Tema 2. Membrana Plasmática PDF

TEMA 2. MEMBRANA PLASMÁTICA CONTENIDOS 1. Funciones 2. Estructura: cronograma. Modelo del mosaico fluido 3. Composición:  lípidos de membrana: bicapa lipídica  proteínas de membrana: estructura y funciones  carbohidratos 4. Fluidez de la membrana 5. Naturaleza dinámica de la membrana p...

TEMA 2. MEMBRANA PLASMÁTICA CONTENIDOS 1. Funciones 2. Estructura: cronograma. Modelo del mosaico fluido 3. Composición:  lípidos de membrana: bicapa lipídica  proteínas de membrana: estructura y funciones  carbohidratos 4. Fluidez de la membrana 5. Naturaleza dinámica de la membrana plasmática  Membranas celulares Membrana plasmática: “recipiente que contiene al sistema de moléculas que se reproduce de forma autónoma” Película lipídica, delgada (6nm = 60 átomos) y transparente Es común para todas las células de la tierra Las células eucariotas poseen además membranas internas que cierran compartimentos intracelulares 2  Memb. celulares Membranas celulares compuestas por: Lípidos: organizados en una bicapa fosfolipídica, que proporciona la estructura básica y actúa como barrera de permeabilidad (semipermeabilidad). Glucolípidos Proteínas: otorgan funciones y características individuales a las membranas. Además, glucoproteínas. 3  1. Funciones 1. COMPARTIMENTACIÓN Definen los límites de la célula (separación física del entorno), Limitan sus compartimentos: separa orgánulos con función diferente Sirven como barrera de permeabilidad para moléculas hidrofílicas e iones 2. ANDAMIAJE PARA ACTIVIDADES BIOQUÍMICAS En las membranas se sitúan proteínas específicas, son los lugares donde realizarán sus funciones específicas. Ej. Glucosa fosfato, específica del RE 3. TRANSPORTE DE SOLUTOS La membrana plasmática está atravesada por canales, transportadores y bombas muy selectivos Realizan y regulan el transporte de solutos con el exterior y entre compartimentos: nutrientes, iones, gases, agua,.. y productos de desecho Macromoléculas y partículas son transportadas por endo y exocitosis Permiten la acumulación de sustancias necesarias para metabolismo 4  1. Funciones 4. RESPUESTA A SEÑALES EXTERNAS Las proteínas de membrana (MP) detectan y transmiten señales eléctricas y químicas. Traducen las señales externas. Poseen receptores que se combinan con ligandos y produce respuesta: estimula/inhibición 5. INTERACCIÓN CELULAR MP median en adhesión celular y comunicación célula-célula adyacentes. Permite la comunicación intercelular: uniones gap y plasmodesmos 6. TRADUCCIÓN DE ENERGÍA Participan en la conversión de un tipo de energía en otro: fotosíntesis y transferencia energía química hasta ATP en membranas (cloroplastos y mitocondrias) 7. PROPIEDADES MECÁNICAS 5 Aumenta su superficie y se deforma sin perder continuidad ni romperse 2. Estructura: cronograma A. NATURALEZA LIPÍDICA DE MP Sustancias liposolubles penetran fácilmente en la célula B. MONOCAPA LIPÍDICA Orientación de los fosfolípidos en agua como “monocapa” C. BICAPA LIPÍDICA Área de los lípidos sobre agua era doble a la superficie de la célula. Termodinámicamente, cadenas alifáticas enfrentadas D. BICAPA LIPÍDICA MAS LÁMINAS DE PROTEÍNAS Para explicar fenómenos: tensión superficial, permeabilidad a solutos y resistencia eléctrica. Lípidos-hidrofóbicos y proteínas-hidrofílicas 6  2. Estructura E. UNIDAD DE MEMBRANA Microscopía electrónica (1950): observación de estructura trilaminar en todas las membranas (6-8 nm) y confirmación del modelo Davson y Danielli F. MODELO DE MOSAICO FLUIDO (Singer y Nicolson, 1972) Cuestionamiento del modelo anterior: proteínas globulares hidrofóbicas, hidrólisis por fosfolipasas, ratio prot/lipid variable La membrana consiste en un mosaico de proteínas dentro de una bicapa lipídica fluida Proteínas: integrales de membrana, periféricas y ancladas a lípidos. Lípidos en 7 movimiento  2. Estructura G. ESTRUCTURA DE PROTÍNAS MP Unwin y Henderson: proteínas con segmentos transmembrana (-hélice) anclada por bucles hidrofílicos. Ej. Retinal: se estimula por la luz y bombea protones fuera de la célula – crea un gradiente – fuente de energía H. BALSA LIPÍDICA Las membranas no son homogéneas con componentes mezclados al azar sino que lípidos