (vase Fig. 11-21). Las protenas con grupos premio unidos(tales como Ras; vase Fig. 12-6) tienden a ser excluidas de las balsas.(b) El mayor espesor de las regiones de balsa puede visualizarse mediante microscopa de fuerza atmica (vase Recuadro 11-1). En estavista de una regin de membrana, podemos ver las balsas sobresaliendo de un ocano de bicapa l ip d ica; en las balsas, los picos agudosrepresentan las protenas unidas por GPI. Obsrvese que estos picos seencuentran casi exclusivamente en las balsas.

de cadena l a rga unidos de forma covalente (dos grupos pa lmi tilo o un grupo pa lmi t ilo 5' uno mirist i lo) y las que estnun i da spor GPI (Fig . 11-14) . Probablemente , es tas anc las lipdicas, lom i s m o que las cadenas ac i lo de lo s esfingolpidos, forman asoc iac iones ms es tables con el coles te rol y los grupos aci lo largos de las ba l s a s que con lo s fosfolpidosque las r o d e a n . [Esde no t a r que o t r a s proenasun i da s a lpidos, las que c on t i e nen grupos i sopremlo t a les como el fa rnes i lo unidos de formacovalente , no se a s oc i a n p r e f e r e n t e m e n t e c on la hoja externa

de las balsas de esfingolpido/colesterol (Fig. 11-2 " a ' Los dominios "balsa" y "mar" d e l a me mb rana p lasman: :? . r_: sep a r a d o s de m a n e r a rgida; lasproenasde m e m c r a r . s : : . : : : : ' :d e s p l a z a r s e ha c i a de n t r o y hacia fuera de las bal sas a- a:::::e n una esca la de t i e m po de s e gundos . Pe r o en l a iet i e m po ms c o r t a ( m i c r o s e g u n d o s ) , ms a d e c u a d a p a r a muc hos p r oc e s os bioqumcos en los que in te rvienenmerrrar:a=m u c h a s de e s t a s proenasres iden pr inc ipa lmente en l a ba l sa .

Se pue de c a l c u l a r la fraccinde super f i c ie ce lu la rp a d a por ba l s a s a pa r t i r de la fraccinde m e m b r a n a pasm-t ica que r e s i s t e la solubilizacinpor d e t e r g e n t e s , la cual , ena lgunos casos , puede l l egar a ser del 50%: las bal sas cubren l ami tad de locano(Fig . l l -20b) . Medidas indi rec tas en cult ivosde f ibroblas tos sugieren que una ba l sa individual t i ene aproxi m a d a m e n t e un dimetro de 50 nm , lo que c o r r e s p o n d e a unparche con i rnos cuantos mi les de esfingolpidos yquzde 10a 50 p r o t e m a s de m e m br a na . De b i do a que l a mayora de clul a s e xp r e s a n ms de 50 c l a s e s d i f e r e n t e s deproenasde lam e m b r a n a pasmicaes p r o b a b l e que una sola ba l sa cont e n g a soun s u b c o n j u n t o deproenasde m e m b r a n a y quee s t a segregacndeproenasde m e m b r a n a sea signif icat iva.Pa r a un p r oc e s o en el que in te rviene l a interaccinde dos protenasde m e m b r a n a , su pr e s e nc i a en una m i s m a ba ls a a um e ntaras u s t a n c i a l m e n t e la pr oba b i l i da d de su colisin.Ci e r t o sr e c e p t o r e s de m e m b r a n a y proenasde s e a l i z a c i n , pore j e m p l o , pa r e c e n e s t a r s e g r e ga dos c on j un t a m e n t e en ba l s a sd e m e m b r a n a . Se ha n he c ho e xpe r i m e n t os que m u e s t r a n quese puede in te r fe r i r en la sea l i zac in a travsde e s t a s protena s m e d i a n t e m a n i pu l a c i one s que e l iminan el coles te rol de lam e m b r a n a pasmicay des t ruyen l as ba l sas de lpidos.

