Membrana (II parte) Introducción. Funciones generales. Prof. Iván Rebolledo

Transcripción

1 Membrana (II parte) Prof. Iván Rebolledo Introducción La célula posee una composición química diferente al medio que le rodea, esto significa que no todo puede entrar ni salir. Este movimiento selectivo de sustancias lo establece la membrana celular. En organismos multicelulares las células están en contacto con un ambiente líquido representado por la sangre, la linfa y el llamado líquido intersticial, que se haya en contacto con la superficie externa de la célula. Funciones generales 1. Compartamentalización: esta palabra tan rara significa que como la membrana es una estructura contínua logra encerrar en forma hermética varios compartimentos. Comenzando por el gran compartimento del citoplasma, luego el del núcleo, siguen los compartimentos de los organelos, tales como mitocondria, RER, Golgi, lisosomas. De esta manera se logran tener funciones especializadas que no sean alteradas por el ambiente. 2. Transporte selectivo: esta función logra responder una inquietud que dejó la función anterior: cómo logran entrar los nutrientes y salir los desechos de cada compartimento? En la membrana existen proteínas que actúan como transportadores de materiales en uno u otro sentido. Esto es válido para todas las membranas de la célula, tanto la plasmática como la de los organelos. Algo interesante, no solo permite el transporte de solutos desde una mayor concentración hacia una menor, sino también en sentido contrario. 3. Sitio de actividades bioquímicas: hablando de proteínas en la membrana se debe mencionar que la existencia de algunas proteínas en ella permite que ocurran allí varios procesos bioquímicos importantes para la función del compartimento. Por ejemplo: proteínas existentes en la membrana interna de la mitocondria permiten la producción de ATP. 4. Transducción de señales: esto significa que la célula es capaz de responder apropiadamente frente a la llegada de una sustancia específica. Por ejemplo, la célula beta del islote pancreático producirá insulina cuando llegue glucosa a su membrana plasmática. Pero, la glucosa no ingresa a la célula sino que posee una proteína llamada receptor que cuando se une a ella se produce una serie de reacciones internas que terminan en la producción de insulina.

2 5. Transducción de energía: seguimos con las proteínas de membrana, algunas de ellas son capaces de convertir un tipo de energía en otro. Esto se aprecia con frecuencia en las células pertenecientes a los órganos de los sentidos. Por ejemplo, la energía luminosa debe ser convertida en energía electroquímica para que estimule a las células nerviosas y podamos ver. Otro tanto ocurre con la audición, la energía de las ondas sonora debe ser convertida en energía electroquímica para que estimule el sistema auditivo. 6. Interacción intercelular: otra vez las dichosas proteínas que ahora algunas de ellas permiten que células similares puedan unirse de manera firme para formar un equipo celular que actúe al unísono, caso de los epitelios. En estos tejidos, cabe mencionar la presencia de unas proteínas llamadas ocludinas, presentes en la zona ocludens, que sella fuertemente las células en su superficie luminal. Transporte de sustancias a través de la membrana Todas las sustancias atraviesan la membrana en forma selectiva, es decir, la membrana regula la entrada y salida de moléculas y partículas. Se conocen dos sistemas generales de transporte, según esquema anexo Transporte de moléculas de baja masa molecular Transporte pasivo Difusión simple Difusión facilitada Transporte activo Bomba Na + -K + Otras bombas Transporte de moléculas de alta masa molecular Endocitosis Exocitosis Transcitosis Pinocitosis Fagocitosis Fagocitosis mediada receptores

