GUÍA N 1: ORGANIZACIÓN CELULAR Y TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA

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1 Subsector Profesor Nivel Año : : : : Biología Iris Gaete IV medio Científico 2016 Unidad : Organización celular Semestre : I GUÍA N 1: ORGANIZACIÓN CELULAR Y TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA NOMBRE: CURSO: I. ORGANIZACIÓN CELULAR TEORÍA CELULAR La célula es la unidad de vida más pequeña. Es la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. Dos científicos alemanes el botánico Mattias Schleiden ( ) y el zoólogo Theodor Schwann ( ) fueron los primeros en señalar que "Los cuerpos de las plantas y de los animales están compuestos por células y por productos celulares" enunciando el postulado inicial de la Teoría Celular Posteriormente, Rudolph Virchow ( ) amplio la Teoría Celular y afirmó: "Todas las células proceden de otra preexistente". Por lo tanto, las células no surgen por generación espontánea a partir de materia inanimada. Otra importante conclusión de la Teoría Celular afirma que todas las células actuales, tienen un origen común. La evidencia más importante, sobre el origen común de todas las formas celulares, radica en las similitudes básicas de sus estructuras y principalmente de su composición molecular. Tabla 1. Postulados de la Teoría Celular 1- Todos los seres vivos están formados por células y productos celulares (unidad anatómica) 2- Las funciones de un ser vivo son el resultado de la interacción de las células que lo componen (unidad fisiológica) 3- Toda célula sólo puede tener origen en una célula progenitora. 4- Toda célula tiene la información hereditaria del organismo del cual forma parte, y esta información pasa de una célula progenitora a una célula hija. CARACTERÍSTICAS DE LAS CÉLULAS Todas las células están cubiertas por una membrana externa, llamada membrana plasmática, que las separa de otras células y del medio circundante con el cual intercambian materia y energía. Este intercambio está altamente regulado y es selectivo. De esta forma la membrana plasmática debe actuar no sólo como limite celular sino también como barrera selectiva. Por lo tanto la célula, mantiene una composición química muy ordenada y diferente a la del entorno. Todas las células poseen un metabolismo o conjunto de reacciones químicas, que posibilitan el mantenimiento de la vida. Este metabolismo para sustentarse necesita de una o más fuentes de energía. Las células, necesitan de distintivos tipos de moléculas energéticas: * Monedas energéticas, como el ATP * Moléculas combustibles, como la glucosa o los ácidos grasos * Moléculas de reserva de energía, como el glucógeno o el almidón 1

2 Dentro de las reacciones para obtener e interconvertir diferentes forma de energía, son muy importantes las reacciones de oxido-reducción o reacciones REDOX. En este tipo de reacciones es esencial la participación de las coenzimas de oxido-reducción, como el NAD+ y el FAD. Todas las células, almacenan en forma de ADN, ácido desoxirribonucleico, a información necesaria para controlar sus actividades (reproducción, metabolismo), y para establecer su propia estructura. El ADN, es un polímero formado por una secuencia lineal, de monómeros, llamados nucleótidos. Esta secuencia de nucleótidos, especifica una secuencia de aminoácidos (estructura primaria de una proteína). La especificidad de la secuencia de aminoácidos determinada por la secuencia de bases del ADN está regida por el código genético. La secuencia de bases del ADN, que codifica una proteína, es un GEN. Las proteínas, son moléculas que llevan a cabo gran parte de las funciones celulares. Muchas proteínas son enzimas, moléculas encargadas de dirigir y regular el metabolismo celular. Las enzimas aceleran las reacciones químicas, haciéndolas compatibles con la vida. De esta manera las enzimas, dirigen la síntesis y degradación de todas las moléculas biológicas, incluidos lípidos, glúcidos, proteínas y los mismos ácidos nucleicos. De esta forma, el ADN al almacenar la estructura de las enzimas y otras proteínas reguladoras, ejerce el control del metabolismo celular. El ADN utiliza un segundo ácido nucleico, el ARN, ácido ribonucleico, como intermediario. A partir de la secuencia de bases del ADN, que codifica una proteína, se sintetiza una secuencia de bases de ARN. Este proceso es llamado transcripción. EL ácido ribonucleico encargado de transportar la información, recibe la denominación de ARN mensajero. Este ARN mensajero, porta la información necesaria para la síntesis de proteínas, proceso llamado traducción, el cual tiene lugar en el citoplasma con la intervención de dicho ARNm, los ribosomas y el ARNt que porta los aminoácidos. Las células para perpetuarse necesitan reproducirse. Esto significa que la información almacenada en el ADN debe duplicarse para poder ser transmitida a las células hijas. El ADN tiene la excepcional característica de ser una molécula capaz de autorreplicarse, es decir de generar una copia de si misma. Este proceso es llamado duplicación o replicación. DIMENSIONES DE LAS CÉLULAS Por qué son tan pequeñas las células? Las células deben captar alimento y otros materiales a través de su membrana plasmática y deben eliminar los productos de desecho, generados en las distintas reacciones metabólicas rápidamente antes de que estos se acumulen hasta niveles tóxicos para la supervivencia celular. Por lo tanto, las células son pequeñas, de modo que en ellas las moléculas recorren distancias cortas, lo que acelera las actividades celulares. Además, a mayor superficie celular, mayor es el transporte de moléculas a través de la membrana, siendo importante para la continuidad de los procesos metabólicos la proporción superficie celular sobre volumen celular. Supongamos una célula de forma cúbica, cuanto más grande es, su superficie crece proporcionalmente lado x lado, es decir a la segunda potencia de la longitud de un lado, en cambio el volumen celular aumenta proporcionalmente a la tercera potencia. Por lo tanto, el volumen celular aumenta más que su superficie a medida que la célula crece, determinando el límite superior al tamaño de la célula en cuestión. Está célula sólo podrá iniciar el proceso de división celular (previa duplicación de su ADN) o perecerá. Por otra parte, debemos recordar que en las células el material Genético (localizado en el núcleo, en células eucariontes), posee un área limitada de influencia sobre el citoplasma circundante, que es el que incrementa marcadamente su tamaño durante el crecimiento celular, siendo otra limitante del tamaño celular la relación núcleo/citoplasma. CÉLULAS EUCARIOTAS Y PROCARIOTAS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Todas las células se parecen y responden a un patrón común por más diversas que sean. Las células de organismos pluricelulares son diferentes en su función, por ser distintas estructuralmente, pero todas concuerdan con un patrón común. Por ejemplo, aquellas especializadas en la síntesis de lípidos, tendrán mayor desarrollo del retículo endoplasmático liso y serán distintas de las neuronas especializadas en la transmisión del impulso nervioso, cuya especialización es tan grande que pierden su capacidad de reproducirse. 2

