Lección 21. Proteínas de membrana Objetivos: 1. Enumerar las funciones de las proteínas de membrana 2. Clasificar las proteínas de membrana 3. Describir las interacciones de las proteínas con la bicapa lipídica 4. Describir estructura y función de las proteínas unidas a la bicapa mediante moléculas lipídicas 5. Una vez completado el estudio de los componentes de las membranas y sus interacciones, analizar la asimetría de la membrana y el desplazamiento de componentes en el seno de la misma 6. Describir procesos de fusión de membranas; importancia biológica y médica Bibliografía: Lehninger 5ª ed. Cp 11 y Devlin 5ª ed. Cp. 12
Proteínas de membrana La composición en proteínas de las membranas condiciona y/o posibilita la función de la membrana particular; las membranas que ejercen funciones diferentes tienen proteínas distintas: especialización funcional Función de las proteínas de membrana: 1. Promover los procesos de trasiego de los solutos polares: son sistemas de transporte de solutos polares 2. Catalizar reacciones metabólicas: son enzimas 3. Recibir señales del exterior celular: son receptores 4. Transmitir señales al interior celular: son sistemas de transducción de señales En resumen, hasta la fecha se considera que: Las proteínas son responsables de la mayoría de los procesos dinámicos desarrollados en las membranas y los lípidos crean el ambiente adecuado para la acción de las proteínas
Clasificación de las proteínas de membrana Se diferencian tres tipos de proteínas de membrana según su asociación con la misma: Proteínas integrales (a, b, e) 1. Atraviesan la bicapa lipídica (BL) 2. Se unen a BL por interacciones hidrofóbicas. 3. Para separarlas se precisa solubilizar la BL con detergentes 4. En general, NO son solubles en medio acuoso. (b) Proteínas periféricas (c, d) 1. Se asocian a la BL o a otras prot. por enlaces iónicos y enlaces de H. 2. Se pueden separar fácilmente de la BL sin romperla (fuerza iónica ) 3. En general, son solubles en el medio acuoso. (e) (f) Proteínas anfitrópicas (c, f) 1. Se asocian reversiblemente a la BL: memb citosol 2. Se unen a la BL por enlaces no covalentes o por unión covalente a un lípido de membrana. 3. En general, son solubles en medio acuoso. (a) (c) (d) Fig. 12.23 Devlin 4ª ed.
En general a) las proteínas con un único segmento transmembrana son: Proteínas de adhesión y reconocimiento entre células Lugares de fijación de antígenos Receptores: p.ej. r. de insulina, r. de lipoproteínas LDL, r. de transferrina, etc. b) Las proteínas con múltiples segmentos transmembrana son proteínas que trabajan dentro de la membrana. Entre ellas están: Todas las proteínas implicadas en el transporte de iones y solutos polares a través de la membrana: Sistemas de Transporte (transportadores, bombas, canales para iones, etc) Y las proteínas que transfieren información al interior celular: Diversos tipos de receptores acoplados a proteínas G como el receptor β-adrenérgico, o el receptor muscarínico.
Proteínas con un único segmento transmembrana. Ejemplo: glicoforina A Glúcidos 20 aa * 1.5 Å/aa = 30 Å = 3 nm Fig. 12.27 Stryer 4ª ed. 5-8 nm 3 nm
Componente glucídico Componente glucídico de las glucoproteínas El conjunto glucídico puede ser muy complejo Puede constituir del 1 al 70% de peso total de la glucoproteina Condicionan el plegamiento de la proteína su función Los oligosacáridos de las glucoproteínas junto con los de los glucolípidos actúan como señales de membrana de reconocimiento célula-célula, de la edad celular, etc. Los oligosacáridos de las glucoproteínas y de los glucolípidos son un importante factor de asimetría de la membrana ya que se localizan exclusivamente en el lado externo de la membrana plasmática. En las membranas de orgánulos intracelulares, los oligosacáridos se localizan en el lado contrario al citosol.
