Todas las células mantienen su organización morfofuncional debido a una membrana que las limita del medio externo, así como una serie de compartimientos intracelulares que los delimitan del citosol.

LAS MEMBRANAS CELULARES

• La membrana plasmática define el límite celular y determina la composición diferencial entre el citosol y el medio extracelular. Es la principal responsable del control de la entrada y salida de sustancias de la célula.• Es cerca de 6 a 10 nm (60 A° a 100 A° de espesor.• Las membranas celulares no son paredes rígidas; son estructuras complejas y dinámicas compuestas por moléculas que poseen características especiales.

Exterior

Interior

Regiónhidrofíilica

Regiónhidrofóbica

Región hidrofílica

(b) Estructura de la membrana plasmática

Fosfolípido Proteínas

(a)

0.1 µm

En 1972 Singer y Nicolson formularon el modelo del mosaico fluido.

Según éste, las membranas celulares están formadas por una bicapa de lípidos en la que se insertan diferentes tipos de proteínas integrales a la que se asocian proteínas periféricas.

La bicapa lipídica constituye un fluido bidimensional, un mosaico heterogéneo de moléculas de fosfolípidos y proteínas muchas de ellas lateralmente móviles.

COMPOSICIÓN LIPÍDICA DE LAS MEMBRANAS Lípido Membrana plasmática

(eritrocito) (hígado)Retículo

endoplasmáticoMitocondria

FosfatidilcolinaFosfatidiletanolaminaFosfatidilserinaEsfingomielinaGlucolípidosColesterolOtros

17187

183

2313

2474

197

1722

401735

traza6

27

393520

traza3

21

¿QUÉ LE APORTAN LOS LÍPIDOS A LA MEMBRANA ?

Autoensamblaje Capacidad de construir bicapas que se cierran espontáneamente en medio acuoso

AutoselladoSi las bicapas se rompen o se separan, se pueden volver a unir endocitosis, exocitosis, etc.

Fluidez Se pueden desplazar lateralmente debido a las fuerzas de Van der Waals, electrostáticas confiere gran flexibilidad y fluidez.

Impermeabilidad

Imprimen relativa impermeabilidad frente a sustancias hidrosolubles la membrana actúa como barrera de contención.Impermeabilidad relativa intercambios de materia y energía a su través.

FOSFOLÍPIDOS DE MEMBRANA

MembranaplasmáticaComplejo

de Golgi

Núcleo Retículoendoplasmáticorugoso

Transportevesicular

Membranaplasmática

Cadenaoligosacárida

Membrana delcomplejo del Golgi

El colesterol es bastante hidrofóbico y se inserta entre las moléculas de fosfolípidos. Las moléculas de colesterol se orientan con su pequeño grupo OH hacia las cabezas polares de los FLs (se formaría un puente de H entre OH y el O de grupos C=O) mientras que los anillos esteroidales interactúan con las cadenas hidrocarbonadas. El colesterol restringe el movimiento de las cadenas de los FLs en la zona cercana a los grupos polares y hace a la membrana menos deformable.

• Existe un grado de asimetría entre las dos hojas de la membrana plasmática, tanto en su composición de lípidos como de proteínas.

• Los FL no se distribuyen por igual entre ambas hojas de la bicapa, ya que la fosfatidiletanolamina y los fosfolípidos ácidos (cargados negativamente) tienden a ubicarse en la hoja de las membranas en contacto con el citosol.

ASIMETRÍA DE LA MEMBRANA

• La fluidez le permite tanto a los lípidos como a las proteínas considerables desplazamientos en un plano estructural. Los fosfolípidos tienen una gran libertad de movimiento dentro de su monocapa. • Los FL pueden difundir lateralmente, girar sobre su eje o balancear y flexionar sus cadenas. • En cambio el movimiento de un lado de la bicapa al otro “flip-flop”, es raro, por ser termo- dinámicamente desfavorable.

FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS

FLUIDEZ DE LA MEMBRANA

Un factor que afecta la fluidez es la existencia de dobles enlaces en la cadena, ya que los carbonos insaturados imparten una desviación a la cadena que impide que las moléculas se adosen estrechamente y disminuyen su viscosidad.

La viscosidad de la bicapa será mayor cuanto más larga sean las cadenas hidrocarbonadas.

El colesterol aumenta la impermeabilidad de bicapa lipídica y decerece la fluidez de la membrana a la temperetaura central del organismo de 37°C.

.

Fluida Viscosa

Colas hidrocarbonadasinsaturadas con flexión

Colas hidrocarbonadassaturadas

Proteínas de la Membrana

* Periféricas * Integrales * Ancladas a lípidos

• Mientras que los lípidos proveen la estructura a las membranas, muchas de las funciones son realizadas por las proteínas de la membrana.

• Las proteínas constituyen ~50% de la masa de la membrana plasmática debido a que las moléculas lipídicas son mucho más pequeñas.

