Membrana Plasmática: Análisis Completo PDF

**MEMBRANA PLASMÁTICA: ANÁLISIS COMPLETO** La membrana plasmática es un componente esencial en la célula, con múltiples niveles de complejidad estructural y funcional. **1. Estructura de la Membrana Plasmática** La membrana plasmática es una barrera dinámica que organiza los compartimentos celula...

**MEMBRANA PLASMÁTICA: ANÁLISIS COMPLETO** La membrana plasmática es un componente esencial en la célula, con múltiples niveles de complejidad estructural y funcional. **1. Estructura de la Membrana Plasmática** La membrana plasmática es una barrera dinámica que organiza los compartimentos celulares y define los límites de la célula. Su diseño es el resultado de millones de años de evolución para optimizar la selectividad y la eficiencia en las funciones biológicas. **1.1 Bicapa Lipídica** Tiene un espesor de 60 °A 6 (nm). - Compuesta por **fosfolípidos** organizados en dos capas: - **Capa externa**: expuesta al medio extracelular, con lípidos y proteínas relacionadas con la señalización y la adhesión. - **Capa interna**: orientada hacia el citoplasma, rica en fosfolípidos como la fosfatidilserina, cuya carga negativa influye en la señalización intracelular. - Propiedades clave: - **Autoensamblaje espontáneo**: la anfipaticidad de los lípidos permite la formación de bicapas en un medio acuoso. - **Flexibilidad**: permite la curvatura de la membrana en procesos como la endocitosis y la división celular. - **Impermeabilidad**: barrera contra moléculas polares y cargas, permitiendo el control preciso del entorno celular. **1.2 Modelo de Mosaico Fluido** - Los componentes no están fijos; las proteínas y lípidos pueden moverse lateralmente, rotar y, en algunos casos, atravesar las capas. - La fluidez permite: - Redistribución de proteínas durante la señalización. - Fusión de membranas en procesos como la exocitosis. - Reconfiguración durante la división celular. **2. Composición Lipídica de las Membranas** Las membranas son ensambles de lípidos y proteínas en las que los componentes se mantienen unidos en una lámina delgada mediante enlaces no covalentes. Todos los lípidos son anfipáticos, es decir contienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas. **2.1 Fosfolípidos** - Estructura básica: glicerol unido a dos ácidos grasos y un grupo fosfato con una cabeza polar (ej., colina, serina o etanolamina). - Clasificación: - **Fosfatidilcolina (PC)**: predomina en la monocapa externa; contribuye a la fluidez. - **Fosfatidilserina (PS)**: localizada en la capa interna; participa en señales de apoptosis. - **Esfingomielina**: rica en regiones especializadas como balsas lipídicas; importante en neuronas.  **2.2 Colesterol** - Constituye hasta el 50% de los lípidos en algunas membranas. - Funciones: - Modula la fluidez según la temperatura. - Reduce la permeabilidad de moléculas pequeñas. - Participa en la formación de microdominios específicos para señalización. **2.3 Esfingolípidos** - Clase menos abundante de lípidos. - Se derivan de la esfingosina, un aminoalcohol que contiene una larga cadena de hidrocarburos. - Consisten en una esfingosina unida a un ácido graso por un grupo amino. LIPOSOMAS: Las moléculas de fosfolípidos se ensamblan espontáneamente para formar las paredes de las vesículas esféricas llenas de líquido, llamadas liposomas, las paredes de estos también contienen una bicapa lipídica.  Las **micelas** son estructuras químicas formadas por moléculas anfipáticas, es decir, moléculas que tienen una parte hidrofílica (que atrae agua) y una parte hidrofóbica (que repele agua).  En un medio acuoso, estas moléculas se organizan de tal manera que las partes hidrofóbicas quedan protegidas en el interior, mientras que las partes hidrofílicas se orientan hacia el exterior, en contacto con el agua  Las **proteínas G** (proteínas de unión a guanosina trifosfato, GTP) son una familia de proteínas implicadas en la transmisión de señales desde el exterior al interior de la célula.  Se llaman así porque funcionan como interruptores moleculares que se activan al unirse al GTP y se desactivan al hidrolizarlo a GDP (guanosina difosfato).  Las proteínas G están asociadas con **receptores acoplados a proteínas G (GPCR)**, que son importantes en procesos como: - Percepción de la luz, olores y sabores. - Regulación de la presión arterial y el ritmo cardíaco. - Respuestas hormonales y regulación metabólica.  **3. Carbohidratos de Membrana** Los carbohidratos están presentes como cadenas unidas a lípidos o proteínas, formando el **glucocáliz**, una estructura superficial. La adición de carbohidratos o glucosilación. **Funciones principales:** 1. **Reconocimiento celular**: - Permiten interacciones específicas, como la adhesión de leucocitos a endotelios en procesos inflamatorios. 2. **Protección**: - Amortiguan agresiones mecánicas y químicas. 3. **Señalización**: - Actúan como receptores en cascadas de señalización molecular.  **4. Proteínas de Membrana** Cada proteína de membrana tiene una orientación definida relativa al citoplasma, esta asimetría se conoce como "lateralidad" de la membrana. Las proteínas representan aproximadamente el 50% del peso de la membrana y son esenciales para sus funciones. **4.1 Proteínas Integrales** - Pueden atravesar completamente la membrana (transmembrana), tienen dominios que sobresalen de los lados extracelulares y citoplasmáticos de la membrana. - Ejemplos: - **Canales iónicos**: como los canales de Na⁺ y K⁺, cruciales para los potenciales de acción. - **Bombas**: como la bomba Na⁺/K⁺, que mantiene el potencial de reposo. - **Receptores**: como los receptores de hormonas, esenciales en la comunicación celular. **4.2 Proteínas Periféricas** - No atraviesan la membrana, sino que están asociadas a su superficie interna o externa, es decir están afuera de la bicapa lipídica, asociadas con la superficie de la membrana por enlaces no covalentes. - Funciones: - Interacciones con el citoesqueleto. - Regulación de cascadas de señalización intracelular. - **4.3 Proteínas ancladas a lípidos** Fuera de la bicapa lipídica, en la superficie extracelular o citoplasmática, unidas en forma covalente a una molécula de lípido que se encuentra dentro de la bicapa, estos están unidos por enlaces GPI (glicosilfosfatidilnositol). **5. Dinámica de la Membrana** Los dominios transmembrana, tienen una estructura simple, consisten en una cadena de 20 aminoácidos de predominio no polar que abarcan el núcleo de la bicapa lipídica como una hélice. La membrana plasmática está en constante movimiento. Los principales tipos de movimientos incluyen: 1. **Movimientos de lípidos**: - **Difusión lateral**: rápido y frecuente. - **Flip-flop**: cruzan entre capas opuestas; requiere flipasas y scramblasas. 2. **Microdominios especializados**: - Ejemplo: **balsas lipídicas**, enriquecidas en colesterol y esfingolípidos, que concentran proteínas específicas para señalización, sirven para preparar bicapas lipídicas artificiales (parches). Canal bacteriano K: es un tetrámero compuesto de cuatro subunidades idénticas. El estado físico del lípido de una membrana se describe por su fluidez (o viscosidad) Temperatura 37, la estructura de la bicapa lipídica depende de la temperatura.  La fluidez de la membrana proporciona un compromiso perfecto entre una estructura rígida y ordenada, en la que la movilidad estaría ausente, y un líquido fluido por completo, no viscoso, en el que los componentes de la membrana no se podrían orientar y la organización estructural y el soporte mecánico serían insuficientes. Las enzimas llamadas **desaturasas** catalizan la desaturación de enlaces simples para formar dobles enlaces, las **fosfolipasas** llevan a cabo la reorganización, al separar el ácido graso de la columna de glicerol, las **aciltransferasas**, transfieren ácidos grasos entre los fosfolípidos. La **fusión celular** es una técnica mediante la cual dos tipos diferentes de células de dos especies diferentes, se pueden fusionar para producir una célula con un citoplasma común y una sola membrana plasmática continua. Existe una técnica llamada **recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueado (FRAP),** una proteína particular de membrana que puede marcar con una sonda específica, como un anticuerpo. La mayoría de las membranas exhiben variaciones en la composición y movilidad de las proteínas, especialmente en células cuyas diversas superficies exhiben diferentes funciones, ejm: las células epiteliales que recubren la pared intestinal. **6. Función Ejemplificada: Membrana del Glóbulo Rojo** Las células responden al choque osmótico absorbiendo agua y exponiéndose, este fenómeno se llama hemólisis. El fraccionamiento de las proteínas de membrana se puede llevar a cabo mediante electroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE), en presencia del detergente iónico dodecilsulfato de sodio (SDS). - Modelo ideal debido a su simplicidad (sin núcleo ni organelos). - Principales proteínas: - **Banda 3**: transporte de aniones (Cl⁻ y HCO₃⁻). - **Espectrina**: forma una red con actina debajo de la membrana, otorgando flexibilidad. **GRUPO HEMO**: **Estructura química del grupo hemo** El grupo hemo es un **grupo prostético** que consiste en dos componentes principales: 1. **Porfirina**: - Una estructura cíclica compuesta por cuatro anillos de pirrol unidos por puentes de metino (-CH=). - El tipo específico es la **protoporfirina IX**, que tiene sustituyentes en posiciones específicas (vinilos, metilos y propionato). 