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CURSO BIOLOGÍA CELULAR
MEMBRANAS CELULARES
Marco Tulio Núñez
Departamento de Biología,
Facultad de Ciencias, Universidad
de Chile
Las Membranas Celulares
Uno de los eventos cruciales en la evolución que llevó a la formación de las
primeras células debe haber sido la formación de una membrana que generó
un compartimiento cerrado permitiendo el confinamiento de los procesos
químicos que se realizaban en la sopa prebiótica.
Todas las células mantienen su organización morfo-funcional debido a una
membrana que las limita del medio externo, así como una serie de
compartimientos intracelulares que los delimitan del citosol.
Procariotes vs eucariotes
Funciones de las Membranas Celulares
(i) Delimitan compartimentos de composición particular permitiendo que
ocurran eficientemente los procesos bioquímicos celulares.
(ii) Su estructura lipoproteica constituye una barrera a la libre difusión de
solutos y permite el transporte selectivo de moléculas y iones de un
compartimiento a otro.
(iii) Son interfases que transducen señales químicas o energía desde un
compartimiento a otro.
(iv) Proporcionan el ambiente óptimo para el funcionamiento de moléculas
(enzimas, bombas iónicas, receptores, etc.) que están asociadas al transporte
de solutos y a la transducción de señales.
Evidencias sobre la existencias de bicapas
Una de las primeras evidencias experimentales de que las membranas
biológicas están formadas por una bicapa de fosfolípidos provino de estudios
realizados por Gortel y Grendel (1925). Estos autores extrajeron los lípidos de
eritrocitos y los esparcieron en una cubeta que contenía solución acuosa,
formándose una monocapa en la superficie líquida que comprimieron, hasta
lograr la superficie mínima.
Calcularon que el área de la monocapa alcanzaba para cubrir dos veces el
área de los eritrocitos.
Molécula anfipática
monocapa
Evidencias sobre la existencias de bicapas: microscopía
electrónica
La incorporación de la técnica de microscopia electrónica de transmisión a
mediados del siglo XX permitió estudiar las estructuras celulares, en particular
las membranas plasmáticas y las de organelos.
En la figura, se muestra una microfotografía electrónica de la membrana
celular de un glóbulo rojo, teñida con tetróxido de osmio (OsO4), que se une
principalmente a los grupos polares revelando la típica imagen de líneas
paralelas.
Composición y estructura de la bicapa lipídica
Agua
Cabezas
polares
Colas
hidrofóbicas
Agua
Permeabilidad de la membrana
-Baja permeabilidad a sustancias cargadas o polares a
excepción del agua que permea por su pequeño tamaño
Lípidos de Membrana: glicero-fosfolípidos
Todas las membranas celulares contienen lípidos anfipáticos, que poseen una
parte polar y otra hidrofóbica.
Una sustancial proporción de estas moléculas son los glícero-fosfolípidos
constituidos por una cabeza polar y dos cadenas o colas hidrocarbonadas.
Estructura de los ácidos grasos
Las colas de ácidos grasos contienen
generalmente 16, 18 o 20 átomos de
carbono.
En
los
fosfolípidos
generalmente una cadena es saturada
mientras que la otra es no saturada,
con uno o más enlaces dobles cis.
Alberts et al. 2002
Estructura de los ácidos grasos
El doble enlace es rígido y crea un “kink” o desviación en la cadena.
El resto de la cadena rota libremente entre los enlaces C - C
Alberts et al. 2002
Fosfolípidos de membrana: glicero-fosfolípidos
Los glicero-fosfolípidos más
importantes son:
fosfatidiletanolamina (PE)
fosfatidilcolina (PC)
fosfatidilserina (PS)
fosfatidil inositol (PI)
El signo de la carga eléctrica
de la cabeza polar depende
del pH. A pH fisiológico (7,2)
la PS tiene una carga
neta negativa, en cambio
PE, PC y SM no.
Fosfolípidos de membrana: esfingolípidos
Las membranas también contienen
esfingolípidos que
tienen un
esqueleto de esfingosina en lugar de
glicerol.
Los
más
comunes
son
la
esfingomielina y la esfingosina.
