TEMA 4.2.Estructura de las membranas biológicas

Transcripción

1 TEMA 4.2.Estructura de las membranas biológicas MEMBRANAS BIOLÓGICAS: 1. Funciones de las Membranas biológicas 2. Micelas, Liposomas y Bicapas lipídicas 3. Estructura y Composición de las membranas 3.1. Modelo del Mosaico Fluido -Movimientos de los fosfolípidos de membrana 3.2. Proteínas Integrales y Periféricas 3.3. Distribución asimétrica de los lípidos en las bicapas 3.4. Esfingolípidos/Colesterol: Balsas o Raft de membrana 3.5. Dinámica de membranas 3.6. Proteínas en Interacciones Intercelulares y Adhesión

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3 Funciones de las Membranas biológicas Son flexibles, autosellantes y selectivamente permeables a solutos polares 1.-Barrera Separadora entre compartimentos, o con el exterior celular, dependiendo de Sistemas Transportadores para asegurar el intercambio de materia entre el interior de la célula y su ambiente externo. 2.-Asegurar el Reconocimiento y Comunicación Celular mediante moléculas situadas en la parte externa de la membrana, que actúan como Receptores de sustancias.

4 Lehninger (hepatocito rata) La composición lipídica de las membranas plasmáticas y de los orgánulos subcelulares es distinta: reflejo de la diversidad de papeles biológicos Lípidos más comunes en membranas biológicas: Fosfoglicéridos, Esfingolípidos, Colesterol y algunos Glicolípidos La composición proteica difiere aún más ampliamente

5 Las proporciones relativas de proteína y lípidos (sus movimientos están limitados y son lentos) varían en cada monocapa de la membrana Distribución asimétrica de lípidos en la bicapa Membrana eritrocito

6 LIPIDOS DE MEMBRANA Glicerofosfolípidos y Esfingolípidos son semejantes estructuralmente

7 Micelas, Liposomas y Bicapas Las cadenas hidrofóbicas de los ác grasos se hayan secuestradas en el interior (libre de agua) Forma transporte sales biliares Digestión de lípidos de dieta Hoja bimolecular con 2 hemicapas Extremos en contacto con agua: relativamente inestables Estructura básica de todas las membranas biológicas Bicapa cerrada: Compartimiento acuoso separado Membranas artificiales en modelos de estudio sobre propiedades bicapa y proteínas anfifílicas Constante Micelar Crítica (C.M.C.): concentración mínima necesaria del compuesto anfipático (p.ej. lípido), para poder formarse micelas. Depende de Tª, tipo lípido o mezcla de lípidos, etc

8 Estructura y Composición de las membranas: Modelo del mosaico fluido (Singer y Nicholson, 1970) MODELO BICAPA Dawson & Danielli, 1935 Robertson, 1959 UNIDAD Mbr. 5-8 nm espesor Los fosfolípidos y esteroles forman una bicapa lipídica con las regiones polares hacia fuera y las apolares orientadas hacia el interior (región hidrofóbica fluida). Las proteínas se incrustan en la membrana de modo asimétrico interaccionando con las zonas hidrofóbicas, o se unen débilmente a la superficie de la bicapa. Todos los componentes forman un mosaico que se halla en estado fluido, pues están cambiando continuamente de posición (movimiento de una capa a otra restringido)

9 Movimientos de los fosfolípidos de membrana 1-Rotación 4-Flip-Flop translocación 2-Difusión lateral 3-Flexión colas FLIPASAS

10 Proteínas Integrales y Periféricas -La topología de las proteínas de membrana es fija (difusión lateral) ya que no poseen movilidad Flip-Flop (translocación): la distribución de la proteínas es asimétrica. Proteínas Integrales Proteínas Periféricas

11 Proteínas Periféricas Se unen débilmente a la bicapa, pueden liberarse con tratamientos suaves* (tb. Interacc covalentes) Son reguladoras de enzimas unidas a membranas y/o limitan la movilidad de proteínas integrales * -Unión débil electrostática a lípidos (ciertos aa con cabezas polares de signo opuesto de la membrana) (*) -Unión débil a proteínas integrales: interacc electrostática, ptes. H o fuerzas Van der Waals (*)

12 Proteínas Periféricas Con Interacciones covalentes -Unión por enlace a ácido graso Palmitilo / Miristilo -Unión por enlace a lípido de tipo isoprenoide Lípido de tipo isoprenoide CARA INTERNA -Unión a glucolípidos por Glucosil-fosfatidilinositol (GPI) CARA EXTERNA

13 Proteínas Integrales Firmemente unidas a membrana, sólo pueden liberarse por la acción de agentes que interfieren en las interacciones hidrofóbicas: detergentes, disolventes orgánicos o agentes desnaturalizantes Pueden atravesar la membrana 1 o varias veces, o poseer un fragmento hidrofóbico insertado (Type V) -Residuos hidrofóbicos (20-23 aa ) atraviesan la membrana en forma de hélice α -se pueden suceder segmentos transmembrana en forma hélice-giro-hélice de un único polipéptido (Type III) o unión de varios segmentos transmembrana de varios polipéptidos (Type IV). Estructuras tubulares que pueden formar poros o canales iónicos Glicoforina eritrocito Puede predecirse la topología a partir de su secuencia

