Membrana Plasmática y Membranas Celulares

Membrana Plasmática y Membranas Celulares, Parte I

• La membrana plasmática es una lámina delgada que envuelve las células
• El grosor de la membrana es de 75 Å (Angstroms)
• La membrana separa la célula del medio externo

Ångström

• Es una unidad de medida de longitud
• 1 Å equivale a la diezmilmillonésima parte de un metro, o sea, 0.000,000,000,1 metros
• El símbolo de Ångström es Å, la letra sueca
• 1 Å es igual a 1m x 10^-10, que a su vez es igual a 0.1 nm o 10^-4 μm
• Anders Jonas Ångström (1814-1874) fue un físico sueco que dio nombre a la unidad

Tinción con Tetróxido de Osmio

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

Orgánulos y sus Membranas

• Membrana sencilla: Endosomas, Microsomas, Peroxisomas, Lisosomas
• Doble membrana: Mitocondria, Núcleo, Cloroplasto (vegetales)

Propiedades Físicas de las Membranas Biológicas

• Estructuras laminares compuestas de dos capas de moléculas (bicapa): hoja citosólica y hoja exoplasmática
• Flexibles, permiten cambios de forma y movimiento celular
• Forman compartimentos cerrados que diferencian espacios
• Autosellantes, facilitando la fusión entre membranas como en la endocitosis, exocitosis y división celular
• Selectivamente permeables, retienen ciertos solutos polares y excluyen otros
• Promueven y catalizan procesos celulares como el transporte de solutos, rutas metabólicas y transducción de señales
• La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente, generando un potencial transmembrana
• Estructuras fluidas según el modelo de mosaico fluido

Funciones de la Membrana

• Definir el espacio intracelular/extracelular
• Delimitar compartimentos intracelulares
• Controlar el paso de sustancias (permeabilidad selectiva, transporte)
• Comunicación intercelular
• Recibir y transmitir señales extracelulares mediante receptores
• Producir, modular y conservar gradientes electroquímicos

Permeabilidad Selectiva

• Es una característica de las bicapas lipídicas

Estudios sobre la Estructura de la Membrana Plasmática

• Naturaleza lipídica (Overton, 1890)
• Bicapa lipídica (Gorter y Grendel, 1925)
• Bicapa lipídica + lámina de proteínas (Davson y Danielli, 1935)
• Modelo de mosaico fluido (Singer y Nicolson, 1972):
  • Constituida por una bicapa lipídica con proteínas insertadas
  • Lípidos y proteínas pueden desplazarse, cambiando su localización y modificando las propiedades de la membrana

Ultraestructura de la Membrana por Criofractura

• Dos hojas + proteínas integrales (HOJA E y HOJA P)

Modelo de Mosaico Fluido (Singer y Nicholson, 1972)

• La membrana es como un mosaico fluido formado por una bicapa lipídica
• Las proteínas interactúan entre sí y con los lípidos
• Lípidos y proteínas pueden desplazarse lateralmente en el plano de la membrana
• Las membranas son asimétricas en la distribución de glúcidos y en la composición de lípidos

Composición Molecular de la Membrana

• Lípidos: 43% en eritrocito humano, 52% en hígado de ratón
• Proteínas: 49% en eritrocito humano, 44% en hígado de ratón
• Glúcidos: 8% en eritrocito humano, 4% en hígado de ratón
• Las membranas son asimétricas en la composición de sus hojas
• Hay lípidos específicos en cada cara (externa y citoplasmática)
• La proporción de lípidos varía según el tipo celular, orgánulo y especie

Lípidos de Membrana

• Fosfoglicéridos
• Esfingolípidos y Fosfoesfingolípidos
• Glucoesfingolípidos
• Esteroides (colesterol/fitoesteroles)

Asimetría de los Lípidos

• Los lípidos de la membrana plasmática se distribuyen asimétricamente entre las monocapas
• La asimetría no es total a diferencia de las proteínas de membrana
• Los cambios en la distribución de lípidos están relacionados con la función de la célula u orgánulo

Factores que Influyen en la Fluidez

• Composición lipídica
• Contenido en colesterol
• Temperatura
• 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 mb más estables (OH de esfingosina puentes de H)
• Mayor concentración de colesterol resulta en más rigidez
• Mayor temperatura resulta en mayor fluidez

Efecto del Colesterol

• Actúa como amortiguador de los cambios de fluidez por temperatura
• Cuando la temperatura aumenta, reduce la movilidad conformacional
• Cuando la temperatura disminuye, dificulta la interacción entre cadenas de ácidos grasos
• Bacterias y células vegetales poseen mecanismos de adaptación de la fluidez mediante cambios en la composición lipídica.

