Tema 2- Estructura y función de la membrana plasmática PDF

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Profesora Laura Tusell...

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Tema 2: Estructura y función de la membrana plasmática. 1. FUNCIONES Y COMPOSICIÓN BÁSICA Las funciones de la membrana plasmática son: -

Delimitar la célula, aislar su contenido -protegiéndola- y, junto al citoesqueleto, regular su forma.

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Permeabilidad selectiva: deja pasar algunas moléculas y no otras. Las moléculas pequeñas y sin carga atraviesan la membrana sin ayuda, por difusión simple. Las más grandes necesitan energía y canales formados por proteínas específicas para hacerlo. Por ejemplo, en la membrana de las mitocondrias está situado el complejo de transporte de electrones que permite realizar la respiración

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Detección de señales, gracias a receptores de proteínas, de otras células. De esa forma se puede generar una respuesta, lo que se traduce en una transferencia de información entre la célula y el exterior.

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Comunicación entre células (simultaneidad de acciones), a través de las uniones GAP.

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En la membrana se encuentran diferentes proteínas, que determinan funciones adicionales de la membrana: funciones enzimáticas…

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Reconocimiento proteico. En las membranas se encuentran enzimas, proteínas que hacen que la célula sea reconocible y colaboran en actividades enzimáticas. La estructura de la membrana corresponde con la del mosaico fluido, descrito Singer y Nicholson, en el que hay una bicapa lipídica donde están inmersas proteínas (periféricas y transmembrana) y carbohidratos (que se encuentran unidos a proteínas o lípidos – proteoglucanos, glucoproteínas o glucolípidos).

2. COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS No todas las membranas tienen la misma composición. Es decir, una puede tener más proteínas que otra, según la función que desempeñe. En la vaina de mielina de los axones, por ejemplo, la membrana plasmática contiene mayor proporción de lípidos. Cabe destacar, por otra parte, que las proteínas juegan un papel fundamental para la actividad biológica de una célula. Es por eso que en el caso de la membrana del tilacoide del cloroplasto o membranas internas mitocondriales predominan las proteínas, llegando a representar un 70 y 78% de su composición, respectivamente. No obstante, en la mayoría de las membranas, los lípidos y las proteínas representan cada uno alrededor del 50% de la masa total, mientras que los glúcidos se encuentran en una proporción que nunca supera el 10%.

2. 1. LÍPIDOS Los lípidos son responsables de la estructura básica de la membrana y de su baja permeabilidad y hay alrededor de 109 moléculas por bicapa (50%). Los más frecuentes son los fosfolípidos, lípidos saponificables (por tanto, serán anfipáticos) complejos cuyas colas hidrofóbicas de ácidos grasos pueden tener de 14 a 24 carbonos, ya que longitudes más altas o bajas darían problemas a la hora de mantener la fluidez de la membrana. Representan el 50% de los lípidos y, además, contienen insaturaciones, que pueden hacer que se vea una estructura en forma de codo. Estas insaturaciones afectan a la fluidez de la membrana, haciendo que aumente. Dentro de los fosfolípidos se encuentran los fosfoglicéridos y los esfingolípidos.

Los fosfoglicéridos son biomoléculas derivadas del alcohol glicerol (propan1,2,3, triol o glicerina) y son sintetizados en el retículo endoplasmático. Respecto a su composición, el glicerol se encuentra esterificado en sus tres carbonos con un grupo fosfato y dos ácidos grasos. El grupo fosfato, a su vez, está unido mediante un enlace éster fosfórico a u aminoalcohol. Así, su nomenclatura depende de cuál sea este último. Los más frecuentes son la fosfatidilcolina, fosfatidilserina -con carga negativa-, fosfatidiletanolamina. Cabe destacar que uno de los ácidos grasos será insaturado (16-18 átomos de carbono), de ahí que posea una geometría en ángulo, y el otro ácido graso será normalmente saturado.

