Membranas Biológicas

APM N°2, Semana 4:

Membranas Biológicas

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1. Funciones de la membrana plasmática

2. El mosaico fluido

ÍNDICE

3. Constituyentes de la membrana plasmática

4. Lípidos

5. Fosfoglicéridos y esfingolípidos

6. Cadenas hidrocarbonadas

7. Propiedades de la membrana plasmática

8. Colesterol

9. Proteínas

10. Proteínas integrales y periféricas

11. Glúcidos

12. En resumen

13. Gracias

Funciones de la membrna plasmática

En la actualidad se acepta que la membrana plasmática, en la mayoría de las células, tiene una estructura molecular dinámica que le permite desempeñar una serie de funciones: delimita la célula; resguarda el contenido citoplasmático; permite la realización de las funciones con una interferencia minima del medio circundante. Igualmente, la membrana citoplasmática constituye una barrera selectiva para la movilización de sustancias a través de ella, por lo que dispone de diversos mecanismos para el transporte de sustancias. La interacción de la célula con el medio circundante implica la respuesta a estimulos externos, un proceso conocido como transducción de señales; función que la célula realiza mediante receptores de membrana capaces de reconocer una amplia gama de ligandos presentes en el espacio extracelular. Finalmente, en los organismos multicelulares la membrana plasmática actúa como mediador para el intercambio de sustancias y de información entre las células.

El mosaico fluido

El modelo de mosaico nuido que propusieron Singer y Nicholson hace más de tres décadas para describir las membranas celulares, sigue siendo la mejor aproximación para comprender la estructura y función de las membranas en los sistemas biológicos. De acuerdo con este modelo las porciones externas de la membrana están compuestas fundamentalmente por grupos polares iónicos que interactúan con la solución acuosa circundante, mientras que la porción interna de la membrana esta constituida por cadenas hidrocarbonadas de moléculas lipídicas. Dichas cadenas se encuentran alineadas paralelamente unas con otras, sin embargo tienen alguna flexibilidad que les permite la rotación alrededor de los metileno. Los extremos no polares de estas cadenas se ponen en contacto unos con otros en el centro de la bicapa, lo cual da origen a una barrera oleosa impermeable a la mayoría de las moléculas hidrofilicas, pero que permite el paso de moléculas pequeñas no polares. La característica más importante del modelo de mosaico fluido es que define a la membrana como un sistema dinámico, en el cual los lipidos y las proteinas que están confinadas a la bicapa, pueden moverse lateralmente e interactuar entre si o con otras moléculas.

Constituyentes de la membrna plasmática

Los principales constituyentes de las membranas biológicas son los lípidos, las proteínas y los glúcidos. La composición de las membranas plasmáticas, es decir, aquellas que delimitan el citoplasma, varia de acuerdo con el tipo de célula y de organismo; no obstante, en términos generales se considera que entre el 20 y el 70% del peso total de la membrana corresponde a proteínas, entre el 30 y el 70% a lípidos y el resto está representado por glúcidos (7%) y otros componentes minoritarios.La estabilidad de la doble capa lipídica depende fundamentalmente de las interacciones no covalentes, entre las cadenas alifáticas (interacciones Van der Waals) y entre las cabezas polares de los fosfolípidos, esfingolípidos y plasmalógenos, el agua y sus solutos (fuerzas electrostáticas y puentes de hidrógeno). Es necesario resaltar que en todas las membranas biológicas estudiadas se ha observado asimetría en la composición de la bicapa lipídica, lo que genera diferencias significativas de carga —dada por la cabeza polar— entre las caras de una membrana plasmática y, en consecuencia, diferentes potenciales transmembrana.

