TEMA 2:

LAS MEMBRANAS CELULARES-Estructura de las membranas celulares-Componentes de la membrana.-La bicapa lipídica: componentes, características físico-químicas y propiedades.-Dominios lipídicos de la membrana plasmática-Proteínas de membrana-Movilidad de proteínas de membrana-Cubierta celular: glucolípidos y glucoproteínas.-Dominios de membrana y polaridad celular-Proteínas transportadoras, bombas y canales iónicos

1. ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARESLa membrana celular funciona como una barrera semipermeable. Son cruciales para lavida celular. La membrana plasmática envuelve la célula, definiendo sus límites ymanteniendo las diferencias esenciales entre su contenido y el entorno. A pesar deque tienen diferentes funciones, todas las membranas biológicas comparten unaestructura básica común: una fina capa de moléculas lipídicas y proteicas, que semantienen unidas fundamentalmente por interacciones no-covalentes. Son estructurasdinámicas y fluidas. Funciones: - Protección - Ayudar a la compartimentación subcelular - Regular el transporte desde fuera y hacia la célula y de los dominios subcelulares(del Golgi al RER, etc..) - Servir de receptores que reconocen señales de moléculas y transducirla alcitoplasma, núcleo…. - Proveer sitios de anclaje para los filamentos del citoesqueleto con los componentesde la matriz extracelular y con las células vecinas, lo que permite, entre otras cosas, elmantenimiento de la forma celular.

Protozoos en agua de un charco. Una delgadísima estructuradenominada membrana plasmática, encierra toda la vida deesas células

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL CONOCIMIENTO DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

Se han ido elaborando diversos modelos de la membrana plasmática a lo largo deldesarrollo de la biología celular. En la actualidad, el modelo más aceptado es eldenominado modelo mosaico fluido. -Considera a la membrana como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es lared cementante y las proteínas están embebidas en ella, interaccionando unas conotras y, a su vez, los lípidos. Tanto las proteínas como los lípidos pueden desplazarselateralmente.-Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaico-Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de todos suscomponentes.Pese a ser el modelo más completo, la realidad es que presenta algunas limitaciones,dado que la libre difusión de lípidos y proteínas en el plano de la membrana no es deltodo cierta.

Criofractura: golpe de gracia a los modelos clásicos de la membrana hasta los años70

2. COMPONENTES DE LA MEMBRANA. LA BICAPA LIPÍDICALa bicapa lipídica proporciona la estructura básica de todas las membranas celularesEs fácil de observar con el microscopio; su estructura se debe exclusivamente a laspropiedades especiales de las moléculas lipídicas que la forman, que se ensamblanespontáneamente formando bicapas, incluso bajo condiciones artificiales sencillas.La membrana está compuesta por lípidos, proteínas y glúcidos. En algunasmembranas de eucariotas, colesterol.- Lípidos y proteínas pueden realizar movimientosde traslación sin gasto de ATP.-Discos móviles de lípidos y proteínas (Raft)-Poros proteicos

3. DOMINIOS LIPÍDICOS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA-Lípidos. Tres tipos: fosfolípidos (unidos por interacciones

hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals), glucolípidos yesteroles (colesterol). Todos ellos tienen carácteranfipático formando bicapas lipídicas. Estos lípidos sedistribuyen en la membrana de una manera asimétrica yheterogénea.

La membrana plasmática tiene posibilidad de movimiento gracias a loslípidos, lo que proporciona fluidez y viscosidad. El movimiento de loslípidos de membrana depende del tipo, de las condiciones y de lasinteracciones con otras moléculas.Movimientos que pueden realizar los lípidos:

- De rotación: supone el giro de las moléculas lipídicas en torno asu eje mayor. Responsable de los otros dos movimientos- Difusión lateral: las moléculas lipídicas pueden difundirselibremente de manera lateral dentro de la bicapa. Más frecuente.Podrían dar la vuelta a una célula de tamaño medio enaproximadamente 1 minuto.- flip-flop: movimiento de la molécula lipídica de una monocapa ala otra gracias a unas enzimas llamadas flipasas. Menosfrecuentes.

