ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. La membrana no es un adorno de las células, las membranas celulares sirven para separar el interior de la célula, del medio externo. La naturaleza de las membranas que se forman en las estructuras precelulares depende de las moléculas presentes, tales como lípidos, proteínas y polisacáridos. Las funciones que realizan las membranas son las siguientes: Dividen el interior celular en diferentes zonas diversas. Permiten el intercambio de materia y energía entre el medio externo y los sistemas poli moleculares. Establece los límites celulares y subcelulares. Todas las células comparten dos características esenciales. La primera es una membrana externa, la membrana celular-o membrana plasmática- que separa el citoplasma de la célula de su ambiente externo. La otra es el material genético -la información hereditariaque dirige las actividades de una célula y le permite reproducirse y transmitir sus características a la progenie. Estructura de la membrana. Los constituyentes más abundantes de las membranas celulares son los fosfolípidos y las proteínas. La molécula de un fosfo-lípido tiene una cabeza polar hidrófila y una cola constituida por dos cadenas hidrófobas de ácidos grasos. En medio acuoso, los fosfolípidos muestran una tendencia a formar espontáneamente una bicapa para mantener los extremos hidrófobos alejados del agua. Las membranas presentan una estructura de mosaico fluido. La estructura de mosaico fluído significa que las moléculas de fosfolípidos no se encuentran estáticas sino que se mueven ligeramente de un lado para otro. Este movimiento es el que permite que determinados iones y pequeñas moléculas puedan atravesar la membrana y penetrar en la célula. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 2 Enseguida mencionaré la principal teoría sobre el origen de la membrana. Al formarse los sistemas precelular es en la Tierra primitiva, algunas carbohidratos proteínas, presentes en grasas o lagunas y pequeños charcos pudieron haberse convertido en el material de donde surgieron las primeras membranas, también precelulares. La idea sobre el origen de las membranas, es que: en los mares primitivos había una acumulación de lípidos o de hidrocarburos que se encontraban en la superficie de las aguas y por efecto de las olas y el viento se pudieron haber colapsado, formando gotitas que poseían membrana doble y en el interior contenían sustancias orgánicas que tal vez interaccionaron entre esas y con el medio ambiente también. Pero esta membrana no solo aislaba el interior del medio exterior sino también permitía el intercambio de materia y de energía dando lugar a niveles más complejos de organización que permitirían la aparición posterior de los primeros Sistemas Vivos. Estas moléculas se pudieron haber organizado espontáneamente en una red estructural alrededor de una gotita rica en compuestos orgánicos. Suponemos que este efecto se llevó acabo con facilidad; de ya que, la o los proteínas mezcla complejos de proteínas- grasas pueden ser capaces de formar capas en la superficie de una solución. Como puede observarse en el siguiente experimento: UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 3 COMPOSICIÓN DE LA MEMBRANA. La membrana consta de tres elementos importantes o componentes fundamentales, que son: o Los fosfolípidos; o Las proteínas; y, o Los glicolípidos. IMPORTANCIA DE LOS LÍPIDOS Y PROTEÍNAS. Los fosfolípidos más abundantes en las membranas de las células animales son las lecitinas (fosfatidilcolinas) y esfingomielinas. Siguen en abundancia los aminofosfolípidos (fosfatidilserina y fostaditiletanolamina). LA IMPORTANCIA DE LOS FOSFOLIPIDOS. Los fosfolípidos, también llamados fosfoglicéridos o glicerilfosfatidos, constituyen uno de los grandes grupos de lípidos complejos, siendo componentes fundamentales de las membranas celulares. Sin embargo, no todos los lípidos que contienen fósforo son fosfoglicéridos: la esfingomielina, presente en grandes cantidades en los tejidos nerviosos, contiene un esqueleto de esfingosina. En los fosfolípidos, uno de los grupos hidroxilo primarios de la glicerina está esterificada, o unida con una molécula de ácido fosfórico; los demás hidroxilos lo estan con los ácidos grasos. Debido a que los fosfoglicéridos poseen una cabeza polar mientras que sus colas hidrocarbonadas son no polares, reciben el nombre de lípidos anfipáticos. Papel de los fosfolipídicos: Algunos