Estructura y Composición de las Membranas Celulares

Estructura y Composición de las Membranas

• Las membranas plasmáticas son láminas delgadas de 75 Å de espesor.
• Envuelven completamente la célula, separándola del medio externo.
• Un Ångström (Å) es una unidad de longitud equivalente a la diez mil millonésima parte de un metro (0.000,000,000,1 metros).
• 1 Å = 1m x 10^-10 = 0.1 nm = 10^-4 μm
• El nombre Ångström proviene del físico sueco Anders Jonas Angstrom (1814-1874).
• La tinción con tetróxido de osmio permite visualizar las cabezas polares de los lípidos anfipáticos, revelando una estructura similar a "vías de tren" en el microscopio electrónico.

Orgánulos y Membranas

• Los siguientes orgánulos tienen membrana sencilla:
  • Endosomas
  • Microsomas
  • Peroxisomas
• Aparato de Golgi
• Retículo endoplasmático (RE)
• Lisosomas
• Los siguientes orgánulos tienen doble membrana:
  • Mitocondria
  • Núcleo
  • Cloroplastos (en células vegetales)
• La membrana plasmática es del tipo sencilla.

Propiedades Físicas de las Membranas Biológicas

• Las membranas biológicas son estructuras laminares compuestas por dos capas de moléculas (bicapa).
  • La hoja citosólica
  • La hoja exoplasmática
• Son flexibles, lo que permite cambios de forma celular durante el crecimiento y movimiento.
• Forman compartimentos cerrados, separando espacios.
• Son autosellantes, facilitando la fusión entre membranas durante la endocitosis, exocitosis y división celular.
• Actúan como barreras selectivamente permeables a solutos polares, reteniendo ciertos compuestos/iones dentro de la célula y excluyendo otros.
• Promueven y catalizan procesos celulares como transporte específico de solutos, rutas metabólicas y transducción de señales.
• La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente (potencial transmembrana).
• Son estructuras fluidas, según el modelo de mosaico fluido.

Funciones de la Membrana

• Define el espacio intracelular/extracelular y delimita compartimentos intracelulares.
• Controla el paso de sustancias entre el exterior y el interior celular.
  • Permeabilidad selectiva
  • Transporte
• Facilita la comunicación intercelular.
• Recibe y transmite señales, generando respuestas a señales extracelulares mediante la unión RECEPTOR-LIGANDO.
• Produce, modula y conserva gradientes electroquímicos a través de la membrana.

Permeabilidad Selectiva

• La permeabilidad selectiva es una característica de las bicapas lipídicas que forman las membranas biológicas.
• Las membranas son permeables a:
  • Gases como CO2, NH2 y O2
  • Etanol
• Las membranas son semi-permeables a:
  • Moléculas pequeñas polares sin carga, como urea y agua
• Son impermeables a:
  • Moléculas grandes polares sin carga (glucosa, fructosa)
  • Iones (K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, HCO3-, HPO4^2-)
  • Moléculas polares con carga (aminoácidos, ATP, glucosa 6 fosfato, proteínas, ácidos nucleicos).

Modelos de la Estructura de la Membrana Plasmática

• Overton (1890): Propuso la naturaleza lipídica de la membrana.
• Gorter y Grendel (1925): Describieron la bicapa lipídica.
• Davson y Danielli (1935): Plantearon el modelo de bicapa lipídica con láminas de proteínas.
• Singer y Nicolson (1972): Propusieron el modelo de mosaico fluido.
  • La membrana está constituida por una bicapa lipídica con proteínas insertadas.
  • Los lípidos y proteínas pueden desplazarse, cambiando su localización y modificando las propiedades de la membrana.

Estudios de la Ultraestructura de la Membrana

• Los estudios mediante criofractura revelan dos hojas con proteínas integrales.

Modelo de Mosaico Fluido (Singer y Nicholson, 1972)

• La membrana es como un mosaico fluido formado por una bicapa lipídica en la que están embebidas proteínas que interactúan entre sí y con los lípidos.
• Los lípidos y muchas proteínas pueden desplazarse lateralmente dentro del plano de la membrana.
• La estructura de la membrana es asimétrica en cuanto a:
  • La distribución de glúcidos, que se encuentran solo en la cara externa.
  • La composición de los lípidos.

Fluidez de la Membrana

• La fluidez de la membrana se demuestra por experimentos de recuperación de fluorescencia tras decoloración (FRAP).

