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Estructura de la Membrana Plasmática
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Tres visiones de una membrana celular
La membrana plasmática rodea a la célula, definiendo su extensión y manteniendo las diferencias esenciales entre el contenido de la célula y su entorno
Los gradientes iónicos establecidos a través de las membranas pueden ser usados para:
Sintetizar ATP
Dirigir el movimiento de solutos
Producir y transmitir señales eléctricas
Contienen proteínas que actúan como sensores de señales externas (receptores)
Funciones
• División de compartimientos
• Sitios para actividades bioquímicas
• Barrera con permeabilidad selectiva
• Transporte de solutos
• Respuesta a señales externas
• Interacción celular
• Transducción de energía
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Las zonas de una molécula de fosfolípido
La bicapa lipídica ha sido establecida como la base universal de la estructura de la membrana celular
Las moléculas lipídicas son afipáticas (o anfifílicas): Un extremo hidrofílico (o polar)
Un extremo hidrofóbico (no polar)
Los más abundantes son fosfolípidos: Una cabeza polar y dos colas
hidrocarbonadas hidrofóbicas
Las colas suelen ser ácidos grasos de entre 14 a 24 átomos de carbono
Una de las colas tiene uno o mas dobles enlaces cis (insaturada)
¿Cómo moléculas hidrofílicas e
hidrofóbicas interactúan diferente con
el agua?
Micela de lípidos y bicapa lipídica
Cuando se agregan las moléculas anfipáticas en una ambiente acuoso, sus colas hidrofóbicas se esconden en el interior y sus cabezas hidrofílicas quedan expuestas al agua
Dependiendo de su forma pueden ser:
Micelas esféricas, con las colas hacia el interior
Laminas biomoleculares (bicapas), con las colas hidrofóbicas escondidas entre dos capas de cabezas hidrofílicas
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Arreglo de las moléculas de
lípidos en una ambiente acuoso
Liposomas
Bicapas producidas en forma de vesículas esféricas, cuyo tamaño puede variar de 25 nm a 1 m
Bicapas sintéticas útiles para estudios experimentales, como modelos de membranas
La bicapa lipíca es un fluido bidimensional
Sección transversal de una bicapa lipídica sintética (membrana negra)
Bicapas planas
Formadas a través de un agujero situado en una separación entre dos compartimientos acuosos
Se utilizan para medir las propiedades de permeabilidad de las membranas artificiales
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Movilidad de los fosfolípidos
Pueden ocurrir 4 tipos de movimientos de las moléculas fosfolípidos en una bicapa lipídica
Raramente migran de un lado a otro de la monocapa (“flip-flop”) aprox. una vez por mes
Intercambian fácilmente su lugar con la molécula vecina dentro de una monocapa (107 veces por segundo)
Giran con gran rapidez alrededor de sus ejes longitudinales y sus cadenas hidrocarbonadas son flexibles
Influencia de los dobles enlaces cis en las cadenas hidrocarbonadas
La fluidez de las membranas celulares es biológicamente importante
La fluidez depende tanto de su composición como de la temperatura
La membrana es mas difícil de congelar si las cadenas hidrocarbonadas son cortas o tienen dobles enlaces cis: Una menor longitud de la cadena
reduce la interacción entre sí
Los dobles enlaces cis producen pliegues en las cadenas que dificultan su empaquetamiento
Estructura del colesterol
La bicapa lipídica de muchas membranas celulares no están compuestas exclusivamente por fosfolípidos
Las bicapas contiene además colesterol y glucolípidos
Las membranas plasmática de eucariotas contienen cantidades elevadas de colesterol (aprox 1 por 1 de fosfolípido)
Las moléculas de colesterol refuerzan el carácter de barrera permeable de la bicapa lipídica
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El colesterol en una bicapa lipídica
El colesterol se orienta en la bicapa con sus grupos hidroxilo próximos a las cabezas polares de las moléculas de fosfolípidos
Sus anillos esteroides, planos y rígidos, interactúan con –y en parte inmovilizan– las regiones de las cadenas hidrocarbonadas cercanas a los grupos polares de la cabeza, dejando al resto de las cadenas más flexibles
Principales fosfolípidos de las membranas plasmáticas de mamíferos
Cuatro grupos de fosfolípidos predominan en la membrana Plasmática de muchas células de mamíferos: Fosfatidiletanolamida Fosfatidilserina Fosfatidilcolina Esfingomielina
Sólo la fosfotidilserina tiene una carga neta negativa
Las tres moléculas restantes son eléctricamente neutras a pH fisiológico (carga + y - negativa)
Otros fosfolípidos, tales como los fosfolípidos de inositol son funcionalmente importantes pero se hallan en cantidades pequeñas
PERCENTAGE OF TOTAL LIPID BY WEIGHT
LIPID LIVER CELL
PLASMA MEMBRANE
RED BLOOD
CELL PLASMA MEMBRANE
MYELIN MITOCHONDRION
(INNER AND OUTER MEMBRANES)
ENDOPLASMIC
RETICULUM
E. COLI
BACTERIUM
Cholesterol 17 23 22 3 6 0
Phosphatidylet
hanolamine