fosfolípidos presentes en la membrana en pequeñas cantidades juegan un papel fundamental en los procesos de interpretación o transducción de señales. Este es el caso del UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 4 fosfatidilinositol que juega un papel importante en la activación de la proteína quinasa “C”. Como son los fosfolípidos a base de inositol (fosfaditil-inositoles) que juegan un papel transcendental en la interpretación o transducción de señales. En particular, se ha demostrado que muchas respuestas celulares a determinadas hormonas o quimiotransmisores (vasopresina, trombina, acetilcolina) y que finalizan en la secreción de calcio del reticulo sarcoplásmico, están mediatizadas por el inositoltrifosfato que se libera por fosforilizacion e hidrólisis del fosfatidilinositol. La secuencia de acontecimientos que se produce cuando un quimiotransmisor se acopla a su receptor es la siguiente: En condiciones de reposo, el fosfatidilinositol está siendo continuamente fosforilado y desfosforilado bajo la acción de un fosfokinasa y ATP. La molécula del quimiotransmisor se acopla a la parte extracelular del receptor situado en la membrana plasmática. Este experimenta una deformación y activación lo que le permite unirse a una proteína G que consta de tres subunidades. Al unirse a la parte intracelular del receptor, la proteína G se fragmenta en tres trozos: el fragmento alfa se activa con el concurso del GTP como fuente de energía y, a su vez activa una enzima capaz de hidrolizar el fosfatitilinositol llamada la fosfolipasa C. En menos de un segundo, la fosfolipasa rompe el fosfatidilinositol originando la parte hidrófila del fosfolípido, el inositol trifosfato que se adentra en el citoplasma y dejando el diacil-glicerol en la capa de fosfolípidos. Cada uno de estos dos fragmentos tiene posteriormente un papel importante: El inositol trifosfato se dirige a los vésiculas depósito de calcio intracelular uniéndose aparentemente a unos receptores proteicos situados en la superficie citoplasmática de la vesícula que operan sobre los canales cálcicos. Dos son los mecanismos que hacen que la respuesta al calcio sea transitoria: 1. El calcio que ha entrado en el citoplasma es rápidamente bombeado de la célula 2. Fosfatasas citoplasmáticas desactivan el Inositol trifosfato El colesterol es un importante constituyente de la membrana, en donde actúa como lubricante; pero, cuando se encuentra en la sangre, en altas concentraciones endurece las membranas. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 5 IMPORTANCIA DE LAS PROTEINAS DE MEMBRANA. Se ha establecido una clasificación de las proteínas de acuerdo a su posición; ya que, sus funciones son muy diversas en la membrana. Las proteínas de la membrana son de dos tipos: - Las proteínas integrales que están embebidas en la bicapa de fosfolípidos y - Las proteínas periféricas asociadas a la membrana. Las funciones de las proteínas son: - Transporte de sustancias hidrosolubles desde el exterior al interior de la célula, actuando como canales que pueden estar o no controlados por otros mecanismos. - Reconocimiento de sustancias, entre las que se encuentran las hormonas y otras sustancias químicas reguladoras; donde están actuando como receptores de la mismas y originando cambios en la membrana, en el interior de la célula o en otro lado de la membrana. - Regulación de reacciones metabólicas actuando como enzimas, catalizando determinadas reacciones. - Estableciendo conexiones entre las células, cuando las proteínas de la membrana de dos células diferentes están unidas entre sí. - Soporte y mantenimiento de la forma de célula, mediante la unión a microtúbulos y otras estructurasque forman el citoesqueleto. - Reconocimiento celular. El control de las sustancias que pasan a través de la membrana celular es conseguido mediante ubas proteínas que se encuentran flotando en la bicapa de fosfolípidos. Muchas de estas proteínas disponen de orificios o canales que permiten el paso a sustancias hidrosolubles a través de la membrana. Otras sólo permiten el paso a determinadas moléculas e incluso la célula puede decidir si permite o no el paso de estas. Las proteínas UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 6 integrales se extienden, como su nombre indica, a través de la bicapa estando un de sus extermos en el medio extracelular y el otro en el interior de la célula. Todas las células son básicamente muy semejantes. Todas tienen