-Lípidos neutros solo el 2%-Cierto desorden de lípidos, no están comprimidos.-Constituyen aproximadamente el 50 % del peso de las membranas, conunos 5 millones de moléculas por µm2.-En función del tipo de lípido, las membranas pueden tener más o menosgrosor.-Los pliegues de membrana, condicionan los tipos de lípidos en lashemimembranas.

-Colesterol. Se trate de un esterol. (Eucariotas)-Estructura angular rígida a la que se encuentra unido un solo grupohidroxilo polar y una corta cadena hidrocarbonada no-polar.- Se orientan solas en la bicapa con su grupo hidroxilo cerca de losgrupos polares de las moléculas adyacentes de fosfolípidos.- Gran movilidad.- Una por cada fosfolípido, pero solo en algunas membranas.- Reduce la permeabilidad- Altera la fluidez- Reduce las interacciones entre los fosfolípidos.- Por su polaridad y rigidez, se sitúa de modo que estorba elcontacto entre las cadenas de ácidos grasos. Ausencia envegetales, pero ellos tienen fitoesterol Tampoco hay colesterol enbacterias.

TÉCNICA UTILIZADA PARA MEDIR LA DIFUSIÓN LATERALSingle Particle Tracking (SPT): mide difusión en distintos dominios del espacio.-Se marca una proteína o un lípido con partículas de oro coloidal y se sigue sumovimiento con un microscopio óptico.-El movimiento se sigue durante 2-10 segundos registrando la posición cada 100microsegundos - 1 segundo.

4. PROTEÍNAS DE MEMBRANAProteínas. La mayoría de ellas con estructura globular y se pueden clasificar según ellugar que ocupen en la membrana.

Proteínas transmembranales o intrínsecas: Proteínas integrales, se hallaninmersas en las bicapas lipídicas pueden atravesar totalmente la membrana ysobresalir a ambos lados de la misma.- 80% Se extraen con disolventes de lípidos. - Encajados - Muchos a.a. no polares.- Sus propiedades dependen de los fosfolipidos- Fracción más importante- Enlaces hidrófobos. - Solubles con detergentes-Las proteínas tienen difusión lateral, rotación, PERO NO FLIP-FLOP-Las células tienen restringida la movilidad lateral de las proteínas, en lascélulas polarizadas Proteínas periféricas o extrínsecas: No atraviesan la bicapa y están situadastanto en el exterior como en el interior.- 20 %- No se extraen con disolventes de lípidos- Poco encajados - Muchos a.a. polares- Solubles en soluciones acuosas

-La movilidad de las proteínas varía de 10-4 a 0.4µm/s.-La dispersión en la bicapa lipídica, no es totalmente aleatoria, así, en el glóbulo rojo,la mayoría de las proteínas están ancladas, es decir son inmóviles.Espectrina: responsable de la forma bicóncavaBanda 3: transporte de aniones, bicarbonatos y cloruros.Glicoforinas: carga negativa para reducir las interacciones con endotelios y otrascélulas.

Experimento que demuestra la difusión de proteínas enla membrana plasmática de células híbridas ratónhumanas. Inicialmente las proteínas de ratón y lasproteínas humanas están confinadas a sus propias mitadesde la membrana plasmática del heterocarionte reciénformado, pero con el tiempo se van entremezclando. Losdos anticuerpos que se utilizan para visualizar las proteínasse pueden distinguir en un microscopio de fluorescenciadado que la fluorescencia es verde y la rodamina es roja.