Las caveolinas definen una clase especialde balsas de membranaLa c a v e o l i n a es unaproenai n t e g r a l de m e m b r a n a con dosdom i n i os g l obu l a r e s c one c t a dos por un dom i n i o hidrofbicoen forma de horquil la que une la proenaa la hoja citoplasm-t ica de la m e m b r a n a pasmicaEl anclaje a la m e m b r a n a sere fuerza con t r es grupos pa lmi t i lo unidos al dominio g lobularcarboxi lo- te rmina l . La caveol ina (de hecho una fami l i a de cav e o l i n as r e l a c i o n a d a s ) une c o l e s t e r o l en la m e m b r a n a y lapresencia e le caveol ina fuerza a la b i c a pa lipdica a s oc i a da ac u r va r s e ha c i a de n t r o , f o r m a ndo c a v e o l a s ( " p e q u e a s c u e va s " ) en la super f i c ie de la clula(Fig . 11-21) . Las c a ve o l a sson ba l sas espec ia les : in te rvienen ambas hojas de la bicapa (lahoja citoplasmtica, de la que se proyec tan los dominios g lob u l a r e s de la caveol ina , y la hoja exopasmicauna bal sa tp i c a de esfingolpidos/colesterol con proenasa s oc i a da sa nc l a da s por GPI ) . Las c a ve o l a s i n t e r v i e ne n en diversas funciones celulares, entre las que se incluyen el trficoatravsdem e m b r a n a s d e n t r o de lascuasy la transduccinde s e a l e se x t e r na s en respues tas ce lu la res . Los receptores de l a insul inay de ot ros fac tores de c r e c i m i e n t o , as como c ie r t as proenasd e unina G TP yproenasquinasa asoc iadas con l a sea l i zacin t r a n s m e m br a na , pa r e c e n e s t a r l oc a l i z a dos en ba l s a s y,quzsen caveolas . En elCaptulo 12 se t r a tan a lgunas func iones pos ib les de las balsas en la seal izacin.


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386 Captulo 11 Membranas biolgicas y transporte

Membranapasmica ExteriorInterior

A. Caveola ^t r

Dmerode caveolina(seis porcionesacilo graso)FIGURA 11-21 la caveolina fuerza lacurvatura hacia adentro de lasmembranas. La protena caveolina tiene un dominio central hidro-fbico y tres grupos acilo decadena larga sobre cada unidad mono-mrica que mantienen la molcula en el interior de la membranaplasmtica. Cuando una serie de dmeros decaveolina seconcentraen una pequea regin (una balsa) fuerza lacurvatura de labicapa li pd i ca , formando una caveola.

Ciertas protenas integrales favorecen lasinteracciones intercelulares y la adhesinVarias familias de proenasintegrales de la membrana plasmticaproporcionan puntos especficosde anclaje entre clu-las o entre una clulayproenasde la matriz extracelular. Lasintegrinas son proenasheerodmricas(con dos subunida-des diferentes, a y f ) ancladas a la membrana pasmicaporuna simple hlicehidrofbica transmembrana en cada subuni-dad (Fig 11-22;vasetambinFig. 7-30). Los dominios extra-celulares grandes de las subunidades a y 3 se combinan paraformar un sitioespecficode uninparaproenasextracelula-res tales como el cogenoy la fibronectina. Dado que existen18 subunidades a diferentes y al menos 8 subunidades f 3 difer e n t e s , se puede generar una gran variedad de especificidad apartir de diversas combinaciones de a y 3 . Un determinantecomnde la uninde las integrinas en diversas asociacionesextracelulares de las integrinas es la secuencia Arg-Gly-Asp(RGD).

Las integrinas no son meros adhesivos; acantambin como receptores y transductores de seales

transportando informacina travsde la membranapasm-tica en ambas direcciones. Las integrinas regulan muchos procesos , entre los que se incluyen laagregacnplaquetaria en elsitio de una herida, la reparacntisular, la actividad decuasirtrnunitarias y la invasinde un tejido por una tumor. La mutacinde un gen de la integrina que codifica la subunidad 3 ,conocida como CD18, es la causa de la deficiencia deadhesinleucocitaria en humanos, una extraa enfermedad genicaenla que los leucocitos son incapaces de atravesar los vasos sanguneospara alcanzar el sitio de la infeccin(vaseFig. 7-33).Nios con una deficiencia grave en CD18 mueren normalmente a causa de infecciones en los dos primeros aos devida.