2. **Hierro (Fe)**: - Se encuentra en el centro de la porfirina, coordinado con los cuatro nitrógenos del anillo porfirínico. - Puede existir en diferentes estados de oxidación, siendo los más comunes el **ferroso (Fe²⁺)** y el **férrico (Fe³⁺)**. **Propiedades relevantes:** - **Planaridad**: La estructura del hemo es plana, lo que favorece interacciones específicas con proteínas. - **Estados de oxidación**: Su versatilidad para cambiar entre Fe²⁺ y Fe³⁺ es clave para su función en procesos redox. - **Química de coordinación**: Además de los cuatro enlaces con los nitrógenos de la porfirina, el hierro puede formar enlaces adicionales (quinto y sexto de coordinación), cruciales para su interacción con gases como el oxígeno, el monóxido de carbono (CO) y el óxido nítrico (NO). **2. Tipos de grupos hemo** Existen diferentes variantes del grupo hemo que dependen de modificaciones en la porfirina o del contexto proteico en el que se encuentra: 1. **Hemo A**: Presente en citocromo c oxidasa; tiene una cadena isoprenoide en una posición específica. 2. **Hemo B**: Forma más común; encontrado en hemoglobina y mioglobina. 3. **Hemo C**: Unido covalentemente a la proteína mediante enlaces tioéter con residuos de cisteína; encontrado en citocromos c. 4. **Hemo D**: Presente en algunas enzimas como reductasas de óxido nítrico. 5. **Hemo O**: Similar al hemo A, con una cadena lateral diferente. **3. Funciones biológicas del grupo hemo** El grupo hemo es un elemento esencial en múltiples procesos biológicos debido a su versatilidad química: **a) Transporte y almacenamiento de oxígeno:** - En **hemoglobina** y **mioglobina**, el hemo permite la unión reversible de oxígeno. - En la hemoglobina, el hemo es clave para la cooperación alostérica en la captación y liberación de O₂. **b) Transferencia de electrones:** - En **citocromos** de la cadena de transporte de electrones, el hemo facilita reacciones redox esenciales para la generación de ATP. - Los cambios entre Fe²⁺ y Fe³⁺ permiten la transferencia de electrones en sistemas como los citocromos b y c. **c) Reacciones enzimáticas:** - Actúa como cofactor en enzimas como: - **Peroxidasas** (por ejemplo, catalasa): Detoxificación de peróxidos. - **Oxidasas** (citocromo c oxidasa): Transferencia de electrones en la respiración. - **Monooxigenasas** (citocromo P450): Metabolismo de xenobióticos y biosíntesis de moléculas endógenas. **d) Señalización celular:** - Participa en la detección y regulación de gases señalizadores como el monóxido de carbono (CO) y el óxido nítrico (NO). **4. Biosíntesis del grupo hemo** La síntesis del grupo hemo ocurre en múltiples etapas, tanto en el citosol como en las mitocondrias. Es un proceso regulado y altamente conservado. 1. **Inicio (mitocondrial)**: - La **glicina** y el **succinil-CoA** forman ácido aminolevulínico (ALA) mediante la enzima **ALA sintasa**. 2. **Formación de porfirinas (citosólica)**: - La condensación de ALA da lugar al anillo porfirínico, culminando en la producción de **protoporfirina IX**. 3. **Incorporación de hierro (mitocondrial)**: - La enzima **ferroquelatasa** inserta el hierro en la protoporfirina IX, formando el grupo hemo. **Regulación:** - La síntesis está controlada por la disponibilidad de hierro y por el exceso de hemo, que inhibe la ALA sintasa. **5. Degradación del grupo hemo** La degradación ocurre en tres etapas principales, catalizadas por la enzima **heme oxigenasa**: 1. Escisión del anillo porfirínico para formar **biliverdina**. 2. Reducción de biliverdina a **bilirrubina**. 