MEMBRANAS CELULARES. Marco Tulio Núñez. Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile

Transcripción

1 CURSO BIOLOGÍA CELULAR MEMBRANAS CELULARES Marco Tulio Núñez Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile

2 Las Membranas Celulares Uno de los eventos cruciales en la evolución que llevó a la formación de las primeras células debe haber sido la formación de una membrana que generó un compartimiento cerrado permitiendo el confinamiento de los procesos químicos que se realizaban en la sopa prebiótica. Todas las células mantienen su organización morfo-funcional debido a una membrana que las limita del medio externo, así como una serie de compartimientos intracelulares que los delimitan del citosol.

3 Procariotes vs eucariotes

4 Funciones de las Membranas Celulares (i) Delimitan compartimentos de composición particular permitiendo que ocurran eficientemente los procesos bioquímicos celulares. (ii) Su estructura lipoproteica constituye una barrera a la libre difusión de solutos y permite el transporte selectivo de moléculas y iones de un compartimiento a otro. (iii) Son interfases que transducen señales químicas o energía desde un compartimiento a otro. (iv) Proporcionan el ambiente óptimo para el funcionamiento de moléculas (enzimas, bombas iónicas, receptores, etc.) que están asociadas al transporte de solutos y a la transducción de señales.

5 Evidencias sobre la existencias de bicapas Una de las primeras evidencias experimentales de que las membranas biológicas están formadas por una bicapa de fosfolípidos provino de estudios realizados por Gortel y Grendel (1925). Estos autores extrajeron los lípidos de eritrocitos y los esparcieron en una cubeta que contenía solución acuosa, formándose una monocapa en la superficie líquida que comprimieron, hasta lograr la superficie mínima. Calcularon que el área de la monocapa alcanzaba para cubrir dos veces el área de los eritrocitos. Molécula anfipática monocapa

6 Evidencias sobre la existencias de bicapas: microscopía electrónica La incorporación de la técnica de microscopia electrónica de transmisión a mediados del siglo XX permitió estudiar las estructuras celulares, en particular las membranas plasmáticas y las de organelos. En la figura, se muestra una microfotografía electrónica de la membrana celular de un glóbulo rojo, teñida con tetróxido de osmio (OsO 4 ), que se une principalmente a los grupos polares revelando la típica imagen de líneas paralelas.

7 Composición y estructura de la bicapa lipídica Agua Cabezas polares Colas hidrofóbicas Agua

8 Permeabilidad de la membrana -Baja permeabilidad a sustancias cargadas o polares a excepción del agua que permea por su pequeño tamaño

9 Lípidos de Membrana: glicero-fosfolípidos Todas las membranas celulares contienen lípidos anfipáticos, que poseen parte polar y otra hidrofóbica. una Una sustancial proporción de estas moléculas son los glícero-fosfolípidos constituidos por una cabeza polar y dos cadenas o colas hidrocarbonadas.

10 Estructura de los ácidos grasos Las colas de ácidos grasos contienen generalmente 16, 18 o 20 átomos de carbono. En los fosfolípidos generalmente una cadena es saturada mientras que la otra es no saturada, con uno o más enlaces dobles cis. Alberts et al. 2002

11 Estructura de los ácidos grasos El doble enlace es rígido y crea un kink o desviación en la cadena. El resto de la cadena rota libremente entre los enlaces C - C Alberts et al. 2002

12 Fosfolípidos de membrana: glicero-fosfolípidos Los glicero-fosfolípidos más importantes son: fosfatidiletanolamina (PE) fosfatidilcolina (PC) fosfatidilserina (PS) fosfatidil inositol (PI) El signo de la carga eléctrica de la cabeza polar depende del ph. A ph fisiológico (7,2) la PS tiene una carga neta negativa, en cambio PE, PC y SM no.

