Membrana (II parte)

Membrana (II parte)
Introducción
La célula posee una composición
química diferente al medio que le
rodea, esto significa que no todo
puede
entrar
ni
salir.
Este
movimiento selectivo de sustancias
lo establece la membrana celular. En
organismos
multicelulares
las
células están en contacto con un
ambiente líquido representado por
la sangre, la linfa y el llamado
líquido intersticial, que se haya en
contacto con la superficie externa de
la célula.
Funciones generales
1. Compartamentalización: esta
palabra tan rara significa que como
la membrana es una estructura
contínua logra encerrar en forma
hermética varios compartimentos.
Comenzando por el gran compartimento del citoplasma, luego el del
núcleo, siguen los compartimentos
de los organelos, tales como
mitocondria, RER, Golgi, lisosomas.
De esta manera se logran tener
funciones especializadas que no
sean alteradas por el ambiente.
2. Transporte selectivo: esta función
logra responder una inquietud que
dejó la función anterior: ¿cómo
logran entrar los nutrientes y salir
los desechos de cada compartimento?
Prof. Iván Rebolledo
En la membrana existen proteínas
que actúan como transportadores de
materiales en uno u otro sentido.
Esto es válido para todas las
membranas de la célula, tanto la
plasmática como la de los organelos.
Algo interesante, no solo permite el
transporte de solutos desde una
mayor concentración hacia una
menor, sino también en sentido
contrario.
3. Sitio de actividades bioquímicas:
hablando de proteínas en la
membrana se debe mencionar que la
existencia de algunas proteínas en
ella permite que ocurran allí varios
procesos bioquímicos importantes
para la función del compartimento.
Por ejemplo: proteínas existentes en
la membrana interna de la
mitocondria permiten la producción
de ATP.
4. Transducción de señales: esto
significa que la célula es capaz de
responder apropiadamente frente a
la llegada de una sustancia
específica. Por ejemplo, la célula
beta del islote pancreático producirá
insulina cuando llegue glucosa a su
membrana plasmática. Pero, la
glucosa no ingresa a la célula sino
que posee una proteína llamada
receptor que cuando se une a ella se
produce una serie de reacciones
internas que terminan en la
producción de insulina.
Membrana celular (II parte)
5.
Transducción
de
energía:
seguimos con las proteínas de
membrana, algunas de ellas son
capaces de convertir un tipo de
energía en otro. Esto se aprecia con
frecuencia en las células pertenecientes a los órganos de los sentidos.
Por ejemplo, la energía luminosa
debe ser convertida en energía
electroquímica para que estimule a
las células nerviosas y podamos ver.
Otro tanto ocurre con la audición, la
energía de las ondas sonora debe ser
convertida en energía electroquímica
para que estimule el sistema
auditivo.
6. Interacción intercelular: otra vez
las dichosas proteínas que ahora
algunas de ellas permiten que
células similares puedan unirse de
manera firme para formar un equipo
celular que actúe al unísono, caso de
los epitelios. En estos tejidos, cabe
mencionar la presencia de unas
proteínas
llamadas
ocludinas,
presentes en la zona ocludens, que
sella fuertemente las células en su
superficie luminal.
Transporte de sustancias
a través de la membrana
Todas las sustancias atraviesan la
membrana en forma selectiva, es
decir, la membrana regula la entrada
y salida de moléculas y partículas.
Se conocen dos sistemas generales
de transporte, según esquema anexo
Transporte de moléculas
de baja masa molecular
Transporte pasivo
Difusión simple
Difusión facilitada
Transporte activo
Bomba Na+-K+
Otras bombas
Transporte de moléculas
de alta masa molecular
Endocitosis
Pinocitosis
Fagocitosis
Fagocitosis
mediada
receptores
Exocitosis
Transcitosis
Membrana celular (II parte)
En el transporte de moléculas de
baja masa molecular se destacan los
procesos de transporte activo y
pasivo. La notable diferencia entre
ellos es la siguiente:
(a) el transporte pasivo se efectúa
mediante
una
gradiente
de
concentración por la cual las
sustancias pasan a través de la
membrana a favor de una gradiente
de concentración, es decir, desde su
mayor a menor concentración. Casos
del movimiento del agua, glucosa y
otros los cuales pueden pasar
directamente o utilizando transportadores.
