Apuntes de Biología Celular, Embriología Humana E Histología General PDF

Preview

Summary

Download Apuntes de Biología Celular, Embriología Humana E Histología General PDF

Description

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

A. BIOLOGÍA CELULAR TEMA 1. LA MEMBRANA PLÁSMATICA (I). ESTRUCTURA Y ARQUITECTURA MOLECULAR. 1. Composición y disposición molecular. Funciones generales. La membrana envuelve a la célula y marca las diferencias entre el contenido extracelular y el interno. Los glóbulos rojos han sido utilizados para el estudio de la membrana, ya que no tienen núcleos ni membranas internas. La membrana plasmática es una doble capa lipídica de unos 5 nanómetros de grosor. Estos lípidos tienen carácter antipático, es decir, tienen una parte apolar (con dos cadenas hidrocarbonadas y una curvatura por los dobles enlaces CIS), enfrentadas a unas cabezas polares que revisten la superficie. Es una barrera bastante impermeable a las sustancias, y se estima que el 30% de las proteínas codificadas por el genoma son proteínas de membrana.

1.1 Tipos de lípidos de membrana 1. Fosfoglicéridos: pueden tener varios aminoalcoholes. Dependiendo de cuál sea, se tiene: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina o fosfatidilinositol.

1

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

2. Esfingolípidos: Pueden ser esfingomielinas o gflucoesfingolípidos (gangliósidos y cerebrósidos). Tienen gran importancia en la señalización celular. La esfingosina 1-fosfato activa la proliferación celular, y la ceramida activa procesos de apoptosis.  Las esfingomielinas se producen por la unión de una ceramida (esfingosina más ácido graso) a una molécula polar. Forman las vainas de mielina.  Los glucoesfingolípidos se unen a glúcidos. Los gangliósidos se unen a polisacáridos, tienen carga negativa y están en las glándulas del SNC. Los cerebrósidos se unen a monosacáridos. Pueden ser galactocerebrósidos (membrana de células del tejido nervioso) o glucocerebrósidos (membrana de células de otros tejidos).

La forma en que se disponen estos lípidos tiene importancia. Si tienen forma de cuña, forman micelas, y si son cilíndricos, monocapas o bicapas. Estas estructuras se forman de manera espontánea en disolución acuosa Es un compartimento energéticamente favorable ya que se evita la exposición al agua de cadenas hidrocarbonadas (hidrófobas).

1.2 Funciones generales de la membrana plasmática  Mantener diferencias topográficas y funcionales entre el interior y el exterior de la célula mediante los compartimentos  Actuar como barrera de permeabilidad selectiva ante las sustancias.  Canaliza reacciones bioquímicas a través de gradientes químicos  Gradientes químicos para transporte  Hay algunas proteínas que potencian la interacción intercelular 2

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

 También hay proteínas que van a permitir la comunicación, a través de transducción de señales y energía. 2. Compartimentalización La compartimentalización se refiere a que distintos compartimentos (vesículas y orgánulos), desempeñan funciones características especiales: el núcleo, la expresión génica; el aparato de Golgi, la síntesis de proteínas...

3. Propiedades generales. Fluidez, grosor, curvatura y asimetría.

3.1 Fluidez Es una estructura fluida, lo cual es esencial para la integridad y la funcionalidad de la célula. Esto se demuestra por la posibilidad de los lípidos a desplazarse por la membrana. Esta teoría se demostró con los liposomas, que tienen una membrana compuesta de fosfolípidos y colesterol, y un núcleo de solución acuosa. Hay muchos tipos de desplazamiento. Se ha demostrado con técnicas de espectroscopía de resonancia magnética, y actualmente, con fluorescencia. Se observa que pueden intercambiar su posición con las moléculas adyacentes (107 veces por segundo). También rotan (109) o se flexionan. Por último, hay un proceso de flip-flop, gracias a la actuación de las flipasas, las cuales, tras la hidrólisis de ATP, intercambian un lípido de una capa a otra. Este movimiento es mucho más raro, solo ocurre una vez cada hora. La fluidez de la membrana depende de varios factores:

3

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

 La compactación de las colas, que depende del grado de instauración y de la longitud. Cuanta más insaturadas sean y menor sea su longitud, mayor será la fluidez

 La temperatura: los lípidos pueden adoptar una estructura de cristal líquido, que es un intermedio entre el estado sólido y el líquido. La temperatura de transición es aquella en la que pasa del estado sólido a un cristal líquido. Esta temperatura depende de la instauración y la longitud.

 La membrana también contiene colesterol. Este tiene una zona polar rígida y otra apolar. Entonces, el colesterol disminuye la movilidad y la permeabilidad de los primeros hidrocarbonos, pero en la zona de abajo, evita que se junten las colas, disminuyendo así la rigidez. Por lo tanto, el colesterol regula la fluidez de la membrana.