3 En el transporte de moléculas de baja masa molecular se destacan los procesos de transporte activo y pasivo. La notable diferencia entre ellos es la siguiente: (a) el transporte pasivo se efectúa mediante una gradiente de concentración por la cual las sustancias pasan a través de la membrana a favor de una gradiente de concentración, es decir, desde su mayor a menor concentración. Casos del movimiento del agua, glucosa y otros los cuales pueden pasar directamente o utilizando transportadores. (b) el transporte activo es un proceso que utiliza un transportador y que mediante energía mueve sustancias en contra de la gradiente de concentración, es decir, de menor a mayor concentración. Se permite que se separen las dos fases y se mide la concentración de la sustancia en ambos medios. La relación numérica de la concentración de la sustancia en aceite sobre la concentración de la sustancia en agua se llama coeficiente de partición y se expresa C aceite /C agua. Si la relación es 1.0, la sustancia es igualmente soluble en aceite y en agua, una relación mayor de 1.0 indica que la sustancia es más soluble en aceite que en agua y viceversa. Si hacemos un gráfico muy general de este fenómeno tendríamos los siguiente: permeabilidad Difusión libre Considerando que gran parte de la membrana está conformada por lípidos, las sustancias liposolubles pueden atravesarla con una velocidad directamente proporcional a su solubilidad en los lípidos. La solubilidad de una sustancia en un medio no-polar, como el aceite, puede medirse agitando una solución acuosa de la sustancia (marcada con H3) con aceite. Coeficiente de partición La mayoría de las moléculas biológicas son menos solubles en aceite que en agua, puesto que generalmente contienen unos cuantos grupos polares. Por ende, si una molécula no puede disolverse en lípidos porque es polar, queda excluida de la célula, a menos que utilice otra vía de entrada.

4 Se ha comprobado (ver Gráfico abajo) que moléculas polares disminuyen su capacidad de atravesar la membrana a medida que aumentan sus tamaños moleculares. También debe tomarse en cuenta la carga de las partículas: los aniones penetran más rápido que los cationes y los iones monovalentes más rápido que los bivalentes. permeabilidad Tamaño molecular Por último, debe recordarse que existe en las membranas mecanismos de regulación que cambian estas propiedades detalladas antes, caso de hormonas o altas concentraciones de iones en un lado de la membrana. El agua, el anhídrido carbónico y el oxígeno se encuentran entre las pocas moléculas simples que pueden cruzar la membrana celular por difusión (o un tipo de difusión llamado ósmosis). La difusión constituye una de las principales formas de movimiento de sustancias entre las células y una de las formas en que las pequeñas moléculas cruzan la membrana celular. El intercambio de gases en los alvéolos pulmonares es consecuencia de fenómenos de difusión. El anhídrido carbónico se regenera constantemente dado que es producido en las células como consecuencia de fenómenos metabólicos, y como la fuente está en el interior de la célula, el flujo neto del CO 2 es hacia el exterior de la célula. Los procesos metabólicos, requieren usualmente oxígeno, cuya concentración es mayor en el exterior de la célula, por lo tanto su flujo neto es hacia el interior de la célula. Por ósmosis se conoce al fenómeno de difusión de agua a través de una membrana semipermeable (o de permeabilidad diferencial o de permeabilidad selectiva). Ejemplos de ese tipo de membrana son la membrana celular y también productos como los tubos de diálisis. Recordar los efectos de la concentración de solutos en soluciones y sus efectos sobre el tamaño celular (Capítulo Agua). Una de las principales funciones del cuerpo de los animales es el mantenimiento de la isotonicidad del plasma sanguíneo, es decir un medio interno isotónico. Esto elimina los problemas asociados con la pérdida o ganancia de agua desde y hacia las células. Estamos hablando por supuesto de una de las claves de la homeostasis.

5 Difusión facilitada Este proceso también se efectúa mediante una gradiente de concentración, sin embargo, debido a que los solutos no pueden atravesar la membrana debido a que no se disuelven en la bicapa lipídica o están cargados, ellos disponen en la membrana de una proteínas que les permiten el paso: son los transportadores. Este proceso está restringido por varias propiedades de los transportadores: (a) especificidad: estas proteínas de membrana poseen 3 dominios, uno externo, otro transmembrana y otro citosólico. El dominio externo tiene una configuración química específica para un cierto soluto. Si un transportador permite el paso de la glucosa, no puede permitir el paso a la galactosa. (b) saturación: el flujo de entrada de un soluto se incrementa hasta un cierto límite, en el cual se alcanza la velocidad máxima de entrada. Esto se explica porque existe un número finito de transportadores, que llegado un momento todos están ocupados y por más que se agregue soluto la velocidad no aumenta, se estabiliza. (c) competencia: moléculas de estructura química similar compiten por un mismo transportador. Caso de aminoácidos, la glicina y la alanina utilizan el mismo transportador; si los dos aminoácidos están presentes extracelularmente, se restringe la entrada de uno de ellos en un momento determinado, porque el otro estará ocupando el transportador. Las actividades diferentes de los distintos tipos de membranas parecen ser el reflejo de los transportadores, de hecho resumiremos dos tipos de ellos: (a) Canales iónicos: son proteínas que permiten el paso de moléculas pequeñas y cargadas (iones). Una de ellas es la porina, que permite el paso de iones a través de la membrana de la bacteria (y de la membrana interna de la mitocondria, qué coincidencia). También existen canales para el agua (acuaporina) que permite el paso de agua más rápido que a través de la bicapa lipídica. Recordemos que estos canales son muy selectivos y que ellos solo se pueden abrir en una de dos condiciones: cuando se encuentran con el soluto específico (canal sensible al soluto) o cuando cambia el voltaje de la membrana (canal sensible al voltaje)