Lípidos

Las membranas celulares contienen una amplia variedad de lipidos. En las células de origen animal, los más abundantes son los fosfoglicéridos, los esfingolipidos y el colesterol. Estos lípidos son sustancias anfipáticas o sea, que un extremo de la molécula corresponde a un grupo polar o hidrofilico y el otro es no polar o hidrofóbico constituido por dos cadenas hidrocarbonadas. Las cabezas polares pueden participar en interacciones electrostáticas y puentes de hidrógeno con residuos de las proteínas de membrana, de manera que su carga e hidratación puede Influir directamente sobre la actividad de estas proteínas de membrana. En algunos casos los grupos polares de la porción externa de las membranas están modificados gracias a la unión de moléculas de carbohidratos (glucolipidos), que actúan como marcadores que permiten a la célula interactuar y reconocerse unas con otras.

Fosfoglicéridos y esfingolípidos

Los fosfoglicéridos están constituidos por un alcohol, el glicerol, el cual está unido a dos ácidos grasos y a un grupo fosfato, ligado, a su vez, a un alcohol adicional. Los alcoholes que con mayor frecuencia se encuentran en los fosfoglicéridos son: la colina (fosfatidilcolina) ; la etanolamina (fosfatidiletanolamina); la serina (fosfatidilserina); y el inositol (fosfatidilinositol). El fosfato y el alcohol conforman la porción hidrofilica de la molécula del fosfolipido o "cabeza polar mientras que las cadenas de ácidos grasos constituyen la región hidrofóbica o "colas apolares ". Los esfingolipidos son otra clase de lípidos de membrana, se derivan de la esfingosina, un amino alcohol que contiene una sola cadena hidrocarbonada. La esfingosina puede unirse, mediante su extremo amino, a un ácido graso para dar origen a las ceramidas. Los lípidos, con estructura básica de esfingosina, que tienen sustituciones esterificadas con un grupo fosfato y un alcohol, en el alcohol terminal constituyen las estingomielinas. Cuando ocurren sustituciones con carbohidratos simples, se generan los glucolipidos denominados cerebrósidos; los glucolipidos con sustituciones de oligosacáridos se denominan gangliósidos.

Cadenas hidrocarbonadas

Debido a su mecanismo de biosíntesis, las cadenas hidrocarbonadas de los fosfogliceridos y esfingolípidos casi siempre tienen un número par de carbonos que usualmente varia entre 12 y 24 carbonos de longitud. Estas cadenas tienden a alinearse de forma paralela, unas con otras, estabilizadas mediante fuerzas de dispersión. Puede ocurrir rotación en los enlaces C-C a lo largo de las cadenas, lo cual conduce a que algunas cadenas estén mas cerca unas de otras, mientras en otros casos se aumenta la distancia entre éstas. Esto es importante, pues la cercanía o empaquetamiento de las cadenas determina muchas de las propiedades fisicas de la bicapa, tales como el movimiento lateral de los lípidos, la permeabilidad de la membrana a moléculas acuosas y su transición de fase de gel a cristal liquido.

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Propiedades de la membrana plasmática

El carácter anfipático de los componentes lipídicos de la membrana celular implica que las dos partes de la molécula tienen solubilidades incompatibles; esto explica el porque en soluciones acuosas los lípidos se organizan, espontáneamente. en vesículas con una doble capa. De este modo. la porción hidrofóbica de cada molécula está protegida del agua, mientras que las porciones hidrofilicas están inmersas en ella. Esta es la configuración de minima energía para una suspensión de lípidos en medio acuoso. En condiciones fisiológicas la doble capa lipídica se mantiene en estado líquido; condición necesaria para el adecuado funcionamiento celular. Las células pueden regular la fluidez de la membrana plasmática y una manera de conseguirlo puede ser mediante la introducción de dobles enlaces en los ácidos grasos. La bicapa lipídica es una estructura flexible que le permite a la célula cambiar su forma durante los procesos de locomoción o de división celular. Las moléculas lipídicas difunden lateralmente, cambiando de posición hasta un millón de veces por segundo; además, sus cadenas alifáticas tienen movilidad rotacional según el grado de saturación. De otro lado. el desplazamiento de las moléculas lipídicas de una cara a otra de la bicapa (flip-flop), ocurre a una tasa menor que las dos anteriores (medida en días y no en segundos), ya que la cabeza polar debe pasar a través de la región hidrofóbica de la membrana en la cual es insoluble. Este desplazamiento es fundamental, no sólo porque contribuye a mantener la asimetría de la membrana, sino porque facilita la movilización de los fosfolipidos recién sintetizados que se insertan inicialmente en la cara citoplasmática, pero que se requieren en la cara extracelular. Esta translocación de los lipidos de la cara interna a la extema ocurre gracias a las flipasas, proteínas ubicadas en la membrana plasmática que realizan este transporte de los fosfolípidos mediante un proceso dependiente de ATP.

