Membrana Plasmática: Estructura y Funciones

Membrana Plasmática

• El tema cubre la estructura, los componentes y las funciones básicas de las membranas celulares
• Se analizará la estructura y la composición química, los factores que influyen en su fluidez, el glucocálix y los tipos de proteínas presentes

Características Generales y Estructura

• La membrana plasmática es una lámina delgada de 75 Å de espesor
• Envuelve completamente la célula y la separa del medio externo

Ångström

• Es una unidad de medida de longitud equivalente a la diez mil millonésima parte del metro (0.000,000,000,1 metros)
• Su símbolo es Å
• 1 Å equivale a 1m x 10^-10, o 0,1 nm, o 10^-4 μm
• Se nombró en honor a Anders Jonas Angstrom (1814-1874)
• Fue un físico sueco

Tinción con Tetróxido de Osmio

• Tiñe las cabezas polares de los lípidos anfipáticos
• Produce un aspecto de "vía de tren" al microscopio electrónico

Orgánulos y Membranas

• Los orgánulos con membrana sencilla incluyen endosomas, microsomas y peroxisomas
• Los orgánulos con doble membrana incluyen mitocondrias, núcleo y cloroplastos (en células vegetales)
• La membrana plasmática es una membrana sencilla
• Los lisosomas también tienen una membrana sencilla

Membranas Biológicas: Propiedades Físicas

• Son estructuras laminares compuestas por dos capas de moléculas (bicapa): la hoja citosólica y la hoja exoplasmática
• Son flexibles, permitiendo cambios de forma y movimientos celulares
• Forman compartimentos cerrados, diferenciando espacios
• Son autosellantes, facilitando la fusión entre membranas (endocitosis, exocitosis, división celular)
• Son selectivamente permeables a solutos polares
• Retienen ciertos compuestos o iones dentro de las células y excluyen otros
• No son barreras pasivas
• Promueven y catalizan procesos celulares como el transporte específico de solutos, rutas metabólicas y transducción de señales
• Están polarizadas eléctricamente (potencial transmembrana)
• Son estructuras fluidas, representadas por el modelo de mosaico fluido

Permeabilidad Selectiva

• Es una característica de las bicapas lipídicas que forman las membranas biológicas

Estudios sobre la Estructura de la Membrana Plasmática

• La naturaleza lipídica de la membrana fue establecida por Overton en 1890
• La bicapa lipídica fue propuesta por Gorter y Grendel en 1925
• La bicapa lipídica con lámina de proteínas fue descrita por Davson y Danielli en 1935
• El modelo de mosaico fluido fue propuesto por Singer y Nicolson en 1972
• Es constituida por una bicapa lipídica con proteínas insertadas; lípidos y proteínas se pueden desplazar cambiando su localización y propiedades

Criofractura

• Los estudios de la ultraestructura de la membrana mediante criofractura revelan dos hojas con proteínas integrales

Mosaico Fluido (Singer y Nicholson 1972)

• La membrana es como un mosaico fluido constituido por una bicapa lipídica
• Las proteínas embebidas en ella interaccionan entre sí y con los lípidos
• La mayoría de los lípidos y proteínas pueden desplazarse lateralmente dentro del plano de la membrana
• Las membranas son asimétricas en cuanto a la distribución de glúcidos
• Los glúcidos se encuentran solo en la cara externa
• Son asimétricas en la composición de los lípidos

Fluidez de la Membrana

• La membrana es fluida, demostrado por experimentos de recuperación de fluorescencia tras decoloración (FRAP)

Asimetría de las Membranas

• Las membranas son asimétricas en la distribución de todos 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 asimétricas en cuanto a la composición de sus dos hojas
• Hay proteínas específicas de la hoja externa (glicoproteínas) y otras que se asocian a la hoja interna; algunas atraviesan ambas hojas
• Hay lípidos específicos de cada cara (externa y citoplasmática)
• La proporción de lípidos varía entre tipos celulares, orgánulos y especies

Lípidos de Membrana

• Fosfoglicéridos
• Esfingolípidos y fosfoesfingolípidos
• Glucoesfingolípidos
• Esteroides como el colesterol/fitoesteroles

Asimetría de los Lípidos en Membrana

• Los lípidos de la membrana plasmática son asimétricos en su distribución entre las dos monocapas
• Esto difiere de las proteínas de membrana, cuya asimetría es más completa
• Distribución de lípidos:
  • Medio extracelular: Esfingomielina, Fosfatidilcolina, Glucolípido, Colesterol
  • Citosol: Fosfatidilserina, Fosfatidiletanolamina, Fosfatidilinositol, Colesterol

Factores que Influyen en la Fluidez de la Membrana

• Composición lipídica, contenido de colesterol y temperatura influyen en la fluidez
• A mayor grado de insaturación de las cadenas de ácidos grasos, mayor fluidez
• A menor longitud de las cadenas de ácidos grasos, mayor fluidez
• Altos porcentajes de esfingolípidos generan una membrana más estable debido a los puentes de hidrógeno

