Capítulo 7 Estructura y función de las membranas

Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D.
Catedrático
Estructura y función de las membranas
Capítulo 7
Reece, Urry, Cain, Wasserman, Minorsky,
Jackson, 2009
Campbell Biology 9th Edition
Introducción a la membrana
 La membrana plasmática es la frontera que separa la célula viva de su entorno.
 La membrana plasmática exhibe permeabilidad selectiva, permitiendo que
algunas sustancias puedan atravesar la misma más fácilmente que otras.
 Los lípidos y las proteínas son ingredientes estables en las membranas,
aunque los carbohidratos también son importantes.
 Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en la membrana plasmática.
 Los fosfolípidos son moléculas anfifáticas, que contiene regiones
hidrofóbicas e hidrofílicas.
2
Introducción a la membrana
 Los lípidos y las proteínas son
ingredientes estables en las
membranas.
 ¿Cómo se arreglan los fosfolípidos y
las proteínas en la membrana?
 El modelo del mosaico fluido
establece que la membrana es una
estructura fluida con un mosaico de
varias proteínas incrustadas en la
membrana.
3
Mosaico geométrico
La membrana un fluido de …
Figura 7.1
 Las membranas han sido analizadas
químicamente y se ha encontrado
que están compuestas de
proteínas y lípidos.
 Los científicos que estudian la
membrana plasmática dedujeron
que la membrana debe estar
compuesta de una bicapa de
fosfolípidos.
4
Proteína de membrana
La membrana celular
Modelo
 En 1935, Hugh Davson y Danielli
James propusieron un modelo de
“sandwich”, en el cual una bicapa de
fosfolípidos se encuentra entre dos
capas de proteínas globulares.
 Estudios posteriores encontraron
5
problemas con este modelo, en
particular con la colocación de las
proteínas de la membrana, que
tienen regiones hidrofílicas e
hidrofóbicas.
Bicapa de fosfolípidos
La membrana celular
Mosaico de proteínas
 En 1972, J. Singer y Nicolson G.
propusieron que la membrana es un
mosaico de proteínas dispersas
dentro de la bicapa, con sólo las
regiones hidrófilas expuestas al
agua.
 Partes hidrofílicas están en
contacto con el agua.
 Partes hidrofóbicas están en
ambiente no acuoso.
6
Estudios en la membrana celular
Freeze-fracture studies
 Estudios mediante fractura por
congelación (Freeze-fracture
studies) de la membrana plasmática
apoyan el modelo de mosaico
fluido.
 Freeze-fracture es una técnica de
preparación especializada que
divide una membrana a lo largo del
centro de la bicapa de fosfolípidos.
7
Movimientos en la membrana
 Los fosfolípidos en la membrana
plasmática se pueden mover dentro
de la bicapa.
a) La mayoría de los lípidos y algunas
proteínas, pueden moverse
lateralmente.
8
Movimientos lateral
La membrana celular
Movimiento Flip-flop
a) Es raro que haya movimiento de una
molécula y que se invierta
transversalmente (Flip-flop) en la
membrana.
9
¿Se mueven las proteínas?
Figura 7.7
Larry Frye & Michael Edidin
 Marcaron células de ratón y
humanos con dos marcadores
diferentes.
 Observaron el híbrido bajo el
microscopio.
 Demostraron que las proteínas se
movían lateralmente dentro de la
membrana.
10
La membrana celular
Fluidez de la membrana
 En la medida en que baja la
temperatura, las membranas
pueden cambiar de un estado
fluido a un estado sólido.
 La temperatura a la que solidifica
una membrana depende de los tipos
de lípidos.
 Las membranas ricas en ácidos
11
grasos insaturados son más
fluidas que aquellas que son ricas en
ácidos grasos saturados.
La membrana celular
Colesterol en la membrana
 Las membranas deben ser fluidas
para que funcionen correctamente,
son por lo general tan fluidas como
el aceite de ensalada.
