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Grado Bioquímica Biología celular

Primer curso

BIOLOGÍA CELULAR GRADO BIOQUÍMICA US APUNTES

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Estructura y función de la membrana plasmática. La membrana plasmática envuelve a la célula, definiendo sus límites y manteniendo las diferencias esenciales entre su contenido y el entorno. Algunas de sus funciones son: Compartimentación. Dentro de la célula eucariota, las membranas del RE, del complejo de Golgi, de otros orgánulos delimitados por membrana mantienen las diferencias características entre el contenido de cada orgánulo y el citosol. Andamiaje de actividades bioquímicas. En la membrana se localizan una serie de equipos enzimáticos que realizan actividades bioquímicas. Los gradientes iónicos que se establecen través de las membranas, generados por la actividad de proteínas de membrana especializadas pueden utilizarse para sintetizar ATP. Barrera de permeabilidad selectiva entre el exterior y el interior gracias a las proteínas que componen la membrana y realizan este transporte selectivo. Ej: endocitosis y exocitosis. Transporte de solutos. Los gradientes iónicos que se establecen través de las membranas, generados por la actividad de proteínas de membrana especializadas también pueden utilizarse para dirigir el movimiento transmembrana de determinados solutos. Interacción celular. La diferenciación y las proteínas de la membrana determinan la relación de las células. Respuesta a señales nerviosas. La membrana plasmática contiene proteínas que actúan como sensores de señales externas, permitiendo que la célula cambie su comportamiento en respuesta a indicaciones ambientales, incluyendo señales procedentes de otras células. Transducción de energía. Ej: en células vegetales los fotosistemas se encuentran en los cloroplastos. 2.2.

Composición de la membrana

La estructura de la membrana plasmática se define con el modelo mosaico fluido. Se trata de una finísima capa de moléculas lipídicas y proteicas, que se mantienen unidas fundamentalmente por interacciones nocovalentes. Están dispuestas en forma de bicapa lipídica formada por fosfolípidos (cabezas hidrofílicas hacia la superficie y colas hidrófobas enfrentadas) con proteínas hidrófilas en ambas caras de la membrana. Las moléculas lipídicas constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas de las células animales y casi todo el resto es proteína. Lípidos de membrana

Todas las moléculas lipídicas en las membranas celulares son anfipáticas, es decir, tienen un extremo hidrofilo o polar y un extremo hidrófobo o no polar. Debido a su carácter anfipático, en un medio acuoso se organizan conformando la bicapa lipídica con las cabezas polares orientadas hacia el medio acuoso (intracelular y extracelular) y las colas hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, hacia el interior de la bicapa constituyendo la matriz de la membrana.

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Los fosfolípidos tienen una cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas hidrofóbicas que suelen ser ácidos grasos de diferente longitud. Una de las colas suele ser insaturada (uno o más dobles enlaces cis) y la otra saturada (sin dobles enlaces). Cada doble enlace cis genera una suave curvatura en la cadena. Las diferencias de longitud y de grado de saturación son importantes porque afectan al modo en que se empaquetan las moléculas y determinan, por tanto, la fluidez de la membrana. Glicerofosfolípidos. Formado por un glicerol esterificado con dos ácidos grasos y un grupo fosfato el cual, a su vez, está unido a un alcohol que le da el carácter polar. En las membranas de las células animales, los principales son la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina y la fosfatidilcolina según el tipo de alcohol.

Esfingomielina. Formado a partir de esfingosina en lugar de glicerol. La esfingosina es una larga cadena acilo con un grupo amino y dos grupos hidroxilo en un extremo de la molécula. En la esfingomielina, una cola de ácido graso está unida al grupo amino y un grupo fosfocolina está unido al extremo terminal, quedando por tanto un grupo hidroxilo libre. Los glucolípidos carecen de grupo fosfato en su estructura y pueden ser de dos tipos: Esfingoglucolípidos. Formado por una esfingosina a la que está unido por el grupo amino un ácido graso y un azúcar por el extremo terminal (glucocálix). Se denominan gangliósidos cuando el azúcar es un oligosacárido y cerebrósidos cuando es un polisacárido. Galactolípidos.

El colesterol está formado por una larga cadena hidrocarbonada con anillos esteroideos a los que se une un grupo polar OH. La parte hidrófoba es la cadena hidrocarbonada y los anillos esteroideos y la parte hidrófila el grupo OH junto a los componentes polares de los fosfoglicéridos. Los anillos compactan con los ácidos grasos y hacen que incluso sea una estructura totalmente impermeable.