La esfingomielina es derivado de la
esfingosina
Lípidos de membrana Glicolípidos
Otro tipo de esfingolípidos que se encuentran en la superficie de las membranas plasmáticas
son los glicolípidos que pueden tener uno o más residuos de azúcares.
Tienen un esqueleto de esfingosina. Los galactocerebrósidos son neutros y los gangliósidos
contienen oligopolisacáridos con uno o más residuos de ácido siálico y son abundantes en las
membranas plasmáticas de las neuronas.
Alberts et al. 2002
Inositol fosfolípidos
Otros lípidos de membrana son los inositol fosfolípidos, que se encuentran en pequeñas cantidades,
pero tienen gran importancia en procesos de transducción de señales.
Fosfatidil inositol
Fosfatidil inositol monofosfato
Fosfatidil inositol difosfato
Alberts et al. 2008
Lípidos de membrana: colesterol
_
Alberts et al. 2008
El colesterol es un esteroide hidrofóbico que se inserta entre las moléculas de fosfolípidos y
es determinante en la fluidez de la membrana.
Las membranas plamáticas de los eucariontes contienen abundante colesterol: hasta una
molécula por molécula de fosfolípido
Rol del colesterol en la fluidez de la membrana
Las moléculas de colesterol se orientan
con su pequeño grupo OH hacia las
cabezas polares de los fosfolípidos (se
forma un puente de H entre OH y el O de
grupos C=O) mientras que los anillos
esteroidales interactúan con las cadenas
hidrocarbonadas.
_
El colesterol restringe el movimiento
de las cadenas de los FLs en la zona
cercana a los grupos polares y facilita
el movimiento en la región más
central.
Alberts et al. 2008
El efecto neto del colesterol en la fluidez
de la membrana depende de la
composición lipídica de ésta. Como se verá
más adelante depende la proporción de
glicerofosfolípidos (PC, PE) y esfingolípidos
(SM).
Composición lipídica de diferentes membranas
Hojas
cebada
35 (esteroles)
44 (FLs)
16 (cerebrósidos)
Cardiolipina
Los fosfolípidos pueden ordenarse formando diferentes estructuras
Lodish et al. 2004
Forman estructuras hexagonales (micelas) y laminares (bicapas o multicapas).
A pesar de la variabilidad en la composición fosfolipídica de las membranas biológicas, la unidad
estructural es siempre una bicapa, una estructura laminar compuesta de dos capas de moléculas
de fosfolípidos cuyas cabezas polares enfrentan el medio acuoso y cuyas colas hidrocarbonadas
forman un medio hidrofóbico de alrededor de 30 Å de espesor.
Factores de estabilidad de la bicapa
Lodish et al. 2004
La estabilidad de la bicapa depende de las interacciones hidrofóbicas entre las cadenas acil
lipídicas de los fosfolípidos: las interacciones de van der Waals entre las cadenas hidrocarbonadas
que favorecen el empaquetamiento de las colas (0.1 Kcal/mol, por C). También contribuyen los
enlaces de hidrógeno entre las cabezas polares y el agua y las interacciones electrostáticas entre los
grupos polares.
Mientras más larga y más saturada sea la cadena mayor será la fuerza de interacción y
menor la fluidez de la membrana
Fluidez de la membrana
En las membranas plasmáticas los fosfolípidos se distribuyen asimétricamente
en las dos monocapas.
En eritrocitos: los fosfolípidos que poseen un grupo colina (SM y PC) se encuentran
predominantemente en la monocapa externa y los lípidos con grupos amino (PS y PE) se
encuentran en la cara citosólica.
SM y PC
PS y PE
Movimiento de los lípidos
La bicapa lipídica es un fluido bidimensional en que los lípidos se mueven en el
plano XY.
Los movimientos de los lípidos en la bicapa lipídica son:
Rotación
Flexión
Flip flop: rara vez ocurre en forma espontánea. Sin embargo, en la membrana del
RE la migración es catalizada por flipasas.
Movimiento de los lípidos
La difusión lateral es un evento rápido
Movimiento de las proteínas
Flip flop prohibido
La difusión bidimensional depende del radio hidrodinámico al cuadrado. La
difusión lateral de las proteínas es 102-103 veces más lenta que los lípidos
Restriciones a la difusión de las Proteínas de Membrana
Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente aunque algunas presentan
restricciones.