Asimetría de la Membrana

• La membrana es asimétrica en la distribución de sus componentes, especialmente proteínas y glúcidos.
• Los glucolípidos y glucoproteínas siempre exponen las porciones azucaradas hacia el medio extracelular.

Composición Molecular de la Membrana

• Lípidos: 43% en eritrocitos humanos, 52% en hígado de ratón.
• Proteínas: 49% en eritrocitos humanos, 44% en hígado de ratón.
• Glúcidos: 8% en eritrocitos humanos, 4% en hígado de ratón.
• Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a:
  • Composición de sus dos hojas
  • Proteínas específicas de la hoja externa (glicoproteínas) y otras que se asocian a la hoja interna.
  • También hay lípidos específicos de cada cara.
• La proporción de lípidos varía según el tipo celular, orgánulos y especies.

Lípidos de la Membrana

• Los fosfoglicéridos incluyen:
  • Fosfatidilcolina.
  • Fosfatidiletanolamina.
  • Fosfatidilserina.
  • Fosfatidiltreonina.
  • Fosfatidilinositol.
  • Fosfatidilglicerol.
  • Difosfatidilglicerol (cardiolipina)
• Los esfingolípidos incluyen:
• Fosfoesfingolípidos
• Glucoesfingolípidos
• Los esteroides incluyen:
  • Colesterol
• Fitoesteroles

Asimetría de los Lípidos de la Membrana

• Los lípidos de la membrana plasmática son asimétricos en su distribución entre las dos monocapas de la bicapa.
• Los cambios en la distribución de lípidos están relacionados con la función biológica de la célula u orgánulo.
• La hoja exoplasmática contiene:
  • Colesterol
  • Fosfatidilcolina
  • Esfingomielina
• La hoja citosólica contiene:
  • Colesterol
  • Fosfatidiletanolamina
  • Fosfatidilinositol
  • Fosfatidilserina

Factores que Influyen en la Fluidez de la Membrana

• Composición lipídica
• Contenido de colesterol
• Temperatura
• Composición Lipídica
• Un mayor grado de insaturación de las cadenas de ácidos grasos aumenta la fluidez.
• Una menor longitud de las cadenas de ácidos grasos aumenta la fluidez.
• Altos porcentajes de esfingolípidos estabilizan la membrana (gracias a los puentes de hidrógeno formados por el OH de la esfingosina).
• Concentración de Colesterol
• Una mayor concentración de colesterol aumenta la rigidez.
• Temperatura
• Una mayor temperatura aumenta la fluidez.

Efecto de la Longitud y Saturación de los Ácidos Grasos en la Fluidez

• Más insaturaciones conllevan mayor fluidez , y más longitud conlleva menos fluidez
• Las insaturaciones influyen más en la fluidez que la longitud.

Colesterol y Fluidez

• El colesterol actúa como amortiguador de los cambios de fluidez de las membranas celulares debidos a cambios de temperatura:
• Si es poco abundante, favorece la fluidez permitiendo que los fosfolípidos se muevan mejor.
• Si es muy abundante, aumenta la rigidez e impermeabilidad de las membranas.
• Cuando aumenta la temperatura, el anillo esteroidal rígido intercalado entre las cadenas de ácidos grasos reduce la movilidad conformacional, reduciendo las posibilidades de desorden y fluidez.
• Cuando disminuye la temperatura, la presencia de colesterol dificulta la interacción cooperativa (empaquetamiento) entre las cadenas de ácidos grasos, manteniendo el estado fluido.
• Las bacterias y las células vegetales poseen mecanismos de adaptación de la fluidez de la membrana a los cambios de la temperatura exterior por cambios en la composición lipídica.

Efecto de la temperatura en la fluidez de la membrana.

• A temperatura alta disminuye la interacción entre las cadenas de AG, el estado es de cristal líquido, aumenta la fluidez.
• A temperatura baja, con agitación térmica pequeña, aumenta la cohesión entre las moléculas, disminuye la fluidez.

Movimientos de los Lípidos

• Rotación: Giran sobre su propio eje.
• Difusión Lateral: Se mueven lateralmente dentro de la monocapa.
• Flip-Flop: Movimiento de una monocapa a otra gracias a las flipasas.