 La membrana es una mezcla de
diferentes proteínas incrustadas
en la matriz líquida de la bicapa de
fosfolípidos.
 Las proteínas determinan la
12
mayor parte de las funciones
específicas de la membrana.
La membrana celular
 Colesterol (un esteroide) está
Colesterol en la membrana
metido entre los fosfolípidos en la
membrana de las células de
animales y reduce el
movimiento de los
fosfolípidos.
 A temperaturas tibias (37 ˚C), el
colesterol evita que la membrana se
torne muy fluida porque evita el
movimiento de los fosfolípidos
hacia los lados (se separen).
 A bajas temperaturas, el colesterol evita que la membrana se congele porque
13
evita que los fosfolípidos se empaquen.
La membrana celular
Proteínas en la membrana
 Las proteínas periféricas están
unidos a la superficie de la
membrana.
 Las proteínas integrales
penetrar en el núcleo hidrofóbico.
 Las proteínas integrales que
atraviesan la membrana se
denominan proteínas
transmembranales.
14
La membrana celular
Regiones hidrófobas
 Las regiones hidrofóbicas de una
proteína integral consisten en uno o
más tramos de aminoácidos NO
polares, a menudo enrollados en
hélices alfa.
15
Proteínas de membrana
Funciones principales
 Transporte
 Actividad enzimática
 Transducción de señales
 Reconocimiento de célula-célula
 Unión intracelular y a la matriz
extracelular (ECM) y citoesqueleto
16
Funciones principales
 Las células se reconocen entre sí
mediante la unión a moléculas de la
superficie, a menudo hidratos de
carbono en la membrana
plasmática.
 Los carbohidratos en la membrana
puede estar unidos covalentemente
a lípidos (formando glucolípidos) o
más comúnmente a las proteínas
(formando glucoproteínas).
 Los hidratos de carbono en el lado externo de la membrana varían entre
17
especies, los individuos, y hasta en diferentes tipos de células en un individuo.
Funciones principales
 Las membranas tienen dos caras
distintas, dentro y fuera.
 La distribución asimétrica de las
proteínas, lípidos e hidratos de
carbono asociados a la membrana
plasmática se determina cuando la
membrana está siendo construida
en el retículo endoplásmisco y el
aparato de Golgi.
18
Síntesis de componentes de la membrana
19
La permeabilidad de la membrana
 Una célula debe intercambiar
materiales con su entorno mediante
un proceso controlado por la
membrana plasmática.
 Las membranas plasmáticas son
selectivamente permeables,
regulando el tráfico de moléculas en
la célula.
 Moléculas hidrófobas (no polares),
20
tales como hidrocarburos, se pueden
disolver en la bicapa lipídica y pasar a
través de la membrana rápidamente.
La permeabilidad de la membrana
 Las moléculas polares, tales como
azúcares, NO atraviesan la
membrana con facilidad.
21
Proteínas de transporte en la membrana
 Proteínas de transporte permiten
el paso de sustancias hidrófilas a través
de la membrana.
 Algunas proteínas de transporte,
llamadas proteínas de canal
(channel proteins), tienen un canal
hidrofílico.
 Este canal puede ser utilizado por
ciertas moléculas o iones como un
túnel.
 Proteínas de canal, llamadas acuaporinas, facilitan el paso de agua.
22
Proteínas de transporte en la membrana
 Otras proteínas de transporte,
llamadas transportistas
(carrier), se unen a las moléculas y
cambian de forma para
transportarlas a través de la
membrana.
 Una proteína de transporte es
específica para la sustancia que se
mueve.
 Ejemplo: transportador de
glucosa
23
Transporte a través de una
membrana
Definiciones importantes
 Recuerden que una de la funciones más importante de la membrana es regular
el movimiento de sustancias hacia dentro y hacia fuera de la célula.
 Las membranas son semipermeables (permeabilidad selectiva).