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Los liposomas son vesículas bimembrana que se fabrican en el laboratorio para introducir partículas en las células por fusión con la membrana. A aquellos que presentan una cubierta de una sustancia, comúnmente polietilenglicol, para que el sistema inmunológico no los detecte como organismo extraño y los destruya se les llama liposomas silenciosos. Disposición lipídica en la membrana Las membranas están formadas por dos zonas: Dominio citosólico. Todo medio por la cara interna de la membrana, ya sea plasmática (en cuyo caso es el citoplasma) o de un sistema de endomembranas (el espacio dentro del sistema como el de una vesícula). Domino exoplásmico. Todo aquello fuera de la membrana ya sea plasmática (en cuyo caso es el medio extracelular) o de un sistema de endomembranas (en cuyo caso es el citoplasma). La composición de la capa interna y externa de lípidos no es la misma, dependiendo de la presencia de proteínas que requieren unirse a determinados fosfolípidos. La membrana es asimétrica en la composición de las hemimembranas lipídicas:

La distribución de los componentes en la membrana plasmática se puede investigar con enzimas como la fosfolipasa. Si observamos que digiere cierto lípido en una determinada parte de la membrana, sabemos dónde se encuentra dicho lípido y podemos estudiar su proporción en la hemimebrana. Movimiento lipídico Los lípidos forman la base de las membranas en forma de cristal líquido porque están en movimiento. Tipos de movimiento: Flexión y rotación (cada 10”-9“). Los más frecuentes en los ácidos grasos. Difusión lateral (cada 10”-6”). Flip-flop (10”-5”, menos frecuente). Es el paso de un hemimebrana lipídica a otra por acción de la enzima flipasa. Se produce en el REL donde se sintetizan las proteínas, para que los lípidos lleguen al exterior. Los lípidos se asocian unos con otros formando unos “paquetes” ( raft o balsas lipídicas) haciendo que se muevan todos juntos. Se cree que tienen una función

importante en la señalización de la célula. En estas zonas aumenta la concentración de colesterol, por lo que disminuye la fluidez de la membrana. Propiedades de la membrana provocadas por su composición lipídica La membrana está en constante cambio, por lo que sus propiedades también varían. El grosor depende directamente de la cantidad de lípidos que forma la membrana ya que aumenta la compactación de los ácidos grasos.

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La curvatura de la membrana depende de la presencia del fosfatidiletanolamina. Si este existe en la membrana esta tendrá una mayor facilidad para curvarse, como por ejemplo, en las vesículas del Golgi. Las propiedades antigénicas de la membrana dependen de la presencia de glucolípidos y glucoproteínas. Por ejemplo, dependiendo de los que se hallen en la membrana de los eritrocitos se configura el grupo sanguíneo. Cuando la simetría de la membrana se ve alterada es porque se va a desencadenar algún proceso importante. o Procesos de señalización como el envejecimiento de los eritrocitos. La fosfatidilserina de los eritrocitos pasa a la cara citoplásmica para que otras células la reconozcan y la destruyan. o Agregación plaquetaria: La fosfatidilserina y el fosfatidilinositol de las plaquetas pasan a la cara exoplásmica. La fluidez de la membrana depende de: o La presencia de colesterol disminuye la fluidez de la membrana ya que los lípidos están más unidos. o La temperatura de transición o Tm (aquella necesaria para pasar de una fase a otra). A medida que aumenta la temperatura y se supera la Tm, aumenta la fluidez. o Las insaturaciones de los ácidos grasos que presentan un doblamiento de 30º fijo en la cadena hidrocarbonada debido a los dobles enlaces e interfiere con el empaquetamiento eficiente asegurando bajos puntos de fusión. Por tanto, a mayor número de insaturaciones, más fluidez a temperaturas fisiológicas. Mecanismos que evitan la congelación de la membrana aumentando la fluidez de la membrana: o Desaturación. Reacciones de emergencia que generan insaturaciones en los ácidos grasos aumentando la fluidez. o Sustitución de los ácidos grasos por insaturados, mediante fosfolipasas y una aciltransferasas. Proteínas de membrana Según su ubicación en la membrana se clasifican en: Proteínas integrales membrana).