y proteínas tienden a ordenarse. El orden ocurre en dominios microdinámicos: balsas lipídicas Hay procesos dependientes de complejos específicos proteína-lípidos: formación de caveolas, pequeñas invaginaciones de la membrana implicadas en varias funciones (endocitosis, señalización celular, transporte lipi 8  Bicapa lipídica en estado líquido y las 2. Modelo de mosaico fluido moléculas de lípido pueden moverse en el plano de la membrana. La estructura y disposición de las proteínas se encuentra como “mosaico” de partículas discontinuas que penetran en las capas de los lípidos. La MC es una estructura dinámica en la que los componentes son móviles, capaces de reunirse e interaccionar de manera transitoria 3. Composición: Lípidos Responsables de la parte “fluida” del modelo de mosaico Estructura: cabeza hidrofílica + una o dos colas hidrocarbonadas hidrofóbicas Los más frecuentas son los fosfolípidos: fosfatidilcolina Propiedades ANFIPÁTICAS 10  3. Composición: Lípidos Hydrophilic heads CLASES DE LÍPIDOS Fosfolípidos (más abundantes): Fosfoglicéridos (basados en glicerol)(más comunes)(fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol) Cadenas Esfingolípidos (basados en la grasas acilo no ramificadas, esfingosina+ ac. graso = ceramida) saturación (esfingomielina en la MP de animales) variable e Glucolípidos (lípidos + azúcares): hidrófobas Glucoesfingolípidos (+ esfingosina): cerebrósidos y galactocerebrósidos (+ galactosa) y gangliósidos. Predominan en células nerviosas, vaina de mielina, y en ciertas enfermedades infecciosas. Esteroles: Colesterol y fitoesteroles (en animal y vegetal) Hopanoides. Esteroles rígidos y muy hidrofóbicos presentes en cianobacterias 11  3. Composición: Lípidos de la MP animal 1) Glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos: son ésteres de glicerol con dos ácidos grasos y un grupo de cabeza polar 2) Esfingolípidos, estructura análoga a glicerofosfolípidos, pero no contienen glicerol sino que están compuestos por esfingosina, un aminoalcohol de cadena larga. Cuando se le une un ácido graso a la amina en C2 = ceramida 3) Glucoesfingolípidos o glucolípidos están formados por la unión de la ceramida con uno o varios azúcares: cerebrósidos (Glu o Gal) gangliósidos Gangliósidos: contienen grupos de cabeza polares formados por oligosacáridos que poseen una o varias unidades de ácido 12 siálico (ácido N-acetilneuramínico)(carga − a pH fisiológico).  3. Lípidos. Ácidos grasos Son componentes de todos los lípidos de membrana excepto de los esteroles Las colas hidrocarbonadas forman la barrera hidrofóbica Cadena de 12-20 carbonos, más frecuentes 16-18 C (determinan espesor de membrana) Los más abundantes: palmítico (C16:0), esteárico (C18:0), oleico (C18:1 n-9), linoleico (C18:2 n-9), linolénico (C18:3 n-9) y araquidónico (C20:4 n-6) (insaturados) Insaturaciones en cis provocando una torsión brusca de la cadena en la insaturación: cadenas laterales no lineales, no se empaquetan bien en la membrana y producen fluidez en la membrana 13 3. Lípidos de membrana forman bicapas lipídicas en agua a) MOLÉCULAS HIDRÓFOBAS Las grasas, triglicéridos (TG) no pueden formar uniones con las moléculas de agua, obligándolas a reorganizarse en una estructura de jaula, lo que requiere energía Esta estructura es energéticamente inestable llevando a las moléculas de grasa a organizarse teniendo el mínimo contacto con el agua Las moléculas hidrófobas se fusionan (coalescencia) y forman una gota única de gran tamaño cuando se dispersan en agua. 14  3. Lípidos de membrana forman bicapas lipídicas en agua b) MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS Están sujetas a fuerzas opuestas: cabeza hidrofílica atraída por el agua y colas hidrófobas tendiendo a agregarse Solución energéticamente viable: formar una bicapa lipídica o una micela –dependiendo de la estructura– con colas hidrófobas protegidas del agua Estas fuerzas otorgan propiedades de auto-sellado, que elimina el borde libre energéticamente desfavorable La eliminación de bordes libre supone el curvado y sellado de la bicapa formando un espacio cerrado Las moléculas anfipáticas (fosfolípidos) se ensamblan formando recipientes auto-sellados