13 Fosfolípidos de membrana: esfingolípidos Las membranas también contienen esfingolípidos que tienen un esqueleto de esfingosina en lugar de glicerol. Los más comunes son la esfingomielina y la esfingosina. La esfingomielina es derivado de la esfingosina

14 Lípidos de membrana Glicolípidos Otro tipo de esfingolípidos que se encuentran en la superficie de las membranas plasmáticas son los glicolípidos que pueden tener uno o más residuos de azúcares. Tienen un esqueleto de esfingosina. Los galactocerebrósidos son neutros y los gangliósidos contienen oligopolisacáridos con uno o más residuos de ácido siálico y son abundantes en las membranas plasmáticas de las neuronas. Alberts et al. 2002

15 Inositol fosfolípidos Otros lípidos de membrana son los inositol fosfolípidos, que se encuentran en pequeñas cantidades, pero tienen gran importancia en procesos de transducción de señales. Fosfatidil inositol Fosfatidil inositol monofosfato Fosfatidil inositol difosfato Alberts et al. 2008

16 Lípidos de membrana: colesterol _ Alberts et al El colesterol es un esteroide hidrofóbico que se inserta entre las moléculas de fosfolípidos y es determinante en la fluidez de la membrana. Las membranas plamáticas de los eucariontes contienen abundante colesterol: hasta una molécula por molécula de fosfolípido

17 Rol del colesterol en la fluidez de la membrana Las moléculas de colesterol se orientan con su pequeño grupo OH hacia las cabezas polares de los fosfolípidos (se forma un puente de H entre OH y el O de grupos C=O) mientras que los anillos esteroidales interactúan con las cadenas hidrocarbonadas. _ El colesterol restringe el movimiento de las cadenas de los FLs en la zona cercana a los grupos polares y facilita el movimiento en la región más central. Alberts et al El efecto neto del colesterol en la fluidez de la membrana depende de la composición lipídica de ésta. Como se verá más adelante depende la proporción de glicerofosfolípidos (PC, PE) y esfingolípidos (SM).

18 Composición lipídica de diferentes membranas Hojas cebada 35 (esteroles) 44 (FLs) 16 (cerebrósidos) Cardiolipina

19 Los fosfolípidos pueden ordenarse formando diferentes estructuras Lodish et al Forman estructuras hexagonales (micelas) y laminares (bicapas o multicapas). A pesar de la variabilidad en la composición fosfolipídica de las membranas biológicas, la unidad estructural es siempre una bicapa, una estructura laminar compuesta de dos capas de moléculas de fosfolípidos cuyas cabezas polares enfrentan el medio acuoso y cuyas colas hidrocarbonadas forman un medio hidrofóbico de alrededor de 30 Å de espesor.

20 Factores de estabilidad de la bicapa Lodish et al La estabilidad de la bicapa depende de las interacciones hidrofóbicas entre las cadenas acil lipídicas de los fosfolípidos: las interacciones de van der Waals entre las cadenas hidrocarbonadas que favorecen el empaquetamiento de las colas (0.1 Kcal/mol, por C). También contribuyen los enlaces de hidrógeno entre las cabezas polares y el agua y las interacciones electrostáticas entre los grupos polares. Mientras más larga y más saturada sea la cadena mayor será la fuerza de interacción y menor la fluidez de la membrana

21 Fluidez de la membrana

22 En las membranas plasmáticas los fosfolípidos se distribuyen asimétricamente en las dos monocapas. En eritrocitos: los fosfolípidos que poseen un grupo colina (SM y PC) se encuentran predominantemente en la monocapa externa y los lípidos con grupos amino (PS y PE) se encuentran en la cara citosólica. SM y PC PS y PE

23 Movimiento de los lípidos La bicapa lipídica es un fluido bidimensional en que los lípidos se mueven en el plano XY. Los movimientos de los lípidos en la bicapa lipídica son: Rotación Flexión Flip flop: rara vez ocurre en forma espontánea. Sin embargo, en la membrana del RE la migración es catalizada por flipasas.

24 Movimiento de los lípidos La difusión lateral es un evento rápido

25 Movimiento de las proteínas Flip flop prohibido La difusión bidimensional depende del radio hidrodinámico al cuadrado. La difusión lateral de las proteínas es veces más lenta que los lípidos

26 Restriciones a la difusión de las Proteínas de Membrana Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente aunque algunas presentan restricciones. 1.- Algunas proteínas de membrana interactúan con componentes del citoesqueleto como actina o filamentos intermedios. En los eritrocitos dos de las principales proteínas de membrana: la glicoforina y la banda 3 (intercambiador aniónico Cl - HCO 3- ) se unen a una proteína del citoesqueleto, la espectrina, mediante dos proteínas, la banda 4.1 y la ankirina.

