ESTRUCTURA Y FUNCION DE LA MEMBRANA PLASMATICA

Transcripción

1 Curso: Biología Terapia Ocupacional 2012 ESTRUCTURA Y FUNCION DE LA MEMBRANA PLASMATICA Héctor R. Contreras M. hcontrer@med.uchile.cl Encierra a la célula Define sus límites Mantiene diferencias entre citosol y ambiente extracelular Mantienen las diferencias entre el contenido de cada organelo y el citosol Todas presentan una estructura común: una fina bicapa de lípidos y proteínas que se mantienen unidos por interacciones nocovalentes Bicapa lipídica: estructura fluida básica y barrera impermeable para la mayoría de las moléculas solubles en agua Proteínas: encargadas de todas las funciones y diferencias entre las membranas Lípidos: más del 50% de la masa total de las membranas de las células animales 5 x 10 6 moléculas de lípidos por um 2 de membrana Todos los lípidos de membrana son anfipáticos Fosfolípidos Otro grupo fosfato glicerol Cabeza polar hidrofílica Otro grupo: Colina Fosfatidilcolina Etanolamina Fosfatidiletanolamina Serina Fosfatidilserina Inositol Fosfatidilinositol Esfingolípidos: esfingosina en vez de glicerol Esfingomielina Colas apolares hidrofóbicas Los ácidos grasos normalmente contienen cadenas de 14 a 24 átomos de carbono Saturados, sin dobles enlaces Insaturados, con uno o más dobles enlaces Tipos de Fosfolípidos: FOSFATIDILCOLINA El doble enlace genera una pequeña curvatura en una de las colas, lo que afecta el empacamiento de los fosfolípidos uno al lado del otro fluidez de la membrana

2 Comportamiento de los fosfolípidos en solución acuosa Los fosfolípidos espontáneamente se agregar para esconder su cola hidrofóbica en el interior y exponer su cabeza hidrofílica al agua Miscela: Si presentan forma cónica Las moléculas de lípidos se mueven dentro de la bicapa Difusión lateral: muy rápida Coeficiente de difusión, D:10 8 cm 2 /seg Rotación muy rápida sobre su eje y flexibilidad de sus cadenas hidrocarbonadas Flip-flop: muy lento, menos de uno al mes para una molécula individual Bicapa: Si presentan forma cilíndrica. Este arreglo deja en los extremos las colas hidrofóbicas expuestas al agua, lo que lo vuelve energéticamente más desfavorable, para evitarlo la bicapa de fosfolípidos se pliega y se fusionan sus extremos generando un compartimento sellado Las moléculas de fosfolípidos están confinadas a su propia bicapa. Existen enzimas llamadas translocadoras de fosfolípidos que aceleran el movimiento flip-flop cuando es necesario, por ejemplo durante la síntesis en el RE. La fluidez de las membranas depende de su composición A temperatura fisiológica (37ºC) las células de mamíferos mantienen los fosfolípidos en estado líquido, si baja éstos pueden pasar a estado gel: transición de fase La temperatura a que ocurre es más baja si las cadenas hidrocarbonadas son cortas o contienen dobles enlaces Las insaturaciones producen bicapas más finas y más difíciles de congelar Colesterol Las membranas plasmáticas de células eucariontes presentan alto contenido de colesterol, hasta una molécula por fosfolípido. Aumenta las propiedades de barrera de permeabilidad de los fosfolípidos Se orienta con el grupo hidroxilo próximo a la cabeza polar de los fosfolípidos y su rígida estructura de anillos esteroidales interactúa con parte de la cadena hidrocarbonada próxima a la cabeza polar inmovilizándola parcialmente. Bicapa menos deformable Decrece la permeabilidad a pequeñas moléculas solubles en agua Tiende a hacer la bicapa menos fluida Inhibe las posibles transiciones de fase Glicolipidos Se ubican exclusivamente en la bicapa externa Constituyen el 5% de los lípidos de membrana Se adicionan en el Golgi Los más complejos son los gangliosidos, que poseen oligosacáridos con uno o más residuos de ácido siálico, que les dan una carga neta negativa. Se han identificado más de 40 Son muy abundantes en células nerviosas (5 a 10% del total de lípidos) Son importantes en: Adhesión celular Reconocimiento celular Protección de células (ph) Receptores para ciertas toxinas bacterianas (colera) La composición lipídica de las membranas varía de un tipo celular a otro % de lípidos totales por peso Lípido hígado glóbulorojo mitocondria RE E.coli Colesterol Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina trazas Fosfatidilcolina Esfingomielina Glicolipidos 7 3 trazas trazas 0 Otros La composición lipídica varía de una bicapa a otra (asimetría) La membrana contiene Rafts lipídicos Eritrocitos Externa: Glicolípidos Fosfatidilcolina Esfingomielina Interna: Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Microdominios ricos en esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana. La bicapa lipídica es un poco más gruesa en estos lugares y se tienden a acumular ciertas proteínas. Las colas de los esfingolípidos pueden interactuar entre las dos bicapas Parecen estar involucrados en el transporte por vesículas