(b) el transporte activo es un
proceso que utiliza un transportador
y que mediante energía mueve
sustancias en contra de la gradiente
de concentración, es decir, de menor
a mayor concentración.
Se permite que se separen las dos
fases y se mide la concentración de
la sustancia en ambos medios. La
relación
numérica
de
la
concentración de la sustancia en
aceite sobre la concentración de la
sustancia en agua se llama
coeficiente de partición y se
expresa Caceite/Cagua. Si la relación
es 1.0, la sustancia es igualmente
soluble en aceite y en agua, una
relación mayor de 1.0 indica que la
sustancia es más soluble en aceite
que en agua y viceversa. Si
hacemos un gráfico muy general de
este fenómeno tendríamos los
siguiente:
permeabilidad
Difusión libre
Considerando que gran parte de la
membrana está conformada por
lípidos, las sustancias liposolubles
pueden
atravesarla
con
una
velocidad directamente proporcional a su solubilidad en los lípidos.
La solubilidad de una sustancia en
un medio no-polar, como el aceite,
puede medirse agitando una
solución acuosa de la sustancia
(marcada con H3) con aceite.
Coeficiente de partición
La mayoría de las moléculas
biológicas son menos solubles en
aceite que en agua, puesto que
generalmente
contienen
unos
cuantos grupos polares. Por ende, si
una molécula no puede disolverse
en lípidos porque es polar, queda
excluida de la célula, a menos que
utilice otra vía de entrada.
Membrana celular (II parte)
Se ha comprobado (ver Gráfico
abajo) que moléculas polares
disminuyen su capacidad de
atravesar la membrana a medida
que
aumentan
sus
tamaños
moleculares. También debe tomarse
en cuenta la carga de las partículas:
los aniones penetran más rápido que
los
cationes
y
los
iones
monovalentes más rápido que los
bivalentes.
permeabilidad
Tamaño molecular
Por último, debe recordarse que
existe en las membranas mecanismos de regulación que cambian
estas propiedades detalladas antes,
caso de hormonas o altas concentraciones de iones en un lado de la
membrana.
El agua, el anhídrido carbónico y el
oxígeno se encuentran entre las
pocas moléculas simples que
pueden cruzar la membrana celular
por difusión (o un tipo de difusión
llamado ósmosis). La difusión
constituye una de las principales
formas de movimiento de sustancias
entre las células y una de las formas
en que las pequeñas moléculas
cruzan la membrana celular.
El intercambio de gases en los
alvéolos
pulmonares
es
consecuencia de fenómenos de
difusión. El anhídrido carbónico se
regenera constantemente dado que
es producido en las células como
consecuencia
de
fenómenos
metabólicos, y como la fuente está en
el interior de la célula, el flujo neto
del CO2 es hacia el exterior de la
célula. Los procesos metabólicos,
requieren usualmente oxígeno, cuya
concentración es mayor en el
exterior de la célula, por lo tanto su
flujo neto es hacia el interior de la
célula.
Por ósmosis se conoce al fenómeno
de difusión de agua a través de una
membrana semipermeable (o de
permeabilidad diferencial o de
permeabilidad selectiva). Ejemplos
de ese tipo de membrana son la
membrana celular y también
productos como los tubos de diálisis.
Recordar
los
efectos
de
la
concentración
de
solutos
en
soluciones y sus efectos sobre el
tamaño celular (Capítulo Agua).
