Tema 2:Estructura de las membranas celulares PDF

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Ricardo Paniagua...

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TEMA 2: ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARES. PRIMEROS ESTUDIOS CON MÉTODOS INDIRECTOS 

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1895, Overton -membrana de naturaleza lipídica en la célula debido a que la superficie celular es fácilmente traspasada por lípidos y muy resistente al paso de corriente eléctrica. En 1897, Langmuir estudió el comportamiento de los fosfolípidos al extenderlos sobre el agua, los grupos polares (hidrófilos) de cada molécula quedaban en contacto con la superficie acuosa mientras que los grupos no polares (hidrófobos) se disponían perpendicularmente a ésta. En 1925, Gorter y Grendel extrajeron los lípidos de la membrana de eritrocitos y calcularon que, al extenderlos sobre el agua, ocupaban una superficie doble de la que debían ocupar las membranas de los eritrocitos. Llegaron a la conclusión de que la membrana es una capa lipídica bimolecular. En 1932, Cole estudió la tensión superficial de membranas de huevos de erizo de mar. El valor encontrado resultó inferior a la tensión superficial teórica para una capa de fosfolípidos; de ello dedujo que éstos deberían ir acompañados de proteínas que disminuyeran su tensión superficial. En 1935, Danielli y Davson propusieron un modelo de estructura de la membrana plasmática en el que las proteínas se sitúan con los grupos polares de la bicapa lipídica. Posteriormente, incluyeron en su modelo poros o canales en la membrana para explicar el paso de sustancias

ESTUDIOS CON EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Con la aplicación del microscopio electrónico al estudio de las células se vio por primera vez la membrana plasmática. Esta aparece como una estructura trilaminar (10 nm de espesor). La misma imagen trilaminar de la membrana plasmática se observaba también en las membranas de los orgánulos citoplásmicos (membranas citoplásmicas), por lo que Robertson (1959) denominó a esta estructura unidad de membrana al entender que existe una igualdad esencial entre todas las membranas celulares. En 1962, Stoeckenius elaboró una membrana artificial con dos capas de fosfolípidos, la fijó con osmio. Se observó la estructura trilaminar. Al añadir proteínas a esta membrana, se repetía la imagen anterior, pero con las líneas densas más gruesas, por lo que se pensó que las proteínas se disponían junto con los grupos polares de los fosfolípidos. Continuidad entre diferentes membranas celulares: entre el retículo endoplasmático liso y el rugoso; entre éste y el complejo de Golgi; entre las vesículas que surgen del complejo de Golgi y la membrana plasmática; y entre ésta y las vesículas que se adentran en el citoplasma. También se observan conexiones entre el retículo endoplasmático rugoso y la envoltura nuclear, la cual, en su membrana externa, tiene ribosomas adheridos. Incluso en células jóvenes y, con un carácter temporal, se ha visto una continuidad entre el retículo endoplasmático rugoso y la membrana plasmática. Sin embargo, nunca se han visto conexiones entre mitocondrias o cloroplastos y otras membranas. Las membranas citoplásmicas son más delgadas que la membrana plasmática: su espesor es de unos 7 nm, frente a los 10 nm de la membrana plasmática. Además, las membranas citoplásmicas tienen, en general, mayor proporción de proteínas que la plasmática. Por otra parte, esta estructura trilaminar no está tan clara en algunas membranas citoplásmicas, particularmente en el caso de las mitocondrias, cuya membrana muestra partículas globulares.