Los esfingolípidos se sintetizan en el aparato de Golgi y derivan del aminoalcohol esfingosina, de 18 át. de carbono. La esfingosina se une mediante un enlace amida a un ácido graso saturado o monoinsaturado (formando la ceramida), y a un grupo polar (que puede ser fosfocolina o fosfoetanolamina en el caso de las esfingomielinas). Son comunes en las células del tejido del sistema nervioso. Después encontramos los glucolípidos que son carbohidratos -glúcidos- unidos directamente a lípidos. Existen los glucoesfingolípidos- que derivan de la esfingosina- (son esfingolípidos con un glúcido como grupo polar), o los glucolípidos derivados del glicerol. Los glucolípidos se encuentran distribuidos asimétricamente, están presentes en la monocapa externa de la membrana plasmática (de hecho, es el glúcido el que está orientado hacia esta cara/aunque pueden estar en la monocapa interna en lisosomas) y representan apenas del 2 al 10% del total de los lípidos. Son abundantes en los microdominios lipídicos o lipid rafts. Los glucoesfingolípidos pueden ser de dos tipos: cerebrósidos o neutros, que llevan unido a la ceramida un monosacárido; o gangliósidos o polares, que llevan como grupo polar unido a la ceramida un oligosacárido, siendo al menos uno de los monosacáridos NANA (ácido siálico o N-acteilneuramínico), que posee carga negativa (de ahí el carácter polar de este tipo de glucolípidos/esfingolípidos). También son glucolípidos los glucofosfatidilinositoles (GPI). En arqueas no hay una bicapa sino una monocapa, ya que las colas hidrofóbicas se fusionan. Además, el tipo de enlaces entre glicerol y cadena hidrocarbonadas es diferente; en arqueobacterias es de tipo éster, lo cual facilita la supervivencia en medios extremos al ser más fuerte. Los fosfolípidos en la bicapa lipídica tienen la siguiente estructura: Zona polar. Interacciona con moléculas polares, como el agua (hidrofílica). Entre las zonas polares de los lípidos se forman enlaces de hidrógeno.

6-8 nm

Zona apolar. Es hidrofóbica. Son las colas de ácidos grasos, que pueden ser insaturados o saturados. Entre estas zonas se crean fuerzas no covalentes de Van der Waals.

Los lípidos según la forma que posean (con una cola formada por un ácido graso o dos), pueden formar micelas (1 ác. graso) o bicapas lipídicas (2 ác. grasos). Inicialmente la bicapa es plana, sin embargo, cuando se encuentran en un medio polar, se pliegan formando una estructura de modo que las cabezas polares se dirijan hacia esta zona y las apolares queden escondidas.

Micela

Bicapa lipídica

En las membranas también se encuentran presentes los esteroles, lípidos insaponificables (sin ácidos grasos) con 4 anillos hidrocarbonados planos y rígidos, por lo que confieren rigidez a las membranas. Es decir, cuantos más esteroides posea una bicapa, menos fluida será. En los animales el esterol más común es el colesterol, que en mamíferos puede representar un 50%de la membrana y cuya cabeza polar -en este caso, un grupo hidroxilo- interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos de membrana; en las plantas y hongos los fitoesteroles; y en procariotas, en las membranas internas de mitocondrias y cloroplastos, los hopanoides (sterol-like). Influyen en la fluidez de la membrana.