1.- Algunas proteínas de membrana interactúan
citoesqueleto como actina o filamentos intermedios.
con
componentes
del
En los eritrocitos dos de las principales proteínas de membrana: la glicoforina y la banda
3 (intercambiador aniónico Cl– - HCO3-) se unen a una proteína del citoesqueleto, la
espectrina, mediante dos proteínas, la banda 4.1 y la ankirina.
Restriciones a la difusión de las Proteínas de Membrana
Restingidas por el entorno lipídico
Su movilidad está restringida también en dominios de mayor viscosidad como
en las balsas lipídicas
Proteínas de Membrana
Lodish et al. 2004
Proteínas de Membrana
Todas las membranas celulares poseen la estructura de un
bicapa lipídica que es una barrera a la libre difusión de solutos, sin
embargo, son las proteínas de membrana las que le confieren sus
características funcionales fundamentales.
Por lo tanto, la composición proteica de una determinada
membrana está relacionada con su función.
El tipo y cantidad de proteínas que las componen es muy variable.
Por ej. la membrana interna mitocondrial contiene 70% de proteínas
y la mielina solo 18%.
En una membrana que contiene 50% de proteínas hay en promedio
50 moléculas de fosfolípidos por molécula de proteína.
Modelo
del mosaico fluído de las membranas biológicas
En 1972 Singer & Nicolson formularon el modelo del mosaico fluido.
Según éste, las membranas celulares están formadas por una bicapa de lípidos en la
que se insertan diferentes tipos de proteínas integrales a la que se asocian proteínas
periféricas.
La bicapa lipídica constituye un fluido bidimensional, un mosaico heterogéneo
moléculas de fosfolípidos y proteínas muchas de ellas lateralmente móviles.
de
Bases del modelo
1.- Consideraciones sobre fisicoquímica de los lípidos anfipáticos que forman
estructuras líquido cristalinas y de la termodinámica de proteínas hacían este
modelo viable.
2.- Estudios de microscopía electrónica con técnica congelamiento y fractura (freeze
fracture).
3.- Estudio de Frye y Edidin (1970): fusión células de origen humano y de ratón inducida
(heterokarion) con virus Sendai. Usando anticuerpos marcados con compuestos
fluorescentes, observaron mediante microscopía de fluorescencia rápida mezcla de
antígenos después de la fusión.
Imagen de congelamiento y fractura
La membrana celular tres décadas después del modelo de Singer y Nicolson
Desde su formulación el modelo de S & N hay sufrido importantes cambios.
Las membranas celulares no forman una fase homogénea fluida de fosfolìpidos
colesterol en la que están insertas proteínas.
y
La evidencia experimental indica que las membranas constituyen más bien un mosaico
estructurado dinámico.
La membrana plasmática constituye un complejo mosaico de bicapa lipidica y proteínas
como en el modelo de S&N y de microdominios transitorios, o balsas lipídicas que
contienen esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana.
Clasificación de las Proteínas de Membrana
Clases 1 y 2 : proteínas de
transmembrana, con dominios hidrofílicos
expuestos a los medios externo y/o
interno conectados por dominios
hidrofóbicos que atraviesan la bicapa.
Estos pueden tener estructura de hélice α
con un (Clase 1) o varios dominios (Clase
2)] o estar formados por hojas β
enrolladas (barril β)
Muchos receptores pertenecen a la Clase
1, y proteínas que transportan iones como
las bombas y canales iónicos pertenecen a
la Clase 2.
Las porinas bacterianas poseen estructura
de Barril β.
Clase 3 : proteínas unidas a una
parte de la bicapa lipídica mediante
un enlace covalente a un lípido:
cadena de ácido graso o grupo
prenil por enlace
tioeter a una
cisteína.
Clase
4
:
proteínas
unidas
covalentemente
vía
un
oligosacárido a un fosfolípido o a
un glicosil fosfatidil inositol en la
cara externa.
Clase 5 y 6 : proteínas periféricas o
extrínsecas unidas por enlaces
no-covalentes a grupos polares de
los fosfolípidos u otras proteínas de
membrana. Pueden ser removidas
soluciones de alta fuerza iónica.