3 A pesar de las semejanzas y diferencias entre las células y que todas cumplen con los postulados de la Teoría Celular, se distinguen dos grandes tipos de células: PROCARIOTAS (sin núcleo verdadero) y EUCARIOTAS (con núcleo). Tabla 2- Principales características comunes entre células eucariotas y procariotas 1- En ambos tipos celulares el ADN es el material genético. 2- Ambos tipos celulares poseen membranas plasmáticas como límite celular. 3- Poseen ribosomas para la síntesis proteica. 4- Poseen un metabolismo básico similar 5- Ambos tipos celulares son muy diversos en formas y estructuras. Los eucariontes son organismos cuyas células poseen un sistema de endomembranas (membranas internas) muy desarrollado. Estas membranas internas forman y delimitan organelos donde se llevan a cabo numerosos procesos celulares. De hecho él más sobresaliente de estos organelos es el núcleo, donde se localiza el ADN. Justamente, el término eucarionte, significa núcleo verdadero (eu: verdadero, carion: núcleo). Por lo tanto, las células eucariontes, poseen diversos compartimentos internos, rodeados por membranas. De esta forma es más eficiente reunir a los sustratos y sus enzimas, en una pequeña parte del volumen celular total. Además de conseguirse una mayor velocidad, las membranas favorecen la aparición de estructuras reguladoras que orientan el flujo de moléculas y su posterior conversión en otros productos. Ciertos procesos como la fotosíntesis y la cadena respiratoria están altamente organizados gracias a la localización de las enzimas en diferentes estructuras de membrana. Por otra parte, las membranas también impiden la aparición de sustratos en forma inespecífica en distintas regiones de la célula, ya que actúan como barrera selectiva. En cuanto al tamaño, podemos decir que en promedio una célula eucarionte es diez veces mayor que una célula procarionte. En cuanto al material genético, podemos decir que el ADN eucariota posee una organización mucho más compleja que el ADN procarionte. Las células procariontes carecen de núcleo y generalmente son mucho menores que las células eucariontes. El ADN de las células procariontes no está rodeado por una membrana, pero puede estar limitado a determinadas regiones denominadas nucleoides. Las células procariontes, al igual que las células eucariontes, poseen una membrana plasmática, pero carecen de membranas internas, que formen organelos. Sin embargo, debemos precisar que en algunas células procariontes, la membrana plasmática forma laminillas fotosintéticas. 3

4 Las células procariontes poseen una característica única, una pared de peptidoglicanos, un gran polímero de glúcidos y aminoácidos. Tabla 3 Características Diferenciales entre el Modelo Celular Procariótico y Eucariótico Característica Célula Procariótica Célula Eucariótica Núcleo No posee membrana nuclear Posee membrana nuclear Cromosomas Un único cromosoma circular y Posee uno o más cromosomas desnudo lineales unidos a proteínas (cromatina) ADN extracromosómico Puede estar presente como Presente en organelos plásmidos Organelos citoplasmáticos No posee Mitocondrias y cloroplastos, (los cloroplastos presentes sólo en células vegetales) Membrana plasmática Contiene las enzimas de la Semipermeable, sin las funciones cadena respiratoria, también de la membrana procariótica puede poseer los pigmentos fotosintéticos Sistema de endomembranas No posee Presenta RER, REL, Golgi, lisosomas, vacuolas y vesículas. Pared celular Capa rígida de peptidoglucano No poseen pared de peptidoglucano. Pueden poseer una pared de celulosa o quitina Citoesqueleto Presente con proteínas diferentes Presente. Formado por de las eucariontes filamentos proteicos. Exocitosis y Endocitosis Ausente Presente Ribosomas 70 S en el citoplasma 80 S en el retículo endoplasmático y en el citosol División Fisión Binaria (amitosis) Mitosis - Meiosis Tamaño 0,2 a 10 micrómetros Siempre superior a 6 micrómetros 4

5 ESTRUCTURA DE LAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS Figura 1 Estructura de una Célula eucariota Fig.2 Esquema de la ultra estructura tridimensional de una célula animal y sus principales componentes Presentan este modelo celular, los organismos de los reinos Protista, Hongos, Plantas y Animales. Si bien existe una gran diversidad entre estas células, el modelo básico es similar, presentando como estructura sobresaliente el núcleo celular. NÚCLEO CELULAR Las diversas partes de una célula eucariótica interactúan de forma integrada. Esto es posible porque existe un centro primordial de control: el núcleo celular. Una membrana doble, la envoltura nuclear (constituida por dos unidades de membrana), controla el transporte, muy selectivo, de sustancias entre el núcleo y el citoplasma. El pasaje se realiza a través de los poros nucleares. La envoltura nuclear posee ribosomas adheridos a la cara citoplasmática y una estructura proteica en su parte interna llamada lamina nuclear, que sirve como esqueleto al núcleo. En el interior del núcleo, se encuentra el material genético (ADN) asociado a proteínas básicas llamadas histonas, formando una estructura fibrilar muy enrollada denominada cromatina y el nucléolo, sitio de 5