Regnqueune ligando

0 a filai

Exterior

' v Y y < i

Dominioadhesivo

Dominios similaresa inmunoglobulinasDominio lectina(uneglcidos)

5"^lly - , ! 'W


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Al me nos o t ras t re s fami li as de proenasde m e m b r a n apasmicai n t e r v i e ne n tambinen la adhesnsuperficial (Fig.11-22) . Las c a d e r i l l a s e x p e r i m e n t a n i n t e ra c c i o n e s homofli-cas ( "con la misma c lase") con c a de r i na s idnicasen cuasa d y a c e n t e s . Lasprotenast i p o i n m u n o g l o b u l i n a s p u e d e ne xpe r i m e n t a r i n t e r a c c i one s homoflicas con sus copias idntica s de ot ra cluaoheteroflicascon una in tegr ina de una c-lu la vec ina . Las s e l e c t i n a s t i e ne n dom i n i os e x t r a c e l u l a r e sq ue , en presencia, ele Ca 2 + , une n poisacridosespecficosdela superficie de unacluaa d y a c e n t e . Esnpr e s e n t e s p r i nc i p a l m e n t e en los diversos t ipos de cuassanguneasy e n d o t e -liales que tapizan los vasos sanguneos (vaseFig. 7-33) . Sonuna par te esenc ia l de l proceso de coaguacinde la s a ng r e .

Las proenasin tegra les in te rvienen en m uc hos o t r o s p r o cesos ce lu la res . Actanc o m o t r a n s p o r t a d o r e s y c a na l e s inicos (como se trataren la Seccn11.3) y c om o r e c e p t o r e s dehor m ona s , ne u r o t r a ns m i s o r e s y f a c to r e s de crec imiento (Captulo 12) . Son esencia les en la fosforilacinoxidat iva y la fotosnesis(Captulo i 9) y en el r e c o n o c i m i e n t o clula-clulayangeno-cuadel s i s t ema inmuni ta r io (Captuo 5) . Las protenasin tegra les de m e m b r a n a tambinj ue ga n un i m por t a n t ep a p e l en la fusinde m e m b r a n a s que a c o m p a a a la e xoc i t o -sis, la endoci tos i s y la e n t r a d a de un gr a n nmerode vi rus enla s cuashuspedLa fusin de las membranas es crucialen muchos procesos biolgicosUna p r op i e da d no t a b l e de las m e m b r a n a s biolgicases su ca-pa c i da d pa r a f u s i ona r s e con o t r a s m e m b r a n a s sin p e r d e r suc o n t i n u i d a d . A u n q u e las m e m b r a n a s son es tables , e l lo noquiere dec i r que sean estticasDe n t r o de l s i s t e m a e ndom e m -br a nos o eucaritico (que inc luye l a membrana nuclear , e l retculo endopasmicoel Golgi y varias vescuasp e q u e a s ) hayu n a reorganizacin c o n s t a n t e de los c o m p a r t i m i e n t o s m e m b r a nos os . Ha y pe q ue a s vescuasque br o t a n de l retculo en-dopasmicopara l levar lpidosy proenasrecins in te t i zadosa los r e s t a n t e s orgnuosy a la m e m b r a n a pasmtica Lae xoc i t o s i s , e ndoc i t o s i s , divisincelular , fusinde l hue vo y ele s p e r m a t o z o i d e y la e n t r a d a de un vi rus con e nvo l t u r a m e m b r a nos a de n t r o ele la clulahuspedi m p l i c a n la r e o r ga n i z a cinde la m e m b r a n a , d o n d e la operacinf u n d a m e n t a l es lafusinele dos s e g m e n t o s m e m b r a n o s o s sin prdidade cont i nuidad (Fig . 11-23) .

