Más de la M. Plasmática

MEMBRANA PLASMÁTICA


Formada por:

- Lípidos


- Colesterol


- Azúcares


- Proteínas


LÍPIDOS:

Los lípidos de la membrana plasmática son principalmente FOSFOLÍPIDOS.

Los fosfolípidos se disponen en una doble capa continua ( doble capa lipídica) con un grosor de unos 5 nm aproximadamente.

Esta doble capa lipídica es la estructura básica de las membranas celulares, y actúa como barrera relativamente impermeable de moléculas hidrosolubles.

Fosfolípidos:

Los fosfolípidos son anfitáticos, es decir, tienen un extremo hidrofílico ( o polar) y un extremo hidrofóbico (o no polar).


Estructura:

- cabeza polar (glicerol + fosfato + colina, o serina, etc. depende del tipo)


- dos colas no polares ( dos ácidos grasos)


Los ácidos grasos de la cola pueden tener distinta longitud ( de 14 a 24 carbonos). Uno presenta 1 ó más dobles enlaces CIS (cadena insaturada), y tiene una leve curvatura, que afecta la fluidez de la membrana. La otra no presenta dobles enlaces (saturada).

Las membranas eucarióticas, a diferencia de las bacterianas, tienen distinto tipos de fosfolípidos. La diferencia entre estos distintos tipo depende principalmente por un grupo que forma parte de la cabeza polar del fosfolípido.





La fosfatidilserina tiene una carga negativa, a diferencia de los demás que tienen carga neutra a pH fisiológico.

También están los fosfatidiletanolamina pero se hallan en pequeña cantidad.

Los fosfolípidos son como un disolvente tridimensional para las proteínas de la membrana.

En las membranas de las células bacterianas hay un solo tipo de fosfolípidos, a diferencia de las eucarióticas que tienen más de un tipo de fosfolípido.

La naturaleza anfipática de estas moléculas determinan que formen dos estruc-turas, micelas y bicapa, experimentalmente.


Micelas: estructura esférica con las colas de los fosfolípidos (no polares) hacia adentro y, las cabezas (polares) hacia fuera de la estructura, en contacto con el medio acuoso.






Bicapa: dos capas de fosfolípidos con las cabezas hacia fuera, en contacto con el medio acuoso, y las colas hacia el medio de la bicapa. Se cierra sobre sí misma y delimita un espacio interno.

Esta forma se llama MOSAICO.


Movimiento de los fosfolípidos:




FLIP-FLOP: pueden saltar de una monocapa a la otra, pero se produce poco porque requiere gran gasto de energía.




DIFUSIÓN LATERAL: cambian de lugar con fosfolípidos vecinos, dentro de la misma monocapa unas 107veces por segundo. Esto da lugar a la difusión lateral de los fosfolípidos, a unos 10-8cm2/seg.


ROTACIÓN: giran sobre su eje longitudinal con rapidez.


FLEXIÓN: Separación y aproximación de los extremos de las colas, por flexión de las cadenas carbonadas de los ácidos grasos.


Síntesis de fosfolípidos: Se sintetizan principalmente en la monocapa citosólica de la membrana del RE. Pasan hacia la otra monocapa, para que no se acumulen fosfolípidos en una monocapa, por medio de una enzima unida al RE, que cataliza el flip-flop de los fosfolípidos formados específicos de la monocapa. Dicha enzima se llama TRANSLOCADORA DE FOSFOLÍPIDOS.

COLESTEROL:

Las membranas plasmáticas de células eucarióticas tienen colesterol.

El colesterol refuerza el carácter de barrera permeable de la bicapa lipídica, y principalmente afecta sobre la fluidez de la membrana.


Estructura:

- grupo polar de la cabeza del colesterol que es un hidroxilo.






- anillos esteroides planos y rígidos.


- cola hidrocarbonada no polar







El colesterol se orienta:

· con su grupo polar (-OH) próximo a las cabe-zas polares de los fosfolípidos.

· Los anillos esteroides interactúan con las re-giones más cercanas a la cabeza polar de las cadenas hidrocarbonadas de las colas de los fosfolípidos.

· El resto de la cadena del colesterol queda flexible al igual que el resto del fosfolípido.


Entonces, el colesterol reduce la movilidad de los primeros grupos CH2 de las ca-denas hidrocarbonadas de los ácidos grasos de los fosfolípidos.

Influyen en la fluidez de la membrana, ver después fluidez de membrana.

A diferencia de las células eucarióticas, las membranas de las células bacterianas no contienen colesterol. La estabilidad mecánica se la da la pared celular que las recubre.

AZÚCARES:

Las moléculas de azúcares de la membrana plasmática son los GLUCOLÍPIDOS.

Se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática de la bicapa lipídica, donde se autoasocian con formando microagregados mediante la formación de enlaces de hidrógenos entre ellas.

En la membrana plasmática los grupos de azúcar quedan al descubierto en la superficie de la célula donde desempeña un tipo de función en las interacciones de la célula con su entorno.

La distribución asimétrica de glucolípidos en la bicapa resulta de la adición de grupos de azúcar en las moléculas lipídicas en el lumen del complejo de Golgi que topográficamente equivale a exterior celular.

Hay distintos tipos de glucolípidos:




Gal: galactosa Glc: glucosa GalNAc: N-acetil galactosamina


Los galactocerebrósidos (A) son glucolípidos neutros, porque el azúcar de su grupo de cabeza no está cargado.