6 ensamblaje de los ribosomas (estructuras esenciales para la síntesis de proteínas, formados por ARN ribosomal y proteína). El ARN ribosómico se sintetiza en el nucléolo, y las proteínas ribosómicas en el citoplasma, para pasar después al núcleo y de allí al nucléolo, donde se unen al ARN ribosomal para formar los ribosomas. Tabla 4 Características del Núcleo Celular y sus Componentes Estructura : Núcleo Celular Descripción Función Núcleo Estructura rodeada por una Regular la función celular. doble membrana con poros. Control del metabolismo, Contiene reproducción (ciclo celular) y cromatina/cromosomas y diferenciación celular. nucléolo. Envoltura Nuclear Estructura formada por dos Continuación del REG. Posee unidades de membrana unidas a poros que regulan el pasaje nivel de los poros nucleares. entre núcleo y citoplasma Nucleolo Cuerpo granular en el núcleo, Sitio de síntesis del RNA que consiste en ARN y proteínas. ribosómico y de ensamble de los ribosomas. Cromatina ADN asociado a proteínas, tanto Empaquetamiento estructurales (histonas) como a (plegamiento) de ADN. El proteínas regulatorias. La ADN compone los genes. cromatina es visible durante la Funciones regulatorias de la interfase celular transcripción genética. Cromosomas ADN asociado a proteínas, en Contienen los genes que son estado superenrrollado. Visible las unidades de información, en forma de estructuras que rigen las funciones y cilíndricas cuando la célula se estructura celular. divide, ya sea en mitosis o meiosis. Rodeando al núcleo encontramos el CITOPLASMA, coloide donde predominan como constituyentes agua, iones, enzimas y donde se encuentran incluidos los organelos celulares. El citoplasma se encuentra separado del ambiente exterior por la membrana plasmática. MEMBRANA PLASMÁTICA Estructuralmente está compuesta por una bicapa fosfolipídica. El colesterol está presente en las células animales, pero está ausente, en general, en plantas, hongos y procariontes (salvo micoplasmas). La membrana plasmática también contiene múltiples proteínas con diversas funciones. Podemos dividirlas en dos grandes grupos: a) proteínas integrales de membrana y b) proteínas periféricas de membrana. Las primeras atraviesan la membrana de lado a lado, mientras que las segundas están en contacto con la membrana, pero no la atraviesan. Algunas son enzimas reguladoras, otras receptores hormonales. Existen también proteínas transportadoras y canales reguladoras del movimiento de iones y moléculas a través de la membrana plasmática, de allí su enorme especificidad. Otra función importante de la membrana es la comunicación intercelular y el reconocimiento de diversos tipos de molécula (hormonas, virus, anticuerpos, toxinas, etc.) que interactúan con ella. En general esta función es llevada a cabo por glucoproteínas y glucolípidos, que se encuentran solo en el lado externo de la membrana plasmática. Se cree que los glúcidos juegan un importante papel en la adhesión entre células. A esta capa, de glucolípidos y glucoproteínas se la denomina glucocálix. 6

7 SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS Este sistema se compone de sistemas membranosos interconectados entre sí, como el retículo endoplalmático liso o agranular (REL), el retículo endoplasmático rugoso o granular (REG) y el aparato de Golgi. Estas estructuras permiten la circulación de sustancias siempre dentro de formaciones limitadas por membrana interactuando por medio de vesículas. Tabla 5. Organización del Sistema de endomembranas Estructura Descripción Retículo endoplasmático rugoso Membranas internas en forma de (RER) sacos aplanados y túbulos. Con ribosomas adheridos a su superficie externa. La envoltura nuclear es parte del RER. Retículo endoplasmático liso (REL) Membranas internas donde predominan los túbulos. Sin ribosomas adheridos. Aparato de Golgi Pilas de sacos membranosos aplanados (dictiosomas). Funcional y estructuralmente polarizado. Lisosomas Vesículas (sacos) membranosas Vacuolas Sacos membranosos principalmente, en plantas, hongos y algas. Función Síntesis de Proteínas destinadas a secreción (exportación) o a la incorporación de membranas. Sitio de biosíntesis de lípidos y detoxificación de medicamentos. Modificación de proteínas (glicosilación). Empaquetamiento de proteínas secretadas. Clasificación de las proteínas que se distribuyen a membrana plasmática, secreción o lisosomas. Contienen enzimas hidrolíticas, que desdoblan materiales ingeridos, secreciones y deshechos celulares. Transporte de materiales, deshechos y agua. ORGANELOS Tabla 6 Principales organoides membranosos de la célula eucarionte Estructura Descripción Mitocondria Organelos semiautónomas. Poseen ADN y ribosomas tipo procarionte. Una doble membrana les sirve de envoltura. La membrana interna forma las crestas mitocondriales. Cloroplasto Organelo semiautónoma. Posee ADN y ribosomas tipo procarionte. Una doble membrana envuelve a los tilacoides. La clorofila, se encuentra en las membranas tilacoidales. Función Metabolismo aeróbico. Sitio de muchas de las reacciones de la respiración celular. Allí se realizan el ciclo de Krebs, la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa. Es decir la transformación de la energía de lípidos o glucosa (moléculas combustibles) en ATP (moneda energética). La clorofila capta la energía luminosa para formar ATP y otros compuestos con gran cantidad de energía. Estos compuestos altamente energéticos sirven para sintetizar, glucosa a partir de CO2. 7