3 Integración de los lípidos en la membrana Rafts lipídicos En la membrana existen rafts (balsa), microdominios ricos en esfingolípidos, colesterol y proteínas de membrana Glicolípidos Las dos capas de FFL de una membrana tienen distintos FFL dándole propiedades especiales a cada una Función de los fosfolípidos en las señales celulares PROTEÍNAS DE MEMBRANA Modelo de Mosaico Fluido de Singer y Nicholson, 1972 Señales extracelulares pueden Activar la PI 3-quinasa que Fosforila el fosfatidilinositol al Cual se pueden unir varias Moléculas de señalización intracelular Señales extracelulares pueden activar fosfolipasas que cortan los fosfolipidos y el fragmento actuar como una molécula de señalización La enzima proteína quinasa C (PKC), es activada en respuesta a señales externas y se une a la monocapa citosólica, a través de la fosfatidilserina. Requiere de este fosfolípido cargado negativamente para su actividad Dependiendo del tipo celular habrán de 15 a 50 proteínas diferentes, distribuidas asimétricamente en ambas bicapas Proteínas periféricas: Fuera de la bicapa, unidas no-covalentemente a otras proteínas o lípidos. Se pueden extraer facilmente con soluciones iónicas o cambios de ph Proteínas integrales: En el interior de la bicapa. Sólo se pueden solubilizar usando detergentes Proteínas de membrana Diferentes maneras en que las proteínas se asocian a la bicapa lipídica: Distintas formas en que una proteína se puede asociar a la membrana. Las porciones que atraviesan la membrana deben ser apolares 1: Transmembrana, de paso único de α-hélice 2: Transmembrana, de paso múltiple α-hélice 3: Transmembrana, barril β 4: En una sola monocapa, anclada por una α-hélice anfipática 5: Unida sólo a la monocapa citosólica por unión covalente con un fosfolípido 6: unida sólo a la monocapa externa vía un oligosacárido de fosfatidilinositol (GPI) 7 y 8: Unidas por interacciones no-covalentes a otras proteínas de membrana

4 En la mayoría de las proteínas de transmembrana la cadena polipeptídica que cruza la bicapa lipídica tiene conformación α-hélice Normalmente tienen una orientación única en la membrana dependiendo de cómo fueron sintetizadas e insertadas en el RER Posición y movimiento de las proteínas en la membrana Segmentos de 20 a 30 aminoácidos muy hidrofóbicos son suficientemente largos para insertarse en la bicapa con estructura de α-hélice Las proteínas se encuentran en sitio más o menos definidos de la membrana (dominios). Estos sitios son determinados por la asociación de proteínas con otras estructuras que las mantienen en su lugar. De otro modo estas se distribuirían homogéneamente en la membrana GLICOCALIX Muchas células confinan las proteínas de membrana a dominios específicos de la bicapa lipídica. Células epiteliales se observa diferencias entre membrana apical, lateral y basal. Estas diferencias serían mantenidas por las uniones celulares Formas de restringir el movimiento lateral de proteínas. A: ensamblaje en grandes agregados interacción con macromoléculas B: fuera de la célula C: dentro de la célula D: interacción con proteínas de la superficie de otra célula TRANSPORTE A TRAVES DE LA MEMBRANA Toda comunicación entre la célula y su medio es a través de la membrana. La membrana plasmática presenta permeabilidad selectiva Transporte a través de membranas Permeabilidad selectiva Difusión Osmosis

5 Transportadores Pasivos: Canales Proteínas transportadoras Los canales son específicos de la sustancia que pasa a través de ellos. Estos se pueden abrir y cerrar. Cuando están abiertos, la sustancia pasa a favor de un gradiente de concentración sin usar energía Activos Transportadores 2 Transporte activo Transporte simple El transporte simple activo usa una proteína (llamadas también bombas de membrana) que cambia su conformación al unirse a fosfatos donados por el ATP. La falta de ATP impide su función. Suelen bombear en contra del gradiente de concentración Cotransporte (transporte activo secundario) Cotransporte: La proteína cotransportadora no utiliza energía pero funciona según un gradiente de concentración logrado en otro lugar de la membrana gracias a una bomba que usa energía. En el cotransporte, se transporta una sustancia a favor del gradiente de concentración y otra generalmente en contra de él. Cuando las dos moléculas pasan hacia el mismo lado de la membrana se llaman simportadores y cuando pasan a lados opuestos se llaman antiportadores Difusión: Proceso espontáneo mediante el cual una sustancia se desplaza desde una región de mayor concentración a una de menor concentración hasta eliminar las diferencias de concentraciones en ambas regiones. La difusión del agua por la membrana ocurre con mayor rapidez que la de iones y pequeños solutos apolares, se dice que la membrana es semipermeable Osmosis: movimiento de agua a través de una membrana semipermeable desde una región de menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto Dando el tiempo necesario, virtualmente cualquier molécula podría difundir a través de la bicapa lipídica de acuerdo a su gradiente de concentración, pero las polares demorarían muchísimo Existen proteínas transportadoras que realizan difusión facilitada o mediada por transportadores. (transporte pasivo) Son proteínas de transmembrana de múltiple paso que permiten que solutos hidrofílicos crucen la membrana sin entrar en contacto con el interior de la bicapa hidrofóbica Proteínas que forman Canales y proteínas Transportadoras Unen solutos específicos y sufren cambios conformacionales Forman canales acuosos a través de la bicapa