EL MOSAICO FLUIDO DE MEMBRANA. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN. Por lo que respecta a las técnicas de microscopía electrónica, las dos siguientes fueron de un gran valor en el estudio de las membranas: 1. Contraste negativo, que permitió observar protuberancias e irregularidades en las membranas, imposibles de apreciar en los cortes. En algunas células se vio que la membrana plasmática está constituida por bloques o unidades poligonales. 2. Criofractura-réplica. Al romperse las membranas por las líneas de mínima resistencia, éstas quedan divididas en dos hemimembranas: P (protoplásmica o interna) y E (exoplásmica o externa). y sobre ella resaltan partículas que se corresponden con cavidades en el fragmento complementario de la membrana y son debidas a proteínas, por lo que son más abundantes en membranas ricas en enzimas. Las dos partes de la membrana son asimétricas, las partículas son más abundantes y mayores en la hemimembrana P. Singer y Nicolson (1972) propusieron el modelo del mosaico fluido de membrana , en el que las proteínas, lípidos e hidratos de carbono se sitúan en una configuración estable de baja energía libre. Los lípidos (60%) forman una bicapa en la que se disponen las proteínas (40%) configuradas de acuerdo con las interacciones que establecen con las moléculas que las rodean. Hay también oligosacáridos que se disponen sobre los lípidos y las proteínas en la hemimembrana E.

Las membranas citoplásmicas, además de ser más delgadas que la plasmática, como ya se ha dicho, poseen mayor proporción proteína (80%) /lípidos (20%).

LÍPIDOS DE LAS MEMBRANAS Forman una doble capa con los grupos hidrófobos en el centro y los hidrófilos en el exterior, en contacto con la fase acuosa. Son la matriz de la membrana. 

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Las grasas neutras, formadas por ésteres de glicerol y uno (monoglicéridos), dos (diglicéridos) o tres (triglicéridos) ácidos grasos, son un componente minoritario, o incluso ausente, en la membrana plasmática. En las membranas de bacterias y células vegetales son frecuentes los glucolípidos simples. Fosfolípidos: Son fosfodiglicéridos (glicerol esterificado con dos ácidos grasos y un fosfato). Los principales fosfolípidos son fosfatidil colina, fosfatidil serina, fosfatidil etanolamina, fosfatidil inositol. En las mitocondrias fosfatidil glicerol y diglicerol. Esfingolípidos: Son derivados de la esfingosina, que es un aminodialcohol. La esfingosina unida a un ácido graso en su grupo amino forma la ceramida. La ceramida esterificada con fosfato y colina en el grupo hidroxilo terminal forma la esfingomielina. La ceramida unida a hidratos de carbono (de uno a 15 azúcares) forma glucolípidos complejos (glucoesfingolípidos) como cerebrósidos y gangliósidos. Esteroles como el colesterol.

los lípidos pueden hacer desplazamientos de difusión lateral, rotación y flexión con una constante de difusión lateral de 10–8 cm2/s. En contraste con estos movimientos laterales, son infrecuentes los movimientos de voltereta (flip-flop). La permeabilidad de la membrana disminuye con la abundancia de colesterol, que presenta los siguientes efectos: (a) dificulta que las cadenas de hidrocarburos de los ácidos grasos se junten y cristalicen; (b) dificulta la permeabilidad de la membrana para las pequeñas moléculas solubles; y (c) aumenta la flexibilidad y la estabilidad mecánica de la bicapa. Existe asimetría en la bicapa lipídica, pues hay mayor proporción de fosfatidil colina y esfingomielina (fosfolípidos con colina y que poseen ácidos grasos saturados) en la hemimembrana exoplásmica (E), y mayor cantidad de fosfatidil etanolamina y fosfatidil serina (fosfolípidos con ácidos grasos insaturados) en la hemimembrana citoplásmica (P). La matriz lipídica de la hemimembrana P es más fluida que la de la E. La mayor presencia de fosfatidil serina (con fuerte carga negativa) en la hemimembrana P determina que exista una diferencia de carga entre ambas hemimembranas.