MOVILIDAD DE LAS PROTEÍNAS

LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA SE MUEVEN, ¿PEROTODAS?Medición de la velocidad de difusión lateral de unaproteína de membrana mediante la técnicafotoblanqueado: En la técnica FLIP, una pequeña área dela membrana se irradia continuamente y se mide lafluorescencia de la otra área diferente. La fluorescencia de lasegunda área se reduce de forma progresiva a medida quelas moléculas fluorescentes difunden hacia fuera y lasmoléculas blanqueadas difunden hacia dentro; en algunoscasos, todas las moléculas proteicas fluorescentes sondecoloradas, siempre que sean móviles y que no seencuentren permanentemente ancladas al citoesqueleto o ala matriz extracelular.Los resultados de estas técnicas indican que las proteínasde la membrana tienen velocidades de difusión muyvariadas.

Las proteínas de membrana pueden rotar alrededor de un eje perpendicular a lamembrana (difusión rotacional) y otras pueden trasladarse lateralmente (difusiónlateral). La difusión lateral de proteínas en la membrana puede medirse usandoindicadores fluorescentes que se ligan a las proteínas. Los valores de los coeficientesde difusión dependen de la composición de la membrana, pero son típicamente entrediez y cien veces menores que los de los lípidos en la misma membrana. A pesar deesta posibilidad de movimiento, las células pueden confinar algunas proteínas enregiones específicas de la membrana. Esto ocurre, por ejemplo, en las célulasepiteliales. Esta restricción al movimiento puede deberse a la interacción que se

establece en las junturas entre células, aunque puede ocurrir también sin que medieeste tipo de interacción. En otros casos, es el citoesqueleto o la matriz extracelular elque ``sostiene'' a las proteínas en ``su'' lugar.

ASIMETRÍA DE LA BICAPA LIPÍDICALa membrana plasmática es una estructura asimétrica. Las dos monocapas queforman la bicapa lipídica, la monocapa o cara externa que mira al medio extracelular yla otra que mira al citosol (el medio interno de la célula), la cara citosólica.Esta asimetría es tanto una asimetría lateral como transversal. -La asimetría de los lípidos es importante desde el punto de vista funcional,especialmente para transformar las señales extracelulares en señales intracelulares.-Algunas proteínas de membrana se asocian formando grandes agregados estables(Parches o Raft) en la superficie de una célula u orgánulo: Ej: los receptores deacetilcolina (sinapsis) sobre las fibras musculares que dan lugar a densos parches casicristalinos.Raft es un microdominio de la membrana plasmática cuya fluidez es mucho menor a lade su entorno. Se encuentran enriquecidos en colesterol, fosfolípidos saturados y proteínas demembrana.

5. CUBIERTA CELULAR. GLUCOLÍPIDOS Y GLUCOPROTEÍNASHIDRATOS DE CARBONOGlúcidos. Oligosacáridos unidos covalentemente a los dominios de las proteínas y delos lípidos. Constituyen la cubierta celular o glucocálix.-De 2% a 10% en peso -Situados en la parte externa. La mayoría son glicoproteinas, pero también hayglicolípidos. -Identidad celular:

-Azucares implicados: Galactosa, Manosa, Glucosamina, Glucosa, Ácidosialico.-De 2 a 15 residuos de azucares por molécula interaccionan con agua, iones,P, Na, Ca, K, Mg.

Funciones:1. Protege la superficie celular de lesiones mecánicas y químicas. Polianionica 2. Absorben agua y hacen la superficie viscosa. 3. Ayudan a la movilidad/ inmovilidad de las células. 4. Determinan el grupo sanguíneo, reconocimiento celular (lectinas). -Glicolípidos: unidos a lípidos. Asimétricas. Solo se encuentran en la monocapa nocitosólica de la bicapa. Presenten en todas las células animales. Los más complejosson los gangliósidos. Se encuentran confinados en la superficie apical, pudiendoayudar a proteger la membrana de las condiciones adversas. Participan en procesosde reconocimiento celular.-Glicoproteínas: unidos a proteínas Tienen función estructural y de reconocimientocelular.-Proteoglicanos: unidos a proteínas. La mayoría son secretados, pero también puedenformar parte de la membrana plasmática. Son largas cadenas de polisacáridos unidasa un núcleo proteico. Exterior celular como parte de la matriz extracelular. Tienen unmayor porcentaje de glúcidos que de proteínas.

