Tema 2.1 Biología Celular - Membranas Celulares PDF

TEMA 2: LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y LA SUPERFICIE CELULAR Generalidades Composición Propiedades Funciones Cubierta celular Organización molecular Modelos Transporte de moléculas Matriz extracelular Uniones celulares...

TEMA 2: LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y LA SUPERFICIE CELULAR Generalidades Composición Propiedades Funciones Cubierta celular Organización molecular Modelos Transporte de moléculas Matriz extracelular Uniones celulares Comunicación celular MEMBRANAS CELULARES - Cruciales para la vida de la célula. - La membrana plasmática rodea a la célula y define los límites celulares. - Los compartimentos celulares están delimitados por membranas biológicas. - Mantienen las diferencias entre el contenido del citosol y el medio extracelular, así como entre el interior de los orgánulos celulares y el citosol. - Muchas de las funciones de las células son llevadas a cabo por las membranas. https://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-membranes-14052567/  LA MEMBRANA PLASMÁTICA - J.D. Robertson a finales de los años 50 observó por primera vez la membrana gracias a la microscopía electrónica. - Estructura trilaminar →Unidad de membrana - Espesor de aproximadamente 5-10 nm. - Formada por lípidos, proteínas y glúcidos. - Los lípidos constituyen la base estructural y son los responsables de la mayoría de las propiedades de la Eckert Animal Physiology. Randal y cols. 5ª ed. (2002) membrana. - Las proteínas son las responsables de la mayoría de las funciones de la membrana. - Los glúcidos tienen funciones de reconocimiento y protección.  COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS http://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/3-membrana_celular.php Becker 6ª Ed.  LÍPIDOS DE MEMBRANA Fosfoglicéridos Fosfolípidos Fosfoesfingolípidos Lípidos de o Esfingolípidos membrana Esfingomielinas Glucoesfingolípidos o Esteroles Glucolípidos  FOSFOGLICÉRIDOS - Ésteres de glicerol y ácidos grasos - Precursor → ácido fosfatídico - Glicerol + 2 ácidos grasos + fosfato + alcohol - Colas hidrofóbicas formadas por ácidos grasos de 12 a 20 átomos de carbono que pueden presentar insaturaciones. Lehninger 6ª Ed. Alberts 6ª Ed. ÁCIDOS GRASOS Becker 6ª Ed.  PLASMALÓGENOS - Fosfoglicéridos con un enlace éter. - Presentes en todos los organismos en proporción variable según el tipo celular. - Muy abundantes en la mielina y en tejido cardiaco. - Papel importante en la fluidez, grosor y curvatura de la membrana. - Protegen la membrana del estrés oxidativo Lehninger 6ª Ed.  LÍPIDOS DE MEMBRANA Fosfoglicéridos Fosfolípidos Fosfoesfingolípidos Lípidos de o Esfingolípidos membrana Esfingomielinas Glucoesfingolípidos o Esteroles Glucolípidos  ESFINGOLÍPIDOS - Se forman a partir de la esfingosina (aminoalcohol de 18C insaturado) - Un ácido graso unido, por un enlace amida, a la esfingosina forma la ceramida. - La ceramida es la base estructural de todos los esfingolípidos. - Se diferencian en su cabeza polar. Fosfoesfingolípidos (Phospho-alcohol) o Esfingomielinas (Monosaccharide) Cerebrósidos Glucoesfingolípidos o Globósidos Glucolípidos Gangliósidos Glc: glucosa; Gal: galactosa; GalNac: N-acetil-galactosamina; Neu5Ac: ácido N-acetil-neuramínico (ácido sialico). Lehninger 6ª Ed.  