6 exterior ión Este cambio brusco se debe en primer lugar a la abertura de canales para iones Na+ que dejan entrar muchos iones Na + y en segundo lugar a la abertura de los canales de K + que sacan iones K + al exterior. citosol Na + exterior Este flujo de iones cargados hará que un lado de la membrana se cargue con más intensidad que el otro. Por ejemplo, en células nerviosas y musculares existe un llamado potencial de membrana resultado de la presencia de mayor cantidad de iones K + que de iones Na + dentro de la célula (estudie el dibujo anexo) Concentraciones iónicas intracelular H 2 O Na + = 10 mm K + =140 mm Cl - = 4 mm extracelular H 2 O Na + =145 mm K + = 5 mm Cl - =110 mm Este potencial de membrana en las células nerviosas y musculares es susceptible de alterarse, es decir, aumentar los iones Na + y disminuir los iones K + dentro de la célula. Esta alteración brusca se conoce como potencial de acción y es la base fisiológica de un impulso nervioso y de una acción muscular. citosol K + El estado de reposo se logra de nuevo por acción de la bomba Na+K+, que se estudiará más adelante. (b) Canal molecular: el más estudiado por sus implicaciones energéticas para la célula es el canal que moviliza glucosa. Es una proteína de 55 kd, conformado por 12 alfa hélices que atraviesan la membrana y que se agrupan formando un cilindro. La gran mayoría de los aminoácidos que atraviesan la membrana son hidrofóbicos, pero se considera que otros aminoácidos forman el sitio de reconocimiento de la glucosa.

7 Muchas células que requieren de glucosa para su metabolismo disponen de este transportador en una orientación específica: el dominio que reconoce la glucosa se encuentra hacia el exterior. En cambio, otras células que producen glucosa (hepatocitos) disponen los transportadores en sentido contrario, de tal forma que la glucosa pueda salir al exterior. Transporte activo Este proceso tiene dos características muy importantes: requiere de energía y moviliza solutos en contra de una gradiente de concentración. La molécula más estudiada que realiza este proceso es la llamada bomba sodio-potasio, denominada también ATPasa Na + -K + debido a que hidroliza ATP para extraer la energía suficiente para movilizar el Na + y el K + en contra de sus gradientes de concentración. Este complejo molecular puede esquematizarse con la siguiente figura. En 1957, J.C. Skou descubrió la ATPasa Na + -K + en nervios de cangrejo. Él identificó una actividad enzimática inhibida por ouabaina que hidroliza el ATP cuando es estimulada simultáneamente con sodio y potasio. La ATPasa Na + -K + ha sido purificada de varias clases de tejidos y en todos los casos se ha encontrado que contiene 2 tipos de subunidades proteícas: la alfa y la beta. Las subunidades α son las más grandes (95 Kd), contienen los sitios activos para la hidrólisis del ATP y se extienden a través de toda la membrana, con preferencia hacia el lado citosólico. El modelo propuesto lo asemeja a una pera con la porción más ancha hacia el interior celular y la porción más delgada hacia el exterior en donde se encuentra el sitio de acción para la ouabaina (un glucósido que inhibe específicamente esta bomba). Las subunidades β son más pequeñas (40 Kd), de naturaleza gluco-proteicas con su porción carbo-hidratada hacia el exterior y una porción proteica introducida en la membrana. Se considera que la enzima está conformada por mitades simétricas especulares: β-α-α-β.