Proteínas de Membrana
Proteínas de transmembrana
En las proteínas que forman hélices α
las regiones que atraviesan la zona
hidrofóbica de la bicapa cada
aminoácido incrementa su longitud en
aprox. 1,5 A y generalmente están
inclinadas respecto del plano de la
membrana entre 30o y 40o.
Así, una hélice α de 25 residuos de
AA tendría una longitud de 37.5 Å, lo
suficiente para atravesar la región
hidrocarbonada
de
la
bicapa.
Generalmente estas hélices están
inclinadas respecto del plano de la
membrana entre 30o y 40o .
Las cadenas laterales de los AA
protruyen fuera de la hélice α
estableciendo enlaces hidrofóbicos
con las cadenas de ácidos grasos.
Alberts et al. 2002
Proteínas de transmembrana
H+
Lodish et al. 2004
H+
hν
La bacteriorodopsina (H. halobium) es un ejemplo de proteínas de membrana
contienen múltiples hélices α de transmembrana (Clase 2).
La cadena polipeptídica (250 AA) cruza la bicapa 7 veces. Se muestra la
localización del cromóforo retinal y la via de transporte de los protones durante
cada ciclo de bombeo activado por la luz.
Proteínas de transmembrana
Lodish et al. 2004
Algunas proteínas de membrana como las porinas poseen estructura
cilíndrica de barril β. La porina de la bacteria Rhodobacter capsulatus
forma poros acuosos a través de la membrana externa constituídos por 16
hebras β antiparalelas, a través de los cuales pasan moléculas
pequeñas.
Otros ejemplos de proteínas de membrana
extracelular
extracelular
membrana
membrana
citosol
citosol
Canal de iones mecanosensible
(bacteria)
Sub unidad α bomba de sodio
(mamífero)
Balsas Lipídicas
Las membranas poseen regiones de mosaico fluido a lo S & N y zonas con
microdominios transitorios o balsas lipídicas (lipid rafts) con diámetros de
decenas de nm que contienen
esfingolípidos, colesterol y algunas
proteínas de membrana que se organizan en fases líquidas ordenadas.
Los esfingolípidos poseen largas cadenas rectas lo que favorece su
empaquetamiento e interacción con colesterol induciendo una separación
de fase entre los fosfolípidos adyacentes.
Balsas lipídicas
Las balsas son más gruesas que el resto de la bicapa debido a que las
cadenas de los ác. grasos de los esfingolípidos son más largas (22-24 C) que
las de los glicerofosfolípidos. Este mayor grosor permite alojar a proteínas
con segmentos hidrofóbicos más largos
Balsas lipídicas
Los lipid rafts contienen altas concentraciones de colesterol (32%) y de esfingolípidos
(14%). Presentan incrementos de ácidos grasos saturados en comparación con el
resto de la membrana plasmática. Parecen ser pequeños en tamaño pero pueden
llegar a constituir una gran fracción de la membrana plasmática y por este motivo son
visibles por microscopia de fuerza atómica (Pike L., 2003).
Balsas lipídicas
Los grupos acilo largos saturados de los esfingolípidos pueden formar
asociaciones más compactas y estables con el colesterol. Debido a la
presencia de colesterol, estas regiones presentan menos fluidez y más
estabilidad y esta puede ser la causa de que sean insolubles en
detergentes no iónicos (Lehninger, 2005 ).
Balsas Lipídicas – transducción de señales
Las balsas son estructuras que pueden inducir la organización de elementos de
vías de transducción de señales.
Balsas Lipídicas – entrada de virus
Balsas Lipídicas
Fantini et al. 2002
Las balsas pueden servir de portal de entrada a varios patógenos y
toxinas, como el virus de inmunodeficiencia 1 (HIV1).
Fin
Seleccione las afirmaciones correctas:
Seleccione las afirmaciones correctas:
I. Las balsas lipídicas son dominios enriquecidos en colesterol y esfingolípidos, los cuales otorgan a ese
dominio un mayor grosor y empaquetamiento que el resto de la membrana
II. Todas las proteínas asociadas a una membrana poseen al menos un dominio de transmembrana....
III. (sigue)... los que siempre poseen estructura de alfa-hélice.
IV. La membrana de un organelo particular (E.g. lisosoma) tiene la misma composición lipídica en ambas
caras de la bicapa.
V. La difusión lateral de algunas proteínas puede ser limitada por su asociación con el citoesqueleto