DNA como material genético, desempeñan los mismos tipos de reacciones químicas y están rodeadas por una membrana celular externa, que se ajusta al mismo plan general, tanto en las células procarióticas como en las eucarióticas. La membrana celular -o plasmática- es esencial en la vida celular. No solamente define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula. En las células eucarióticas, además, define los compartimientos y organelos, lo que permite mantener las diferencias entre su contenido y el citosol . La membrana celular de los procariotas está rodeada por una pared célula. Ciertas celular externa que es elaborada por la propia células eucarióticas, incluyendo las de las plantas y hongos, tienen una pared celular, aunque su estructura es diferente de la de las paredes celulares procarióticas. Otras células eucarióticas, incluyendo las de nuestros propios cuerpos y las de otros animales, no tienen paredes celulares. Otro rasgo que distingue a los eucariotas de los procariotas es el tamaño: las células eucarióticas habitualmente son de mayor tamaño que las procarióticas. Las paredes celulares que contienen celulosa también se encuentran en muchas algas. Los hongos y los procariotas también tienen paredes celulares, pero usualmente no contienen celulosa. Las paredes celulares procarióticas contienen polisacáridos y polímeros complejos conocidos como peptidoglicanos, formados a partir de aminoácidos y azúcares. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 7 Los dos tipos principales de paredes celulares en procariontes son: Y, la otra es: UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 8 Es en esta complejidad donde encontramos algunas de sus cualidades de supervivencia. La comparación entre los dos tipos de células ponen de manifiesto la mayor complejidad de las células eucarióticas frente a las procarióticas. Sin embargo, ambas comparten muchas semejanzas en su funcionamiento, lo que no deja dudas acerca de su parentesco. Los científicos han podido establecer que, en algún momento de la historia de la Tierra, diversos tipos de eucariotas se escindieron de un tronco procariótico, formando ramas que evolucionaron de manera independiente. La membrana celular, como todas las membranas biológicas, consiste en una delgada capa de fosfolípidos y proteínas; entre tiene 7 y nanómetros 9 de grosor y no puede ser resuelta por el microscopio óptico, vistas sus estructuras características. En cambio, con el microscopio electrónico, puede verse como una doble línea delgada y continua. Las membranas están generalmente rodeadas por un medio acuoso, por ambos lados o en el lado exterior una cápsula de secreción, lo que hace que las moléculas de fosfolípidos se dispongan formando una bicapa. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 9 De acuerdo con el modelo del mosaico fluido, las membranas celulares son estructuras fluidas y dinámicas, se forman a partir de estas bicapas de fosfolípidos, en las cuales están embutidas moléculas de proteínas y de colesterol. Las moléculas de lípidos y proteínas pueden, en general, desplazarse lateralmente por la bicapa. Uno de los componentes que se ha descubierto como de gran utilidad son los oligosacáridos, de esta forma de polimerización de la glucosa, queda de manifiesto en la siguiente ilustración; que explica las funciones de los oligosacáridos en la membrana celular: Pero son las proteínas las que se llevan el primer lugar en aportaciones a las propiedades de la membrana, entre ellas tenemos los siguientes ejemplos: UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 10 Glicolípidos. Los glicolípidos no son muy abundantes pero su función es importante. Se encuentran fundamentalmente en la capa externa de la membrana, quedando el componente glusídico hacia el exterior. esta fracción del glicolípido actúa muy frecuentemete como receptor o antígeno; una de sus más importantes funciones es la de servir como cemento intercelular. Los glicolípidos se diferencian entre sí por la naturaleza de la parte glucídica que consiste en un o más restos de azúcares neutros. El más sencillo es el galactocerebrósidos, con un resto de galactosa en la cabeza polar, mientras que los más complejos son los gangliósidos que contienen uno o más residuos de ácido acetil-neuramímico. También los hemos conocido como los oligosacáridos, sobre todo en la primera unidad. Como recordará forman parte de los procesos de comunicación o de identificación, según el caso. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 11 Como vemos en la ilustración anterior, los oligosacáridos según su estructura, funcionan como receptores y/o como identificadores de una gran diversidad de sustancias útiles y dañinas a la célula. La pared Celular en procariontes. Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que las células vegetales están rodeadas por una pared celular. La pared se encuentra por fuera de la membrana y es construida por la célula. Cuando una célula vegetal se divide, se forma una capa delgada de material aglutinante entre las dos células nuevas; ésta constituirá la laminilla media. Formada por pectinas (los compuestos que constituyen el gel de las gelatinas) y por otros polisacáridos, la laminilla media mantiene juntas a células contiguas. Luego, cada célula vegetal construye su pared celular primaria a cada lado de la laminilla media. La pared primaria contiene, principalmente, moléculas de celulosa asociadas en haces de microfibrillas, dispuestos en una matriz de polímeros viscosos. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 12 UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 13 En las plantas, el crecimiento tiene lugar, fundamentalmente, por alargamiento celular; estudios sobre el tema demostraron que en este proceso de alargamiento, la célula agrega nuevos materiales a sus paredes. Sin embargo, no crece igual en todas las direcciones; la forma final de una célula está determinada por la estructura de su pared celular. A medida que la célula madura, constituirse puede una pared secundaria, esta pared no es capaz de expandirse de la misma manera que la pared primaria; frecuentemente contiene otras moléculas, como la lignina, que sirven para reforzarla. En estas células, el material que en principio estaba vivo, a menudo muere, dejando solamente la pared externa como una obra arquitectónica célula. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. de la ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 14 RECONOCIMIENTO CELULAR. COMUNICACIÓN Y RECEPTORES. Los fosfolípidos a base de inositol (fosfaditil-inositoles) juegan un papel transcendental en la transducción de señales. En particular, se ha demostrado que muchas respuestas celulares a determinadas hormonas o quimiotransmisores (vasopresina, trombina, acetilcolina) y que finalizan en la secreción de calcio del reticulo sarcoplásmico, están mediatizadas por el inositoltrifosfato que se libera por fosforilizacion e hidrólisis del fosfatidilinositol. La secuencia de acontecimientos que se produce cuando un quimiotransmisor se acopla a su receptor es la siguiente: En condiciones de reposo, el fosfatidilinositol está siendo continuamente fosforilado y desfosforilado bajo la acción de un fosfokinasa y ATP. La molécula del quimiotransmisor se acopla a la parte extracelular del receptor situado en la membrana plasmática. Este experimenta una deformación y activación lo que le permite unirse a una proteína G que consta de tres subunidades. Al unirse a la parte intracelular del receptor, la proteína G se fragmenta en tres trozos: el fragmento alfa se activa con el concurso del GTP como fuente de energía y, a su vez activa una enzima capaz de hidrolizar el fosfatitilinositol llamada la fosfolipasa C. En menos de un segundo, la fosfolipasa rompe el fosfatidilinositol originando la parte hidrófila del fosfolípido, el inositol trifosfato que se adentra en el citoplasma y dejando el diacil-glicerol en la capa de fosfolípidos. Cada uno de estos dos fragmentos tiene posteriormente un papel importante: El inositol trifosfato se dirige a los vésiculas depósito de calcio intracelular uniéndose aparentemente a unos receptores proteicos situados en la superficie citoplasmática de la vesícula que operan sobre los canales cálcicos. Dos son los mecanismos que hacen que la respuesta al calcio sea transitoria: 1. El calcio que ha entrado en el citoplasma es rápidamente bombeado de la célula 2. Fosfatasas citoplasmáticas desactivan el Inositol trifosfato UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 15 EL TRANSPORTE CELULAR SE DIVIDE EN DOS: activo y pasivo. o El activo a su vez se divide en: facilitado y consumidor de ATP. Incluidos en los puntos anteriores. o El pasivo o difusión en: osmosis y difusión. LA DIFUSIÓN. A la difusión la comparamos con la segunda ley de la termodinámica, en donde lo que fluye no es la energía sino materia, lo que si