Glucocálix

• Compuesto por glúcidos de membrana responsables de muchas funciones
• Proporciona protección frente a enzimas proteolíticas y lesiones.
• Da viscosidad, facilitando el movimiento.
• Otorga especificidad celular, como en el sistema ABO.
• Su función es de reconocimiento celular, involucrado en el desarrollo embrionario y diferenciación.
• LUGAR DE UNIÓN Y FIJACIÓN de bacterias, virus y moléculas a transportar por endocitosis

Proteínas de Membrana: Tipos y Funciones

• Según su estructura, pueden ser integrales, ancladas, periféricas o anfitrópicas.
• Según su función, pueden ser bombas, canales, carriers, receptores, enzimas, de anclaje o estructurales.
• Las proteínas integrales incluyen bombas, canales y receptores.
• Constituyen alrededor del 50% de la masa total de la membrana.
• Confieren funciones específicas y características a cada especie.
• Se colocan de forma asimétrica en la bicapa lipídica.
• La mayoría son globulares y poseen movimientos de difusión lateral y cambio de bicapa.
• Las proteínas periféricas interaccionan con la membrana por interacciones débiles, como electrostáticas y puentes de hidrógeno, y se liberan con cambios de pH o fuerza iónica.
• Las proteínas integrales tienen dominios transmembrana o solo integrados, y se liberan con detergentes.
• Las proteínas ancladas a lípidos se unen covalentemente a la membrana sin atravesarla, y se separan con lipasas (PLC).
• Las proteínas anfitrópicas se asocian o separan de la membrana mediante regulación, como la palmitoilación reversible.

Integrales vs Periféricas

• Las proteínas integrales atraviesan la membrana, mientras que las periféricas no.
• Las proteínas integrales pueden tener dominios transmembrana.
• Las proteínas periféricas se unen mediante enlaces iónicos a las proteínas transmembrana o a la cabeza polar de los fosfolípidos.
• Las proteínas periféricas se localizan en la cara citosólica o exoplasmática e incluyen enzimas y proteínas de unión estructural que anclan el citoesqueleto.

Proteínas Integrales

• También llamadas proteínas transmembrana; constituyen aproximadamente el 70-80% de las proteínas totales de la membrana.
• Atraviesan una bicapa fosfolipídica y se componen de tres segmentos: dominio citosólico, dominio transmembrana y dominio exoplasmático.
• Los dominios citosólico y exoplasmático tienen superficies exteriores hidrófilas.
• El dominio transmembrana contiene muchos aminoácidos hidrófobos y consta de una o más hélices α.
• La mayoría de las proteínas transmembrana están glucosiladas, y las cadenas de azúcares se localizan siempre en los dominios exoplasmáticos.

Proteínas Ancladas a Lípidos

• Se unen covalentemente a las colas de los lípidos que forman la bicapa.
• La cadena polipeptídica no entra en la bicapa fosfolipídica
• Son proteínas que han sufrido una modificación post-traduccional consistente en la unión covalente de un lípido que puede ser un ácido graso, un derivado isoprénico o un ancla GLUCOSIL FOSFATIDIL INOSITOL (GPI).
• Las proteínas unidas a anclas GLUCOSIL FOSFATIDIL INOSITOL SIEMPRE están en la cara externa.

Balsas Lipídicas (Lipid rafts)

• Son microdominios de la membrana plasmática más gruesos y rígidos.
• Constituidos por agrupaciones pequeñas (10-50nm) de esfingolípidos y colesterol en la hoja externa, enriquecidas con proteínas específicas.
• Su función es la señalización y recepción celular.
• Son transitorias, duran unos pocos segundos.
• Composición:
  • Esfingolípidos: 14%
  • Colesterol: 32%
  • Glucoproteínas
  • Proteínas unidas por GPI

Proteínas de Membrana Integrales según su Función

• Transportadores
• Anclajes
• Receptores
• Enzimas
• Estructurales

Funciones Específicas de las Proteínas de Membrana

• Bombas: Transportan activamente iones como Na+ a través de las membranas.
• Canales: Permiten el paso de iones y moléculas pequeñas a través de la membrana plasmática en ambas direcciones (difusión pasiva).
• Transportadoras o Carriers: Permiten el paso de moléculas pequeñas a través de la membrana plasmática en ambas direcciones (difusión pasiva) sin requerir energía.
• Proteínas Receptoras: Permiten el reconocimiento y fijación localizada de ligandos.
• Proteínas de Anclaje: Fijan el citoesqueleto intracelular a la matriz extracelular (ej.: integrinas).
• Enzimas: Desempeñan funciones específicas como el bombeo de iones (ATPasas) o la síntesis de ATP.
• Proteínas Estructurales: Se concentran en regiones específicas de la membrana plasmática para funciones específicas (ej.: células epiteliales polarizadas).