27 Restriciones a la difusión de las Proteínas de Membrana Restingidas por el entorno lipídico Su movilidad está restringida también en dominios de mayor viscosidad como en las balsas lipídicas

28 Proteínas de Membrana Lodish et al. 2004

29 Proteínas de Membrana Todas las membranas celulares poseen la estructura de un bicapa lipídica que es una barrera a la libre difusión de solutos, sin embargo, son las proteínas de membrana las que le confieren sus características funcionales fundamentales. Por lo tanto, la composición proteica de una determinada membrana está relacionada con su función. El tipo y cantidad de proteínas que las componen es muy variable. Por ej. la membrana interna mitocondrial contiene 70% de proteínas y la mielina solo 18%. En una membrana que contiene 50% de proteínas hay en promedio 50 moléculas de fosfolípidos por molécula de proteína.

30 Modelo del mosaico fluído de las membranas biológicas En 1972 Singer & Nicolson formularon el modelo del mosaico fluido. Según éste, las membranas celulares están formadas por una bicapa de lípidos en la que se insertan diferentes tipos de proteínas integrales a la que se asocian proteínas periféricas. La bicapa lipídica constituye un fluido bidimensional, un mosaico heterogéneo moléculas de fosfolípidos y proteínas muchas de ellas lateralmente móviles. de

31 Bases del modelo 1.- Consideraciones sobre fisicoquímica de los lípidos anfipáticos que forman estructuras líquido cristalinas y de la termodinámica de proteínas hacían este modelo viable. 2.- Estudios de microscopía electrónica con técnica congelamiento y fractura (freeze fracture). 3.- Estudio de Frye y Edidin (1970): fusión células de origen humano y de ratón inducida (heterokarion) con virus Sendai. Usando anticuerpos marcados con compuestos fluorescentes, observaron mediante microscopía de fluorescencia rápida mezcla de antígenos después de la fusión. Imagen de congelamiento y fractura

32 La membrana celular tres décadas después del modelo de Singer y Nicolson Desde su formulación el modelo de S & N hay sufrido importantes cambios. Las membranas celulares no forman una fase homogénea fluida de fosfolìpidos colesterol en la que están insertas proteínas. y La evidencia experimental indica que las membranas estructurado dinámico. constituyen más bien un mosaico La membrana plasmática constituye un complejo mosaico de bicapa lipidica y proteínas como en el modelo de S&N y de microdominios transitorios, o balsas lipídicas que contienen esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana.

33 Clasificación de las Proteínas de Membrana Clases 1 y 2 : proteínas de transmembrana, con dominios hidrofílicos expuestos a los medios externo y/o interno conectados por dominios hidrofóbicos que atraviesan la bicapa. Estos pueden tener estructura de hélice α con un (Clase 1) o varios dominios (Clase 2)] o estar formados por hojas β enrolladas (barril β) Muchos receptores pertenecen a la Clase 1, y proteínas que transportan iones como las bombas y canales iónicos pertenecen a la Clase 2. Las porinas bacterianas poseen estructura de Barril β.

34 Clase 3 : proteínas unidas a una parte de la bicapa lipídica mediante un enlace covalente a un lípido: cadena de ácido graso o grupo prenil por enlace tioeter a una cisteína. Proteínas de Membrana Clase 4 : proteínas unidas covalentemente vía un oligosacárido a un fosfolípido o a un glicosil fosfatidil inositol en la cara externa. Clase 5 y 6 : proteínas periféricas o extrínsecas unidas por enlaces no-covalentes a grupos polares de los fosfolípidos u otras proteínas de membrana. Pueden ser removidas soluciones de alta fuerza iónica.