o

transmembrana

(incrustadas

La porción que atraviesa la membrana suele presentar una estructura de α-hélice o láminas β. Presentan aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan con las colas hidrocarbonadas de la matriz de la membrana de manera que las

en

la

proteínas únicamente pueden ser extraídas por detergentes SDS que al ser anfipáticos facilitan la electroforesis en el momento de arrancarlas de la membrana. El sector expuesto al medio acuoso suele tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos y con otras moléculas a través de uniones iónicas y puentes de hidrógeno. Dentro de las proteínas integrales encontramos: o Unipaso (atraviesa una sola vez la membrana). Ej: glucoforina en la membrana de eritrocitos. o Multipaso (atraviesa dos o más veces la membrana). Si la proteína atraviesa muchas veces la membrana se forma un cilindro hueco con un interior hidrófilo por el que pueden pasar moléculas pequeñas solubles en agua, son las proteínas de canal. Proteínas periféricas (sobre la cara externa o interna de la membrana). Pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los fosfolípidos por uniones débiles no covalentes. Por tanto, se extraen simplemente metiéndolas en una solución salina. Cuando se ubican del lado citoplasmático de la membrana suelen interactuar con el citoesqueleto. Los enlaces de disulfuro solo se producen en los dominios exoplásmicos. La cisteína se mantendrá como SH en la parte del citosol, mientras que en la parte

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exoplásmica que formaran enlaces de disulfuro. Esto es para formar plegamientos y una mayor organización. Ancladas. Se encuentran unidas por enlaces covalentes a lípidos de membrana. Se pueden unir al glucosilfosfatidilinositol o directamente a los ácidos grasos de cadena larga. Ej: proteínas SRC y Ras, que pueden mutar por acción de oncogenes. Localización de las proteínas Para determinar si la proteína está en el citosol o en el exoplasma, primero extraemos las proteínas con detergente y las hacemos pasar por un gel de acrilamida para separarla por electroforesis según su PM. Posteriormente se le añade a la célula tripsina para que se produzca la digestión de las proteínas exoplásmicas. Al realizar de nuevo la electroforesis quedan las proteínas integrales y las intracelulares. Por último se rompe la membrana y se digieren las proteínas por ambos lados con tripsina. Al realizar de nuevo la electroforesis solo quedan las proteínas integrales. Movilidad de las proteínas Muchas proteínas, al igual que los lípidos, pueden desplazarse libremente dentro de la bicapa lipídica. Este proceso se puede demostrar mediante la fusión de una célula de ratón con una célula humana para generar una célula híbrida heterocarionte. Previamente, para poder detectar las proteínas, se introducen anticuerpos que se unen a las anti-proteínas humanas y anti-proteínas de ratones, con dos fluorescentes distintos (rodamina para las de ratón o fluoresceína para las de humano). En el microscopio se observa que la mitad de la célula se ve de un color y la otra mitad de otro, pudiendo distinguir los dos tipos de membrana. Al cabo de 30 minutos, la diferencia de color se va perdiendo y se mezclan los anticuerpos, pues las proteínas se han ido intercalando unas con otras. Esto demuestra que las proteínas no se mantienen estáticas. Velocidad de las proteínas

La velocidad a la que se mueven las proteínas se puede determinar mediante la técnica FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching o fotoblanqueamiento). La proteína específica que se va a evaluar se marca con un anticuerpo fluorescente. Posteriormente, una porción de la membrana es irradiada con un rayo láser para provocar un blanqueamiento de tamaño conocido. Con el tiempo, las proteínas aclaradas se alejan por difusión y las moléculas fluorescentes se mueven hacia el lugar de blanqueamiento. El tiempo y la distancia que se tarda en recuperar el color es un indicador directo de la velocidad con la que las proteínas se difunden por el interior de la membrana. Se suele hacer in vitro o en membranas artificiales. No obstante, in vitro se mueven mucho más ya que en la naturaleza los movimientos están limitados.

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Limitación en el movimiento de las proteínas Existen componentes transmembrana que delimitan los espacios por los que se pueden mover las proteínas (“vallas”). La trayectoria del movimiento de proteínas viene dado por la naturaleza de la misma. Distintas trayectorias según el tipo de proteína: A. Trayectoria seguida por una proteína libre de difundirse en forma aleatoria alrededor de la membrana plasmática. B. Trayectoria de una proteína confinada por otras proteínas o anclada a otras proteínas de membrana. C. Trayectoria de una proteína que está anclada al citoesqueleto y por ende es prácticamente inmóvil. D. Trayectoria de una proteína anclada a otras proteínas de membrana de otra célula vecina. En células epiteliales como las del intestino las proteínas basolaterales no pueden pasar a la zona apical y viceversa por la denominada unión estrecha intercelular que separan las zonas apical y basolateral. Los espermatozoides están formados por una sola membrana plasmática. En ellos se pueden distinguir proteínas que únicamente se encuentran en una parte de la cabeza (acrosoma, una vesícula en la parte superior del núcleo, rica en enzimas hidrolíticas, que se liberan al penetrar al ovulo para ayudar a romper su membrana), proteínas que sólo se encuentran en la cola y proteínas que solo se encuentran en la parte superior de la cabeza. 2.3. Glucocálix. El glucocálix está formado por hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría oligosacáridos, que se ubican únicamente en la región exoplásmica. La función principal del glucocálix es el reconocimiento celular . Las selectinas son proteínas de los capilares sanguíneos que se liberan cuando se produce una infección cuando un mastocito se acerca al capilar y libera histamina (neurotransmisor excitador). Las selectinas reconocen específicamente al glucocálix de los leucocitos (neutrófilos) por una zona de su dominio externo llamado lectina mediante las proteínas integrinas. Así se favorece la salida de los leucocitos a los vasos sanguíneos, provocando los síntomas de la infección (inflamación y rojez). El glucocálix del ovocito sirve para el reconocimiento de los espermatozoides en la fecundación. 2.4. Transporte de moléculas. El transporte de moléculas a través de la membrana se lleva a cabo gracias a la permeabilidad selectiva de la misma. La membrana es permeable frente a gases y pequeñas moléculas polares no cargadas e impermeable a grandes moléculas polares cargadas y no cargadas y a iones.