Colesterol

El colesterol es otro de los componentes lipídicos de la membrana plasmática, en algunos tipos de células de origen animal representa hasta el 50% de los lipidos de membrana; está ausente de todas las células bacterianas y vegetales, en estas últimas es reemplazado por fitoesteroles. La molécula de colesterol tiene forma de anillos, es de menor tamaño que la de otros lípidos de membrana. Al igual que los fosfolípidos, el colesterol es anfipático; su grupo hidroxilo se orienta hacia la superficie hidrofilica, mientras que su extremo hidrofóbico permanece embebido en la doble capa lipídica. Los anillos de la molécula de colesterol son planos y rigidos, lo que reduce la movilidad de los ácidos grasos de las moléculas vecinas. Debido a esto el colesterol tiene efectos diversos sobre la fluidez de las membranas. Si se agrega colesterol, a una doble capa lipídica, este se ubica con el grupo alcoholico orientado hacia la cabeza polar del fosfolipido, inmovilizándola y con los anillos en contacto con las cadenas alifáticas, aumentando la distancia entre ellas. Así, en la fase fluida, el colesterol tiende a disminuir la libertad rotacional de las cadenas hidrocarbonadas vecinas y asi disminuye la fluidez de la membrana, o sea que el colesterol agrega orden a la doble capa sin solidificarla, pues deja flexibles las zonas de las cadenas alifáticas cercanas al extremo no polar. En consecuencia. es de esperar que una doble capa que contenga colesterol sea más fluida en el interior que en el exterior. Mientras que en la fase de gel, el colesterol actúa como un contaminante que disminuye el orden de las cadenas lipídicas empaquetadas.

Proteínas

Si se compara con el entromo acuoso que rodea las proteínas citosólicas, las proteínas de la membrana se encuentran ubicadas en un microambiente muy asimétrico y esto les confiere unas propiedades únicas. Como se desprende de lo descrito hasta el momento, el solvente que rodea las proteínas de membrana tiene una región iónica en la superficie de la membrana y una región hidrofóbica en el interior de la membrana. Puesto que la membrana extema aísla las células de su ambiente, las proteínas inmersas en ella son fundamentales para que dichas células respondan a los estimulos externos. además regulan el ingreso de las señales que se difunden en el medio acuoso así como de la mayoría de los nutrientes. Por su parte, las membranas internas de la célula hacen que las organelas formen compartimentos y las proteínas inmersas en ellas permiten que dichas organelas se puedan comunicar con otras regiones de la célula. Las proteínas de la membrana plasmática no se distribuyen al azar, cada una de ellas presenta una localización y una orientación especificas de acuerdo con las functones de la célula; es asi como algunas proteínas de la membrana interactúan con las células vecinas o con los ligandos extracelulares, mientras que otras lo hacen con las moléculas citoplasmáticas. Las proteínas de la membrana plasmática pueden clasificarse de acuerdo con sus propiedades, al igual que por el tipo de interacción con la bicapa lipídica, esto ha conducido a que se dividan en distintos tipos dependiendo de la forma como interactúen con la membrana plasmática:

• Proteínas integrales o de transmembrana.
• Proteínas perifericas.