Una de las principales funciones del
cuerpo de los animales es el
mantenimiento de la isotonicidad
del plasma sanguíneo, es decir un
medio interno isotónico. Esto
elimina los problemas asociados con
la pérdida o ganancia de agua desde
y hacia las células. Estamos
hablando por supuesto de una de las
claves de la homeostasis.
Membrana celular (II parte)
Difusión facilitada
Este proceso también se efectúa
mediante
una
gradiente
de
concentración, sin embargo, debido
a que los solutos no pueden
atravesar la membrana debido a
que no se disuelven en la bicapa
lipídica o están cargados, ellos
disponen en la membrana de una
proteínas que les permiten el paso:
son los transportadores.
Este proceso está restringido por
varias
propiedades
de
los
transportadores:
(a) especificidad: estas proteínas
de membrana poseen 3 dominios,
uno externo, otro transmembrana y
otro citosólico. El dominio externo
tiene una configuración química
específica para un cierto soluto. Si
un transportador permite el paso
de la glucosa, no puede permitir el
paso a la galactosa.
(b) saturación: el flujo de entrada
de un soluto se incrementa hasta un
cierto límite, en el cual se alcanza la
velocidad máxima de entrada. Esto
se explica porque existe un número
finito de transportadores, que
llegado un momento todos están
ocupados y por más que se agregue
soluto la velocidad no aumenta, se
estabiliza.
(c) competencia: moléculas de
estructura química similar compiten
por un mismo transportador. Caso
de aminoácidos, la glicina y la
alanina utilizan el mismo transportador; si los dos aminoácidos
están presentes extracelularmente, se
restringe la entrada de uno de ellos
en un momento determinado,
porque el otro estará ocupando el
transportador.
Las actividades diferentes de los
distintos tipos de membranas
parecen ser el reflejo de los
transportadores,
de
hecho
resumiremos dos tipos de ellos:
(a) Canales iónicos: son proteínas
que permiten el paso de moléculas
pequeñas y cargadas (iones). Una de
ellas es la porina, que permite el
paso de iones a través de la
membrana de la bacteria (y de la
membrana
interna
de
la
mitocondria, qué coincidencia).
También existen canales para el
agua (acuaporina) que permite el
paso de agua más rápido que a
través de la bicapa lipídica.
Recordemos que estos canales son
muy selectivos y que ellos solo se
pueden abrir en una de dos
condiciones: cuando se encuentran
con el soluto específico (canal
sensible al soluto) o cuando cambia
el voltaje de la membrana (canal
sensible al voltaje)
Membrana celular (II parte)
ión
Este cambio brusco se debe en
primer lugar a la abertura de canales
para iones Na+ que dejan entrar
muchos iones Na+ y en segundo
lugar a la abertura de los canales de
K+ que sacan iones K+ al exterior.
exterior
citosol
Este flujo de iones cargados hará que
un lado de la membrana se cargue
con más intensidad que el otro. Por
ejemplo, en células nerviosas y
musculares existe un llamado
potencial de membrana resultado
de la presencia de mayor cantidad
de iones K+ que de iones Na+ dentro
de la célula (estudie el dibujo anexo)
Concentraciones iónicas
intracelular
extracelular
H2O
H2O
Na+= 10 mM
K+ =140 mM
Cl- = 4 mM
Na+=145 mM
K+ = 5 mM
Cl- =110 mM
Este potencial de membrana en las
células nerviosas y musculares es
susceptible de alterarse, es decir,
aumentar los iones Na+ y disminuir
los iones K+ dentro de la célula. Esta
alteración brusca se conoce como
potencial de acción y es la base
fisiológica de un impulso nervioso y
de una acción muscular.
Na+
exterior
citosol
K+
El estado de reposo se logra de
nuevo por acción de la bomba
Na+K+, que se estudiará más
adelante.