3.2 Grosor La composición lipídica influye en el grosor y la curvatura de la membrana plasmática. La curvatura es importante en la formación de vesículas y vellosidades. La esfingomielina (SM) es más delgada que la fosfatidilcolina (PC). Además, cuanto mayor sea la instauración de la cola hidrocarbonada, más estrecha será la bicapa, mientras que el colesterol aumenta el grosor.

4

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

3.3 Curvatura La forma de la PC y la PE es cilíndrica y cónica respectivamente. Una membrana con PC en la cara externa y PE en la interna, sufriría una curvatura natural. De esta forma se forman evaginaciones, vesículas de membranas internas, microvellosidades...

3.4 Asimetría La asimetría se refiere a la variedad de fosfolípidos de membrana. La fosfatidilserina solo está en la capa interna (si está en la externa es signo de apoptosis celular). Las SM y las PC suelen estar en la capa externa, y la PE y la PS en la interna. Hay una proteína, la quinasa-C que requiere que la capa interna tenga PS. El fosfatidilinositol es capaz de fosforilarse y ayudar a que se concentren proteína s de señalización celular. Hay glucolípidos que en la superficie apical de las células endoteliales protegen a la membrana (contra cambios en el pH, p.e.), o contribuyen al reconocimiento celular, o son el punto de entrada de toxinas, como la del cólera. Los glucolípidos representan el 5% de las moléculas lipídicas de la cara externa: los galactocerebrósidos, que no tienen carga, y los gangliósidos, que tienen carga negativa por la presencia del ácido siálico, y alteran el campo eléctrico y la concentración iónica.

5

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

4. Modelos de membrana 1. Overton (1895) y Langmur (1897) describieron por primera vez la naturaleza anfipática de los fosfolípidos 2. Görter y Grendel (1925): bicapa lipídica 3. Danielli y Davson (1954): bicapa lipídica con proteínas alrededor y con poros. 4. Robertson (1959): unidad de membrana 5. Singer y Nicholson (1972): mosaico fluido

El modelo del mosaico fluido fue ampliado. Las proteínas están integradas en la membrana, pero además puede haber proteínas periféricas, glucolípidos, glicoproteínas, microdominios lipídicos, colesterol... 5. Proteínas de membrana La MP contiene unos microdominos lipídicos ricos en esfingolípidos, colesterol y ciertas proteínas. Las colas hidrocarbonadas son más largas y rectas de lo normal, lo que permite que las proteínas se acomoden y acumulen en esta zona (como la caveolina).

6

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

5.1 Mecanismos de asociación de preoteínas en la membrana. La acumulación de proteínas en estos microdominios se explica por las propiedades físicas (grosor de la bicapa, microviscosidad...) o químicas (hidrofobicidad). En cuanto a la interacción de unas proteínas con otras, hay que tener en cuenta que son interacciones específicas mediadas por proteínas transmembrana o unión de ligandos.

5.2 Interacción de proteínas y lípidos en microdominios lipídicos. Hay unos mecanismos de señalización celular en los microdominios, que resultan de la interacción entre lípidos y proteínas. A. El

receptor

puede

ser

un

residente

constitutivo

del

ML

B. EL receptor podría residir fuera del ML, pero translocarse después de la unión al ligando.

C. (1) La unión de un ligando a un receptor localizado en el ML puede iniciar una señal en el interior de este. (2) Esta señal es inactivada cuando el complejo ligando-receptor se transloca fuera del dominio. (3) Otra posibilidad es que el receptor se trastoque fuera del ML, permitiendo su

7

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

asociación con proteínas de la cascada de señalización celular que se encuentran fuera del ML.

D. El receptor está localizado fuera del ML, pero al activarse comunicaría una señal 1 hacia este, que iniciaría una señal 2.

5.3 Especificidad en la señalización y formación de complejos de señalización en los ML. A. Subpoblaciones distintas de ML compuestos de lípidos y proteínas únicas, y funciones especializadas, estarían presentes en la superficie de una misma célula. Cada ML estará involucrado en una vía de señalización concreta. B. La agregación de ML en respuesta ciertos estímulos puede crear complejos de señalización para amplificar señales o incrementar la comunicación cruzada entre vías de señalización relacionadas. La interacción con el citoesqueleto estaría relacionada con la regulación de la agregación de los Ml y con la asociación de proteínas individuales con estos.

8

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

5.4 Clasificación de proteínas de membrana A. Periféricas B. Integrales o transmembranales (paso único o múltiple) C. De interacción con bicapa mediante unión covalente.  mediante glucosilfosfatidilinositol (GPI)  mediante ácidos grasos (palmítico o mirístico)  mediante grupos prenilo (farnesilo o geranilgeranilo) D. Integración parcial en la bicapa lipídica.