PROTEÍNAS Integrales: Las proteínas integrales están firmemente unidas a los lípidos por interacciones hidrófobas. Algunas refuerzan la unión por enlaces covalentes con lípidos y sólo se disocian de éstos por tratamientos drásticos (detergentes, agentes que desnaturalizan las proteínas y disolventes orgánicos) que destruyen la integridad de las membranas. Según su posición: -

Transmembranosas: atraviesan la membrana formando hélices alfa de paso único o múltiple, aunque algunas solo ocupan una hemimembrana como el citocromo b5 del Retículo Endoplasmático. Son anfipáticas (presentan una distribución asimétrica de los grupos hidrófilos e hidrófobos) lo que las capacita para estar en parte embebidas y en parte sobresalientes en la membrana. Los grupos polares de la proteína quedan

generalmente en la superficie de la membrana, mientras que los residuos no polares permanecen embebidos entre los fosfolípidos. Realizan rotación y traslación (cte. de difusión 5 x 10-9 cm2/seg. Algunas pueden formar canales transitorios o dinámicos que permiten el paso a través de la membrana del agua y de sustancias insolubles en lípidos (acuaporinas). Además, algunas proteínas actúan como moléculas portadoras uniéndose a las sustancias transportadas. Son permeasas, y en su interior hay caminos polares que permiten el transporte. *Su desplazamiento se mostró con el siguiente experimento. Se cultivaron conjuntamente células de ratón y células humanas y se marcó una proteína específica de la membrana plasmática de la célula de ratón mediante un anticuerpo unido a un colorante fluorescente. Se hizo lo mismo con otra proteína específica de la membrana de la célula humana, pero marcando ésta con un colorante diferente para distinguir ambas proteínas. Tras fusionar ambas células, se vio que, al principio, cada tipo de proteína quedaba limitada a un área diferente en la célula híbrida, pero posteriormente ambas proteínas se entremezclaban.

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No transmembranosas: unas se anclan a la hemimembrana P por una hélice α o enlace covalente del tipo:  Unión del S de una cisteína al grupo prenilo de un ácido graso y el de otra cisteína al ácido palmítico (16 C). Es el caso de la proteína Ras.  Unión al ácido mirístico (14 C) por el extremo aminoterminal de una glicina, como proteína Scr. Otras están sobre la hemimembrana E,unidas al fosfatidil inositol o a un GPI (glucosil fosfatidil inositol), un oligosacáridos unido a los 2 ácidos grasos de un fosfatidil inositol. Periféricas: se asocian a la membrana por interacciones no covalentes (principalmente electrostáticas) con una proteína integral. No están estrechamente asociadas a los lípidos, y un tratamiento con la adición de un agente quelante (tratamiento de tipo suave), basta para disociarlas enteras de la membrana. Se encuentran sobre todo en la hemimembrana P y corresponden en su mayor parte a enzimas.

Proteínas de la membrana del eritrocito  Glucoforina y banda 3 (transmembranosas, sobresalen en la cara E)  Anquirina (periférica interna)  Proteínas esqueléticas bajo la membrana: espectrina (similar a la miosina), actina y tropomiosina,

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Asociadas a las esqueléticas y a la membrana: banda 4.1 y aducina.

Proteínas de la membrana de otras células: Varían de células a otras. Suele haber receptores, transportadores para el intercambio de sustancias, enzimas y proteínas estructurales, algunas de ellas conectadas al citoesqueleto, a otras células o a la matriz celular. Las proteínas esqueléticas corticales son filamentos de actina, que tienen tropomiosina asociada e interactúan con moléculas de miosina.

GLÚCIDOS-GLICOCÁLIX.