que definen compartimentos cerrados 15 3. Bicapa lipídica: es un fluido bidimensional Los fosfolípidos se desplazan libremente e intercambian posiciones dentro de la bicapa La flexibilidad – capacidad de curvatura de la membrana – impone un límite inferior de 25 nm al tamaño de las vesículas que pueden generar las membranas Estas propiedades se estudian con bicapas lipídicas sintéticas: liposomas (vesículas esféricas cerradas) y bicapas de fosfolípidos planas 16 3. Bicapa lipídica: Movimiento de los fosfolípidos 1) Rotación alrededor de su eje mayor: muy rápida (hasta 30000 rpm) 2) Difusión lateral: intercambios con moléculas vecinas en la misma monocapa 3) Difusión transversal o flip-flop: movimientos de una monocapa a otra. Es desfavorable termodinámicamente y ocurre raras veces si no está catalizado CATALIZADORES-TRANSLOCADORES DE PL EN M. CELULARES: a) Escramblasas: dependientes de Ca pero no de ATP, transfieren fosfolípidos de forma no específica, en ambas direcciones, entre las dos monocapas b) Flipasas o translocadores fosfolipídicos específicos, que catalizan flip-flop selectivos y generan más asimetría. Dependientes de ATP. Movimiento de los fosfolípidos en la Membrana Celular 17  3. Lípidos. La bicapa lipídica es asimétrica Las dos hojas o capas de la bicapa tienen una composición lipídica diferente La composición es estable y otorga propiedades físicas y químicas diferentes a cada hoja de la bicapa Cambios en la disposición de los fosfolípidos se traducen en señales celulares 18  3. Lípidos. La bicapa lipídica es asimétrica Glucolípidos: están en la superficie externa de MP: receptores para ligandos extracelulares (señalización y reconocimiento). Estructura y barrera física. Fosfatidiletanolamina. Hoja interna: fomenta curvatura de la membrana Fosfatidilserina. Hoja interna, con carga negativa al pH fisiológico: se liga a residuos Lys y Arg adyacentes a las hélices α transmembrana y las fija La aparición de PS en la superficie externa de linfocitos viejos marca su fagocitosis. Si aparecen sobre las plaquetas: coagulación sanguínea Fosfatidilinositol. Hoja interna: transferencia de estímulos de MP al citoplasma Distribución de fosfofolípidos y glucolípidos en MP eucariotas: glucolípidos (azul) fosfatidilcolina, PC (rojo) esfingomielina, SM (marrón) fosfatidilserina. PS (verde claro) fosfatidiletanolamina. PE (amarillo) fosfatidilinositol, PI (verde oscuro) y – – – – – – – – 19 colesterol, Cl (gris)  3. Asimetría La asimetría se origina durante la biogénesis de las membranas y tiende a mantenerse. Síntesis de la MP: capa citosólica del RE Para mantener uniformidad: una parte de los fosofolípidos se transfieren a la otra capa Escramblasas transfiere aleatoriamente las moléculas entre las dos caras del RE Flipasas transfieren selectivamente las 20 moléculas en Golgi  3. La asimétrica es conservada La acción de las flipasas inicia y mantiene la disposición asimétrica de los fosfolípidos, característica de las membranas de células animales El complejo de Golgy y las flipasas son los responsables de establecer la disposición asimétrica de las dos capas de la membrana plasmática (MP) La asimetría se mantiene cuando se transfiere membrana de una organela a otra, a través de vesículas, hasta la MP La capa citosólica siempre es citosólica mientras que la luminal es la expuesta en el exterior de la célula Esta conservación de la orientación es determinante para fosfolípidos y proteínas de membrana 21  BIBLIOGRAFÍA Alberts B, Hopkin K, Johnson A, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P (2021) Introducción a la biología celular, 5ª ed. Editorial Médica Panamericana, México. Capítulo 11: Estructura de la membrana Alberts B, Heald, R, Johnson A, Morgan, D, Raff M, Roberts K, Walter P (2022) Molecular biology of the cell, 7th ed. W. W. Norton & Company, New York. Chapter 10: Membrane structure Cooper GM, Hausman RE (2022) La Célula, 8ª ed. Marbán Libros, Madrid. Capítulo 2: Moléculas y membranas Capítulo 15: Membrana plasmática Karp G (2014) Biología celular y molecular: conceptos y experimentos, 7ª edn. McGraw-Hill Interamericana, México DF. Capítulo 4: Estructura y función de la membrana plasmática 22