GLUCOLÍPIDOS - Distribución asimétrica (monocapa no citosólica) - Presentes en todas las células - 5% de los lípidos de la monocapa externa - Abundantes en la membrana de neuronas (5-10%) - Autoasociación → balsas lipídicas - Funciones de protección en células epiteliales, reconocimiento celular, señalización celular, determinantes de grupo sanguíneo, inmunidad… Balsas lipídicas Grupos sanguíneos  LÍPIDOS DE MEMBRANA Fosfoglicéridos Fosfolípidos Fosfoesfingolípidos Lípidos de o Esfingolípidos membrana Esfingomielinas Glucoesfingolípidos o Esteroles Glucolípidos  ESTEROLES COLESTEROL - 25-30% de los lípidos de la membrana plasmática - Regula la fluidez y la permeabilidad de la membrana - Restringe el movimiento aleatorio de las cabezas lipídicas - Poco abundante en las membranas de los orgánulos Becker 6ª Ed. Lodish 8ª Ed. Alberts 6ª Ed.  COMPOSICIÓN LIPÍDICA DE DIFERENTES MEMBRANAS La composición lipídica varía según el tipo celular y el tipo de membrana. Alberts 6ª Ed.  LA BICAPA LIPÍDICA La formación de las bicapas lipídicas se debe a: Propiedades: - Que los lípidos de membrana son moléculas anfipáticas o anfifílicas Hidrofobicidad - La forma de las moléculas lipídicas Fluidez - Las interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrofóbicas Asimetría - Los enlaces de hidrógeno y las atracciones electroestáticas entre cabezas Grosor hidrofílicas de los lípidos y la solución acuosa Flexibilidad y reparación Permeabilidad selectiva Funciones: Base estructural de las membranas Responsable de las propiedades de la membrana Anclaje de proteínas de membrana Protección Reconocimiento Comunicación celular Lodish 8ª Ed. Alberts 6ª Ed. HIDROFOBICIDAD DE LA BICAPA LIPÍDICA Alberts 6ª Ed.  FLUIDEZ DE LA BICAPA LIPÍDICA Depende de: - Longitud de los ácidos grasos. A mayor longitud menor fluidez. - Nivel de insaturación (dobles enlaces). La presencia de insaturaciones implica mayor fluidez. - Temperatura de transición o de cambio de fase (Tm). La membrana es más fluida a altas temperaturas y menos a bajas temperaturas. Insaturado Saturado Lehninger 6ª Ed. Becker 6ª Ed.  FLUIDEZ DE LA BICAPA LIPÍDICA Por debajo de la Tm el colesterol desorganiza el empaquetado de los ácidos grasos Aumenta la fluidez Por encima de la Tm el colesterol restringe el movimiento de los ácidos grasos Disminuye la fluidez Becker 6ª Ed.  MOVIMIENTOS DE LOS FOSFOLÍPIDOS EN LA MEMBRANA Escramblasa Becker 6ª Ed. Alberts 6ª Ed. https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/3-propiedades2.php  ASIMETRÍA DE LA BICAPA LIPÍDICA Glycolipids Cholesterol https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/3-lipidos-c.php Modificado de Lehninger 6ª Ed. Alberts 5ª Ed.  GROSOR DE LA BICAPA LIPÍDICA Insaturaciones Lípidos Microdominios de membrana PC: Phosphatidylcholine SM: Sphingomyelin Alberts 6ª Ed. https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/ampliaciones/3-modelo-membrana.php Lodish 8ª Ed.  FLEXIBILIDAD Y REPARACIÓN DE LA BICAPA LIPÍDICA La curvatura de la membrana depende de la morfología de los lípidos que las forman Las membranas pueden romperse y repararse La flexibilidad de las membranas depende de los lípidos Lodish 8ª Ed.  PERMEABILIDAD SELECTIVA DE LA BICAPA LIPÍDICA O2 Estradiol CO2 H2O Urea Glucosa Sacarosa Na+ Ca2+ Cl- Alberts 6ª Ed.  PROTEÍNAS DE MEMBRANA Transmembrana (1,2,3) 65% INTEGRALES Asociadas a una monocapa (4) (Extracción fuerte: PROTEÍNAS detergentes) Unidas covalentemente a lípidos (5,6) DE MEMBRANA Unidas no covalentemente a lípidos PERIFÉRICAS25% (Extracción suave: Unidas no covalentemente a proteínas (7,8) cambios de pH o de fuerza iónica) - Las proteínas de membrana tienen una orientación específica, lo que confiere propiedades distintas a las dos caras de la membrana (asimetría). - La estructura molecular y la orientación de las proteínas de membrana son cruciales para sus funciones específicas. Alberts 6ª Ed. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Lodish 8ª Ed.  CRIOFRACTURA PARA ESTUDIAR LA MEMBRANA Observación con Microscopio Electrónico de Transmisión Becker 6ª Ed. https://www.nature.com/articles/nprot.2007.55  GLUCOPROTEÍNAS - Las glucoproteínas son proteínas glucosiladas. - Muchas proteínas transmembrana son glucoproteínas. - Los oligosacáridos están unidos covalentemente a aminoácidos de la región no citosólica de la proteína. Monosacáridos frecuentes en Dos tipos de glucosilación: glucoproteínas: N-glucosilación O-glucosilación Alberts 6ª Ed. Becker 6ª Ed. Karp 6ª Ed.  TRASTORNOS CONGÉNITOS DE LA GLICOSILACIÓN Defectos en la glicosilación causan diversas enfermedades que afectan a múltiples sistemas del organismo. https://www.nature.com/articles/s41436-019-0647-2  PROTEOGLUCANOS - Macromoléculas. - Proteína con glucosaminoglucanos unidos covalentemente. - La mayor parte de la molécula está formada por glucosaminoglucanos. - Los glucosaminoglucanos son polímeros lineares formados por repeticiones de unidades de disacáridos (N-acetil-glucosamina o N-acetilgalactosamina + Ácido urónico). Algunos monosacáridos pueden estar sulfatados. - Ejemplos de glucosaminoglucanos: heparan sulfato, condroitin sulfato… - Presentan muchas cargas negativas. - Pueden ser transmembrana (sindecanos) o anclados covalentemente a lípidos (glipicanos). - Papel en señalización actuando como receptor o correceptor, interacción con la matriz extracelular… GlcNAc: N-acetil-glucosamina GlcA: Ácido glucurónico GlcNS: N-sulfato-glucosamina IdoA: Ácido idurónico Lehninger 6ª Ed.  PROTEÍNAS UNIDAS COVALENTEMENTE A LÍPIDOS Acilación: ácidos grasos Prenilación: Anclaje GPI: Glucosilfosfatidilinositol grupo prenilo Medio extracelular Ocurre en el Retículo Endoplasmático Ácido mirístico Ácido palmítico Ocurre en el citoplasma Citoplasma Alberts 6ª Ed.  PROTEÍNAS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA DEL ERITROCITO Citoesqueleto cortical: - Espectrina Proteínas periféricas: - Anquirina - Banda 4.1 Proteínas integrales: - Glucoforina - Banda 3 Citosol Complejo de unión Heterodímero de espectrina Alberts 6ª Ed.  GLUCOFORINA Oligosaccharides - Proteína transmembrana de paso único. - Es una glucoproteína, en concreto, una sialoglucoproteína, al poseer residuos de ácido siálico. - Proteína de 30 KDa, 131 aa. - Extremo N-terminal extracelular con 16 cadenas de oligosacáridos. - 80% de los glúcidos de la membrana del eritrocito están en la glucoforina. - Segmento transmembrana en hélice alfa, formado por 23 aa. - Se presenta como homodímero. - Mantenimiento de la estructura de la membrana plasmática. - Los oligosacáridos de la glucoforina actúan como receptores de virus, bacterias y proteínas como las del Plasmodium falciparum (malaria). Lodish 8ª Ed.  PROTEÍNA DE LA BANDA 3 - Proteína transmembrana de paso múltiple. - Glucoproteína de 100 KDa, 930aa. - Olicosacáridos en extremo C-terminal. - 14 segmentos transmembrana en -hélice. - Se presenta como homodímeros. - Es una proteína transportadora, intercambiadora aniónica, responsable del paso de los aniones bicarbonato (HCO3-) y cloruro (Cl-) a través de la membrana. Karp 6ª Ed.  LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA SE MUEVEN Las proteínas de membrana rotan y se desplazan lateralmente. Cooper 8ª Ed. Alberts 6ª Ed.  