8 El transporte activo de cualquier ion requiere de la presencia del otro ion en el lado opuesto. Para que el Na + sea extruído, el K + debe estar fuera de la célula y, a la inversa, para que el K + pueda entrar, el Na + debe estar dentro de la célula. La proporción de movimiento de iones por esta enzima es estricto: salen 3 iones Na + por cada 2 iones K + que entran. Los sitios externos para el K + están probablemente casi siempre saturados, pero los sitios internos para el Na + pudieran limitar la actividad de la enzima. El transporte activo de cualquier ión requiere de la presencia del otro ión en el lado opuesto. Para que el Na + sea extruído, el K + debe estar fuera de la célula y, a la inversa, para que el K + pueda entrar, el Na + debe estar dentro de la célula. La proporción de movimiento de iones por esta enzima es estricto: salen 3 iones Na + por cada 2 iones K + que entran. Los sitios externos para el K + están probablemente casi siempre saturados, pero los sitios internos para el Na + pudieran limitar la actividad de la enzima, dependiendo de la concentración. La hidrólisis del ATP se acompaña de la transferencia del grupo fosfato ( PO 4-3 ) hacia el residuo del ácido aspártico de la proteína y la liberación del ADP hacia el citosol. La fosforilación requiere de iones Na + y la desfosforilación de iones K +. El proceso es el siguiente: 3 iones Na + se unen a la proteína por el lado interno de la membrana, el ATP de la subunidad α se disocia en ADP que se libera al citosol y el ( PO -3 4 ) que permanece transitoriamente en la subunidad α. Al unirse los iones Na + a la proteína, ésta cambia de conformación permitiendo que por el lado exterior puedan unirse 2 iones K +. Al liberarse el ( PO -3 4 ) desde la subunidad α, salen los 3 iones Na + y entran los 2 iones K +. Una vez concluido este intercambio, la subunidad α recobra una molécula de ATP, quedando lista para un nuevo movimiento iónico. Por último, la bomba de Na + -K + es electrogénica, es decir, es capaz de generar una corriente eléctrica a través de la membrana y esto lo hace produciendo una diferencia de voltaje en ambos lados de la membrana. Cuando se establece esta diferencia se dice que se establece una diferencia de potencial. Mediciones fisiológicas han detectado que esta diferencia es igual a -70mV. En el caso de células no nerviosas ni musculares, este voltaje se llama potencial de membrana, pero en las células nerviosas y musculares se llama potencial de reposo, pues es susceptible de cambiar convirtiéndose en un potencial de acción que es el impulso.

9 Hemos observado que en esta bomba Na+-K+ un ión sale mientras el otro entra. Se acostumbra a denominar movimiento antiporte. Y se denomina simporte cuando son dos solutos los que se mueven simultáneamente a través del transportador. Como ejemplo de este último caso es la captación de glucosa desde el lumen intestinal guiado por una gradiente de Na +. El transportador guia y mueve una molécula de glucosa y dos iones de Na + hacia el citosol. El movimiento del Na + en la dirección energéticamente favorable lleva la glucosa en contra de su gradiente de concentración. Pinocitosis: en este proceso, la sustancia a transportar es una gotita o vesícula de líquido extracelular. En este caso, la membrana se repliega creando una vesícula pinocítica. Una vez que el contenido de la vesícula ha sido procesado, la membrana de la vesícula vuelve a la superficie de la célula. De esta forma hay un tráfico constante de membranas entre la superficie de la célula y su interior. Fagocitosis: en este proceso, la célula crea una proyecciones de la membrana y el citosol llamadas seudópodos que rodean la partícula sólida. Una vez rodeada, los seudópodos se fusionan formando una vesícula alrededor de la partícula llamada vesícula fagocítica o fagosoma. El material sólido dentro de la vesícula es luego digerido por enzimas liberadas por los lisosomas. Los glóbulos blancos y los macrófagos constituyen los ejemplos más notables de células que fagocitan bacterias y otras sustancias extrañas como un mecanismo de defensa. Endocitosis Corresponde al proceso de entrada de diversos materiales. Se presentan tres sistemas diferentes: pinocitosis, fagocitosis y endocitosis mediada por receptores.