Proteínas integrales y periféricas

Las proteínas integrales o transmembrana son aquellas que atraviesan la doble capa lipídica, de tal forma que están constituidos por: 1) un dominio extracelular; 2) otro transmembrana, generalmente en alfa hélice, que puede ser único o múltiple, conformado por residuos no polares que establecen interacciones hidrofóbieas con las denas de ácidos grasos vecinos, y 3) un dominio citoplasmático. Las proteínas integrales generalmente se extraen de la membrana plasmática mediante procedimientos relativamente drásticos que involucran la utilización de detergentes; no obstante, después de su aislamiento permanecen asociadas con algunas moléculas de lípidos. Las proteínas periféricas son aquellas que se asocian a la membrana, sin atravesarla, mediante enlaces no covalentes, particularmente gracias a interacciones iónicas. Además de una distribución asimétrica, tienen una ubicación preferencial, en una u otra cara de la membrana, contribuyendo a la lateralidad de esta última. Las proteínas periféricas son solubles en disoluciones acuosas a pH neutro, se solubilizan en condiciones suaves y quedan libres de lípidos luego de su extracción. Estas proteínas se anclan a la membrana mediante la unión a cadenas hidrocarbonadas tales como miristoil, palmitoil, farnesil y gerenil o a lípidos como el glicosilfosfatidilinositol (GPI). Dichas uniones se establecen mediante enlaces covalentes que ocurren posterior a la síntesis de la proteína, lo cual permite que se unen a una cara de la bicapa, sin atravesarla. Muchas de estas proteínas desempeñan un papel importante en la señalización celular.

Glúcidos

En las células de los mamíferos los glúcidos rara vez representan más del 10% de la masa de una membrana plasmática. Suelen ser oligosacáridos o polisacáridos, la mayoria están asociados a proteínas, formando glicoproteínas o a lípidos, originando glucolipidos. Estos compuestos se encuentran, invariablemente, en la superficie externa de la membrana plasmática y son, en su mayor parte, glucosa, galactosa, manosa, fucosa, glucosamina y ácido siálico (o neuraminico). El ácido siálico es casi siempre terminal y es la causa de la carga superficial negativa que en medios neutros caracteriza la mayoría de las células de mamiferos. En general estos carbohidratos desempeñan un papel importante en la estabilidad de la estructura proteica y en la orientación de las glucoproteinas. Además. intervienen en los procesos de reconocimiento celular que permiten la interacción con otras células o con una amplia variedad de moléculas que se encuentran en el medio ambiente. El interés por el estudio de los glucolípidos se ha incrementado después de la identificación de toxinas de hongos capaces de inhibir la síntesis de componentes de membrana, asi como por la demostración de que algunos agentes patógenos penetran a la célula hospedera luego de su interacción con los glucolipidos de membrana.

En resumen:

La membrana que rodea la célula es algo más que una envoltura y no un simple receptáculo. No sólo define la extensión de la célula, sino que actúa manteniendo la diferencia de concentraciones entre el Interiory el exterior Todas las membranas biológicas conocidasforman compartimientos cerrados y esta propiedad de formar vesículas es debida al componente lipídico. La doble capa lipídica se cierra sobre sí misma para adquirir asi la mayor estabilidad; esto es, la mínima energía para una suspensión de lípidos. Una propiedad esencial de la membrana celular es su estabilidad, la cual está dada por el componente lipoproteico. Llevan a esta estabilidad: las fuerzas de unión electrostáticas y los puentes de hidrógeno entre los grupos polares y el disolvente y las interacciones hidrofóbicas y de tipo Van der Waals de los grupos apolares. Otra propiedad de la membrana es la lateralidad, dada por la asimetría de los componentes de la superficie interior, en contacto con el citoplasma, y de la superficie exterior, en contacto con el liquido extracelular. Finalmente, la asimetría funcional de la membrana refleja una asimetria estructural subyacente; ya vimos que no sólo los lípidos sino también las proteínas tienen una ubicación asimétrica. Las moléculas proteicas embebidas en la membrana, o ligadas a ella, presentan una orientación fija y asimétrica.

¡Muchas gracias!

creditos:

Propuesta de lectura y realizador Genially:

Dr. Charles covarrubias flores

Profesor de Biología Celular e Histología. Profesor de Microbiología y Parasitología. Universidad Autonoma de Chile- Sede Talca.