7 18 15 25 17 70
Phosphatidylse
rine
4 7 9 2 5 trace
Phosphatidylch
oline
24 17 10 39 40 0
Sphingomyelin 19 18 8 0 5 0
Glycolipids 7 3 28 trace trace 0
Others 22 13 8 21 27 30
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Una balsa lipídica (Lipid raft)
Las balsas lipídicas son
pequeñas áreas
especializadas
Donde algunos lípidos
(primariamente esfingolipidos
y colesterol) y proteínas
están concentrados
Como la bicapa lipídica es
más gruesa en estas áreas,
ciertas proteínas de
membrana se acumulan
Distribución asimétrica de fosfolípidos y glucolípidos en la bicapa lipídica
La composición lipídica de las dos mitades de la bicapa es marcadamente diferentes
La moléculas lipídicas que tienen colina se encuentran en la mitad exterior de la bicapa
Los que contienen un grupo amino terminal (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallan en la mitad interior
Dado que la fosfatidil serina, de carga negativa, esta en la monocapa interior, existe una importante diferencia de carga entre las dos monocapas
La bicapa lipídica es asimétrica
Algunas funciones de fosfolípidos
de membrana en la señalización
celular
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Moléculas de glucolípidos Son las moléculas lipídicas que
presentan una simetría más marcada en cuanto a su distribución en las membranas
Se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática
Se autoasocian formando microagregados mediante enlaces de hidrógenos entre ellas
En la membrana plasmática sus grupos azúcar quedan en la superficie de la célula
Los galoctocerebrósidos son glucolípidos neutros, el azúcar no esta cargado
Un gangliósido siempre tiene uno o más residuos de ácido siálico cargado negativamente
Proteínas de Membrana
Sistemas de asociación de proteínas con la membrana lipídica
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Asociación de proteínas a ácidos grasos o grupos prenil
Una cadena de ácido graso (mirístico) se une a un grupo amino terminal de una glicina por medio de un enlace amida
Un grupo prenil (fernesil) se halla unido mediante un enlace tioéter a un residuo cisteina situado a cuatro residuos del carboxilo terminal
Proteínas que atraviesan la bicapa lipídica en forma de hélice
En la mayoría de las proteínas transmembranal, las regiones de la cadena polipeptídica que cruzan la bicapa presentan una conformación en hélice
Las uniones peptídicas son polares y el agua no esta presente en este ambiente, todas las uniones en la cadena embebida en la bicapa tienden a formar enlaces de H+, formando una h
Los glucolípidos están siempre en el lado no citoplasmático de la membrana, los residuos de azúcar se añaden en la luz del retículo y en el aparato de Golgi
El característico ambiente reductor del citosol impide la formación de enlaces disulfuro
Gráficas de hidropatía
La energía libre necesaria para transferir segmentos sucesivos de una cadena polipeptídica de un solvente no polar al agua se calcula a partir de la composición de aminoácidos
El “índice de hidropatía” del segmento se esquematiza en el eje Y como función de su localización en la cadena
Un valor positivo indica que se necesita energía libre para la transferencia hacia el agua (hidrofóbico)
Los picos del índice de hidropatía aparecen en la posición de los segmentos hidrofóbicos de la secuencia de aminoácidos
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β barriles formados de diferentes
números de cadenas β
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Las proteínas de membrana pueden solubilizarse y purificarse con detergentes
Los detergentes son compuestos que alteran las propiedades bioquímicas de las membranas pequeñas moléculas afipáticas
que tienden a formar micelas en el agua
Rompen las asociaciones hidrofóbicas y destruyen la bicapa
Al mezclarlo con las membranas Los extremos hidofóbicos del
detergente se unen a las regiones hidrofóbicas de la zona externa de las proteínas de membrana, desplazando a las moléculas lipídicas
Detergentes suaves para solubilizar, purificar y reconstruir proteínas de membrana
Muchas proteínas hidrofóbicas pueden ser solubilizadas y posteriormente purificadas en forma activa mediante el uso de detergentes suaves, como Tritón X-100
Por ejemplo: se purifican moléculas funcionales de la ATPasa Na+-K+ y se incorporan a vesículas de fosfolípidos
No iónico Aniónico
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El lado citoplasmático de las proteínas de membrana se pueden estudiar en
“fatasmas” de eritrocitos
Se pueden obtener en gran número
Están relativamente poco contaminados por otros tipos celulares
La única membrana que poseen es la membrana plasmática
No tiene núcleo
No tiene organelos
Exponiendo las células a un medio donde la concentración de sal sea menor que dentro de la célula se preparan membranas celulares, vacías o “fantasmas”
Fantasmas de eritrocito, soldados y no soldados, y de vesículas normales o volteadas
Los eritrocitos se rompen en un único punto