10 Endocitosis mediada por receptor : este es un proceso similar a la pinocitosis, con la salvedad que la invaginación de la membrana sólo tiene lugar cuando una determinada molécula, llamada ligando, se une a su receptor específico existente en la membrana. La aglomeración de receptores con sus respectivos ligandos en un sitio de la membrana produce un hundimiento de la misma, llegando a formar una fosa endocítica. Luego de esta unión hay cambio en la configuración de la molécula receptora, que induce a su dominio citosólico a unirse a la adaptina, la cual permite unirse a una molécula de clatrina. De esta manera llegan a formarse una fosita y una vesícula cubiertas con clatrina. receptor ligando clatrina Cada molécula de clatrina está compuesta de tres cadenas pesadas y tres cadenas ligeras que llegan a formar un conjunto de tres puntas denominada trisquelión. Con este trisquelión pueden formarse las rejillas poligonales que cubren la superficie de los hoyos y vesículas, como pueden observarse en el dibujo anterior. En cuanto se separa la vesícula revestida de la membrana plasmática comienza a perder toda la cubierta de clatrina, entonces, para qué se formó si después se pierde? Recordemos que la membrana es una estructura muy débil, de tal forma que para que la fosa y la vesícula se mantengan es necesario una estructura más firme dada por moléculas que puedan enlazarse firmemente, como lo hace la clatrina. La vesícula sin clatrina pasa a llamarse endosoma temprano en el cual ocurren los siguientes eventos: (a) se separa el ligando del receptor (b) los receptores se mueven hacia un extremo de la vesícula, de allí forman una nueva vesícula que se dirige a la membrana, así se recuperan los receptores,

11 (c) La vesícula con los ligandos y sin los receptores se acerca al Golgi desde don recibe lisosomas, para convertirse en endosoma tardío. Dentro de esta estructura se logra la degradación química de los ligando por acción de las enzimas de los lisosomas (ver dibujo abajo) El contacto de las membranas es mediado por unas proteínas de fusión que se reconocen y se produce en su interior una abertura a través de la cual sale el contenido. Además, las membranas llegan a fusionarse de tal manera que toda la membrana de la vesícula llega a formar parte de la membrana plasmática. Transcitosis Exocitosis Para que cualquier vesícula que se acerque a la membrana pueda eliminar su contenido al exterior, es necesario que las membranas lleguen a fusionarse y se genere una abertura a través de la cual salga el contenido de la vesícula. Este proceso se llama exocitosis y está regulado por iones Ca +2. Este proceso se da en células que son polarizadas, es decir, que tienen dos caras diferentes y una distribución de organelos asimétrica, como es el caso de las células del epitelio simple cilíndrico del intestino delgado. Estas células transportan materiales desde el lumen intestinal (superficie luminal) hasta la base celular (superficie basolateral) y viceversa.

12 Las células de los acinos glandulares de la glándula mamaria transportan anticuerpos desde la sangre hasta el lumen para que sean incorporados a la leche. Estos anticuerpos se unen a receptores en la membrana basolateral y son transportados a través del citosol con sus receptores hasta la superficie apical. Los receptores son retenidos en la membrana liberándose los anticuerpos al medio extracelular. Este proceso es muy importante en las células que conforman los capilares: las células endoteliales. Como pueden verse en la MET hay muchas vesículas que corresponde a un transporte en ambos sentidos. 1. Dé una breve explicación de la función de la membrana llamada transductor de enrgía 2. Mencione los procesos celulares incluídos en : a) el transporte pasivo b) el transporte activo c) la endocitosis 3. Qué entiende Ud. por coeficiente de partición y cuál es su importancia para la célula? 4. Explique la propiedad de especificidad, saturación y competencia aplicadas a los transportadores de membrana. 5. Si las [Na+] son mayores fuera de la célula y las [K+] son mayores dentro de la célula: a) cómo es que se mantienen estas concentraciones? b) cómo se pueden revertir dichas concentraciones? 6. Diferencia y ejemplifique: antiporte y simporte. 7. Cuál es la razón molecular para que la clatrina se organice como malla sobre la superficie de la fosa y vesícula revestida?