35 Proteínas de transmembrana En las proteínas que forman hélices α las regiones que atraviesan la zona hidrofóbica de la bicapa cada aminoácido incrementa su longitud en aprox. 1,5 A y generalmente están inclinadas respecto del plano de la membrana entre 30 o y 40 o. Así, una hélice α de 25 residuos de AA tendría una longitud de 37.5 Å, lo suficiente para atravesar la región hidrocarbonada de la bicapa. Generalmente estas hélices están inclinadas respecto del plano de la membrana entre 30 o y 40 o. Las cadenas laterales de los AA protruyen fuera de la hélice α estableciendo enlaces hidrofóbicos con las cadenas de ácidos grasos. Alberts et al. 2002

36 Proteínas de transmembrana H + Lodish et al H + hν La bacteriorodopsina (H. halobium) es un ejemplo de proteínas de membrana contienen múltiples hélices α de transmembrana (Clase 2). La cadena polipeptídica (250 AA) cruza la bicapa 7 veces. Se muestra la localización del cromóforo retinal y la via de transporte de los protones durante cada ciclo de bombeo activado por la luz.

37 Proteínas de transmembrana Lodish et al Algunas proteínas de membrana como las porinas poseen estructura cilíndrica de barril β. La porina de la bacteria Rhodobacter capsulatus forma poros acuosos a través de la membrana externa constituídos por 16 hebras β antiparalelas, a través de los cuales pasan moléculas pequeñas.

38 Otros ejemplos de proteínas de membrana extracelular extracelular membrana membrana citosol citosol Canal de iones mecanosensible (bacteria) Sub unidad α bomba de sodio (mamífero)

39 Balsas Lipídicas Las membranas poseen regiones de mosaico fluido a lo S & N y zonas con microdominios transitorios o balsas lipídicas (lipid rafts) con diámetros de decenas de nm que contienen esfingolípidos, colesterol y algunas proteínas de membrana que se organizan en fases líquidas ordenadas. Los esfingolípidos poseen largas cadenas rectas lo que favorece su empaquetamiento e interacción con colesterol induciendo una separación de fase entre los fosfolípidos adyacentes.

40 Balsas lipídicas Las balsas son más gruesas que el resto de la bicapa debido a que las cadenas de los ác. grasos de los esfingolípidos son más largas (22-24 C) que las de los glicerofosfolípidos. Este mayor grosor permite alojar a proteínas con segmentos hidrofóbicos más largos

41 Balsas lipídicas Los lipid rafts contienen altas concentraciones de colesterol (32%) y de esfingolípidos (14%). Presentan incrementos de ácidos grasos saturados en comparación con el resto de la membrana plasmática. Parecen ser pequeños en tamaño pero pueden llegar a constituir una gran fracción de la membrana plasmática y por este motivo son visibles por microscopia de fuerza atómica (Pike L., 2003).

42 Balsas lipídicas Los grupos acilo largos saturados de los esfingolípidos pueden formar asociaciones más compactas y estables con el colesterol. Debido a la presencia de colesterol, estas regiones presentan menos fluidez y más estabilidad y esta puede ser la causa de que sean insolubles en detergentes no iónicos (Lehninger, 2005 ).

43 Balsas Lipídicas transducción de señales Las balsas son estructuras que pueden inducir la organización de elementos de vías de transducción de señales.

44 Balsas Lipídicas entrada de virus Balsas Lipídicas Fantini et al Las balsas pueden servir de portal de entrada a varios patógenos y toxinas, como el virus de inmunodeficiencia 1 (HIV1).

45 Fin

46

47 Seleccione las afirmaciones correctas: Seleccione las afirmaciones correctas: I. Las balsas lipídicas son dominios enriquecidos en colesterol y esfingolípidos, los cuales otorgan a ese dominio un mayor grosor y empaquetamiento que el resto de la membrana II. Todas las proteínas asociadas a una membrana poseen al menos un dominio de transmembrana... III. (sigue)... los que siempre poseen estructura de alfa-hélice. IV. La membrana de un organelo particular (E.g. lisosoma) tiene la misma composición lipídica en ambas caras de la bicapa. V. La difusión lateral de algunas proteínas puede ser limitada por su asociación con el citoesqueleto