Hay proteínas periféricas unidas a la membrana por interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana. (7,8) Hay proteínas integrales que pueden ser de paso único ( -hélice) o de paso múltiple (múltiples hélices), o de lámina enrollada. (1,2,3) Las de interacción con la bicapa, se unen covalentemente a una cadena de lípidos de la monocapa citosólica o mediante unión a un glucosilfosfatidilinositol en la monocapa externa. (5,6) Por último, las proteínas de integración parcial en la bicapa, se exponen a un lado de la bicapa mediante una -hélice anfipática que se une al citosol por sus superficies hidrófobas. (4) La forma en la que una proteína de membrana se asocia a la bicapa lipídica indica su función. La unión covalente mediante un ácido graso o un grupo prenilo puede ayudar a situar una proteína soluble dentro de una membrana después de su síntesis.

9

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

5.5 Movimientos Las proteínas de la membrana presentan los mismos movimientos que los lípidos aunque nos suele haber desplazamientos de una monocapa a otra (flip-flop) espontáneamente. El movimiento de las proteínas de membrana se demuestra con células de ratón. Se fusiona una célula de ratón con una humana y se forma una célula heterocarionte con las proteínas del ratón a un lado y las del humano en el otro. Se añaden anticuerpos teñidos; unos con fluoresceína (verde) y otros con rodamina (rojo) y pasados unos 40 minutos se observa que las proteínas han cambiado de posición y están intercacaladas. 5.6 Funciones generales de las proteínas de membrana    

Reconocimiento y adhesión celular Transporte de sustancias Actividades enzimáticas Estructural

6. Carbohidratos (glucocálix) La superficie de la membrana está recubierta de azúcares que constituyen el glucocálix (se tiñen con rojo de rutenio para verlos al microscopio). Se encuentran a nivel de la matriz extracelular y están presentes en glucolípidos y en glicoproteínas de membrana en forma de oligosacáridos, y en el proteoglucano transmembrana en forma de polisacárido. 6.1 Funciones      

Reconocimiento y adhesión celular Anclaje de enzimas Alteración de la concentración iónica Papel inmunológico Protección ante agresiones químicas y mecánicas Puerta de entrada de toxinas: El gangliósido M1 es receptor de la toxina del cólera y la unión provoca la activación del AMPc, que supone la salida de agua y sodio al intestino produciendo las fuertes diarreas típicas del cólera

7. Dominios de membrana Muchas células poseen sistemas que les permiten confinar sus proteínas en dominios específicos de la bicapa lipídica. 10

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

Estos sistemas pueden suponer uniones intercelulares, como en el caso de las células epiteliales intestinales. Entonces, las proteínas solo pueden desplazarse en su dominio, pero no pasar a otros. Esto ocurre cuando en una zona se produce absorción de nutrientes, y en la otra, transferencia.. Hay células como los espermatozoides que presentan dominios de membrana sin utilizar uniones intercelulares. Otras formas de confinamiento son: 1. 2. 3. 4.

Unión a proteínas del interior de la célula Unión a proteínas de la matriz extracelular Unión a proteínas de membrana de células vecinas. El caso del primer párrafo.

8. Membrana plasmática y envejecimiento Esta relación se debe a radicales libres (moléculas con uno o varios pares de electrones desapareados). Esto permite tomar elecvtrones de sustratos para estabilizarse: una diana son ácidos grasos poliinsaturados de la MP, o DNA, proteínas, glúcidos... La peroxidación lipídica es un proceso de degradación lipídica que puede causar la pérdida parcial de la asimetría y un déficit en el funcionamiento proteico. El anión hiperóxido es un radical libre que puede general peróxido de hidrógeno que es reactivo con el O2 y puede dar lugar al radical hidroxilo, muy agresivo. Esto puede favorecer la peroxidación lipídica. Además, son capaces de oxidar las flipasas y se cree que puedan alterar el colesterol. La PS y la PE son translocadas de la monocapa externa a la interna que da la asimetría característica. Todos estos procesos contribuyen a la pérdida de la asimetría de la membrana.