Efecto de la Temperatura

• A temperatura alta disminuye la interacción entre cadenas de ácidos grasos, aumentando la fluidez
• A temperatura baja aumenta la cohesión entre moléculas, disminuyendo la fluidez

Movimientos de los Lípidos

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

Glucocálix

• Compuesto por glúcidos
• Responsable de muchas funciones: protección, viscosidad (facilitando el movimiento), especificidad celular (sistema ABO), reconocimiento celular (desarrollo embrionario, diferenciación) y lugar de unión y fijación de bacterias, virus y moléculas a transportar por endocitosis.

Tipos y Funciones de Proteínas de Membrana

• Según su estructura: integrales, ancladas, periféricas, anfitrópicas
• Según su función: bombas, canales, carriers, receptores, enzimas, anclaje y estructurales
• Proteínas integrales: bombas, canales, receptores

Proteínas de Membrana Características

• Suponen el 50% de la masa total de la membrana
• Confieren funciones específicas
• 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 por interacciones débiles (electrostáticas, puentes de H, anfipáticas/hidrofóbicas), asociadas a proteínas integrales.
• Proteínas integrales: dominios transmembrana o sólo integradas (se liberan con detergentes)
• Proteínas ancladas a lípidos: unidas covalentemente, consideradas integrales (separables con lipasas, PLC)
• Proteínas anfitrópicas: se asocian o separan mediante regulación (palmitoilación reversible)

Proteínas Integrales

• Transmembrana, constituyen 70-80% de las proteínas de la membrana
• Tres segmentos: dominio citosólico, transmembrana y exoplasmático
• Dominios citosólicos y exoplasmáticos hidrófilos
• Dominio transmembrana con aminoácidos hidrófobos y hélices α
• Mayormente glucosiladas con azúcares en los dominios exoplasmáticos

Proteínas Ancladas a Lípidos

• Se unen covalentemente a las colas de los lípidos.
• La cadena polipeptídica no entra en la bicapa fosfolipídica
• Sufren modificación post-traduccional
• El lípido puede ser:
  • Ac. graso: Miristoilación, Palmitoilación,
  • Derivado isoprénico: (farnesilación, prenilación)
  • Anclas GLUCOSIL FOSFATIDIL INOSITOL (GPI), siempre en la cara externa.

Proteínas Periféricas

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

Balsas Lipídicas (Lipid Rafts)

• Microdominios de la membrana plasmática, más gruesos y rígidos.
• Agrupaciones pequeñas (10-50nm) de esfingolípidos y colesterol en la hoja externa.
• Proteínas específicas con función de señalización y receptores celulares.
• Transitorias.
• Composición: Esfingolípidos (14%), Colesterol (32%), Glucoproteínas, Proteínas unidas por GPI.

Proteínas Integrales Según su Función

• Bombas
• Canales y transportadores (carriers)
• Enzimas
• Proteínas estructurales y de anclaje al citoesqueleto
• Proteínas receptoras

Funciones Específicas de Proteínas de Membrana

• Bombas: Transportan activamente iones y precursores metabólicos.
• Canales: Facilitan el paso de iones y moléculas pequeñas pasivamente.
• Transportadores o Carriers: Facilitan el paso de moléculas pequeñas pasivamente, con cambios conformacionales.
• Proteínas Receptoras: Reconocen y fijan ligandos.
• Proteínas de Anclaje al Citoesqueleto: Fijan el citoesqueleto a la matriz extracelular (ej. integrinas).
• Enzimas: Funciones diversas, como ATPasas en el bombeo de iones.
• Proteínas Estructurales: Se concentran en regiones específicas de la membrana, como en células epiteliales.