Produciendo fantasmas con un solo agujero
Fantasma permeable
Fantasma sellado
Las vesículas más pequeñas se producen rompiendo mecánicamente los fantasmas
Dependiendo de las condiciones iónicas utilizadas las vesículas son:
Vesículas normales (derechas)
Vesículas volteadas (al revés)
Patrón de electroforesis en geles (PAGE-SDS) de las proteínas de membrana de eritrocitos
Se detectan aprox. 15 bandas proteínicas principales
Los pesos moleculares oscilan entre 15,000 y 250,000
Tres de estas proteínas –espectrina, glucoforina y la banda 3– constituyen más del 60% de la proteína total de la membrana
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Espectrina, proteína del citoesqueleto asociada a la cara citoplasmática de la membrana
Muchas de las proteínas asociadas con la membrana de los eritrocitos son proteínas periféricas asociadas con el lado citoplasmático de la bicapa
La más abundante de estas proteína es la espectrina, una barra larga, delgada y flexible, de 100 nm que constituye el 25% de la masa total de proteínas asociadas
Es un heterodímero formado por dos grandes subunidades estructuralmente similares
Los heterodímeros se autoasocian cabeza con cabeza, formando tetrámeros de 200 nm de largo
Las colas de 5 o 6 tetrámeros se enlazan entre si mediante su unión a filamentos cortos de actina y otras proteínas del citoesqueleto (banda 4.1)
El citoesqueleto de espectrina del lado citoplasmático de la membrana
Los dímeros de espectrina asociados cabeza-con-cabeza forman tetrámeros que se hallan unidos formando una red por medio de complejos de unión compuestos de cortos filamentos de actina, tropomiosina, banda 4.1 y aducina.
El citoesqueleto esta unido a la membrana mediante la unión indirecta de los tetrámeros de espectrina
a algunas proteínas banda 3, a través de la anquirina
Por medio de la unión de la proteína banda 4.1 a la glucoforina
La criofractura muestra imágenes del interior hidrofóbico de la bicapa
Las células son congeladas en nitrógeno líquido y el bloque de hielo se fractura con una cuchilla
El plano de la fractura tiende a pasar a través de la mitad hidrofóbica de los lípidos de la membrana, separándolas en dos monocapas
Las caras de fractura expuestas (cara protoplasmática P y cara externa E) se metalizan con platino y la replica de platino se observa al microscopio electrónico
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Destino de la glucoforina y banda 3 de la membrana del eritrocito por la criofractura
La proteína tiende a permanecer en la monocapa en la que se halla la mayor parte de su volumen
Las moléculas de la banda 3 quedan asociadas a la cara de la fractura interna (P) y pueden observarse como partículas intramembranal
Las moléculas de glucoforina permanecen unidas a la cara de fractura exterior (E), por lo que se cree que sus colas citoplasmáticas tienen una masa insuficiente para que sean vistas
La bacterirrodopsina, una bomba de protones que atraviesa la bicapa en forma de 7 hélices
Cada molécula de bacteriorrodopsina un único grupo que la luz o cromóforo que da a la proteína su color púrpura
El retinal esta unido a una lisina de la proteína, cuando es activado por un fotón de luz, el cromóforo excitado cambia de forma provocando cambios conformacionales en la proteína y transfiere uno o dos H+ desde el interior hasta el exterior de la célula
Se establece un gradiente de H+ a través de la membrana plasmática, que impulsa la síntesis de ATP por otra proteína membranal
Así, la bactriorrodopsina es parte de un transductor de energía solar que provee a la bacteria de energía
Halobacterim halobium
Las porinas son proteínas transmembranal formadoras de canales que cruzan la membrana en
forma de un barril
Las porinas tiene una lamina en lugar de una hélice como estructura transmembranal primordial
las porinas consisten de un trímero en que cada monómero forma un barril tubular, que atraviesa la bicapa
Cada monómero consiste de un barril de 16 cadenas antiparalelas que forman un canal transmembranal lleno de agua
Cadenas polares laterales revisten el interior del canal acuoso
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Las proteínas de membrana actúan a menudo como grandes complejos
Con el centro de reacción fotosintético bacteriano se demostró que múltiples polipéptidos pueden asociarse en una membrana formando una compleja maquinaria proteínica
Estos complejos fotosintéticos capturan la energía lumínica y la usan para bombear H+ a través de la membrana
El complejo esta formado por cuatro subunidades (L, M, H y un citocromo)
Las subunidades L y M forman el núcleo del centro de reacción y cada una contiene cinco hélices que atraviesan la bicapa lipídica
También se localizan varias coenzimas transportadoras de electrones
Agrupamiento y formación de “capping” de una proteína de superficie
Se obtuvieron otras evidencias de la movilidad de las proteínas por los procesos llamados “patches” y “capping”.