(b) Canal molecular: el más
estudiado por sus implicaciones
energéticas para la célula es el canal
que moviliza glucosa. Es una
proteína de 55 kD, conformado por
12 alfa hélices que atraviesan la
membrana y que se agrupan
formando un cilindro. La gran
mayoría de los aminoácidos que
atraviesan
la
membrana
son
hidrofóbicos, pero se considera que
otros aminoácidos forman el sitio de
reconocimiento de la glucosa.
Membrana celular (II parte)
Muchas células que requieren de
glucosa para su metabolismo
disponen de este transportador en
una orientación específica: el
dominio que reconoce la glucosa se
encuentra hacia el exterior. En
cambio, otras células que producen
glucosa (hepatocitos) disponen los
transportadores
en
sentido
contrario, de tal forma que la
glucosa pueda salir al exterior.
Transporte activo
Este proceso tiene dos características muy importantes: requiere de
energía y moviliza solutos en contra
de una gradiente de concentración.
La molécula más estudiada que
realiza este proceso es la llamada
bomba sodio-potasio, denominada
también ATPasa Na+-K+ debido a
que hidroliza ATP para extraer la
energía suficiente para movilizar el
Na+ y el K+ en contra de sus
gradientes de concentración. Este
complejo molecular puede esquematizarse con la siguiente figura.
En 1957, J.C. Skou descubrió la
ATPasa Na+-K+ en nervios de
cangrejo. Él identificó una actividad
enzimática inhibida por ouabaina
que hidroliza el ATP cuando es
estimulada simultáneamente con
sodio y potasio.
La ATPasa Na+-K+ ha sido
purificada de varias clases de tejidos
y en todos los casos se ha
encontrado que contiene 2 tipos de
subunidades proteícas: la alfa y la
beta.
Las subunidades α son las más
grandes (95 Kd), contienen los sitios
activos para la hidrólisis del ATP y
se extienden a través de toda la
membrana, con preferencia hacia el
lado citosólico. El modelo propuesto
lo asemeja a una pera con la porción
más ancha hacia el interior celular y
la porción más delgada hacia el
exterior en donde se encuentra el
sitio de acción para la ouabaina (un
glucósido que inhibe específicamente esta bomba).
Las subunidades β son más
pequeñas (40 Kd), de naturaleza
gluco-proteicas con su porción
carbo-hidratada hacia el exterior y
una porción proteica introducida en
la membrana.
Se considera que la enzima está
conformada por mitades simétricas
especulares: β-α-α-β.
Membrana celular (II parte)
El transporte activo de cualquier ion
requiere de la presencia del otro ion
en el lado opuesto. Para que el Na+
sea extruído, el K+ debe estar fuera
de la célula y, a la inversa, para que
el K+ pueda entrar, el Na+ debe estar
dentro de la célula. La proporción de
movimiento de iones por esta
enzima es estricto: salen 3 iones Na+
por cada 2 iones K+ que entran. Los
sitios externos para el K+ están
probablemente
casi
siempre
saturados, pero los sitios internos
para el Na+ pudieran limitar la
actividad de la enzima.
El transporte activo de cualquier ión
requiere de la presencia del otro ión
en el lado opuesto. Para que el Na+
sea extruído, el K+ debe estar fuera
de la célula y, a la inversa, para que
el K+ pueda entrar, el Na+ debe estar
dentro de la célula. La proporción de
movimiento de iones por esta
enzima es estricto: salen 3 iones Na+
por cada 2 iones K+ que entran. Los
sitios externos para el K+ están
probablemente
casi
siempre
saturados, pero los sitios internos
para el Na+ pudieran limitar la
actividad de la enzima, dependiendo de la concentración.
La hidrólisis del ATP se acompaña
de la transferencia del grupo fosfato
(—PO4-3) hacia el residuo del ácido
aspártico de la proteína y la
liberación del ADP hacia el citosol.