RESTRICCIÓN DE MOVIMIENTO DE LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA Formación de complejos Interacción con proteicos en la membrana el citoesqueleto Complejos de Interacción con la adhesión celular matriz extracelular Alberts 6ª Ed.  DOMINIOS DE MEMBRANA Muchas células tienen dominios de membrana con distinta composición de proteínas y distintas funciones Corte semifino (0,5-2 m) de epitelio de intestino delgado teñido con azul de toluidina. Células polarizadas con dominios apicales y basolaterales. Alberts 6ª Ed.  BALSAS LIPÍDICAS – LIPID RAFTS - Microdominios enriquecidos en colesterol, esfingolípidos y proteínas. - Ácidos grasos de cadena más larga y saturados (menor fluidez y mayor grosor). - Proteínas ancladas a GPI (glucosilfosfatidilinositol). - Microdominos de 10-50 nm de diámetro. - Son dinámicas y temporales. - Con funciones como la señalización celular, el transporte de moléculas (endocitosis)… Caveolas Caveolina 1 Alberts 6ª Ed. https://www.nature.com/articles/nrc3915 FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA  GLÚCIDOS DE MEMBRANA. CUBIERTA CELULAR. - Los glúcidos de membrana se localizan solo en la cara extracelular de la membrana plasmática - Unidos a proteínas o lípidos - Dan especificidad a las interacciones proteicas entre células - La cubierta celular está formada por los glúcidos de los glucolípidos, glucoproteínas y proteoglucanos de membrana que recubren la superficie celular. - Además de glucoproteínas y proteoglucanos adsorbidos de la matriz extracelular. Micrografía electrónica de la región apical de una célula epitelial intestinal. Micrografía de la superficie celular contrastada Alberts 6ª Ed. con rojo de rutenio de un linfocito. Becker 6ª Ed  FUNCIONES DE LA CUBIERTA CELULAR - Orientación, anclaje y estabilización de las proteínas de Lymphocyte membrana. - Protección de la superficie celular. - Reconocimiento y adhesión: Procesos de endocitosis Procesos de señalización celular Interacciones célula-célula Interacciones célula-matriz extracelular Desarrollo embrionario, formación de tejidos y órganos Fecundación - Propiedades inmunológicas: Grupos sanguíneos Reconocimiento de células alteradas Inicio de procesos de infección Lehninger 6ª Ed. HITOS HISTÓRICOS SOBRE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/ampliaciones/3-modelo-membrana.php  MODELOS DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA SINGER Y NICHOLSON Modelo del mosaico GORTER Y GRENDEL fluido DAVSON Y DANIELLI  MODELO DE MOSAICO FLUIDO - Fluido dinámico asimétrico. - Bicapa lipídica. - Proteínas de membrana: periféricas o integrales. - Glúcidos unidos a proteínas y a lípidos. Los glúcidos de la hemicapa extracelular forman la cubierta celular. Karp 6ª Ed.  AVANZANDO EN LOS MODELOS - Determinación de la estructura tridimensional de algunas proteínas de membrana. - Descubrimiento de las interacciones de las proteínas con los lípidos de membrana. MODELOS ACTUALES - Heterogeneidad - Asimetría - Restricción al movimiento de proteínas y lípidos - Dominios de membrana https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/ampliaciones/3-modelo-membrana.php Medio extracelular MODELOS ACTUALES Citosol - Gran abundancia de proteínas - Dominios ricos en colesterol - Glúcidos en microdominios extracelulares - Microdominios de proteínas transmembrana https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/ampliaciones/3-modelo-membrana.php