Los “lipid rafts” o microdominios lipídicos son regiones de la membrana donde se localizan preferentemente esfingolípidos, glucolípidos -como GPI-, colesterol y fosfoglicéridos con ácidos grasos saturados. Son porciones más gruesas y menos fluidas que el resto de la membrana, por lo que se desplazan flotando sobre ella (de ahí que también se puedan llamar balsas lipídicas). Su mayor grosor es debido a que las colas rectas hidrófobas de los lípidos son más largas que las colas en ángulo (causadas por los dobles y/o triples enlaces de los ácidos grasos insaturados) y son menos fluidas porque, debido a dicha longitud, pueden establecer un mayor número de interacciones con moléculas vecinas. A causa de estas diferencias, algunas proteínas se sitúan exclusivamente en estas regiones de la membrana, como aquellas que poseen dominios hidrófobos más largos de lo normal como para insertarse en la bicapa normal. Los microdominios sirven para la señalización a través de la membrana plasmática y están relacionados con un mecanismo de internalización de las toxinas. Como curiosidad, los lípidos pueden ser más abundantes en una u otra monocapa. Así, en las membranas de los eritrocitos humanos y de ciertas células de riñón canino crecidas en cultivos, casi toda la esfingomielina y fosfatidilcolina, las cuales forman bicapas menos fluidas, se encuentran en la monocapa exoplasmática. En cambio, la fosfatidiletanolamina, la fosfatidilserina y el fosfatidilinositol, que forman bicapas más fluidas, se encuentran en la monocapa citosólica.

2.2. PROTEÍNAS Las proteínas son estructuras compuestas por cadenas de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. Así, enlace polar que se establece entre el grupo carboxilo de un aa y el grupo amino del siguiente. Poseen carácter anfipático, por lo que, en un medio acuoso, los aminoácidos polares se distribuirán orientados hacia el medio y las zonas hidrofóbicas en el interior de la proteína. Las proteínas son responsables de las funciones específicas de la membrana, es decir, actúan como receptores, enzimas, transportadoras, etc. Representan el 50% de la masa total de la membrana plasmática, pero debido a su elevado peso molecular se estima que por cada molécula proteica hay 50 lipídicas. Además, la proporción de proteínas es mayor en aquellas membranas que presentan una mayor actividad biológica. Poseen las siguientes funciones:

The world of the cell

Para poder inserirse en las membranas pueden replegarse de dos formas:

- ∝-hélice A veces, si son varios los pasos a través de la membrana, dependiendo del tipo de proteínas, estas pueden llegar a formar canales (poros acuosos)

- Lámina β. Crean poros (canales) siempre. Las zonas que están de cara al medio acuoso (residuos de proteínas con aa polares) quedan en el interior del canal. Por todo esto, existen diferentes tipos de proteínas de membrana:

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Integrales de membrana (o transmembrana)

Son proteínas que atraviesan total o parcialmente la membrana en forma de lámina β o hélice α. Si atraviesan por completo la membrana, se clasifican atendiendo al número de dominios hidrofóbicos que lo hacen. Así, pueden ser de un solo paso (es decir, un solo dominio) o de múltiple paso (varios dominios). Las regiones hidrofóbicas pueden plegarse de dos formas: como hélices α (1, 2, 4) o como láminas β (3, en este caso, barril β) Las que solo atraviesan una monocapa (la citosólica) ERROR se denominan proteínas monotópicas, y son menos abundantes que las anteriores. Para estudiar la estructura de las proteínas intrínsecas es necesario aislarlas de la membrana mediante detergentes, que la destruyen a la vez que solubilizan estas proteínas. Son sintetizadas en el retículo endoplasmático y viajan hasta la membrana en vesículas de transporte. Se mantienen unidas a la membrana debido a las interacciones que realizan por una parte con las colas hidrófobas y, por otra parte, con las cabezas polares de los fosfolípidos.

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Proteínas de membrana unidas a lípidos

Son proteínas hidrofílicas unidas covalentemente a elementos de la bicapa lipídica, lípidos, que pueden ser glucolípidos. Las que se localizan en el costado citoplasmático son sintetizadas en los ribosomas libres del citosol y las del extracelular, en el retículo endoplasmático, que aparecen unidas a glucolípidos (GPI). De esta manera, en la parte citosólica de la membrana podemos encontrar proteínas unidas a lípidos gracias a una reacción enzimática de acilación o proteínas que se unen a un grupo prenilo gracias al proceso de prenilación.