3. Excreción de bilirrubina tras conjugación en el hígado. Este proceso genera subproductos como CO y hierro libre, que se reciclan o eliminan. **7. Transporte Celular** El termino flujo neto indica el movimiento de la sustancia hacia la célula (afluencia), y fuera de la célula (eflujo) no esta equilibrado, sino uno excede al otro. **7.1 Mecanismos Pasivos** - Movimiento de sustancias a favor del gradiente de concentración, hasta llegar a un punto de equilibrio. - Tipos: - **Difusión simple**: gases como O₂ y CO₂. - **Difusión facilitada**: transporte de glucosa mediante GLUT- 4. **7.2 Transporte Activo** - Movimiento contra el gradiente de concentración, utilizando ATP. - Ejemplo: bomba Na⁺/K⁺: - Expulsa 3 Na⁺ e introduce 2 K⁺, manteniendo el potencial de reposo y gradientes iónicos.   **CANALES IÓNICOS** **Estructura molecular de los canales iónicos** Los canales iónicos son proteínas integrales de membrana que forman poros selectivos para el paso de iones. - **Subunidades estructurales**: - **Subunidad principal (pore-forming):** Contiene el poro que permite el paso de los iones. A menudo, está formada por varias hélices alfa transmembrana. - **Subunidades auxiliares:** Modulan la función, sensibilidad o localización del canal. - **Región de selectividad iónica**: - Esta región filtra los iones según su tamaño y carga. Por ejemplo, en los canales de potasio, el filtro de selectividad discrimina entre iones K⁺ y Na⁺ debido a diferencias en el radio de hidratación y compatibilidad con el filtro. - **Dominio de activación**: - Los canales tienen sensores que detectan estímulos como cambios de voltaje, unión de ligandos o deformaciones mecánicas. **2. Mecanismos de apertura y cierre (gating)** El comportamiento funcional de los canales se rige por el fenómeno de **gating**, que describe cómo y cuándo se abren o cierran los canales: - **Dependientes de voltaje**: - Detectan cambios en el potencial eléctrico de la membrana y responden alterando su conformación. Por ejemplo, los canales de sodio dependientes de voltaje son esenciales para los potenciales de acción en las neuronas. - **Dependientes de ligando**: - Se activan cuando moléculas específicas (ligandos, como neurotransmisores) se unen a un sitio del canal. Ejemplo: el receptor nicotínico de acetilcolina. - **Mecanosensibles**: - Responden a estímulos físicos, como estiramiento o presión en la membrana celular. Son fundamentales para la percepción táctil y el equilibrio. - **Dependientes de temperatura**: - Canales como los TRP (Transient Receptor Potential) se activan en respuesta a cambios de temperatura y participan en la termorregulación y la nocicepción (percepción del dolor). **3. Tipos de canales iónicos según su función y selectividad** Los canales iónicos se pueden clasificar según el ion que permiten pasar y el tipo de estímulo que los activa: **a) Según el ion transportado:** - **Canales de sodio (Na⁺)**: - Participan en la generación de potenciales de acción. - Ejemplo: Nav1.1 - Nav1.9. - **Canales de potasio (K⁺)**: - Ayudan a repolarizar la membrana después de un potencial de acción. - Ejemplo: KCNQ1, HERG. - **Canales de calcio (Ca²⁺)**: - Regulan procesos como la contracción muscular, la secreción de neurotransmisores y la activación de cascadas intracelulares. - Ejemplo: Cav1.1 - Cav1.4. - **Canales de cloro (Cl⁻)**: - Mantienen el equilibrio osmótico y el potencial de membrana. - Ejemplo: CFTR (implicado en fibrosis quística). **b) Según el estímulo activador:** - Dependientes de voltaje (VGICs, *Voltage-Gated Ion Channels*). - Dependientes de ligando (LGICs, *Ligand-Gated Ion Channels*). - Mecanosensibles. - Dependientes de temperatura. **4. Dinámica funcional: flujo iónico** El movimiento de iones a través de los canales sigue los principios del gradiente electroquímico: - **Gradiente de concentración**: Los iones tienden a moverse desde áreas de alta concentración hacia áreas de baja concentración. - **Gradiente eléctrico**: Los iones se desplazan hacia áreas con cargas opuestas. El resultado es un flujo iónico que genera **corrientes eléctricas**, fundamentales para la actividad bioeléctrica celular. **5. Regulación de los canales iónicos** La actividad de los canales iónicos está finamente regulada por: - **Modificaciones postraduccionales**: Como la fosforilación, que puede activar o inactivar un canal. - **Interacciones proteicas**: Asociaciones con otras proteínas que modulan su función. - **Factores metabólicos**: Cambios en niveles de ATP, calcio intracelular o pH. - **Toxinas y fármacos**: Algunas sustancias bloquean o activan los canales. Ejemplo: la lidocaína bloquea los canales