Colesterol y Fluidez

• Si hay poco colesterol se favorece la fluidez
• Si hay mucho colesterol esto aumenta la rigidez e impide el movimiento
• El colesterol actúa como amortiguador de los cambios de temperatura

Adaptación a la Temperatura

• Solo las bacterias y las células vegetales poseen mecanismos de adaptación de la fluidez de la membrana a los cambios de temperatura exterior por cambios en la composición lipídica

Efecto de la Temperatura sobre la Fluidez

• A temperatura alta, se disminuye la interacción entre las cadenas de AG (fase cristal líquido), aumentando la fluidez
• A temperatura baja (agitación térmica muy pequeña), aumenta la cohesión entre las moléculas (fase de gel), disminuyendo la fluidez

Movimientos de los Lípidos

• Rotación sobre su propio eje
• Difusión lateral
• Flip-flop: movimiento de una monocapa a otra (mediado por flipasas)

Glucocálix

• Está compuesto por glúcidos en la membrana responsables de muchas funciones
• Funciones:
  • Protección frente a enzimas proteolíticas y lesiones
  • Facilitación del movimiento mediante la viscosidad
  • Especificidad celular (sistema ABO)
  • Reconocimiento celular (desarrollo embrionario y diferenciación)
  • Lugar de unión y fijación de bacterias, virus y moléculas transportadas por endocitosis

Proteínas de Membrana

• Tipos según estructura: integrales, ancladas, periféricas, anfitrópicas
• Tipos según función: bombas, canales, carriers, receptores, enzimas, anclaje y estructurales

Proteínas Integrales

• Bombas
• Canales
• Receptores

Características de las Proteínas de Membrana

• Suponen alrededor del 50% de la masa total de la membrana
• Confieren funciones específicas y son características de cada especie
• Se colocan de forma asimétrica en la bicapa lipídica
• La mayoría son globulares
• Poseen movimientos de difusión lateral y cambio de bicapa

Tipos de Proteínas

• Proteínas periféricas
• Interaccionan con la membrana por interacciones débiles (se liberan por cambios de pH o fuerza iónica)
• Electrostáticas y puentes de H
• Interacciones anfipáticas/hidrofóbicas
• Asociadas a proteínas integrales de membrana
• Proteínas integrales
• Tienen dominios transmembrana o están solo integradas
• Se liberan con detergentes
• Proteínas ancladas
• Unidas a lípidos de la membrana sin atravesar la bicapa -Se consideran integrales por enlaces covalentes (separables por lipasas, PLC)
• Proteínas anfitrópicas
• Se asocian o separan de la membrana mediante regulación (ej. palmitoilación reversible)

Tipos de Proteínas Integrales y Ancladas a Lípidos

• Proteínas integrales transmembrana
• Proteínas periféricas
• Proteínas unidas a lípidos

Proteínas Integrales: Características Adicionales

• Se denominan también proteínas transmembrana y constituyen aproximadamente el 70-80% de las proteínas totales de la membrana
• Atraviesan una bicapa fosfolipídica y tienen tres segmentos dominio citosólico, dominio transmembrana, dominio exoplasmático
• Los dominios citosólicos y exoplasmáticos tienen superficies exteriores hidrófilas
• El dominio transmembrana contiene muchos aminoácidos hidrófobos y hélice α
• La mayoría de las proteínas transmembrana son glucosiladas y sus cadenas de azúcares se localizan siempre en los dominios exoplasmáticos

Proteínas Ancladas a Lípidos

• Se unen a las colas de los lípidos mediante un enlace covalente
• 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
• Lípidos: ac. graso, derivado isoprénico, y glucosil fosfatidil inositol (GPI)
• Las proteínas unidas a GPI siempre se encuentran en la cara externa

Proteínas Periféricas

• No atraviesan la membrana
• Se unen por enlaces iónicos (débiles) a las proteínas transmembrana oa la cabeza polar de los fosfolípidos
• Se localizan en la cara citosólica o en la exoplasmática
• Incluyen enzimas y algunas proteínas estructurales que anclan el citoesqueleto a la membrana

Balsas Lipídicas (Lipid Rafts = Microdominios)

• Región de la membrana más gruesa y rígida
• Compuestas por agrupaciones de esfingolípidos y colesterol en la hoja externa
• Enriquecidas con proteínas específicas para función de señalización y como receptores celulares
• Composición: esfingolípidos (14%), colesterol (32%), glucoproteínas y proteínas unidas por GPI

Proteínas Integrales de Membrana (Según su Función)

• Transportadoras
• Anclaje
• Receptoras
• Enzimas
• Estructural
• Según su función, las proteínas integrales pueden ser bombas, canales y transportadores (carriers), enzimas, proteínas estructurales y de anclaje al citoesqueleto, o proteínas receptoras