PROTEÍNAS INTEGRALES

Típicamente las proteínas integrales transmembrana tienen el dominio que atravieza la bicapa en la forma de una α hélice, con aminoácidos que tienen las cadenas laterales hidrofóbicas.

PROTEÍNAS PERIFÉRICAS- No penetran en el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. - Se asocian con la membrana mediante enlaces débiles, del tipo de interacciones iónicas u otras.- Son fácilmenete separables con procedimientos suaves, como soluciones salinas concentradas o pH elevados.

MEDIO EXTRACELULAR

(cytoskeletal pro-teins beneatch the plasma membrane)

PROTEINA DE ADHESION

Cadenaoligosacárida

Fosfolípido

Colesterol

BICAPA LIPIDICA

PROTEINA DERECONOCIMIENTO

PROTEINARECEPTORA

CITOPLASMA

MEMBRANA PLASMATICA

(area of enlargment)

PROTEINAS DE TRANSPORTE

proteína canal

abierta

Proteínacanalgated

(abierta)

Proteína de transporte

activo

Proteínacanal

(cerrada)

Proteínas de la Membrana

• Algunas proteínas sirven de receptores que intervienen en procesos de reconocimiento y adhesión celular, otras actúan como transportadores, otras son enzimas y, finalmente otras son proteínas estructurales, que junto con los receptores, conectan la membrana plasmática con el citoesqueleto, con otra célula adyacente o con la matriz extracelular.

DIFUSION SIMPLE CANAL IONICO PERMESA

DIFUSION FACILITADABOMBA

TRANSPORTE PASIVO TRANSPORTE ACTIVO

TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

La membrana plasmática es una barrera selectivamanete permeable (semipermeable). Esta permeabilidad asegura que las moléculas esenciales como la glucosa, aminoácidos y lípidos entren rápidamente en la célula, que los compuestos intermediarios queden retenidos en al célula y que los compuestos de deshecho dejen la célula. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores:* Tamaño de las moléculas * Liposolubilidad* Presencia de canales y transportadores * Carga

Una sustancia difunde desde una región de mayor concen-tración hacia una región donde está menos concentrada. La difusión bajo el gradiente de concentración lleva a un equilibrio dinámico, las moléculas de soluto continuan atravesando la membrana, pero a una tasa igual en ambas direcciones.

LA DIFUSIÓN

Las moléculas deben ser pequeñas y no polares para que se muevan a través de la membrana Ej. Difusión de gases (O2 y CO2) en los eritrocitos

CANALES DE IONES

• Son proteínas integrales plegadas formando un poro a través del que se transportan iones. El tamaño del poro y la densidad de cargas en su interior determinan su selectividad a los iones. • Pueden estar en un estado conformacional no conductor (cerrado) o conductor (abierto). • Su apertura o cierre puede estar regulada por factores físicos (voltaje, tensión mecánica) o químicos (iones, neurotransmisores, hormonas, fosforilación, etc.). • Pueden estar constituidos por una o varias cadenas polipeptídicas. • En el estado abierto, transportan 107 a 108

iones/s, Están involucrados en procesos fisiológicos como conducción del impulso nervioso, secre- ción celular, regulación del volumen celular, apertura de estomas, quimiotaxis, etc.

poro

Na++ H2O

compuerta

Hay dos tipos de canales iónicos:

- Los canales de filtración, siempre están abiertos. Ej. canales para iones K+.

- Los canales de compuerta, se abren y cierran en respuesta a algún tipo de estímulo. Según el estímulo pueden ser: 1. Canal iónico de voltaje, se abre en respuesta a

un cambio en el potencial de membrana (voltaje). 2. Canal iónico de compuerta mecánica, se abre

y cierra en respuesta a estímulos como las vibraciones (ondas sonoras), presión (contacto físico) o estiramiento de tejidos.

3. Canal iónico de ligandos, se abre y cierra en respuesta a un estímulo químico específico. Entre ligandos químicos extracelulares se encuentran los neurotransmisores como: GABA, acetilcolina, glutamato. Ligandos intracelulares = Ca2+, nucleótidos cíclicos…

Activación directa Activación indirecta

OSMOSIS

La ósmosis se puede entender considerando los efectos de diversas concentraciones de agua en los eritrocitos. Si un eritrocito se coloca en una solución hipotónica, que tiene una baja concentración de soluto, las moléculas de agua entran en la célula más rápido de lo que ella pueda salir, causando que el eritrocito se hinche y en forma eventual estalle (hemólisis).Si el eritrocito es colocado en una solución hipertónica que tiene una mayor concentración de soluto, las moléculas de agua se mueven hacia el exterior, ésta situación causa que las células se contraigan (crenación).