 Esto permite el paso de sustancias a través de les membranas.
Algunos términos importantes:
 Soluto - es una sustancia que se disuelve en solución.
 Solución - es una mezcla homogénea líquida compuesta por dos o más sustancias
(ejemplo: mezcla de agua y azúcar).
 Solvente - es el agente que disuelve en una solución, el solvente universal es el
agua.
25
Difusión
 La difusión es la tendencia de las
moléculas a distribuirse
uniformemente en el espacio
disponible.
 Aunque cada molécula se mueve al
azar, la difusión de una población de
moléculas pueden presentar un
movimiento neto en una dirección.
 En el equilibrio dinámico, el mismo
número de moléculas cruzar en una
dirección y en la otra.
26
Difusión
 Las sustancias se difunden a favor
del gradiente de concentración (de
mayor a menor concentración).
 La diferencia en concentración
de una sustancia desde un área a
otra.
 No hay que hacer trabajo para
mover una sustancias a favor del
gradiente de concentración.
 La difusión de una sustancia a través de una membrana biológica es un
27
transporte pasivo porque no se requiere energía de la célula.
Ósmosis
 La ósmosis es la difusión de agua
a través de una membrana
selectivamente permeable.
 El agua se difunde a través de una
membrana de una región de menor
concentración de soluto a una
región de mayor concentración de
soluto.
28
Tonicidad
 La tonicidad es la capacidad de una solución para hacer que una célula
gane o pierda agua.
 Solución isotónica: la concentración de soluto es la misma que el interior de la
célula; no hay movimiento neto de agua a través de la membrana plasmática.
 Solución hipertónica: la concentración de soluto es mayor que en el interior de
la célula; por lo tanto la célula pierde agua.
 Solución hipotónica: la concentración de soluto es menor que en el interior de
la célula; la célula gana agua.
29
Tonicidad
 Ambientes hipertónicos o
hipotónicos crean problemas
osmóticos para los organismos.
 Osmorregulación, el control de
balance de agua, es una adaptación
necesaria para la vida en tales
ambientes.
 El Paramecium, es un protista, el cual
30
es hipertónico en su entorno del
agua del estanque, tiene una vacuola
contráctil que actúa como una
bomba.
Balance de agua
 Si una célula de una planta y sus alrededores son isotónicas, no hay movimiento
neto de agua en la célula, la célula se torna flácido (limp).
31
Balance de agua
 Si una célula de una planta y sus alrededores son isotónicas, no hay movimiento
neto de agua en la célula, la célula se torna flácido (limp).
32
Balance de agua
 Una célula vegetal en una solución hipotónica, se hincha hasta que la pared se
opone a la captación, la célula se torna turgente (turgid, firme, abultado).
33
Balance de agua
 Una célula vegetal en una solución hipotónica, se hincha hasta que la pared se
opone a la captación, la célula se torna turgente (turgid, firme, abultado).
34
Balance de agua
 En un ambiente hipertónico, la célula vegetal pierde agua; la membrana se
separa de la pared, por lo general en un efecto letal llamado plasmólisis.
35
Tonicidad
36
Difusión facilitada
 Proteínas de canal proporcionan
corredores que permiten a una
molécula específica o iones cruzar
la membrana.
 En la difusión facilitada,
proteínas de transporte aceleran el
movimiento pasivo de las
moléculas a través de la membrana
plasmática.
 La difusión facilitada es pasiva
37
porque el soluto se mueve a favor
del gradiente de
concentración.
Difusión facilitada
a) Proteínas de canal incluyen:
 Acuaporinas, para facilitar difusión
facilitada de agua.
 Canales iónicos que abren o cierran
en respuesta a un estímulo.
b) Las proteínas transportadoras
experimentan un cambio sutil en la
forma, el cual translocan el sitio de
unión al soluto a través de la
membrana.