FACTORES QUE AUMENTAN LA VISCOSIDAD DE LAS MEMBRANAS - Ácidos grasos insaturados - Baja concentración de colesterol - Bajas temperaturas - Colas hidrocarbonadas cortas (dificultan el empaquetamiento)FACTORES QUE FAVORECEN LA VISCOSIDAD: ♦Alto grado de saturación y mayor longitud de las colashidrocarbonadas. ♦Menor temperatura del medio. FACTORES QUE FAVORECEN LA FLUIDEZ: ♦Alto de grado de insaturación y menor longitud de las colashidrocarbonadas. ♦Mayor temperatura del medio.

6. PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS, BOMBAS Y CANALES IÓNICOSLas bicapas lipídicas son altamente impermeables a la mayoría de moléculas polares.Para transportar pequeñas moléculas solubles en agua hacia el interior o exterior delas células, las membranas contienen varias proteínas de transportadoras, de lascuales, cada una, es responsable de transferir un determinado soluto o una clase desolutos a través de la membrana. Dos clases principales: los transportadores, loscuales tienen partes móviles que les permiten transportar moléculas de formaespecífica a través de membrana, y los canales, que forman un estrecho porohidrofóbico que permite el desplazamiento pasivo de pequeños iones inorgánicos através de la membrana. Mientras que el desplazamiento a través de las membranas mediado portransportadores puede ser activo y pasivo, el mediado por canales siempre es pasivo.

Transporte pasivo: a favor de un gradiente electroquímico-Difusión simple: Sin intervención de proteínas, grietas hidrofóbicas temporales,poros formados por discontinuidades en la membrana.-Difusión facilitada: intervención de proteínas (canales o proteínastransportadoras).

La difusión se detiene cuando la concentración se iguala y será más rápida cuantomayor sea la energía cinética (que depende de la temperatura) y el gradiente deconcentración y cuanto menor sea el tamaño de las moléculas.Transporte activo: en contra de un gradiente electroquímico. Necesita energía.

Permeabilidad relativa de una bicapa lipídica sintética a diferentes tipos demoléculas: Cuanto menor sea la molécula y lo que es más importante, cuanto menorsea el numero de enlaces de hidrogeno que establecen con el agua, más rápidamentedifundirá a través de la membrana.

El transporte puede ser a favor o en contra el gradiente electroquímico.

Las células vivas mantienen los gradientes de concentración a través de susmembranas. Por ejemplo:

Sostienen estos gradientes con las propiedades de transporte pasivos y activos de susmembranas.

TIPOS DE TRASNPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE MEMBRANAS-Bombas-Transportadores-Canales

BOMBAS

Bombas impulsadas por ATP, transporte activo:1. Bombas de tipo P: son proteínas transmembrana multipaso funcionalmente y

estructuralmente relacionadas entre sí. Se denominan “de tipo P” porque seautofosforilan durante el ciclo de bombeo. Esta clase incluye muchas de lasbombas iónicas responsables de generar y mantener gradientes de Na+, K+, H+, yCa2+, a través de membrana.

2. Bombas tipo F (mitocondriales): son proteínas semejantes a turbinas, construidasa partir de diferentes subunidades. Se diferencian desde el punto de vistaestructural de las ATP asas de tipo P y se encuentran en la membrana plasmáticade las bacterias, en la membrana interna de las mitocondrias y en la membranatilacoidal de los cloroplastos.

3. Los transportadores ABC: bombean sobre todo las moléculas pequeñas a travésde las membranas celulares, en contraste con las ATPasas de tipo P y de tipo Fque exclusivamente transportan iones.