TRANSPORTE ACTIVO

BOMBAS IÓNICAS O ATPASAS TRANSPORTADORAS DE IONESEn las membranas celulares existen proteínas integrales que transportan activamente iones y que usan la energía libre de hidrólisis del ATP como fuente de energía: bombas iónicas o ATPasas transportadoras de iones. Se encuentran en las membranas plasmáticas de células animales, vegetales y bacterias y en membranas de organelos (mitocondrias, vacuolas, endosomas, etc.).Existen tres tipos de bombas iónicas: ATPasas de membrana tipo P, tipo V y Tipo F, que se diferencian por su estructura molecular así como por el mecanismo de transporte activo.

ATPASAS DE MEMBRANA TIPO P

Están presentes en las membranas plasmáticas de células eucarióticas (bomba de Na+/K+ y bomba de Ca2+, en células del estómago: bomba H+/K+) y en organelos como retículo endoplásmico (bomba de Ca2+ en células musculares). Están formadas por una o dos cadenas polipeptídicas y durante el ciclo de transporte forman un intermediario fosforilado.

Bomba de sodio o Na+-K+-ATPasa

Es la más estudiada de las bombas tipo P. Está presente en las membranas plasmáticas de las células animales y mantiene los gradientes de concentración de Na+ y K+ entre la célula y el medio extracelular. Transporta 3 iones Na+ hacia el espacio extracelular y 2 K+ hacia el citosol utilizando una molécula de ATP por cada ciclo de transporte.

Bombas de Ca o Ca2+-ATPasas

Las bombas de Ca o Ca2+-ATPasas al igual que la bomba de Na pertenecen grupo de ATPasas de membrana tipo P. Están presentes en la membrana plasmática y en organelos como retículo endoplásmico y sarcoplásmico (SERCA) y el aparato de Golgi. Las SERCAs están constituídas por una sola cadena polipeptídica de 110 kDa.

ATPasas de membrana tipo V Están presentes en las membranas plasmáticas (osteoclastos y células tubulares renales) membranas de vacuolas y en organelos como lisosomas, endosomas, bombean electrogenicamente H+ desde el citosol al lumen del organelo.Están compuestas de dos partes. Una parte hidrofóbica integral en la membrana (V0) formada por varias copias del proteolípido c y una de a y que constituye la vía de transporte de protones. Una cabeza (V1) hidrofílica que está orientada hacia el citoplasma y donde se realiza la hidrólisis del ATP.

ATPasas de membrana tipo F (F0F1)

Están presentes en las membranas plasmáticas de las bacterias, en la membrana tilacoidal y en la membrana interna de las mitocondrias. Catalizan la reacción de síntesis de ATP (G > 0) a partir de ADP y Pi. La energía proviene del gradiente de potencial electroquímico de protones (H+) a través de la membrana generado por la actividad de la cadena transportadora de electrones. Es decir, actúan como ATP sintetasas. Al igual que las ATPasas tipo V están formadas por dos dominios : F1 y F0

El complejo integral F0 contiene tres tipos de subunidades a, b y c y contiene el canal a través del que se transportan los protones.

SUPERFAMILIA ABC

Están presentes en las membranas plasmáticas de las bacterias (transporta aminoácidos, azúcares y péptidos), en la membrana plasmática de mamíferos (transporta fosfolípidos, pequeñas drogas lipofílicas, colesterol y moléculas pequeñas).

Proteína CFTR (Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator).

La proteína CFTR se halla involucrada en el transporte de Cl- a través de la membrana plasmática, y cuando es defectuosa se origina la fibrosis quística. Dado que el transporte de Cl- a través de la CFTR se bloquea, disminuye el anión en la luz de los conductos afectados y, por consecuencia, disminuye también el catión Na+; y finalmente, la menor concentración de estos iones determina que el agua se retire y ello aumenta la viscosidad de las secreciones.

TRANSPORTE SIMPORT: COTRANSPORTEGenerado el gradiente de soluto (ej. Gradiente de Na) puede ser usado para transportar en contra del gradiente de una segunda molécula – transporte activo secundario.La tendencia de los iones sodio a regresar por la membrana plasmática apical en favor del gradiente de concectración la “aprovechan” las células epiteliales para impulsar el cotransporte de moléculas de glucosa al interior de la célula contra un gradiente de concentración. La proteína transportadora, llamada cotransportador de Na+/glucosa (SGLT), permite la unión de dos iones sodio y una molécula de glucosa.

TRANSPORTE ANTIPORT: CONTRATRANSPORTEEn la membrana plasmática de la mayoría de células poseen un tipo de antiportador o más . Estos acoplan el movimiento de un ión cotransportado (a menudo Na+), a favor de su gradiente electroquímico con el movimiento de una molécula diferente en la dirección opuesta en contra de un gradiente de concentración. En las células musculares cardiacas, por ejemplo, antiportador Na+/Ca++ (tres iones sodio propulsan la salida de un ión calcio).En eritrocitos, la proteina AE1, que cataliza el intercambio uno por uno de Cl - y HCO3.