Resistencia y Elasticidad de la Membrana Plasmática

Resistencia y Elasticidad de la Membrana

• La membrana plasmática (MP) resiste fuerzas de deformación, compresión y estiramiento gracias a las proteínas integrales asociadas a una red de proteínas periféricas llamada esqueleto de membrana.
• El esqueleto de membrana del eritrocito incluye: espectrina, actina F/tropomiosina, anquirina, banda 4.1 y otras proteínas.
• Espectrina: Proteína heterodimérica fibrosa de 100 nm, dos se asocian para formar un filamento de 200 nm.
• Actina F/Tropomiosina: La actina F es un componente principal del citoesqueleto, regulada por tropomiosinas.
• Anquirina: Proteína globular que une el filamento de espectrina a proteínas integrales de la MP, como la banda 3.
• Banda 4.1: Proteína globular que une el filamento de espectrina con complejos de actina F/tropomiosina y proteínas integrales como la glucoforina.
• El esqueleto de membrana se sujeta a proteínas integrales transmembranosas como la banda 3 y la glucoforina.
• Banda 3: Intercambiador de cloruro/bicarbonato (Cl-/HCO3-), homodimérica con 12 pasos transmembrana por subunidad, glicoproteína con oligosacáridos (6-8% de su masa) a la que se une la anquirina.
• Glucoforina: Proteína homodimérica unipaso, une complejos de actina F/tropomiosina, con 16 oligosacáridos (60% de su masa) ricos en ácido siálico (SiA) de carga negativa, que ayudan a repeler los eritrocitos entre sí. Isoformas principales: glucoforina A (GPA) y glucoforina C (GPC).
• En miocitos, la distrofina puede reemplazar a la espectrina.
• El esqueleto de membrana forma patrones hexagonales en el lado citoplasmático.

Permeabilidad de la Membrana

• Es la capacidad de una membrana de ser atravesada por partículas (agua y solutos).
• Las membranas celulares son semipermeables (selectivas), permiten el paso de ciertas partículas e impiden el de otras.
• Existe una diferencia de concentración de solutos dentro y fuera de la célula llamada gradiente químico o electroquímico (si el soluto es un ion).
• En fibroblastos, hay alta concentración extracelular de glucosa, Na+, Cl- y Ca2+, y alta concentración intracelular de K+, Mg2+ y H+.
• Estos gradientes pueden variar en diferentes tipos celulares.
• Difusión: Flujo neto de partículas de una región de alta concentración a una de baja concentración, impulsado por la energía cinética.
• Movimiento a favor de gradiente: De alta a baja concentración.
• Movimiento en contra de gradiente: De baja a alta concentración.
• Flujo neto: Desequilibrio entre la entrada (aflujo) y la salida (eflujo).
• Diálisis: Difusión de solutos a través de una membrana.
• Ósmosis: Desplazamiento neto de agua a través de una membrana debido a la diferente concentración de solutos no permeables.
• Medio Hipertónico: Mayor concentración de soluto fuera de la célula, el agua sale y la célula se deshidrata.
• Medio Hipotónico: Menor concentración de soluto fuera de la célula, el agua entra y la célula sufre edema.
• Medio Isotónico: Igual concentración de soluto dentro y fuera de la célula, el flujo neto de agua es cero y el volumen celular no cambia.
• Las células con pared están protegidas del edema osmótico, pero no de la deshidratación (plasmólisis: la MP se despega de la pared).
• Los mecanismos de permeabilidad se clasifican en pasivos y activos.

Mecanismos de Permeabilidad Pasiva

• No consumen energía celular, aprovechan la energía cinética de las partículas.
• Incluyen: difusión simple, difusión de agua mediada por acuaporinas, difusión mediada por canales iónicos y difusión facilitada por transportadores (permeasas).

Difusión Simple a Través de la Bicapa de Lípidos

• Las partículas se cuelan entre los lípidos de la bicapa sin participación de proteínas.
• Requiere partículas apolares (O2, CO2, cafeína, benceno) o polares muy pequeñas y sin carga (agua, etanol).
• Es un mecanismo lento, permite el paso de decenas o centenas de partículas por segundo.
• La penetrancia se mide con el coeficiente de partición octanol/agua; mayor el índice, mayor la probabilidad de atravesar la bicapa.

Difusión de Agua Mediada por Acuaporinas

• Las acuaporinas (AQP) son proteínas integrales homotetraméricas que forman canales para el paso de agua.
• Es el mecanismo más veloz, alcanza 4 mil millones de moléculas de agua por segundo (1 mil millones por subunidad).
• Los grupos carbonilos en la pared del conducto forman puentes de hidrógeno con las moléculas de agua.
• El canal se ensancha a mitad de trayecto, interrumpiendo los puentes de hidrógeno y evitando el paso de protones (H+).
• AQP-2 en células tubulares renales colectoras se hallan en vesículas que se unen a la MP solo si la vasopresina se une a su receptor.
• Mutaciones de AQP-2 provocan diabetes insípida.