8 Microcuerpos (Peroxisomas) Vesículas membranosas que contienen diversas enzimas relacionadas con el metabolismo del oxigeno y el peróxido de hidrogeno. No poseen ADN ni ribosomas Sitio de muchas reacciones metabólicas. Enzimas que protegen de la toxicidad del oxigeno, por ejemplo la catalasa. RIBOSOMAS Y POLIRRIBOSOMAS Son estructuras redondeadas que a diferencia de las anteriores, carecen de unidad de membrana. Están constituidos por dos subunidades, mayor y menor separadas entre sí. Ambas subunidades se unen cuando leen una molécula de ARNm. Las subunidades están formadas por ARNr y proteínas, siendo ensambladas en el nucleolo. Cuando hay varios ribosomas unidos a una molécula de ARNm, lo denominamos polirribosoma. La función de los ribosomas es sintetizar proteínas. CITOESQUELETO El citoesqueleto es una red de fibras proteínicas. Esta red es dinámica encontrándose en constante cambio. Sus funciones, son esenciales para las células eucariontes y abarcan motilidad celular, forma, diferenciación, reproducción, regulación, etc. Tabla 7 Organización General del citoesqueleto Estructura Descripción Microtúbulos Tubos huecos compuestos por la forma monomérica de la proteína tubulina. (monómero globular) Filamentos de actina (microfilamentos) Estructura sólida en forma de huso consistente en la proteína actina. (monómero globular) Filamentos intermedios Proteínas filamentosas, en forma de tubos. Compuestas por monómeros fibrosos. Centríolos Pares de cilindros huecos, localizados cerca del centro de la célula, formados por microtúbulos. Cilios Proyecciones relativamente cortas que se extienden desde la superficie celular. Compuestas por microtúbulos. Función Sostén estructural, participan en el movimiento de organelos y la división celular (aparato mitótico), componentes de cilios, flagelos y centríolos. Sostén estructural, participan en el movimiento de la célula y sus organelos y en la división celular. Sostén estructural. Forman redes que conectan la membrana plasmática con la envoltura nuclear. El huso mitótico se forma entre los centríolos durante la división de células animales, fija y organiza los microtúbulos. Están ausentes en las plantas superiores. Movimiento de algunos organismos unicelulares. Se utiliza para mover materiales en la superficie de algunos tejidos. 8

9 Flagelos Proyecciones largas compuestas por microtúbulos. Cubiertos por membrana plasmática Locomoción celular de espermatozoides y algunos organismos unicelulares. Fig. 3 Esquema de componentes del Citoesqueleto CÉLULA EUCARIÓTICA ANIMAL Y VEGETAL Fig. 4 Esquemas de una célula vegetal (izquierda) y tridimensional de un cloroplasto con sus componentes (derecha) Figura 5 Modelos básicos de célula eucariota Las células eucariontes poseen dos modelos estructurales básicos: a) células autótrofas fotosintéticas y b) células heterótrofas. Las células autótrofas son aquellas que sintetizan su propio alimento, es decir sus propias moléculas combustibles. En este caso las células eucariontes vegetales son células autótrofas fotosintéticas, por lo tanto utilizan la luz solar como fuente de energía. Transforman la energía solar en energía química, este proceso es llamado fotosíntesis. La fotosíntesis en las células vegetales se lleva a cabo en un organelo membranoso 9

10 llamado cloroplasto. Dentro del cloroplasto se encuentran sacos membranosos apilados, denominados tilacoides, en cuyas membranas encontramos el pigmento llamado clorofila, esencial para la fotosíntesis. Las células heterótrofas son aquellas que no sintetizan su propio alimento sino que necesitan una fuente externa de energía tanto como de materiales de construcción de sus propias moléculas. Las células animales (y los hongos), son células eucariontes heterótrofas. Las células animales y las células vegetales poseen unas organelos membranosas llamadas mitocondrias, donde se lleva a cabo la respiración celular. En este proceso son rotos los enlaces de alta energía de las moléculas combustibles orgánicas. Esta energía liberada es utilizada para la síntesis de las monedas energéticas como el ATP. El ATP es esencial para las diferentes funciones celulares. Para que este proceso se lleve a cabo dentro de las mitocondrias es necesaria la presencia de oxigeno. Por lo tanto en ambos tipos celulares son necesarias las mitocondrias, para obtener energía química en forma de ATP a partir de las moléculas combustibles. Pero es diferente el origen de las moléculas orgánicas utilizadas como combustibles. En el caso de las células vegetales (autótrofas), ellas sintetizan sus propias moléculas combustibles en los cloroplastos, en el proceso de fotosíntesis. En cambio las células animales (heterótrofas), necesitan una fuente externa de moléculas energéticas que sirvan como combustible celular. Tabla 8 Principales diferencias entre células animales y células vegetales Estructura Célula animal Pared celular Ausente Aparato mitótico (Huso acromático ) Centríolos Astral (con centrosomas) Presente Vacuolas Vacuolas pequeñas Metabolismo Mitocondrias Cloroplastos Heterótrofo Presentes Ausentes Célula vegetal Pared celular constituida por celulosa. Anastral (son centrosomas) Ausente Vacuolas grandes, puede ser una grande central Autótrofo Presentes Presentes Fig. 6 Esquema de la ultraestructura de una célula animal idealizada. 10

11 Fig. 7 Esquema de la ultraestructura de una célula vegetal idealizada. ACTIVIDADES 1. Relaciona cada estructura celular con la función que le corresponda 1 Membrana celular Formado por una red de largas proteínas definiendo la forma de la célula 2 Retículo endoplásmico rugoso Encargado de la síntesis de lípidos 3 Retículo endoplásmico liso Presentan enzimas que digieren y otras que modifican compuestos tóxicos 4 Aparato de Golgi Regula el intercambio de sustancias entre la célula y el entorno 5 Lisosomas Encargados de la síntesis de proteínas cuyo fin es construir el cuerpo celular, regular ciertas actividades metabólicas, etcétera. 6 Peroxisomas Coordina los procesos metabólicos, la reproducción y la herencia, por lo cual se considera el centro de control de la célula 7 Mitocondrias Circulación intracelular, síntesis de proteínas, canalización y procesamiento de proteínas que van a diferentes destinos dentro o fuera de la célula 8 Citoesqueleto Producen ATP a partir de la glucosa y oxígeno. El ATP es una 11