La fusinespecficade dos membranas requiere que (1) ser e c o n o z c a n e n t r e s; (2) sus s upe r f i c i e s estnmuy c e r c a , loq ue r e q u i e r e laemnacinele las mocuase le agua norm al men te asoc iadas con los grupos de cabeza polares ele los lpidos;(3 ) sus e s t r uc t u r a s en bicapa se r om pa n l oc a l m e n t e da ndo lu-g a r a la fusinde la ho j a e x t e r na de c a d a m e m b r a n a ( h e m i -fusin); y (4) sus b i c a pa s se f u s i one n f o r m a ndo una b i c a panicac on t i nua . La e ndoc i t o s is m e d i a da por r e c e p t o r , o s e c r e cinr e gu l a da , tambinr e q u i e r e que (5) el proceso ele fusins e d e s e n c a d e n e en e l m om e n t o a p r op i a do o c om o r e s pue s t a auna sea l especficaLas proenasin tegra les l l amadas prote-n a s de fusinf a vo r e ce n e s t o s p r oc e s os , p r om ov i e ndo un re-c onoc i m i e n t o especficoy una distorsinlocal t ransi toria ele la

Brote de vescuasdesde el complejo deGolgiExocitosisEndocitosisFusinde endosomay l isosoma

Infeccinvrica | |

Fusinde pequeasvacuolas (plantas)Separacnde dosm e m br a na s pasmicasen la divisincelular /

FIGURA 11-23 Fusin de membranas, ta fusin de dos membranases fundamental en multitud de procesos celulares en los que intervie-nen tanto orgnulos como la membrana plasmtica.

e s t r u c t u r a de la b i c a pa que f a vo r e c e n la fusinde la m e m br a na . (Obsrveseque es tas proenasde fusinn o estnre la c i o n a d a s con el p r o d u c t o de dos ge ne s f u s i ona dos , tambinl l am a dos p r o t e m a s de fusin de s c r i t o s en elCaptuo 9.)

Dos casos ele fusinde m e m b r a n a estnmuy bien es tudiados : la e n t r a da en una cluahuspedde un virus con envoltur a m e m b r a n o s a tal c om o el virus de la gr ipe y la liberacinden e u r o t r a n s m i s o r e s por e xoc i t o s i s . Am bos p r oc e s os ne c e s i t a nc om pl e j o s de proenasde fusinque e x p e r i m e n t a n c a m b i o sd e conformacine s pe c t a c u l a r e s .

El virus de la gr ipe estr o d e a d o por una m e m b r a n a quecont iene , ent re o t ras proenasm u c h a s mocuasde la protena hemaglut in ina (HA) (su nom br e p r ov i e ne de su c a pa c i da dde aglut inar e r i t roc i tos ) . El vi rus ent ra en unaclulahuspedpo r induccinde e ndoc i t o s i s , que e nc i e r r a el vi rus en un en-d o s o m a , una vescuam e m b r a n o s a p e q u e a c o n un pH de al-r e d e d o r de 5 (Fig. 11-24) . A este pH se p r o d u c e un cam bio eleconformacinde la proenaHA, que e x p o n e una s e c u e n c i ad e n t r o de l a protem a HA l l amada ppidode fusinq ue pe r mi te que la proenap e n e t r e en la m e m b r a n a endosmcaLam e m b r a n a endosmcay la m e m b r a n a vricaestna ho r a co-n e c t a d a s a travsde la proenaHA. A continuacinlaprotena HA se curva por la mitad formando una horqui l l a que p o n een contac to los dos ext remos . Es to t i r a de l as dos membranas ,ciue se sitanuna al l ado de la ot ra , y p r o d u c e la fusinde la


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388 Captulo 11 Membranas biolgicas y transporte

Clulahusped El virus se une a los receptoresdecdosilicoen la superficiedelhuspedVirus

El virus desencadenala endocitosis; quedaencerrado en un endosoma.