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Periféricas

Las proteínas periféricas son hidrofílicas e interaccionan mediante uniones no covalentes con proteínas integrales o con las cabezas de los fosfolípidos. Si se encuentran de cara al citosol, han sido creadas en los ribosomas libres de este. Si no, en el retículo endoplasmático. Las proteínas periféricas se pueden solubilizar mediante cambios iónicos o en

el pH. Es decir, si hay una desnaturalización “suave”, las proteínas periféricas pueden llegar a desprenderse de la membrana.

Lumen del RER

Citosol

Glucolípido

Exterior celular

2.3. CARBOHIDRATOS En la membrana, se encuentran unidos a proteínas o a lípidos. Estos intervienen en procesos sobre todo de reconocimiento celular o efecto protector y amortiguador. Hay: -

Cadenas cortas (oligosacáridos)

- Cadenas largas (polisacáridos). Cuando llegan a la membrana se liberan en la matriz extracelular.

Entre los oligosacáridos encontramos: · Oligosacáridos N-unidos. El azúcar se encuentra unido al grupo amino procedente del aminoácido asparagina (Asn). Este tipo de glúcidos son los más frecuentes en la membrana. Se incorporan en el retículo endoplasmático. · Oligosacáridos O-unidos. El azúcar se encuentra unido a la proteína a través de un grupo hidroxilo, aportado por el aminoácido serina (Ser) o la treonina (Thr). Se añaden en el aparato de Golgi.

3. PROPIEDADES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA 3.1. Fluidez de la bicapa lipídica Los valores de fluidez se deben mantener dentro de unos valores determinados para que la membrana pueda mantener un funcionamiento óptimo. Este estado físico de la membrana biológica viene determinado por dos factores: la composición lipídica y la temperatura.

a. Temperatura Esta puede llegar a desnaturalizar las colas de los ácidos grasos de los fosfolípidos y disminuir, por tanto, las interacciones entre ellos. Todo esto desemboca en una mayor fluidez de la membrana. Existe una temperatura de transición (T melting), que corresponde con la temperatura óptima a la que una membrana es totalmente funcional. Si se produce una variación controlada de la temperatura, la célula puede contrarrestar este cambio modificando la composición lipídica de la membrana. Sin embargo, si se produce un descenso brusco de la temperatura, el estado de la membrana será de gel, y si se trata de un gran aumento de esta, será demasiado fluida.

b. Longitud y saturación de las cadenas de los ác. grasos de los fosfolípidos Cuanto más corta es la cola de los ácidos grasos, menos interacciones hay entre ellas y, por tanto, existe una mayor fluidez en la membrana – las proteínas y demás componentes se pueden mover con más libertad-. Por tanto, a mayor número de átomos de carbono en los fosfolípidos, mayor es la interacción entre estos y menor fluidez. La fluidez, además, está relacionada con la temperatura de transición – a mayor nº de C, mayor es la Tª de transición-. Algo similar ocurre con las insaturaciones de las colas de ác. grasos, de manera que cuantas más insaturaciones haya, menor será el número de interacciones entre ellos y mayor será la fluidez, pero menor la Tª de transición. El cambio en este caso de esta última es más drástico con el nº de dobles enlaces. Esquema:

+corta cad. Ác gr. → - interacciones → nº C →

Tª transición Nº interacciones → - fluidez

fluidez

+ insaturaciones → -interacciones → +fluidez → - Tª transición

c. Presencia de esteroles La presencia de estos compuestos restringe el cambio de fluidez de la membrana. Sirve de “amortiguador”. De este modo, cuando la Tª de la membrana es mayor que la de transición es elevada, los esteroles disminuyen la fluidez de esta. Sin embargo, cuando la temperatura es menor que la de transición, los esteroles disminuyen en número, y así se encargan de aumentar la fluidez.

Tipos de organismos según el modo de regular su Tª corporal.

- Homeotermos Poseen una membrana fluida de manera “permanente”. Regulan por sí mismos su temperatura. A muy bajas temperaturas de la membrana, el estado de esta es de gel. Por ello, se empieza a perder sensibilidad en los dedos cuando hace frío, ya que los nervios sensoriales dejan de funcionar. Esto ocurre porque las proteínas no pueden moverse en estado de gel, por lo que no se forman canales.