La fosforilación requiere de iones
Na+ y la desfosforilación de iones
K+. El proceso es el siguiente: 3 iones
Na+ se unen a la proteína por el lado
interno de la membrana, el ATP de
la subunidad α se disocia en ADP
que se libera al citosol y el (—PO4-3)
que permanece transitoriamente en
la subunidad α. Al unirse los iones
Na+ a la proteína, ésta cambia de
conformación permitiendo que por
el lado exterior puedan unirse 2
iones K+. Al liberarse el (—PO4-3)
desde la subunidad α, salen los 3
iones Na+ y entran los 2 iones K+.
Una vez concluido este intercambio,
la subunidad α recobra una
molécula de ATP, quedando lista
para un nuevo movimiento iónico.
Por último, la bomba de Na+-K+ es
electrogénica, es decir, es capaz de
generar una corriente eléctrica a
través de la membrana y esto lo hace
produciendo una diferencia de
voltaje en ambos lados de la
membrana. Cuando se establece esta
diferencia se dice que se establece
una
diferencia
de
potencial.
Mediciones
fisiológicas
han
detectado que esta diferencia es
igual a -70mV. En el caso de células
no nerviosas ni musculares, este
voltaje se llama potencial de
membrana, pero en las células
nerviosas y musculares se llama
potencial de reposo, pues es
susceptible de cambiar convirtiéndose en un potencial de acción que
es el impulso.
Membrana celular (II parte)
Hemos observado que en esta
bomba Na+-K+ un ión sale
mientras el otro entra. Se
acostumbra a denominar movimiento antiporte. Y se denomina
simporte cuando son dos solutos
los que se mueven simultáneamente a través del transportador.
Como ejemplo de este último caso
es la captación de glucosa desde el
lumen intestinal guiado por una
gradiente de Na+. El transportador
guia y mueve una molécula de
glucosa y dos iones de Na+ hacia el
citosol. El movimiento del Na+ en
la
dirección
energéticamente
favorable lleva la glucosa en contra
de su gradiente de concentración.
Endocitosis
Corresponde al proceso de entrada
de
diversos
materiales.
Se
presentan tres sistemas diferentes:
pinocitosis, fagocitosis y endocitosis mediada por receptores.
Pinocitosis: en este proceso, la
sustancia a transportar es una
gotita o vesícula de líquido
extracelular. En este caso, la
membrana se repliega creando una
vesícula pinocítica. Una vez que el
contenido de la vesícula ha sido
procesado, la membrana de la
vesícula vuelve a la superficie de la
célula. De esta forma hay un tráfico
constante de membranas entre la
superficie de la célula y su interior.
Fagocitosis: en este proceso, la
célula crea una proyecciones de la
membrana y el citosol llamadas
seudópodos
que
rodean
la
partícula sólida. Una vez rodeada,
los seudópodos se fusionan
formando una vesícula alrededor
de la partícula llamada vesícula
fagocítica o fagosoma. El material
sólido dentro de la vesícula es
luego digerido por enzimas
liberadas por los lisosomas. Los
glóbulos blancos y los macrófagos
constituyen los ejemplos más
notables de células que fagocitan
bacterias
y
otras
sustancias
extrañas como un mecanismo de
defensa.
Membrana celular (II parte)
Endocitosis mediada por receptor :
este es un proceso similar a la
pinocitosis, con la salvedad que la
invaginación de la membrana sólo
tiene lugar cuando una determinada
molécula, llamada ligando, se une a
su receptor específico existente en la
membrana. La aglomeración de
receptores con sus respectivos
ligandos en un sitio de la membrana
produce un hundimiento de la
misma, llegando a formar una fosa
endocítica. Luego de esta unión hay
cambio en la configuración de la
molécula receptora, que induce a su
dominio citosólico a unirse a la
adaptina, la cual permite unirse a
una molécula de clatrina. De esta
manera llegan a formarse una fosita
y una vesícula cubiertas con clatrina.
receptor
ligando
clatrina
Cada molécula de clatrina está
compuesta de tres cadenas pesadas
y tres cadenas ligeras que llegan a
formar un conjunto de tres puntas
denominada trisquelión. Con este
trisquelión pueden formarse las
rejillas poligonales que cubren la
superficie de los hoyos y vesículas,
como pueden observarse en el
dibujo anterior.