Los ionóforos son proteínas extraídas de bacterias utilizadas para estudiar el transporte transmembrana de manera experimental. Hay dos tipos de proteínas que intervienen en el transporte de moléculas: Transportadores móviles: Se localizan en una de las hemimembranas y se unen reversiblemente a un ion que se encuentra en el medio con mayor concentración, giran

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en la bicapa +y lo liberan en el otro+ lado de la membrana. Ej: valinomicina transporta K , FCCP transporta H , A23187 transporta Ca2+ y Mg2+. Formadores de canales: Son proteínas transmembrana que dejan un canal libre para que pasen los iones. Ej: la framicidina A transporta Na+, K+ y H+ o la gramicidina. Tipos de transporte Pasivo que no necesita energía. A favor del gradiente electroquímico. Desde zonas de mayor concentración a menor o desde zonas de mayor carga a menor carga. o Difusión. Las moléculas que lo realizan son las no polares y pequeñas, las liposolubles y las polares pequeñas, pero sin carga eléctrica neta. Ej: H2O (ósmosis) u O2. o Proteínas de canal. Forma un poro hidrófilo a través de la bicapa por el que pueden difundir iones inorgánicos específicos. Ej: Na+ Activo en contra de gradiente electroquímico por lo que necesita energía que normalmente se obtiene por la hidrólisis de ATP. Bombas iónicas como la Na+/K+. Cotransporte o transporte mediado por permeasas (puede ser activo o pasivo). Se lleva a cabo mediante un sistema de reconocimiento específico a una proteína. Para ello, fijan una o varias moléculas de sustrato, y a continuación sufren un cambio conformacional reversible que les permite transportar el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). 2.5. Cotransporte: Proteínas transportadoras y sus funciones El transporte mediado o cotransporte puede ser activo o pasivo. Las proteínas transportadoras pueden ser: Uniporte: Transfieren UN solo tipo de soluto de un lado al otro de la membrana. Ej: glucosa desde el medio extracelular (sangre) de menor concentración, hacia el interior (pasivo) Simporte: Transfieren DOS tipos de solutos, ambos en el mismo sentido. Ej: glucosa y sodio en la mucosa intestinal a favor de gradiente. Dependiente de la bomba Na+/K+ ya que cuando se desequilibran las cargas, para seguir metiendo Na+, es necesario retirar K+ Antiporte (activo). Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, mientras uno entra al citoplasma, el otro sale al exterior. Ej: bomba Na+/K+ Bomba Na+/K+ Presente en todas las membranas plasmáticas. Se encarga de eliminar 3 Na+ de la célula e introducir 2 K+ en el citoplasma. Ese intercambio permite mantener las una diferencia de concentración que

genera un potencial eléctrico negativo intracelular. Este mecanismo se produce en contra del gradiente de concentración gracias a una ATP-asa aporta la energía a partir de la hidrólisis de ATP.

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La bomba Na+/K+ tiene dos conformaciones distintas: E1 (subunidad abierta al dominio citosólico) y E2 (subunidad abierta al dominio exoplásmico). Presenta el siguiente mecanismo: 1. 3 Na+ intracelulares se insertan en la proteína transportadora en E1. 2. El ATP aporta un grupo fosfato (P) liberándose difosfato de adenosina (ADP). P se une a la proteína provocando el cambio conformacional a E2. 3. Expulsión de los 3 Na+ fuera de la célula. 4. 2 K+ extracelulares se acoplan a la proteína de transporte en E2. 5. P se libera de la proteína produciendo el cambio conformacional de nuevo a E1. 6. Ingreso de los 2 K+ al interior celular. 7. A partir ...