- Poiquilotermos No regulan por sí mismos su temperatura, sino que depende del medio – corresponde a las bacterias, hongos, protoctistas, plantas y animales de sangre fría-. Poseen una adaptación homeoviscosa, esto es, regulación de la fluidez de la membrana mediante la alteración de su composición lipídica. Ejemplos: Micrococcus La disminución temperatura hace aumentar la proporción de AG 16C respecto a AG 18C Activación enzima que elimina 2C de los AG E. Coli La disminución temperatura activa síntesis del enzima DESATURASA (introduce dobles enlaces en AG.). Así, la fluidez de la membrana será mayor. Anfibios y reptiles / Animales en hibernación

3.2. Naturaleza dinámica Los lípidos de la membrana están en movimiento constante, y este puede ser de cuatro tipos: •

• •

•

Flexión de los ácidos grasos. Se debe a la apertura y el cierre del ángulo que forman las parejas de cadenas. Gracias a sus insaturaciones. Rotación. Consiste en el giro de los lípidos sobre sí mismos. Giran alrededor de un eje más o menos perpendicular al plano de la bicapa. Difusión lateral. Consiste en el desplazamiento lateral y sucede 107 veces por segundo. Se da de manera espontánea. En él un lípido intercambia su posición con el lípido del costado, se trata de un movimiento no direccional Flip-flop. Consiste en un cambio de monocapa del lípido y es poco frecuente debido a que resulta desfavorable porque implica el movimiento de la cabeza polar de los fosfolípidos a través del interior hidrófobo de la membrana, y sucede menos de 1 vez al mes. Este movimiento está

catalizado por la acción de tres proteínas diferentes: la flipasa (mueven desde la monocapa externa a la citosólica), la flopasa (desde la monocapa citosólica a la externa) y la escramblasa (mueve en cualquier dirección para mantener la ratio de lípidos en cada monocapa). Dicho de otra forma, mantienen el número equivalente de lípidos en ambas capas. Mientras que la flipasa y la flopasa son activadas mediante ATP (requieren la hidrólisis de este) y son específicas de cada lípido, la escramblasa requiere un aumento de la concentración de calcio, no es específica y no requiere gasto de energía. En las membranas simples, que solo presentan lípidos, el movimiento de estos es prácticamente ilimitado. En cambio, en una membrana natural, hay elementos que restringen el movimiento de los lípidos; las proteínas, por ejemplo, el colesterol, o los mismos lípidos, que entre ellos pueden formar una estructura por afinidad y crear “microdomininios lipídicos”. Estas son zonas de la membrana con una serie de fosfolípidos largos y saturados, lo que se traduce en una menor fluidez de membrana en estas zonas. En cuanto a las proteínas, podemos decir que por lo general no son estáticas, se mueven más lentamente en una membrana biológica que en una bicapa lipídica pura y que hay proteínas incapaces de moverse, como por ejemplo las de la membrana nuclear. Las proteínas se mueven más despacio que los lípidos debido a su mayor tamaño. Para calcular la velocidad de difusión de las proteínas, se realizó el experimento del FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching). Así, mediante bleaching se eliminó la fluorescencia de una zona concreta de una membrana que se había teñido previamente mediante GFP. Pasado un tiempo se observó al microscopio que parte de esa fluorescencia había vuelto. Esto se debe a que las proteínas que rodeaban a la zona sin fluorescencia se movieron hacia esa zona. Podemos decir que las proteínas experimentan dos tipos de movimiento: difusión lateral y rotación. Existen tres mecanismos de restricción del movimiento lateral de las proteínas: - Formación de agregados de varias proteínas. Debido al gran tamaño y al elevado peso molecular del complejo, las proteínas que lo constituyen no pueden moverse con facilidad por la membrana. - Contactos focales. Se producen tanto con estructuras extracelulares (filamentos de fi...