38
Difusión facilitada
 Algunas enfermedades son causadas
por el mal funcionamiento de
sistemas de transporte específicos,
por ejemplo la enfermedad renal
cistinuria.
 La cistinuria es una condición que
se transmite de padres a hijos en la
que se forman piedras de un
aminoácido llamado cisteina en el
riñón, uréter y la vejiga
39
Cistinuria – cisteina (aa)
Transporte activo
 Algunas proteínas de transporte, sin embargo, puede mover solutos en contra
del gradientes de concentración.
 El transporte activo mueve sustancias en contra de su gradiente de
concentración.
 Requiere energía, generalmente en forma de ATP.
 Es llevado a cabo por proteínas específicas incrustadas en las membranas.
 El transporte activo permite a las células mantener gradientes de concentración
que difieren de sus alrededores.
 La bomba de sodio-potasio es un tipo de sistema de transporte activo.
40
Proteínas de canal y transportadoras
41
Proteínas de canal y transportadoras
42
Proteínas de canal y transportadoras
43
Proteínas de canal y transportadoras
44
Proteínas de canal y transportadoras
45
Proteínas de canal y transportadoras
46
Proteínas de canal y transportadoras
 La bomba de sodio-potasio es la
bomba principal
electrogénica de células
animales.
47
Comparación de transporte pasivo y activo
48
Potencial de membrana
 Potencial de membrana es la diferencia de voltaje a través de una
membrana.
 El voltaje se crea por las diferencias en la distribución de iones positivos y
negativos.
 Dos fuerzas combinadas, llamadas colectivamente el gradiente
electroquímico, impulsan la difusión de iones a través de una membrana:
 Una fuerza química (gradiente de concentración de iones).
 Una fuerza eléctrica (el efecto del potencial de membrana en el movimiento
del iones).
49
Bomba de iones
 Una bomba electrogénica es
una proteína de transporte que
genera voltaje a través de una
membrana.
 La bomba de sodio-potasio es
la bomba principal electrogénica de
células animales.
 La bomba principal electrogénica
de plantas, hongos, y bacterias es
una bomba de protones.
50
Co-transporte
 Co-transporte ocurre cuando el
transporte activo de un soluto
indirectamente conduce al
transporte de otro soluto.
 Las plantas utilizan comúnmente el
gradiente de iones hidrógeno
generado por las bombas de
protones para conducir el
transporte activo de nutrientes a la
célula.
51
Co-transporte
 Las moléculas pequeñas y el agua entran y salen de la célula a través de la
bicapa lipídica o por las proteínas de transporte.
 Las moléculas grandes, tales como proteínas y polisacáridos, cruzar la
membrana en grandes cantidades a través de vesículas.
 Este transporte a granel requiere energía.
52
Endocitosis y exocitosis
Exocitosis
Endocitosis
 En la exocitosis, vesículas de
 En la endocitosis, la célula absorbe
transporte migran a la membrana,
se fusionan con ésta y liberan sus
contenidos.
 Muchas células secretoras
utilizan exocitosis para exportar sus
productos.
las macromoléculas formando
vesículas a partir de la membrana
plasmática.
 Hay tres tipos de endocitosis:
 La fagocitosis (comer células)
 Pinocitosis (beber células)
 La endocitosis es lo opuesto de la
exocitosis.
53
 Endocitosis mediada por receptores
Endocitosis y exocitosis
54
Fagocitosis
 En la fagocitosis, una célula engulle
una partícula en una vacuola.
 La vacuola se fusiona con un
lisosoma para digerir la partícula.
55
Pinocitosis
 En la pinocitosis, las moléculas son
absorbidas cuando el líquido
extracelular es tragado en vesículas
diminutas.
56
Endocitosis mediada por receptores
 En la endocitosis mediada por
receptores, la unión de ligandos a
los receptores desencadena la
formación de vesículas.
 Un ligando es cualquier molécula
que se une específicamente a un
sitio receptor de otra molécula.
57
Resumen
58