11

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

TEMA 2. LA MEMBRANA PLASMÁTICA (II). TRANSPORTE DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS La membrana plasmática (MP) debe permitir el intercambio de materiales necesarios para la vida celular. En relación con el transporte, la MP es una estructura semipermeable, pues permite el paso de algunas moléculas pero no de otras. Hay unos mecanismos que permiten el transporte y la excreción de sustancias. Las moléculas pequeñas se transportan por proteínas transmembrana. La diferencia de concentración iónica entre el interior y exterior es fundamental para la supervivencia y la función celular. Por ejemplo, la concentración de sodio es mayor en el exterior, y la de potasio en el interior. Se dice que, generalmente, la célula es eléctricamente neutra. 1. Permeabilidad Las bicapas lipídicas sintéticas (libres de proteínas) son altamente impermeables a los iones. Cuanto más pequeña y apolar sea la molécula, más difusión tendrán (O2, CO2, N2) De mayor a menor permeabilidad, se tiene:  Hidrófobas: O2, CO2, N2, esteroides…  Moléculas polares pequeñas: H2O, urea, glicerol…  Moléculas polares grandes: glucosa, sacarosa  Iones: Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-, H+ 2.

Tipos de transporte El transporte pasivo se realiza de forma espontánea sin aporte energético y a favor del gradiente de concentración. Las moléculas apolares y los gases pasan por difusión simple, y las más grandes necesitan proteínas (canales o permeasas) y se transportan por difusión facilitada. El transporte activo es fundamental para el mantenimiento de la concentración iónica intracelular. En contra de gradiente y con aporte energético.

Cuando una molécula tiene carga, también va a estar influenciado el transporte por el gradiente eléctrico (potencial de membrana). La unión de ambos gradientes da lugar al gradiente electroquímico. Esto puede aumentar la potencia con la que se impulsa la molécula o reducirla.

12

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

3.

Tipos de proteínas transportadoras Se diferencian unas de otras en la capacidad de discriminación de solutos y el empleo de ATP. 3.1 Canales  Transporte rápido  Es selectivo (Na+, K+, Ca2+, Cl-)  A favor de gradiente electroquímico (pasivo)  Regulación de su apertura/cierre por voltaje, ligando y estimulación mecánica Los canales son selectivos para el ión transportado y fluctúan entre estados abiertos y cerrados. La pared del poro estaría cubierta de grupos polares. Tiene un filtro de selectividad que limita la velocidad de la molécula que va a pasar. Hay más de 100 tipos de canales descritos y son responsables de la excitabilidad eléctrica celular. Hay unas porinas que se forman en las membranas externas mitocondriales, que van a formar canales más anchos (proteínas de lámina ). Estas no tienen selectividad iónica. Además, están continuamente abiertos, a diferencia de los canales, cuya apertura está regulada por estímulos:  Cambios en el voltaje de la membrana plasmática, como los canales de Na+, K+ , Ca2+. Estos últimos implicados en la liberación de neurotransmisores.  La unión de ligandos intracelulares (iones o nucleótidos) y la unión de ligandos extracelulares (neurotransmisores). Destacan la acetilcolina, el glutamato y la serotonina como excitadores de canales catiónicos, y el GABA y la glicina como inhibidores de canales aniónicos.  Estrés mecánico (vibraciones)

3.2

Permeasas 13

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

 Son muy selectivas  Se realiza el transporte a favor de gradiente (uniporte) o en contra de gradiente: cotransporte (simporte o antiporte). A diferencia de los canales iónicos, los solutos tienen que encajar espacialmente con las permeasas para que puedan pasar (como la unión enzimasustrato). Se produce un cambio conformacional para transportar la molécula. La transición entre ambos estados es aleatoria, reversible e independiente de la unión de soluto.

a) Modelo uniporte: modelo de transporte de glucosa (GLUT1) Uno de los fijadores de la glucosa se orienta hacia fuera y el otro hacia dentro. La glucosa se une al exterior (1) y provoca un cambio conformacional en el transportador, que orienta el sitio de fijación hacia el citosol (2). Luego, la glucosa es liberada al interior celular (3). Por último, esto provoca un cambio conformacional inverso, regenerando el sitio de fijación orientado hacia fuera (4). Si la concentración de glucosa es más alta en el interior celular, el ciclo ocurrirá a la inversa.

b) Modelo simporte: transporte de glucosa impulsado por el gradiente de Na+ En el estado A, la proteína está abierta hacia fuera, en el estado B, hacia el interior. A esta unión entre glucosa y Na+ se le llama cooperativa, la unión de cualquiera de los ligandos induce un cambio conformacional que incrementa la afinidad de la proteína por el otro ligando. La ausencia de una hace que el otro no pueda unirse a la proteína. En el estado A se suele unir la glucosa al transportador. Tanto este sistema simporte como el uniporte permiten el transporte de glucosa en la célula (p.ej., epitelios intestinales). Es transportada activamente al interior mediante el sistema simportador en la superficie apical, y sale de forma pasiva por los uniportadores de la superficie basolateral.

14

Biología Celular, Embriología Humana e Histología General

c) Modelo antiporte  Sistema Na+/Ca2+. El calcio va en contr...