Tema 2: Estructura y composición de las membranas

• Tema 2 resume la estructura y composición química de las membranas celulares
• Características generales, estructura y regulación de la fluidez de la membrana plasmática se analizan en la Parte I

Estructura y Composición

• La membrana plasmática tiene un grosor de 75 Å y delimita la célula separándola del entorno.
• 1 Å equivale a 0.1 nm o 10^-4 µm.
• El tetróxido de osmio se utiliza para resaltar las cabezas polares de los lípidos anfipáticos en microscopía electrónica, creando una imagen similar a "vías de tren"
• Membrana sencilla se encuentran en los Endosomas, Microsomas, Peroxisomas, RE
• Doble membrana se encuentran en el núcleo Mitocondria, Cloroplastos
• La membrana plasmática es sencilla y esta recubriendo los lisosomas

Propiedades Físicas de las Membranas

• Las membranas son laminares con dos capas de moléculas: hoja citosólica y exoplasmática.
• Las membranas son flexibles permitiendo cambios de forma y movimientos celulares.
• Las membranas forman compartimentos cerrados.
• Poseen propiedades autosellantes, permitiendo la fusión entre membranas en procesos de endocitosis, exocitosis y división celular.
• Son selectivamente permeables a solutos polares, reteniendo compuestos y excluyendo otros.
• Las membranas participan activamente en el transporte, metabolismo y transducción de señales.
• La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente.
• La estructura de la membrana es fluida, representando el modelo de mosaico fluido.

Funciones de la Membrana

• Define el espacio intra y extracelular, delimitando compartimentos.
• Controla el paso de sustancias por permeabilidad selectiva y transporte.
• Facilita la comunicación intercelular.
• Recibe y transmite señales mediante receptores.
• Produce y modula gradientes electroquímicos.

Permeabilidad Selectiva

• Las bicapas lipídicas que forman la membrana son selectivas en su permeabilidad.
• Los gases como CO2, NH2 y O2 son permeables.
• Moléculas pequeñas polares sin carga como el Etanol son permeables
• Moléculas polares pequeñas como el Urea y el agua son semi-permeables
• Las moléculas polares grandes y sin carga no pasan
• Los iones no pueden atravesar la membrana

Estudios de la Estructura de la Membrana Plasmática

• Overton (1890) identificó la naturaleza lipídica de la membrana.
• Gorter y Grendel (1925) propusieron el modelo de bicapa lipídica.
• Davson y Danielli (1935) sugirieron la presencia de una lámina de proteínas junto a la bicapa lipídica.
• Singer y Nicolson (1972) propusieron el modelo de mosaico fluido.
• Criofractura: revela dos hojas con proteínas integrales en la ultraestructura de la membrana
• Mosaico fluido: bicapa lipídica con proteínas insertadas que pueden moverse y cambiar propiedades.
• Las membranas son asimétricas en la distribución de glúcidos, presentes solo en la cara externa y composición de lípidos.
• Experimentos FRAP: demuestran que las membranas son fluidas

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.
• Asimetría en las estructuras de las membranas
• Proteínas: especificas en la hoja externa e interna
• Lípidos: especificos según la cara externa y citoplasmática
• La proporción de los lípidos es diferente segun los tipos celulares, orgánulos y especies

Lípidos de Membrana

• Fosfoglicéridos, esfingolípidos (incluyendo fosfoesfingolípidos y glucoesfingolípidos) y esteroides (colesterol/fitoesteroles)

Asimetría de los Lípidos

• Los lípidos de la membrana plasmática presentan una distribución asimétrica.
• Esfingomielina, glucolípidos, fosfatidilcolina , colesterol están en la hoja exoplasmática
• Fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol, colesterol se localizan en la hoja citosólica.
• Los cambios en la distribución de los lípidos están relacionados con la función biológica de la célula.

Factores Que Influyen en la Fluidez

• Composición lipídica, contenido de colesterol y temperatura
• Mayor grado de insaturación: Mayor fluidez
• Longitud de las cadenas de los ácidos grasos: menor longitud mayor fluidez
• Mayor concentración de colesterol: más rigidez.
• Mayor temperatura: Mayor fluidez
• Las insaturaciones influyen más que la longitud

El Colesterol y la Fluidez

• Poco abundante: favorece la fluidez
• Muy abundante: rigidez.
• El colesterol actúa como amortiguador de los cambios de fluidez por choques de temperatura
• Las bacterias y células vegetales poseen mecanismos de adaptación de la fluidez
• La temperatura alta disminuye la interacción entre cadenas de AG, aumentando la fluidez.
• La temperatura baja aumenta la cohesión entre moléculas, disminuyendo la fluidez.

Movimientos de los Lípidos

• Rotación, difusión lateral y flip-flop con ayuda de flipasas.

Glucocálix

• Compuesto por glúcidos, con funciones de protección, viscosidad, especificidad celular, reconocimiento celular, unión y fijación de moléculas.

Proteínas de Membrana

• Tipos y funciones: pueden ser integrales, ancladas, periféricas y anfitrópicas.
• Bombean, encausan, transportan, reciben, sintetizan y estructuran
• Integrales: bombas, canales y receptores.
• Las proteínas de membrana representan el 50% de la masa total de la membrana
• Confieren funciones específicas para cada tipo de célula
• Colocadas asimétricamente
• Glucosiladas
• La mayoría esféricas
• Tienen movimientos de difusión lateral

Tipos de Proteínas

• Periféricas: Interaccionan débilmente, influenciadas por pH o fuerza iónica.
• Integrales: Con dominios transmembrana o integradas.
• Ancladas: Se unen a lípidos por enlaces covalentes.
• Anfitrópicas: Asociadas o separadas por regulación.

Proteínas Integrales

• También conocidas como transmembrana, representan el 70-80% de las proteínas de la membrana.
• Contienen dominio citosólico, transmembrana y exoplasmático.
• El dominio transmembrana contiene aminoácidos hidrófobos.
• Las cadenas de azúcares se localizan siempre en los dominios exoplasmáticos.

Proteínas Ancladas a Lípidos

• Se unen covalentemente a las colas lipídicas
• Sufren modificación post-traduccional, uniéndose a ácidos grasos, derivados isoprenicos o anclas glycosylphosphatidylinositol (GPI).
• Los anclajes GPI siempre están en la cara externa
• Las pr ancladas a lípidos: Se encuentran siempre en la CARA INTERNA, excepto anclajes GPI
• Anclajes GPI: glucosil fosfatidil inositol se sitúan siempre en la CARA EXTERNA

Proteínas Periféricas

• No atraviesan la membrana.
• Se unen mediante enlaces iónicos a proteínas transmembrana o cabezas polares de fosfolípidos.
• Se localizan en la cara citosólica o exoplasmática.
• Incluyen enzimas y proteínas 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 enriquecidas con proteínas específicas.
• Funcionan en señalización y como receptores celulares.
• Son transitorios.
• Compuestas por: 14% esfingolípidos, 32% colesterol, glucoproteínas y proteínas unidas por GPI.

Proteínas Integrales Según su Función

• Transportadoras (transporters), anclaje (anchors), receptoras (receptors), enzimas (enzymes) y estructurales (structural)
• Bombas: transportan iones.
• Canales y transportadores (carriers): facilitan el paso de moléculas.
• Enzimas: catalizan reacciones.
• Proteínas estructurales y de anclaje al citoesqueleto: proporcionan soporte.
• Proteínas receptoras: reconocen y se unen a señales.