Difusión Mediada por Canales Iónicos

• Los canales iónicos son proteínas integrales que permiten el paso específico de iones a favor de su gradiente electroquímico, con un ritmo de millones por segundo.
• Categorías principales:
  • Canales de fuga: Generalmente abiertos, se cierran por modificación enzimática covalente (fosforilación).
  • Canales dependientes de ligando: Generalmente cerrados, se abren al unirse un ligando (extracelular como neurotransmisores, o intracelular como cAMP o cGMP).
  • Canales dependientes de voltaje: Generalmente cerrados, se abren por cambios en el voltaje (potencial eléctrico) de la MP, captados por una porción sensora.
  • Canales mecanoactivados: Generalmente cerrados, con una tapa unida al citoesqueleto o la MEC; se abren al aplicar una fuerza que estira la tapa.

Difusión Facilitada por Transportadores

• Depende de transportadores facilitadores (antes permeasas), proteínas integrales que sufren un cambio conformacional basculante.
• Los transportadores son específicos y saturables, permiten el paso de moléculas polares como monosacáridos o aminoácidos.
• La familia GLUT transporta glucosa, generalmente permitiendo la entrada neta de Glc (excepto GLUT-2 en la membrana basal del enterocito, donde predomina la salida).
• Tienen un estado abierto hacia el MEC, un estado cerrado y un estado abierto hacia el MIC.
• GLUT-4 en células musculares y adiposas se hallan en vesículas que se unen a la MP solo si la insulina se une a su receptor.
• El déficit de insulina o mutaciones en su receptor provocan diabetes mellitus.

Estructura de los Canales Iónicos

• Tres canales iónicos bien estudiados: canal de K+ bacteriano dependiente de voltaje (KcsA), canal de K+ eucariota dependiente de voltaje (Kv) y canal de Na+ eucariota dependiente de acetilcolina.

Canal de K+ Bacteriano Dependiente de Voltaje (KcsA)

• Proteína integral homotetramérica con cuatro subunidades que rodean un canal central para la salida de K+.
• Tiene surcos para alojar el lípido fosfatidil-glicerol (PG) entre las subunidades.
• Cada subunidad tiene:
  • Hélice M1: Transmembranosa, soporte estructural.
  • Región al azar: Conecta M1 con la hélice P.
  • Hélice P: Sumergida en la hoja E de la bicapa.
  • Otra región al azar: Conecta la hélice P con la hélice M2, contiene el filtro de selectividad (secuencia GYGVT).
  • Hélice M2: Transmembranosa, con una bisagra flexible de Gly que actúa como compuerta, sensible al pH (cerrada a pH 6.5, abierta a pH 3.5).

El Canal de K+ Eucariota Dependiente de Voltaje (Kv)

• Proteína integral homotetramérica con cuatro subunidades que rodean un canal central para la salida de K+.
• Tiene una porción intermembranosa y una porción citosólica.
• La porción intramembranosa tiene:
  • Hélices S1, S2, S3 y S4: Conectadas por regiones al azar, forman el dominio sensor de voltaje; la hélice S4 es rica en Arg y Lys, detecta variaciones de voltaje.
  • Hélice S5: Transmembranosa, homóloga a la M1 del canal KcsA.
  • Región al azar: Conecta la hélice S5 con la hélice P.
  • Hélice P: Sumergida solo en la hoja E de la bicapa, homóloga a la del KcsA.
  • Otra región al azar: Conecta la hélice P con la hélice S6, contiene el filtro de selectividad.
  • Hélice S6: Transmembranosa, con una bisagra flexible PVP que actúa como compuerta, sensible a variaciones de [Na+] y [K+].
• Las hélices S5 a S6 constituyen el dominio poro del canal.
• La porción citosólica tiene:
  • Un tallo largo (dominio T1) que se une a un péptido β con una cola terminada en una hélice tapón rica en Asp y Glu.
  • Los péptidos β forman una masa citosólica con "tentáculos".
  • La masa citosólica está unida a la intramembranosa por tallos (dominios T1) separados por ventanas.

Estados Funcionales Cíclicos del Canal Kv

• Cerrado: Las cuatro bisagras PVP de las S6 hacen contacto entre sí (en neuronas, a -70mV).
• Abierto: Las bisagras PVP se separan al variar el voltaje de la MP.
• Desactivado: Un péptido de desactivación atraviesa una ventana y tapona la boca citosólica del canal.

Canal de Na+ Eucariota Dependiente de Acetil-Colina (Receptor Nicotínico de ACh)

• Proteína integral heteropentamérica con dos subunidades α, una β, una γ y una ε.
• Las cinco subunidades rodean un canal central para la entrada de Na+.
• Las subunidades α tienen sitios receptores de acetilcolina (ACh) en su dominio extracelular.
• La unión de ACh al canal lo pasa a su estado abierto.