aplica es el paso de la zona de mayor concentración a la de menor, hasta lograr un equilibrio, el equilibrio suele confundirse con falta de movimiento, lo cual es un error; ya que, el movimiento existe, aunque no se vea. LA OSMOSIS. Se define ósmosis como una difusión pasiva, caracterizada por el paso del agua o solvente, a través de la membrana semipermeable, desde solución con una la mayor cantidad de solvente, a otra menor; lo que es lo mismo, con respecto al soluto, de la diluida a la más concentrada. Entendemos por presión osmótica, a aquella fuerza o energía, que seria necesaria para detener el flujo de agua o solvente a través de la membrana semipermeable. Al considerar como semipermeable a la membrana plasmática, las células de los organismos deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos tisulares que los bañan. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 16 UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 17 Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos, se haría hipertónica respecto a las células, como consecuencia pérdida se de deshidratación originan agua y (plasmólisis). De igual forma, si los líquidos extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a las células. El agua tiende a pasar al protoplasma y las células se hinchan y se vuelven turgentes, pudiendo estallar (en el caso de células vegetales la pared de celulosa lo impediría), por un proceso de turgencia. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA. . Pág. 18 Los seres vivos se han adaptado para utilizar químicamente el agua en dos tipos de reacciones: a) En la fotosíntesis en la que los enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de hidrógeno. b) En las reacciones de hidrólisis, en que las enzimas hidrolíticas han explotado la capacidad del agua para romper determinados enlaces hasta degradar los compuestos orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos. Ejercicio. Con ayuda de la bibliografía, conteste las siguientes cuestiones. ¿Cómo se forma una vesícula? ¿Qué es una vesícula digestiva? ¿Cómo se forma? ¿Qué es una vesícula secretora? ¿Cómo se forma? ¿Existen otro tipo de vesículas? ¿Cómo se forman? Y ¿Qué función desempeñan? UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. BIOLOGÍA I, 2ª UNIDAD. Ejercicios: Existen diferentes tipos de membrana, en primer lugar identifica de que tipo se trata, anotando del lado derecho, el nombre de ella: A. _________________ B. _________________ C. _________________ D. _________________ E. _________________ F. _________________ G. _________________ H. _________________ I. _________________ Explica con tus propias palabras la colección de fenómenos que se encuentran aquí condensados. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. Ejercicios: En segundo lugar después de identificar las estructuras e intentar dar una explicación, anota en los espacios, la estructura y su función, que se te solicita: A. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de ; en segundo lugar, se originan en: el citoplasma; pasan a formar parte de ; finalmente, tiene como función el . B. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de en segundo lugar, se originan en: ; pasan a formar parte de: _______ ; finalmente, tiene como función el… . C. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de en segundo lugar, se originan en: ; pasan a formar parte de: _________ ; finalmente, tiene como función el… . D. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: ; pasan a formar parte de: _________ ; finalmente, tiene como función el… __________ E. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: _________ pasan a formar parte de: _________ finalmente, tiene como función el… _________ F. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: _________ ; pasan a formar parte de: _________; finalmente, tiene como función el… _________ . G. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: _________ ; pasan a formar parte de: _________ ; finalmente, tiene como función el… _________ . H. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: _________; pasan a formar parte de: _________ finalmente, tiene como función el… _________ I. En esta estructura, encontramos que la membrana tiene una composición de _________ en segundo lugar, se originan en: _________; pasan a formar parte de: _________ ; finalmente, tiene como función el… _________ UNAM, CCH. Plantel Oriente. Ciencias Experimentales.