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Generalmente oligosacáridos unidos covalentemente a proteínas (glucoproteínas) o lípidos (glucolípidos). Se pueden identificar con las proteínas lectinas, de la familia de la selectinas, que se unen específicamente a secuencias determinadas de glúcidos. Oligosacárido unidos a proteínas se unen : Al nitrógeno (en una asparagina). Son los oligosacáridos N. Tienen 12 azúcares y son ricos en manosa. Al oxigeno (en una treonina o serina). Son los oligosacáridos O. Tienen 4 azúcares Oligosacáridos unidos a lípidos son sobre todo glucoesfingolipidos pero también se unen a fosfatidil inositol. Casi todas las proteínas presentan oligosacáridos en su lado externo, pero sólo la décima parte de las moléculas lipídicas de la hemimembrana externa están unidas a oligosacáridos. Hay más oligosacáridos unidos a proteínas que a lípidos, pues mientras que cada molécula de lípido posee una única cadena de hidrato de carbono, cada molécula de proteína posee varias cadenas. Hay algunos glucosaminoglucanos (cadenas, a veces numerosas y largas, de disacáridos muy repetidos) unidos a una proteína formando proteoglucanos. El proteoglucano más frecuente es el sindecano. Su eje proteico atraviesa la membrana y se une en el citoplasma a la actina, para transmitir señales que captan sus glucosaminoglucanos sobre la superficie celular. Otros proteoglucanos se unen al fosfatifil inositol. Puede haber también proteínas; las más conocidas son las que se unen al GPI y actúan como receptores de señales extracelulares. La estructura es visible (como finos filamentos) sólo en algunos tipos celulares (como los enterocitos). FUNCIONES:  Protección de la membrana plasmática.  Es responsable de la carga negativa de la superficie celular, principalmente debida al ácido siálico, y de los cambios en la carga eléctrica del medio extracelular, actuando como una resina intercambiadora de iones.  Reconocimiento y fijación de las partículas que incorpora la célula por endocitosis.  Reconocimiento específico de células entre sí durante el desarrollo embrionario, permitiendo la agrupación de las células para generar los tejidos y órganos. Las células metastásicas deben ignorar las propiedades del glicocálix en el reconocimiento y la diferenciación.  Participación en las uniones de células entre sí y con la matriz extracelular efectuadas por glucoproteínas transmembranosas como cadherinas (unen células entre sí) e integrinas (unen células a la matriz extracelular).

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Propiedades inmunológicas. Contiene muchos de los antígenos celulares que causan el rechazo de trasplantes e injertos. Un ejemplo son los grupos sanguíneos que residen en el glicocálix de los eritrocitos. Anclaje de enzimas. En el glicocálix de algunas células hay unidades globulares (5-6 nm de diámetro) que contienen enzimas, como leucoaminopeptidasas en los hepatocitos y maltasa en los enterocitos (células del epitelio intestinal).

BALSAS LIPIDICAS Esfingolípidos y colesterol crean fuertes fuerzas de Van der Waals que atraen a los lípidos adyacentes formando microdominios transitorios (balsas lipídicas) de 70nm de diámetro. Ocupan ambas hemimembranas, son algo más gruesas que el resto de la bicapa y concentran componentes del glucocálix y acomodan determinadas proteínas. -

Transmembranosas que se unen a oligosacáridos unidos a lectinas. Transmembranosas que transmiten señales extracelulares al citosol Integrales de la hemimembrana externa unidas a GPI Del medio extracelular que se concentran para incorporarse a las células

En ellas se forman vesículas tipo cavéolas.

RENOVACION Las moléculas de la membrana plasmática están en continua renovación. Con marcaje radioactivo se ha visto que: -

El tiempo de recambio de las proteínas varía entre ellas y entre tipos celulares. Pocos días y aumenta con el PM. Fosfolípidos y colesterol se recambian en pocas horas Carbohidratos del glucocálix se renuevan en horas (menos de 2 dias) y la vida media de los anclados en una proteína es menor que la de ésta. La membrana está en un reciclaje continuo: aumenta por fusión de vesículas de Golgi y se compensa la membrana introducida en el citoplasma en vesículas de endocitosis. Las proteínas periféricas las sintetizan ribosomas libres en el citoplasma bajo la MP .

SÍNTESIS Ocurre en el REL que posee enzimas para sintetizar colesterol y los fosfolípidos a partir de los ácidos grasos formados en el hialoplasma y en el RER (ribosomas) proteínas integrales. La glucosilación de las proteínas cuyos carbohidratos formarán el glicocálix se inicia en el RER y se termina en el Golgi. En éste se glucosilan también los lípidos del glucocálix. Las moléculas lipídicas recién sintetizadas se sitúan en la hemimembrana P (citosólica). La translocación de la mitad de estos lípidos a la hemimembrana E la hace una translocasa de fosfolípidos llamada escramblasa que realiza un movimiento flip flop que equilibra ambas membranas en pocos minutos. En la hemimembrana E del REL la serina se una a un ácido graso formando esfingosina, se une a otro ácido graso y forma ceramida. En la hemimembrana E del Golgi, a partir de la ceramida se forman: -

Esfingomielina: si se añaden fosfato y colina tomados de la fosfatidil colina.