6 CANALES IÓNICOS Difusión facilitada vía Transportadores Son selectivos a los iones Fluctúan entre estado abierto y estado cerrado Se abren en respuesta a un estímulo específico: Voltaje: cambios de voltaje en la membrana Stress mecánico Unión de ligando: extracelular: neurotansmisor intracelular: un ión o un nucleótido Proteínas de membrana llamadas facilitadores del transporte o transportadores La unión del sustrato genera un cambio conformacional en la proteína que permite que sea trasladada al otro lado de la membrana Son muy específicos para el sustrato, incluso para la forma D o L de la molécula Es un transporte pasivo, a favor de la gradiente de concentración y bidireccional Ejemplo: Transportadores de glucosa (Glut1-5) desde sangre al interior de las células Difusión facilitada (transporte pasivo) Las proteínas transportadoras cambian de conformación cuando se unen a la sustancia transportada. Cuando están libres dan la cara a una lado de la membrana. Cuando se unen a la sustancia cambian para abrirse hacia el otro lado. TRANSPORTE ACTIVO Acoplamiento de Transporte activo a gradiente de iones - Cotransporte Transporte activo secundario, sin gasto de ATP, en que se utiliza la gradiente de concentración de iones para conducir otras moléculas en contra del gradiente de concentración de éstas. Muchas células mantienen el ph citoplasmático acoplando la salida de H+ a la entrada de Na+ Transporte de glucosa al interior de las células intestinales en contra de la gradiente acoplado al transporte de sodio a favor de la gradiente

7 Exterior Interior K + 5mM 100 mm Na + 150mM mm Ca a 10-7 M 1000 veces menor Difusión Simple El transporte activo, mediante una bomba dirigida por la hidrólisis de ATP, mantiene esta gradiente de concentraciones BOMBA Na + -K + ATPasa La bomba es asimétrica, sólo transporta iones en un sentido Por cada ATP hidrolizado: Salen 3 sodios Entran 2 potasios La proteína es un tetrámero con dos subunidades: α : Mayor tamaño, transporte β : Más pequeña, ensamblado a la membrana 1/3 de la energía producida por la célula se usa en este transporte, llegando a 2/3 en células nerviosas Funcionamiento de la Bomba Na + -K + ATPasa Funciones especiales de los lípidos de membrana Fosfolípidos en transducción de señales Durante la señalización celular los FFL pueden ser modificados para continuar el flujo de información desde el exterior al interior de la célula. Para esto pueden ser fosforilados o pueden ser parcialmente degradados Glicocalix

8 LA MATRIZ EXTRACELULAR La matriz extracelular es el componente no celular fundamental del tejido conjuntivo Papel fundamental envolviendo las células durante el desarrollo Modelo de lámina l basal

9 Endocitosis Las sustancias que van a ser endocitadas son englobadas en invaginaciones de membrana plasmática que acaban cerrándose y forman vesículas intracelulares que contienen el material ingerido. Según el tamaño de las partículas endocitadas podemos distinguir dos tipos de endocitosis: Fagocitosis: El material que se ingiere es muy grande. La célula extiende unas prolongaciones de membrana llamadas pseudópodos, que rodean progresivamente a la partícula hasta formar un fagosoma (vesícula de gran tamaño). Estos materiales acaban digeridos por los lisosomas. Fagosoma Pseudópodos Pinocitosis: El material ingerido es liquido o pequeñas partículas, y queda englobado en vesículas que se forman a partir de depresiones de membrana llamadas pozos recubiertos. Estas regiones se caracterizan por la presencia de un armazón proteico formado por clatrina. A partir de ella se están formando continuamente vesículas de pinocitosis. En los dos tipos de endocitosis participan proteínas especiales denominadas receptores de endocitosis, que se acumulan en las regiones de las membranas que realizan estos procesos y reconocen específicamente los materiales que van a ser ingeridos, uniéndose a ellos. De este modo las células incorporan por endocitosis únicamente las sustancias que les interesan. Exocitosis Es el proceso contrario a la endocitosis. Mediante este proceso se secretan los materiales necesarios para renovar la membrana plasmática y los componentes de la matriz extracelular. También se vierten al exterior hormonas, neurotransmisores, enzimas digestivos material Endocitosis vesícula Exocitosis