12 molécula que es usada como fuente de energía en la célula 9 Núcleo Almacena sustancias como lípidos y proteínas y secreción de ellas. 10 Ribosomas Participan directamente en el proceso de división o reproducción celular, llamado mitosis. 11 Centríolos Encargados de la digestión de macromoléculas, como son lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. 2. Completa la tabla marcando con una X, la presencia de las siguientes estructuras celulares en lo tipos de células indicados. Organelo Sólo Célula vegetal Sólo Célula animal Ambas Aparato de Golgi Centríolos Cilios Cloroplastos Cromosomas Flagelos Grandes vacuolas Lisosomas Membrana Celular Mitocondrias Núcleo Nucléolos Pared Celular Retículo endoplasmático liso Retículo endoplasmático rugoso Ribosomas 12

13 II.TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANA Introducción Las células están separadas del medio que las rodea por una delgada lámina denominada membrana plasmática, que define los límites de las mismas. Hace 3700 millones de años, la formación espontánea de una estructura similar a la membrana plasmática de las células actuales permitió aparición de los primeros seres vivos. Sin esta barrera protectora, las células estarían expuestas a los rigores del mundo externo, no podrían regular su medio interno y, en consecuencia, no serian viables. La membrana plasmática no aísla a la célula completamente sino que constituye una barrera altamente selectiva, que tiene la propiedad de regular el intercambio de materiales entre la célula y el medio que la rodea. La membrana es una estructura muy delgada: sólo tiene un espesor de 6 a 10 nm (1nm=109 m). Por lo tanto, se necesitarían mil membranas plasmáticas apiladas, una sobre otra, para igualar el espesor de esta hoja de papel. Precisamente debido a su delgadez, cuando se examina una célula al microscopio óptico convencional, puede observarse sin dificultad el interior de la misma; en el mejor de los casos podrá apreciarse el contorno de la membrana, pero nunca podrá distinguirse su ultraestructura. Recién las primeras microfotografías al microscopio electrónico demostraron que la ultraestructura las membranas era siempre la misma. Esta estructura se denominó unidad de membrana y la misma no sólo es válida para la membrana plasmática, sino para casi todas las membranas celulares. Funciones de la membrana plasmática Como ya se mencionó, las membranas no son simples barreras sino que: Definen la extensión de la célula y establecen sus límites. Constituyen barreras selectivamente permeables, dado que impiden el intercambio indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. La membrana plasmática, gracias a sus propiedades fisicoquímicas, está capacitada para transportar de un lado a otro de la misma, determinados solutos, macromoléculas y complejos macromoleculares. Sin embargo, hay moléculas, que a pesar de ser toxicas para la célula, pueden ingresar sin dificultad a la misma a través de la membrana. Un ejemplo seria el CO (monóxido de carbono). Controlan las interacciones de la célula con el medio extracelular (tanto con la matriz extracelular como con otras células vecinas). Permite a las células reconocerse, adherirse entre sí cuando sea necesario e intercambiar materiales e información. Intervienen en las respuestas a señales externas a la célula. La membrana posee receptores, que son moléculas o conjuntos de moléculas, capaces de reconocer y responder a señales provenientes del medio extracelular portando información específica. Cuando dichas señales llegan hasta la membrana plasmática, se desencadenan señales internas en la célula, tanto activadoras como inhibitorias de distintos procesos celulares. Como ejemplos de estas señales externas podemos citar a los factores de crecimiento que favorecen la división celular o diversas hormonas como por ejemplo la insulina, que aumenta la síntesis de glucógeno. 13

14 Singer y Nicholson propusieron en 1972 un modelo estructural para las membranas al cual denominaron modelo del mosaico fluido. De acuerdo al mismo las membranas son disoluciones bidimensionales de lípidos y proteínas. Según este modelo, la estructura de la membrana sería una delgada lamina formada por dos capas superpuestas de lípidos (también llamadas hemimembranas), con la fluidez propia de los aceites, en la cual se encuentran insertadas proteínas. Esto le confiere el aspecto de un mosaico. Las membranas no son estructuras estáticas ni rígidas. Están formadas por un conjunto de moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas que se mantienen unidas por enlaces, en general, no covalentes. Una de las principales características de las membranas biológicas es su alto grado de fluidez. Esto implica que sus lípidos y proteínas pueden desplazarse libremente Fig Esquema del "Modelo del mosaico fluido" de las en todas las direcciones, pero siempre membranas sobre el plano de la membrana. De allí entonces la denominación de mosaico fluido ; a esta propiedad también se la conoce como difusión lateral. Como puede observarse en el esquema, las membranas también presentan glúcidos unidos por enlaces covalentes a lípidos y proteínas. Esto da lugar a los llamados glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente. Estas membranas carecen de resistencia mecánica y en muchas células, como en el caso de hongos, bacterias y plantas están reforzadas por paredes celulares. 1. COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS Todas las membranas biológicas de los seres vivos, tanto la membrana plasmática, como las de las organelas, están formadas por: A. Lípidos B. Proteínas C. Glúcidos La proporción de cada uno de estos componentes varía de acuerdo a la función que realiza cada tipo de membrana. Por ejemplo, las membranas mitocondriales tienen una proporción muy elevada de proteínas 14

15 A. Lípidos La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, todos poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto significa que sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar. Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su carácter anfipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan espontáneamente conformando la denominada bicapa lipídica. Las cabezas polares están orientadas hacia el medio acuoso (intra y extracelular) y las colas hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, al interior de la bicapa, constituyendo la matriz de la membrana. A su vez, estas bicapas tienden a cerrarse espontáneamente sobre sí mismas formando vesículas, es decir, compartimientos cerrados en toda su extensión tridimensional, similares a una esfera. Fig Esquema de un fosfolípido. Fig Corte esquemático de una vesícula de fosfolípidos. La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de la membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a través de la misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de la matriz de la membrana. La estabilidad de las bicapas lipídicas está dada por: interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas. fuerzas de van der Waals entre las colas hidrofóbicas. fuerzas electrostáticas y puentes hidrogeno entre las cabezas polares de los lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las moléculas de agua de los medios extra e intracelular. Como se notará todas estas son uniones débiles (no covalentes) y le confieren simultáneamente estabilidad y fluidez a la membrana. Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos que forman parte los fosfolípidos (también denominadas colas o grupos acilo), pueden presentarse: saturados (sin dobles enlaces) monoinsaturados (con un único doble enlace) poliinsaturados (más de un doble enlace) 15