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Glucoesfingolípidos: si se añaden monosacáridos (para formar cerebrósidos) u oligosacáridos (para formar gangliósidos).

Como en Golgi no hay translocasas de fosfolípidos, toda la esfingomielina y glucolípidos se quedan en la hemimembrana E. También en el Golgi se glucosilan fosfolípidos y proteínas de la hemimembrana E. Vesiculas Golgi forman la MP. Ésta además de escramblasa que actúa en ella bidireccionalmente, posee otras dos translocasas: -

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Translocasa de aminofosfolípidos (flipasa) mueve fosfatidil serina y fosfatidil etanolamina, pero solo desde la hemimembrana E hacia P, contribuyendo a la asimetría de la membrana plasmática. Flopasa dependiente de Ca2+. Mueve todos los fosfolípidos pero desde la hemimembrana P hacia E corrigiendo el exceso de asimetría.

INTERCAMBIOS DE LA CÉLULA CON EL MEDIO EXTERNO. TRANSPORTE DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA. DIFUSIÓN SIMPLE. Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables; es decir, el agua se mueve con mayor facilidad que la mayoría de los solutos y se desplaza hacia donde éstos están más concentrados por ósmosis. Muchas otras moléculas pueden atravesar la membrana plasmática. La permeabilidad (la velocidad de penetración de una molécula a través de la MP) varía ampliamente entre las diferentes moléculas. Cuanto menor es el tamaño de la molécula, mayor es la permeabilidad. La MP deja pasar con facilidad moléculas pequeñas no polares (oxígeno, nitrógeno, benceno) y moléculas pequeñas polares sin carga (agua, urea, glicerol, CO2). Los iones y moléculas cargadas pasan mucho más lentamente. Aunque el movimiento de estas moléculas se realiza en ambas direcciones, el flujo neto de ellas se produce a favor de gradiente de concentración (difusión simple).

TRANSPORTE MEDIADO POR PROTEÍNAS. La mayoría de las sustancias necesarias para las células son moléculas polares o con carga neta y atraviesan demasiado lentamente las membranas por difusión simple para satisfacer las necesidades de las células. Por ello, han desarrollado numerosos sistemas de transporte basados en proteínas transmembranosas de paso múltiple. Si se realiza a favor de gradiente se denomina transporte pasivo; sin embargo, si se realiza en contra de gradiente requiere un aporte energético (hidrólisis de ATP) y se denomina transporte activo. TRANSPORTE PASIVO. 

Proteínas de canal.

Forman canales acuosos que permiten el paso de moléculas polares o de iones a velocidades muy superiores a las que permitiría su difusión simple a través de la bicapa lipídica. El cierre y apertura de estos canales está regulado por diferentes tipos de estímulos, que pueden ser:

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La unión a un ligando (una molécula específica del canal y diferente de las sustancias transportadas por este) Un cambio de potencial de membrana. La unión a un nucleótido cíclico, principalmente GMPc. El cambio en la concentración de algún ion. La estimulación mecánica.

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Proteínas transportadoras. Difusión facilitada.

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Las permeasas permiten el paso altamente selectivo de determinadas moléculas o iones. Presentan una cinética de transporte muy diferente de la de difusión simple, saturándose el transporte con determinadas concentraciones. Cuando la proteína transportadora tiene ocupados todos los centros de unión al sustrato se dice que está saturada, y la velocidad de transporte con esa concentración es máxima (Vmáx). La constante de unión para su soluto (KM), es igual a la concentración del soluto cuando la velocidad del transporte es la mitad de la máxima. Los transportadores pueden transportar un solo tipo de moléculas (transporte sencillo o uniporte) o simultá...