-Cada uno de sus miembros contiene dos motivos deunión al ATP. La unión del ATP conduce a ladimerización de los dos dominios de unión al ATP y lahidrólisis del ATP provoca su disociación. Parece queestos cambios estructurales en los dominios citosólicosson transmitidos a los segmentos transmembrana,generando ciclos de cambios conformacionales quealternativamente exponen los centros de unión a los sustratos a uno u otro lado dela membrana. De esta manera, los transportadores ABC utilizan la unión e hidrólisisdel ATP para transportar moléculas pequeñas a trav´s de la bicapa-Constituyen la mayor familia de proteínas de transporte de membrana. Incluyeproteínas que son responsables de la dibrosis quística así como de la resistencia afármacos en células cancerosas y al parásito que causa la malaria.-La primera de estas proteínas que fue caracterizada se descubrió en bacterias.Estas también tienen ATPasas de transporte que utilizan la energía de la hidrólisisdel ATP para importar moléculas pequeñas específicas.-En E. coli, 78 genes codifican transportadores ABC, mientras que los genomas delas células animales contienen muchos más. Aunque parece que cadatransportador es específico para una molécula o una clase de moléculas, lavariedad de sustratos transportados por esta superfamilia es muy grande e incluyeiones inorgánicos, aminoácidos, azúcares, mono y polisacáricos, péptidos e inclusoproteínas. Mientras que los transportadores ABC bacterianos se utilizan tanto paraimportar como para exportar sustratos, parece que los identificados en eucariotasestán especializados en la exportación. De hecho los primeros transportadores ABCeucariotas identificados fueron descubiertos por su capacidad de bombear drogashidrófobas al exterior del citosol.

4. Bombas tipo V (vesiculares): se encuentran en la membrana de las vesículassinápticas, del complejo de Golgi, los lisosomas, los gránulos densos de plaquetasy de gránulos cromafines. Se encargan de acidificar el medio interno de estasorganelas intracelulares con las consiguientes funciones en dependencia de laorganela sobre la que actúan y el tipo de célula a la que pertenece esa organela.Son proteínas sumamente complejas.

La difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende: a) del gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana. b) del número de proteínas transportadoras existentes en la membrana. c) de la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo.

CANALES-A diferencia de los transportadores, los canales forman poros hidrófilos a través de lasmembranas. -La mayoría de los canales de la membrana plasmática de las células animales yvegetales que conectan con el citosol con el exterior de la célula deben constituirnecesariamente poros estrechos y muy selectivos que se puedan abrir y cerrar conrapidez. Estas proteínas están relacionadas específicamente con el transporte deiones inorgánicos, por lo que se denominan canales iónicos.

-Los canales iónicos tienen ventaja sobre los transportadores respecto a la eficienciade transporte, ya que a través de cada canal abierto pueden pasar hasta 100 millonesde iones por segundo. Sin embargo, los canales no pueden acoplarse a una fuente deenergía para realizar un transporte activo, por lo que el transporte que median essiempre pasivo.-Por tanto, la función de los canales iónicos es la de permitir que algunos ionesinorgánicos determinados, sobre todo, Na2+, K+, Ca2+, o Cl-, difundan rápidamente afavor de sus gradientes electroquímicos a través de la bicapa lipídica.-Estos canales iónicos, regulados por transmisores, convierten las señales químicasen señales eléctricas en las sinápsis químicas-También existen los canales catiónicos, responsables de la generación depotenciales de acción autoamplificados en las células excitables eléctricamente, comolas neuronas y las fibras musculares.-La actividad de los canales es discontinua-Las moléculas pueden pasar en los dos sentidos, dependen de los gradientes y deque estén abiertos.-Voltaje (Na+, K+, Ca2+, Cl-) -Canales por ligandos intracelulares -Canales por ligandos extracelulares (Glutamato, Ach)-Agua*Las sinápsis química puede ser activadora o inhibidora

COMPARACIONES ENTRE TRANSPORTADORES CANALES Y BOMBAS

RENOVACIÓN DE LA MEMBRANA-Renovación de proteínas: cada 2-5 días las de bajo Pm y cada 7-13 días las de altoPm.-Renovación de lípidos: cada 3-5 días.