16 En general, los lípidos de membrana contienen un grupo acilo insaturado y otro saturado en su estructura. Fig Fosfatidiletanolamina-(fosfolípido de membrana) Fig Esquema de un fosfolípido con una cola saturada y una no saturada. La presencia de ácidos grasos insaturados aumenta la fluidez de la membrana, debido al quiebre de las colas a la altura de los dobles enlaces. Esto impide, o al menos dificulta, que las colas hidrocarbonadas se compacten, restringiendo así las interacciones entre ellas. El hecho de que uno de los grupos acilo de los fosfolípidos esté saturado y el otro no, garantizan una buena fluidez dentro del rango de temperaturas fisiológicas. Por otro lado, cuando las cadenas hidrocarbonadas son cortas, tienen menor superficie para interactuar entre sí; esto último también favorece la fluidez de las membranas. El colesterol es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana plasmática de las células animales. Su concentración varía mucho de un tipo de membrana a otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el 50% del total de los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y bacterianas carecen de colesterol. El colesterol, al ser también una molécula anfipática, presenta una orientación similar a la de los fosfolípidos: el grupo hidroxilo (polar) se orienta hacia el exterior de la bicapa y el sector hidrofóbico hacia el interior de la misma. Las funciones del colesterol se pueden resumir de la siguiente mane Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol, la membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica. Previene el compactamiento de las cadenas hidrocarbonadas a bajas temperaturas, ya que evita que las colas se junten, aumenten las interacciones débiles entre las mismas y se cristalicen (adopten una estructura muy compacta). B. Proteínas Mientras que los lípidos ejercen principalmente una función estructural, las proteínas no sólo desempeñan un rol estructural sino que además son las responsables de las funciones específicas de las membranas biológicas. Estas según su función pueden agruparse en: enzimáticas, de transporte, receptoras y de reconocimiento. Diferentes membranas tienen distinta proporción y composición de proteínas, de acuerdo a sus funciones. En otras palabras, son justamente las proteínas las que le otorgan distintas funciones a las membranas. Estas en su mayoría son proteínas globulares (estructura terciaria o cuaternaria). Según su ubicación en la membrana se clasifican en: -Proteínas intrínsecas, integrales o transmembrana: Pueden atravesar total o parcialmente la bicapa, asomando a una o ambas superficies de la misma. Únicamente pueden ser extraídas de la membrana por medio de detergentes que rompen la bicapa. Tienen un sector hidrofóbico, que es el que esta insertado en la 16

17 membrana y una o dos regiones hidrofílicas, expuestas a los medios intra y extracelulares (ambos acuosos). De lo anterior se deduce que estas proteínas son moléculas anfipáticas. La porción que atraviesa la membrana suele presentar una estructura de alfa hélice con una elevada proporción de aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan con las colas hidrocarbonadas de la matriz de la membrana. El sector proteico (también llamado dominio) expuesto a los medios acuosos suele tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos y con otras moléculas a través de uniones iónicas y puente de hidrógeno. Dentro de las proteínas integrales encontramos: Proteínas monopaso: La proteína atraviesa una sola vez la membrana. Proteínas multipaso: La cadena polipeptídica atraviesa dos o más veces la bicapa lipídica. Por lo tanto, esta posee varias regiones hidrofóbicas insertadas en la matriz de la membrana alternadas con sectores hidrofílicos que se exponen hacia los medios acuosos. Fig Asociación de proteínas de membrana con la bicapa lipídica: Transmembrana, atraviesan la membrana como -helice o como láminas plegadas cerradas. Periféricas unidas a proteínas transmembrana por interacciones no covalentes débiles y Periféricas unidas a lípidos mediante uniones covalentes. Algunas proteínas multipaso atraviesan muchas veces la membrana y forman un cilindro hueco con un interior hidrofílico por el que pueden pasar moléculas pequeñas solubles en agua. Este es el principio de las proteínas canal que se analizaran más adelante. Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente y rotar sobre su propio eje, pero no pueden realizar movimientos a través del plano de la membrana, o más sencillamente movimiento flip-flop. Las proteínas integrales suelen desplazarse acompañadas de los lípidos que las rodean ya que estos le ayudan a mantener su conformación. Sin embargo, algunas proteínas integrales están ancladas a componentes del citoesqueleto y no pueden trasladarse. De esta manera intervienen en la morfología de la célula, por ejemplo alargada, cúbica, cilíndrica, etc. -Proteínas extrínsecas o periféricas: Se encuentran sobre la cara externa o también interna de la membrana y pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los fosfolípidos por uniones débiles. Se pueden extraer fácilmente con tratamientos no drásticos. Cuando estas se ubican del lado citoplasmático de la membrana suelen interactuar con el citoesqueleto. 17