14 Proteínas Integrales No todas las proteínas integrales están formadas por hélices-α transmembrana Otro motivos estructural es el barril β, en el que 20 o más segmentos transmembrana organizados (estructura β-hoja plegada) atraviesan la membrana Más extendida, entre 7-9 aa son suficientes para atravesar la membrana Staphilococcus aureus E. coli

15 Esfingolípidos/Colesterol: balsas o raft de membrana Esfingolípidos, comunmente glucoesfingolípidos, forman agrupaciones transitorias (hoja externa), que excluyen a fosfolípidos, y se asocian a colesterol: crean microdominios o balsas Lipid raft Balsas con enlaces covalentes a lípidos y proteínas integrales de membrana: i) unidas por GPI (en CARA EXTERNA) ii) ancladas mediante enlace a 2 palmitilos o 1 palmitilo y 1 miristilo (no en cara externa, SI en CARA INTERNA)

16 Caveolinas: caveolas como Subtipo específico de raft de membrana Caveolina: prot integral con 2 dominios globulares conectados por un dominio hidrofóbico en forma de horquilla (+ 3 uniones a palmitilo). Une colesterol. Dominios ricos en caveolinas fuerzan a la membrana a doblarse para dentro (regulado por dimerización). Intervienen en: tráfico a través de membrana dentro de las células y transducciones de señales externas Receptores de insulina y otros factores de crecimiento, ciertas proteínas de unión a GTP y prot quinasas, señalizacion de neurotrasmisores

17 Dinámica de membranas Membranas biológicas flexibles: con capacidad de cambiar de forma sin perder integridad ni dejar salir su contenido. Las moléculas individuales de fosfolípidos y esteroles tienen gran libertad de movimiento Tª baja: lípidos en fase gel semisólido: estado paracristalino Estructura y flexibilidad dependen de: Temperatura: Tª fisiológica: ácidos grasos saturados de cadena larga en estado líquido ordenado, pero los giros de los insaturados favorecen estado desordenado. Contenido esteroles Tª alta: cadenas ácidos grasos en continuo movimiento, estado líquido desordenado

18 Factores que perturban la movilidad o fluidez de la membrana Efecto de la composición lipídica: temperatura de cambio de fase (Tm) -La Tm de un lípido depende de la longitud de las colas hidrocarbonadas de los ácidos grasos y de su grado de insaturación: 1.-A igualdad de grado de insaturación (número de dobles enlaces), la Tm será mayor (menor movilidad o fluidez), cuanto más larga (nº de C) contenga (mayor empaquetamiento). 2.-A igualdad de longitud de cadena (nº de C), la Tm será mayor (menor movilidad o fluidez), cuanto menor sea el grado de insaturación (número de dobles enlaces, mejor empaquetamiento). Efecto del colesterol Efecto buffer : -Estructura plana-rígida del núcleo esteroideo: Reduce fluidez -Interfiere en el fuerte empaquetamiento cadenas saturadas de ac grasos: mayor fluidez

19 Factores que perturban la movilidad o fluidez de la membrana: Efecto de las proteínas Proteínas tienen libertad difusión lateral, pero -algunas proteínas se asocian formando parches, donde las proteínas no se mueven unas respecto a otras -otras están ancladas a estructuras internas (a proteínas del citoesqueleto) Vallas que definen el movimiento lipídico

20 Proteínas en interacciones intercelulares y adhesión Ciertas proteínas integrales de membrana proporcionan puntos específicos de anclaje cel-cel o cel-proteína matriz extracel Integrinas: prot de adhesión que también actua como receptor y transductor de señal (agregación plaquetaria en heridas, reparación tisular, actividad cels inmunitarias, invasión de un tejido por tumor) Caderinas: interacciones homofílicas con cels adyacentes Prot tipo inmunoglobulinas: intercc homofílicas con otras inmunoglobulinas o heterofílicas con integrinas Selectinas: dominios extracel (en presencia Ca 2+ ) unen polisacáridos específicos cels vecinas No hablamos de estructuras de comunicación intercelular tipo DESMOSOMAS, etc

21 Fusión de membranas Fusión de membranas sin perder su continuidad: reorganización constante compartimentos membranosos subcel y membrana plasmática, exocitosis, endocitosis, división cel, fusión huevo y espermatozoide, entrada de virus Pasos: 1) Reconocimiento 2) Eliminación moléculas agua asociadas a cabezas polares fosfolípidos 3) Rotura y fusión local hemicapa externa 4) Fusión bicapa 5) En endocitosis mediada por receptor, en secreción regulada también requieren un control del momento específico Proteínas fusión favorecen reconocimiento específico y distorsión local transitoria de la bicapa Neurotransmisores se liberan en sinapsis por fusión vesículas intracel cargadas del neurotransmisor. Proceso mediado por (v- y t-) SNARES