LapoenaHA en la formaa pH 7 tiene losppidosde fusinsepultados.PoenaHA(trmero)

El bajo pH del endosoma provocalaexensnde losppidosde fusinde lapoenaHA, que se insertanen la membranaendosmcaPpidode fusin

LapoenaHA se pliega enhorquillas, poniendo en contactolas membranas vricayendosmcaHorquillasHA

CitosolVescuasecretoraLavescuallena de neurotransmisorse acerca a la membranapasmicaMocuasde neurotransmisorv -SNAREt-SNAREMembranapasmica

v-SNARE y t-SNARE se unen entres, cerrndosecomo una cremalleradesde los extremos amino-terminalesy acercando las dos membranas.

I El cierre de la cremallera producecurvatura y tensnlateral sobre lasbicapas, favoreciendo lahemfusinentre las hojas externas y dandolugar a la formacinde un espaciovacodesfavorableenergicamene

EspaciovacoinestableLas hojas internas de las dosmembranas se ponen en contacto.

Elppidode fusinde HA rompelocalmente la membrana,dndosela hemfusin; la monocapa externadel virus se funde con la monocapainterna del endosoma.

fusincompleta permiteque los contenidos vricosentrenel citoplasma.

FIGURA 11-24 Fusin inducida por la protena hemaglutinina (HA)durante la infeccin vr ica, (a)La protena HA est expuesta en la superficie de la membrana del virus de la gripe. Cuando el virus pasadel pH neutro del fluido intersticial al compartimiento de pH bajo(endosoma) de la clula husped, HA experimenta un cambio importante de forma que facilita la fusin de las membranas vrica y endosmica , liberando los contenidos vricos en el citoplasma.

La fusincompleta crea un porode fusin

El poro se ensancha; el contenidode lasvescuasse vierte al exteriorde la clula.

FIGURA 11-25 Fusin durante la liberacin de neurotransmisoren unasinapsis. La membrana de la vescula secretora contiene lav-SNARE sinaptobrevina (rojo). La membrana diana (plasmtica) contiene las t-SNARE sintaxina (azul) y SNAP25 (violeta). Cuando un aumento local de [C a2+ ] seala la liberacin del neurotransmisor,v-SNARE, SNAP25 y t-SNARE interaccionan formando un haz enrollado de cuatro hlices a tirando conjuntamente de las dos membranas y rompiendo localmente la bicapa, lo que lleva a la fusin demembranas y liberacin de neurotransmisor.


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11.3 Transporte de solutos a travs de m e m b r a n a s 389

m e m b r a n a vrica con la m e m b r a n a endosmcaLa proenaHA funciona como un trmero (Fig . 11-24) . En su forma a pHbajo, t res dominios de la HA en el e x t r e m o c e r r a do de la horqui l l a se re tuercen ent re s, con lo que se forma una es t ruc turaes table he l i coidal . En e l proceso de fusinhay una e tapa in te r m e d i a (hemfusin)en l a que la ho ja e x t e r na de l a m e m br a navricaestfus ionada con l a hoja in te rna de l a membrana endosmcam i e n t r a s que l a s o t r a s dos ho ja s m a n t i e ne n su cont i nu i da d . En el p u n t o de lahemfusin la b i c a pa lipdicaha dede s o r ga n i z a r s e t e m por a l m e n t e , p r oba b l e m e n t e a c a us a de losdominios de l pptido d e fusinde HA. La fusinc om pl e t a dalugar a la liberacin del contenido vricoen el c i toplasma de laclulahusped

