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1 Estructura de la Membrana Plasmática

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Membrana

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Page 1: Membrana

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Estructura de la Membrana Plasmática

Page 2: Membrana

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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

Page 3: Membrana

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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

Page 7: Membrana

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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+

Page 22: Membrana

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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