de sodio para reducir la transmisión del dolor. **6. Relevancia fisiológica y enfermedades asociadas** **a) Fisiología:** - En el sistema nervioso: Los canales son esenciales para los potenciales de acción y la liberación de neurotransmisores. - En el corazón: Los canales de potasio y calcio regulan el ritmo cardíaco. - En el músculo: Los canales de calcio controlan la contracción muscular. **b) Patologías relacionadas (Canalopatías):** Mutaciones o disfunciones en los canales iónicos pueden causar enfermedades como: - **Epilepsia**: Mutaciones en canales de sodio o potasio. - **Fibrosis quística**: Defecto en el canal CFTR (cloro). - **Miastenia gravis**: Problemas en los canales activados por acetilcolina. - **Síndrome de QT largo**: Alteraciones en canales cardíacos que provocan arritmias. **7. Avances en investigación y farmacología** Los canales iónicos son objetivos terapéuticos clave: - **Fármacos bloqueadores**: Lidocaína, amiodarona (canales de sodio/potasio). - **Activadores específicos**: Para tratar enfermedades metabólicas. - **Terapias génicas**: En canalopatías hereditarias, se exploran tecnologías como CRISPR. **8. Potenciales de Membrana** **8.1 Potencial de Reposo** - Diferencia de cargas eléctricas entre el interior (-) y exterior (+) de la membrana. - Factores: - Permeabilidad selectiva al K⁺. - Gradiente iónico mantenido por la bomba Na⁺/K⁺. **8.2 Potencial de Acción** - Proceso de despolarización y repolarización utilizado en la transmisión nerviosa. - Etapas: - Entrada rápida de Na⁺: despolarización. - Salida de K⁺: repolarización. **9. Propagación del Potencial de Acción** En neuronas, el potencial se propaga: 1. De forma continua (en axones no mielinizados). 2. Por conducción saltatoria en axones mielinizados: - Los impulsos \"saltan\" entre nódulos de Ranvier, aumentando la velocidad.  **10. Neurotransmisión** Proceso que conecta señales eléctricas con comunicación química en las sinapsis: 1. **Liberación**: un potencial de acción abre canales de Ca²⁺, liberando neurotransmisores. 2. **Unión**: los neurotransmisores se enlazan con receptores postsinápticos, generando un nuevo impulso eléctrico. **Sinapsis**: La **sinapsis** es el proceso de comunicación entre dos células nerviosas (neuronas) o entre una neurona y otra célula (como una célula muscular o glandular). Este proceso es fundamental para la transmisión de señales en el sistema nervioso, permitiendo la integración de información y la coordinación de respuestas. **Tipos de sinapsis** 1. **Sinapsis eléctrica**: - Las células están conectadas por **uniones gap** que permiten el paso directo de iones y señales eléctricas. - Es rápida y bidireccional. - Ejemplo: tejido cardíaco o reflejos rápidos. 2. **Sinapsis química**: - Más común en vertebrados. - Implica la liberación de neurotransmisores desde la neurona presináptica hacia la neurona postsináptica a través de la **hendidura sináptica**. - Es más lenta que la sinapsis eléctrica, pero permite mayor modulación de la señal. **Proceso de la sinapsis química** 1. **Potencial de acción**: - Una señal eléctrica viaja por el axón hasta el **terminal presináptico**. 2. **Liberación de neurotransmisores**: - La llegada del potencial de acción provoca la entrada de calcio (Ca²⁺) a través de canales dependientes de voltaje. - Esto induce la fusión de las vesículas sinápticas con la membrana presináptica, liberando neurotransmisores (como glutamato, GABA o acetilcolina) en la hendidura sináptica. 3. **Interacción con receptores**: - Los neurotransmisores se unen a receptores específicos en la membrana postsináptica. - Esto genera un cambio en la membrana postsináptica: - **Excitatorio** (EPSP): Despolarización que facilita la generación de un nuevo potencial de acción. - **Inhibitorio** (IPSP): Hiperpolarización que reduce la probabilidad de un nuevo potencial de acción. 4. **Eliminación del neurotransmisor**: - Para terminar la señal, los neurotransmisores son eliminados de la hendidura mediante: - Recaptación por la neurona presináptica. - Degradación enzimática. - Difusión fuera de la hendidura. **Importancia de la sinapsis** - **Integración y procesamiento**: Las sinapsis permiten que las neuronas combinen señales de múltiples fuentes para tomar decisiones funcionales. - **Plasticidad sináptica**: Las sinapsis pueden fortalecerse o debilitarse con el tiempo, lo que es clave para el aprendizaje, la memoria y la adaptación.