Cuando los ligandos, como Ab, que tienen más de un lugar de unión se unen a proteínas específicas de la superficie celular, las proteínas tienden a agregarse, mediante enlaces cruzados, formando grandes grupos (patches), indicando el desplazamiento lateral de proteínas
Una vez formados los agregados en la superficie de una célula son trasladados activamente a uno de los polos celulares formando un “cap”
Las células pueden confinar lípidos y proteínas en dominios específicos de la membrana
Muchas células tienen sistemas que les permiten limitar sus proteínas de membrana en dominios específicos de la bicapa lipídica continua
En células epiteliales ciertas enzimas de la membrana plasmática y algunas proteínas de transporte están limitadas a la superficie apical de las células mientras que otras se hallan confinadas a la superficie basolateral
Esta distribución asimétrica de las proteínas es esencial para la función del epitelio
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Tres dominios de la membrana plasmática del espermatozoide
Una célula también puede crear dominios de membrana sin utilizar uniones intercelulares
El espermatozoide es una célula aislada que presenta varias zonas estructural y funcionalmente distintas delimitadas por una membrana plasmática continua
La membrana plasmática tiene al menos tres dominios diferentes: parte anterior de la cabeza, parte posterior de la cabeza y la cola
Sistemas que restringen la movilidad lateral de proteínas de membrana
Las células también tiene sistemas más drásticos para inmovilizar ciertas proteínas de membrana
Las moléculas de bacterrodopsina se ensamblan formando grandes cristales bidimensionales, fijando las moléculas proteínicas
Pueden estar trabadas por interacciones con agregados macromoleculares del exterior o del interior de la célula
Pueden interactuar con proteínas de la superficie de otra célula
Muchas proteínas de membrana difunden en el plano de la membrana
Como los lípidos, muchas proteínas no hacen flip-flop, sino que giran alrededor de un eje perpendicular al plano de la bicapa (difusión rotacional)
Muchas proteínas son capaces de desplazarse lateralmente por la membrana (difusión lateral)
Mediante la fusión artificial de células de ratón con células humanas se producen células híbridas (heterocariontes) Al principio se encontraban en su propia
mitad
Después, las dos clases de proteínas difundieron y se mezclaron ocupando toda la superficie del heterocarionte
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Transporte a través de la membrana
Permeabilidad de una bicapa lipídica a diferentes clases de moléculas
Relativa Coeficientes
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COMPONENT INTRACELLULAR
CONCENTRATION (mM)
EXTRACELLULAR
CONCENTRATION (mM)
Cations
Na+ 5-15 145
K+ 140 5
Mg2+ 0.5 1-2
Ca2+ 10-4 1-2
H+ 7 × 10-5 (10-7.2 M or pH 7.2) 4 × 10-5 (10-7.4 M or pH 7.4)
Anions*
Cl- 5-15 110
Proteínas acarreadoras y canales
Comparación de transporte pasivo y activo
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Ionóforos: un formador de canal y un
acarreador de iones móvil
Modelo de un cambio conformacional para
mediar el transporte pasivo de soluto
Cinética de difusión simple y difusión
mediada por acarreador
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Tres tipos de transporte mediado por
acarreadores
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Transportador de Glucosa con ayuda
de un gradiente de Na+
Distribución asimétrica de
acarreadores en células epiteliales
La bomba de Na+-K+
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Modelo del ciclo de bombeo de la
bomba de Na+-K+
Respuesta de eritrocitos a cambios en
la osmolaridad del fluido extracelular
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Transportadores ABC
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Proteínas acarreadores y canales
Comparación entre transporte
activo y pasivo
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Modelo de transporte pasivo
Canal iónico típico, Fluctúa entre
La conformación abierta y cerrada
Activando canales iónicos
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Especificidad por K+
Bases del potencial de
membrana
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Inactivación del canal de K+
Transportador de acetil colina
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Modelo del receptor para acetilcolina
Activación de la unión neuromuscular
Familias de canales iónicos