Los neurot rasmisores se l iberan en l as s inaps i s cuando vescuasi n t r a c e l u l a r e s c a r ga da s c on ne u r o t r a ns m i s o r se fusiona n c on la m e m b r a n a pasmicaEs t e p r oc e s o r e qu i e r e unafamilia de proenasDamadas SNARE (Fig . 11-25) . Las prote-nas SNARE de la cara citoplasmtica de las vescuasin t race lula res se l l aman v - SNARE; las que estnen las m e m b r a n a sdiana con las que se fusionan las vescuasse llaman t -SNARE.Tambn in te rvienen ot ras dos proenasSNAP25 y N S F Durante la fusin las v- y t -SNARE se une n e n t r e s y e xpe r i m e nta n un c a m bi o e s t r uc t u r a l que p r o d u c e un haz de vari l laslargas y delgadas formadas por hicesde las v- y t -SNARE ascomo dos hicesde SNAP25 (Fig. 11-25). Inicialmente las dosSNARE i n t e r a c c i ona n por s us e x t r e m os y acontinuacin cier r a n c om o una c r e m a l l e r a el h a z de hices Es t e c a m bi o est r uc t u r a l pone en c o n t a c t o las d o s m e m b r a n a s y se inicia lafusinde sus b icapas lipccas.

El complejo de SNARE y SNAP25 e s la diana de l a potente toxina de Closlridium botulinum, una proteasa que cor tae n l a c e s especficosde e s t a s proenas i m p i d i e ndo la n e u r o -transmsiny c a us a ndo la cons iguiente muer te de l organi smo.Debido a su elevaclsimaespecif icidad por estas proenasse hauti l izado la toxina botulnica pur i f i cada como her ramienta paraanal izar el mecanismo de la liberacinde ne u r o t r a ns m i s o r e s invivo e in vitro.RESUMEN 11.2 Dinmica de membranas

Los lpidosd e u n a m e m b r a n a biolgicapue de n e x i s t i ren es tado lquidoo r d e n a d o o d e s o r d e n ad o ; en e s t eltimocaso , e l movimiento trmcode l as cadenasaci lo hace que el interior de la bicapa sea f luido.La f lu idez se ve a fec tada por l a t empera tura , la c om posicinde cdosgrasos y e l contenido en esteres

La difusinflip-flop de lpidos ent re l as hojas in te rnay e x t e r na de una m e m br a na es m uy l e n t a e xc e p t oc ua ndo estca ta l i zada especficamenepor flipasas.

Los lpidos y proenaspueden di fundi r l a te ra lmentedent ro de l p lano de l a membrana , pero es ta movi l idadestl imi tada por in te racc iones de la s proenasdem e m br a na c on e s t r uc t u r a s i n t e r na s de l c i t oe s que l e t oe in te racc iones de lpidos con ba l sas de lpidos. Unaclase de balsas de lpidos c on t i e ne esfingolpidosycoles te rol con un s ubc on jun t o de proenasde

m e m b r a n a q u e estnun i da s per : a ." --porc ion es ac ilo graso de cade na a-a -. La caveo lina es una proenain tegra l a- - -:: :rarraqu e se asocia con la hoja inter na a a 1?. raa rr t narrapasmicaobligndoaa c u r va r s e ha c i a dentro p a r aformar caveolas , que in te rvienen en e l t r anspor tea travsd e m e m b r a n a s y en l a sea l i zac in.

Las caveo linas son proenast r a n s m e m b r a n a d e 1 : - .m e m b r a n a pasmicaque acanpara uni r cuase n t r e s y para t ran spo r ta r mensa jes ent r e la mat r i zext race lu la r y e l c i toplasma.

Poenas especficasin te rvienen en l a fusinde dosm e m br a na s que a c om pa a a p r oc e s os t a le s c om o lainvasinvrica, la endoci tos i s y la exoci tosis .

11.3 Transporte de solutos a travsde membranasTodas l as cuasvivas deben adqui r i r de su a l rededor l as mate r i as pr imas para l a bosnesisy pa r a laproduccinde e ne r ga y deben l iberar a su entorn o los prod ucto s secunda r ios delm e t a b o l i s m o . U n o s p o c o s c o m p u e s t o s a p o l a r e s p u e d e n dis o l ve r s e en la . bicap a lipdicay c r u z a r la m e m b r a n a sin msa yuda , pe r o en el caso de c om pue s t o s po l a r e s o cargado s o ion es es esencia l una proenad e m e m b r a n a p a r a el t r a n s p o r t et r a

lehninger capítulo 11 membranas biológicas y transporte

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