Membranas celulares: modelo de mosaico fluido Capa externa (apolares) Colesterol Bicapa lipídica Capa interna Tomado de Lehninger 3ª ed Estructura cooperativa no covalente: estructura fluida Desplazamiento de las moléculas en el plano de la membrana
Movilidad de los lípidos y de las proteínas en las membranas (I) Difusión lateral s = (4 Dt) ½ s = distancia media recorrida en dos dimensiones t = tiempo D = coeficiente de difusión lateral Lípidos: son muy rápidos D 1 m 2 s -1 s = 2 m en 1 segundo una molécula de lípido puede viajar de un extremo a otro de una bacteria en un segundo Proteínas: velocidades muy diferentes Rápidas como rodopsina D = 0.4 m 2 s -1 Prácticamente inmóviles: fibronectina D = 10-4 m 2 s -1
Movilidad de los lípidos y de las proteínas en las membranas (II) Difusión transversal o transmembranal (flip-flop) Es un proceso muy lento. La barrera de energía libre es muy grande Lípidos: Una molécula de fosfolípido difunde transversalmente una vez cada varias horas. Proteínas Para las proteínas, la barrera de energía libre es aún mayor: nunca se ha observado difusión transversal en proteínas Debido a esto la asimetría de la membrana se mantiene durante largos periodos de tiempo.
Agregados moleculares de la membrana Algunas proteínas de membrana se asocian formando grandes agregados estables (Parches) en la superficie de una célula u orgánulo: p.e. los receptores de acetilcolina forman densos parches casi cristalinos. Otras proteínas están ancladas a estructuras internas que evitan su libre difusión: p.e. el intercambiador Cl - /bicarbonato y la glicoforina están ligados a la espectrina del citoesqueleto. Los glucoesfingolípidos y el colesterol se agrupan conjuntamente en balsas de estructura líquida ordenada a la deriva en un mar fosfolípidos de estructura líquida desordenada más fluída (Llehninger 5ª ed.) El 50% de la superficie celular está ocupada por balsas. Las balsas contienen una cantidad elevada de proteínas integrales. Esta asociación aumenta la eficacia de los procesos en los que intervienen; fenómenos de transporte, transducción de señales están asociados a balsas: p.e. los receptores de insulina y de otros factores de crecimiento, ciertas proteínas de unión a GTP y proteína quinasas asociadas a señalización transmembrana están localizadas en balsas.
La caveolina es una proteína integral de membrana de la capa citosólica. Es un dímero. Cada unidad está unida a la membrana por un dominio hidrofóbico y tres grupos palmitilo unidos al dominio carboxiterminal. La caveolina une colesterol en la capa extracelular y una balsa típica de esfingolípidos colesterol con proteínas asociadas. La presencia de caveolinas fuerza a al BL a curvarse hacia dentro formando pequeñas cuevas (caveolas) en la superficie de la célula. Las caveolas son balsas específicas en las que intervienen ambas capas de la membrana. Los cambios de curvatura son cruciales en los fenómenos de fusión de las membranas. Figura tomada de Lehninger 5ª ed.
Fusión de membranas Las membranas pueden fusionarse con otras membranas sin que haya pérdida de continuidad. Requerimientos para la fusión específica de dos membranas: 1. Reconocimiento de las membr. entre sí 2. Proximidad: eliminación del agua de solvatación de las cabezas polares de los lípidos 3. Rotura local de la estructura de las bicapas 4. Fusión de dos bicapas para formar una estructura única y contínua En la endocitosis mediada por receptor y en la secreción regulada, también se requiere que: 5. El proceso de fusión se desencadene en respuesta a una señal específica. Todos estos procesos están mediados por proteínas específicas de la membr. llamadas proteínas de fusión Lehninger 3ª ed. Cp 12
Ác. siálico Virus de la gripe Virus VIH gp=glicoproteína HA = Hemaglutinina Endosoma Tomado de Lehninger 3ª ed. Cp.12
Propiedades de las membranas celulares 1. Son estructuras laminares, de 6 a 10 nm de espesor Forman compartimentos cerrados Diferenciación de espacios 2. Constan de lípidos, proteínas e hidratos de carbono 3. Los lípidos (anfipáticos) constituyen bicapas que son barreras de permeabilidad para solutos polares 4. Las proteínas son mediadoras de las funciones características de las membranas: Flujo selectivo de solutos Receptores de información extracelular Transducción de energía Enzimas metabólicos, etc. 5. Son asimétricas 6. Son asociaciones moleculares no covalentes: sistema cooperativo no covalente 7. Son estructuras fluidas: pueden autosellarse y también fusionarse unas con otras sin perder su integridad 8. La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente: en general, el interior es más negativo que el exterior