En cuanto se separa la vesícula
revestida
de
la
membrana
plasmática comienza a perder toda
la cubierta de clatrina, entonces,
¿para qué se formó si después se
pierde?
Recordemos
que
la
membrana es una estructura muy
débil, de tal forma que para que la
fosa y la vesícula se mantengan es
necesario una estructura más firme
dada por moléculas que puedan
enlazarse firmemente, como lo
hace la clatrina.
La vesícula sin clatrina pasa a
llamarse endosoma temprano en el
cual ocurren los siguientes eventos:
(a) se separa el ligando del receptor
(b) los receptores se mueven hacia
un extremo de la vesícula, de allí
forman una nueva vesícula que se
dirige a la membrana, así se
recuperan los receptores,
Membrana celular (II parte)
(c) La vesícula con los ligandos y
sin los receptores se acerca al Golgi
desde don recibe lisosomas, para
convertirse en endosoma tardío.
Dentro de esta estructura se logra
la degradación química de los
ligando por acción de las enzimas
de los lisosomas (ver dibujo abajo)
El contacto de las membranas es
mediado por unas proteínas de
fusión que se reconocen y se
produce en su interior una abertura
a través de la cual sale el contenido.
Además, las membranas llegan a
fusionarse de tal manera que toda
la membrana de la vesícula llega a
formar parte de la membrana
plasmática.
Transcitosis
Exocitosis
Para que cualquier vesícula que se
acerque a la membrana pueda
eliminar su contenido al exterior, es
necesario que las membranas
lleguen a fusionarse y se genere una
abertura a través de la cual salga el
contenido de la vesícula. Este
proceso se llama exocitosis y está
regulado por iones Ca+2.
Este proceso se da en células que
son polarizadas, es decir, que tienen
dos caras diferentes y una
distribución de organelos asimétrica, como es el caso de las células
del epitelio simple cilíndrico del
intestino delgado. Estas células
transportan materiales desde el
lumen
intestinal
(superficie
luminal) hasta la base celular
(superficie basolateral) y viceversa.
Membrana celular (II parte)
Las células de los acinos glandulares de la glándula mamaria
transportan anticuerpos desde la
sangre hasta el lumen para que
sean incorporados a la leche. Estos
anticuerpos se unen a receptores en
la membrana basolateral y son
transportados a través del citosol
con sus receptores hasta la
superficie apical. Los receptores
son retenidos en la membrana
liberándose los anticuerpos al
medio extracelular.
Este proceso es muy importante en
las células que conforman los
capilares: las células endoteliales.
Como pueden verse en la MET hay
muchas vesículas que corresponde
a un transporte en ambos sentidos.
1. Dé una breve explicación de la función de la membrana llamada “transductor de enrgía”
2. Mencione los procesos celulares incluídos en :
a) el transporte pasivo _______________________________________________________________
b) el transporte activo _______________________________________________________________
c) la endocitosis
_______________________________________________________________
3. ¿Qué entiende Ud. por coeficiente de partición y cuál es su importancia para la célula?
4. Explique la propiedad de especificidad, saturación y competencia aplicadas a los
transportadores de membrana.
5. Si las [Na+] son mayores fuera de la célula y las [K+] son mayores dentro de la célula:
a) ¿cómo es que se mantienen estas concentraciones?
b) ¿cómo se pueden revertir dichas concentraciones?
6. Diferencia y ejemplifique: antiporte y simporte.
7. ¿Cuál es la razón molecular para que la clatrina se organice como malla sobre la
superficie de la fosa y vesícula revestida?