18 C. Hidratos de carbono Las membranas celulares contienen entre un 2-10% de glúcidos. Estos se asocian covalentemente a los lípidos (glicolípidos) y a las proteínas (glicoproteínas). Los hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría oligosacáridos, suelen ubicarse en la cara nocitosólica de la membrana plasmática formando una estructura llamada glicocálix (Fig. 4.9 y 4.10), cuyas funciones se pueden resumir de la siguiente manera: Proteger a la superficie de la célula de agresiones mecánicas o físicas. Como ejemplo podemos citar a las células situadas en la luz del intestino delgado que presentan un glicocálix muy pronunciado. Poseer muchas cargas negativas, que atraen cationes y agua del medido extracelular. Intervenir en el reconocimiento y adhesión celular. Actúan como una huella dactilar característica de cada célula, que permite distinguir lo propio de lo ajeno. Actuar como receptores de moléculas que provienen del medio extracelular y que traen determinada información para la célula, por ejemplo, receptores de hormonas y neurotransmisores. Fig Microfotografía electrónica de un glicocalix de epitelio intestinal (izquierda). Fig.4.10 Esquema del glicocalix de una célula eucariota 18

19 Las diferencias entre los grupos sanguíneos se hallan determinadas por ciertos oligosacáridos muy cortos, presentes en las membranas plasmáticas de los glóbulos rojos o eritrocitos. 2. FLUIDEZ DE LA MEMBRANA Como ya se mencionó, las membranas son estructuras dinámicas donde los componentes pueden desplazarse en todas las direcciones sobre el plano de la bicapa. De ahí que el modelo reciba el nombre de mosaico fluido. Fig Movimientos de los fosfolípidos en una bicapa liplídica FACTORES QUE AUMENTAN LA FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS -Ácidos grasos insaturados -Baja concentración de colesterol -Altas temperaturas -Colas hidrocarbonadas cortas (dificultan el empaquetamiento) Factores que favorecen la viscosidad Alto grado de saturación y mayor longitud de las colas hidrocarbonadas. Factores que favorecen la fluidez Alto de grado de insaturación y menor longitud de las colas hidrocarbonadas. Menor temperatura del medio Mayor temperatura del medio Fig Esquema de los fosfolípidos de membrana en estado viscoso y fluído. 19

20 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA FLUIDEZ El ascenso de la temperatura aumenta la energía cinética entre las moléculas y, por lo tanto, el movimiento de las colas hidrocarbonadas. Esto lleva a una disminución de las interacciones atractivas entre las mismos y a un aumento de los movimientos de rotación y de difusión lateral. Por el contrario, una disminución de la temperatura vuelve más rígida a la membrana ya empaqueta las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos e impide sus movimientos. Si la temperatura desciende significativamente, la membrana puede llegar a cristalizarse, con la pérdida consiguiente de muchas funciones vitales de la membrana. Los organismos que habitan regiones donde hay grandes amplitudes térmicas estacionales varían la composición de los fosfolípidos de sus membranas en forma periódica, asegurando así una fluidez más o menos constante durante todo el año. Por otra parte, organismos que habitan ambientes extremos poseen composiciones fosfolipídicas muy particulares en sus membranas, por ejemplo, los que viven a temperaturas inferiores a los 0ºC tienen membranas muy ricas en lípidos poliinsaturados. DETERMINACIÓN DE LA FLUIDEZ DE LA BICAPA LIPÍDICA La fluidez de la membrana se pudo determinar experimentalmente tratando células con anticuerpos fluorescentes que eran reconocidos y se unían a las proteínas (receptores) presentes en la membrana plasmática. Gracias a esta técnica, se pudo observar, a través del microscopio, el desplazamiento de los receptores sobre la superficie de la membrana y su agrupamiento en un polo de la célula, donde posteriormente ingresaban por endocitosis (internalización a la célula, ver más adelante). ASIMETRIA DE MEMBRANA En ambas caras de la bicapa (también denominadas hemimembranas o monocapas) no se encuentran los mismos tipos de fosfolípidos. La asimetría estructural de las membranas suele manifestarse a través de una asimetría funcional. Esto significa que las funciones presentes en la cara citosolica no son las mismas que aparecen en la cara no citosólica. Por ejemplo, en el caso de la membrana plasmática, las moléculas que intervienen en el reconocimiento celular se ubican casi exclusivamente en la cara expuesta hacia el medio extracelular, pues no tendría mucho sentido que dichas moléculas estuviesen expuestas hacia el citoplasma. 4. FUSIÓN DE MEMBRANAS Las membranas tienen una elevada capacidad para fusionarse entre sí. Por ejemplo, cuando una vesícula se aproxima a la membrana plasmática, a una cisterna o, inclusive, a otra vesícula, al entrar en contacto ambas superficies, las dos membranas se fusionan, constituyendo a partir de ese momento una sola membrana. Este fenómeno explica el tránsito de sustancias desde un compartimiento celular a otro, y desde las endomembranas a la membrana plasmática. Este es el principio en el que se basa la administración de fármacos vehiculizadas dentro de liposomas, que son vesículas fosfolipídicas artificiales que contienen alguna droga de interés terapéutico. Cuando el liposoma se aproxima a la célula blanco (o target), la membrana del liposoma se fusiona con la membrana plasmática liberando su contenido directamente en el citoplasma de la célula. Este fenómeno permite que el contenido del liposoma sólo sea captado por ciertos tipos celulares y no por otros. Técnicas basadas en esta propiedad de las membranas se utilizan, por ejemplo, para combatir células tumorales. Fig Fusión de dos membranas 20

21 5. PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS CELULARES Como ya se ha mencionado la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma. Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante. La membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general. En cambio, las moléculas hidrofóbicas, siempre y cuando su tamaño no sea demasiado grande, pueden atravesarla fácilmente. Podemos observar en la figura 4.15, que únicamente atravesarán la membrana las moléculas no polares y pequeñas como el O2, CO2, N2 e incluso el CO (tóxico), compuestos liposolubles como los ácidos grasos y esteroides y, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol, la urea y el agua. El resto de las moléculas se transfiere de un lado a otro de la membrana gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores dichas moléculas no pueden difundir a través de las membranas. Fig Permeabilidad de la membrana a los diferentes solutos 6. MECANISMOS DE TRANSPORTE TRANSMEMBRANA Fig Distintos mecanismos y estructuras utilizados por los solutos para atravesar las mem-branas de una célula. Antes de continuar con los mecanismos de transporte es preciso hacer una breve aclaración acerca del fenómeno de difusión. Si colocamos un soluto en un solvente, las moléculas de soluto, debido a la energía cinética de las moléculas presentes en la solución, difundirán desde la zona donde se encuentran en mayor concentración hacia la zona donde se hallan en menor concentración. Al cabo de un tiempo toda la solución presentará la misma concentración de soluto. Por ejemplo, si agregamos una gota de tinta a un vaso con agua, la tinta difundirá a través del líquido y al cabo de un tiempo todo el vaso presentara una tinción pareja. 21

22 Fig Difusión de una sustancia disuelta en un solvente. Para lograr esto no se requiere aporte externo de energía, sino que es suficiente con la energía cinética propia de las moléculas. Si tenemos en cuenta que la temperatura de un medio es, de alguna manera, un índice de la energía cinética de las moléculas presentes en el mismo, es fácil deducir que a mayor temperatura, más importante será el fenómeno de difusión. Podemos definir entonces a la difusión como el movimiento de moléculas desde una zona de mayor concentración hacia una de menor concentración. A la diferencia de concentración que existe entre una zona y otra se la denomina gradiente. 22

23 a) DIFUSION SIMPLE Cuando la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana permeable a ese soluto, se denomina difusión simple y, como ya se dijo, no requiere de otra energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de su gradiente de concentración. En otras palabras, la difusión simple no requiere gasto de ATP, ya que es un fenómeno espontáneo. Las moléculas que se movilizan por difusión simple a través de la membrana son las no polares y pequeñas, las liposolubles y las polares pequeñas, pero sin carga eléctrica neta, como el H2O. En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis. El pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. El H 2O difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, de modo tal de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. Al cabo de un tiempo, el resultado serán dos medios isotónicos, o sea, la concentración a ambos lados de la membrana será la misma. Fig Efecto del proceso osmótico sobre una célula viva. Si colocamos una célula, por ejemplo un glóbulo rojo, en una solución hipertónica (agua salada, por ejemplo) el H2O tenderá a salir por ósmosis hacia el medio extracelular, encogiendo o crenando al glóbulo rojo. En cambio, si el medio extracelular es hipotónico (agua destilada, por ejemplo) el H2O penetrará en la célula, hinchándola y, finalmente, ocasionando su ruptura o lisis. Cabe hacer aquí una breve aclaración: un medio no es por sí mismo ni hipertónico ni hipotónico; siempre que se use esta terminología lo que se está haciendo es comparar un medio con respecto a otro. Por ejemplo, A puede ser hipertónico con respecto a B y, al mismo tiempo, A también puede ser hipotónico con respecto a C. Es decir, A tiene una concentración de solutos intermedia. Por otra parte, se dice que dos medios son isotónicos cuando su concentración de solutos es la misma. Más adelante veremos (en Acuaporinas) que además de la ósmosis existen otros tipos de transporte de H2O a través de las membranas biológicas. 23

24 Fig Osmosis. Efecto de los cambios de concentración de soluto en (a) células animales y (b) células vegetales b) DIFUSIÓN FACILITADA Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple debido a su polaridad y/o a su tamaño (por ej. glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores. Dichos transportadores son proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo: Proteínas canal o canales iónicos Proteínas carrier o permeasas La difusión facilitada ocurre siempre a favor del gradiente, por lo tanto no requiere gasto de energía adicional. Sin embargo, puede tratarse de un gradiente de concentración (las moléculas se dirigen del compartimiento de mayor concentración hacia el de menor concentración) o de un gradiente de potencial eléctrico (el soluto con carga eléctrica, independientemente de su signo, se desplazará de una zona donde la carga sea mayor hacia otra donde la carga sea menor). Estas proteínas transportadoras presentes en las membranas presentan características muy similares a las enzimas: Saturabilidad (se saturan al alcanzar la máxima velocidad de transporte) Especificidad (reconocen a sus ligandos a través de un sitio específico) Pueden ser inhibidas por determinadas sustancias. Cuando las proteínas transportadoras se saturan de solutos a transportar, alcanzan su máxima velocidad de transporte y por lo tanto las moléculas a ser transportadas deberán esperar a que se desocupen los sitios de unión. 24

25 b1) Canales iónicos: Los canales iónicos son poros o túneles formados por una o varias proteínas transmembrana. En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico. Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los organoides. Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede transportar un tipo de ion (K+, Na+, etc.). Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (108 iones por segundo). El transporte de un ion es impulsado por el gradiente electroquímico. O sea que un ion puede difundir de un lado a otro de la membrana, gracias a la diferencia de concentración como a la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana. La mayoría de los canales no permanecen abiertos permanentemente, sino que se abren en respuesta a estímulos. Estos estímulos pueden ser tanto la presencia de una sustancia inductora como una modificación de la carga eléctrica de la membrana (modificación del potencial eléctrico). Los canales que se abren o cierran en presencia de sustancias inductoras (ligandos) son llamados dependientes de ligando y los otros, dependientes de voltaje. Fig Diferentes tipos de canales. b2) Carriers o permeasas: Al igual que los canales iónicos, las permeasas están formadas por proteínas transmembrana multipaso. Suelen transportar una gran variedad de iones como el HCO3- y otras moléculas polares sin carga como la glucosa. Este tipo de proteínas fijan una única molécula de sustrato (o unas pocas) a la vez, y a continuación sufren un cambioconformacional reversible que les permite transportar el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). Aquí vale hacer otra aclaración: para entender la difusión facilitada no hay que pensar si una sustancia entra o sale de la célula, lo importante es considerar que se está movilizando algo a favor del gradiente (químico o eléctrico) gracias a la acción de proteínas transportadoras. Por esta razón es que no se requiere de energía adicional, no se requiere gasto de ATP, ya que es el propio gradiente el que impulsa el pasaje a través de los transportadores. Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos. 25