Los gangliósidos contienen uno o más residuos de ácido siálico (N-acetilnue-ramínico o NANA) que está cargados negativamente (B y C).

Principales funciones de alguno glucolípidos:

Gangliósidos: tiene carga negativa. Son abundantes en las células nerviosas y tiene importancia por su carga. Su presencia alteraría el campo eléctrico a travez de la membrana y la cc. De iones en su superficie externa. Pueden tener papel en aislamiento eléctrico ya que se hallan en la cara no citoplasmática de la bicapa de la membrana mielínica, que aísla eléctricamente los axones de las células nerviosas.

En las células epiteliales intestinal se halla en la superficie apical de la membrana de la célula, donde protege la membrana de condiciones adversas como pH bajo y enzimas digestivas.

Glucocáliz: las proteínas de membrana no sobresalen desnudas al exterior celular, sino que están cubiertas por carbohidratos presentes en la superficie de todas las células eucarióticas.

Estos carbohidratos son cadenas de oligosacáridos unidas covalentemente a las proteínas de membrana (glucoproteína)y a los lípidos (glucolípidos)y, como cadena de polisacáridos de moléculas de proteoglucanos integrales de membrana.

Los proteoglucanos consisten en largas cadenas de polisacáridos unidas covalentemente a un núcleo proteico; se encuentran principalmente en el exterior celular como parte de la matriz extracelular. Pero en el caso de losproteoglucanos integrales de membrana, el núcleo proteico se extiende a través de la bicapa o está anclado a la bicapa mediante un glucosilfosfatidilinositol (GPI).

El término cubierta celular o glucocáliz se da para referirse a la zona de superficie celular rica en carbohidratos. El Glucocáliz contiene (además de carbohidratos unidas a las proteínas intrínsecas de la membrana) glucoproteínas y proteoglucanos que han sido secretados al espacio exterior y que luego son adsorbidos en la superficie celular. Muchas de estas macromoléculas adsorbidas son componentes de la matriz extracelular.

Las cadenas laterales de oligosacáridos de las glucoproteínas y de los glucolípidos son diversas en cuanto a los azúcares. Generalmente contienen menos de 15 residuos glucídicos, a menudo están ramificados y los azúcares pueden estar unidos entre sí por enlaces covalentes. Al unirse entre sí, tres glucídicos pueden incluso formar cientos de trisacáridos distintos.

Una de las funciones del Glucocáliz es de protección ante daños mecánicos y químicos, de mantener objetos extraños y otras células a distancia, impidiendo interacción proteína-proteína o , en el caso de células y otras sustancias permitiendo la interacción.





Ejemplo:

El reconocimiento proteína-carbohidrato en las respuesta antiflamatorias. Cuando hay una infección local los linfocitos se acumulan en esa zona para combatir la infección local.

Primero los nuetrófilos se adhieren ala células endoteliales de los vasos sanguí-neos de la zona y luego se adhieren más fuerte y migran fuera de los vasos, pasando en-tre las células endoteliales.

El inicio del proceso de adhesión implica el reconocimiento proteína-carbohidrato. Hay mediadores químicos locales liberados por las células en el lugar de inflamación que señalizan a la células endoteliales de la región para que expresen una glucoproteína transmembrana llamada P-selectina que es de la familia de moléculas de adhesión célula-célula. La selectina tiene un dominio para unión a carbohidratos que se extiende desde la superficie celular, reconoce un oligosacárido específico como las moléculas de glucolípidos y glucoproteínas del neutrófilo, éstos se adhieren específicamente a las células endoteliales de los vasos de la zona inflamada.

La asociación es de baja actividad y, la asociación y separación ocurre rapida-mente. Luego el desplazamiento es de adhesión célula-célula mediado por proteínas transmembrana (Integrinas)

PROTEÍNAS:

Las proteínas si bien se hallan, en la membrana plasmática, menor cantidad que los lípidos, tienen funciones específicas. En la superficial celular pueden estar relaciona-das a cadenas con carbohidratos (glucoptroteínas) formando parte del glucocáliz.

Las proteínas de membrana pueden estar relacionadas a la membrana de diferen-tes maneras.





Proteínas transmembrana (1 y 2): Es una proteína anfipática. Ya que las regiones de la proteínas son hidrofóbicas interacciona con las colas de los fosfolípidos vecinos en el interior de la bicapa; y las regiones hidrofílicas quedan expuestas a ambos lados de la membrana hacia el medio acuoso.

Algunas de estas proteínas pueden tener una o más uniones covalentes a cade-nas de ácidos grasos insertadas en la mitad citoplasmática de la bicapa. Estas uniones aumentan el carácter hidrofóbico de las proteínas transmembrana (1).

Las parte hidrofóbica de las proteínas transmembrana tiene aminoácidos de cade-na lateral no polar. Y como las uniones peptídicas son en sí polares, todas las uniones peptídicas de las parte hidrofóbica, tienden a formar enlaces hidrógeno entre sí; éstas se maximizan si la cadena polipeptídica adopta forma de hélice regular al cruzar la bicapa.

Proteínas transmembrana de paso único, cuando atraviesan una sola vez la bicapa y, de proteínas de paso múltiplesi la cadena atraviesa bicapa varias veces, y tienen varios segmentos hidrofóbicos intercalados con segmentos hidrofílicos. Ejemplo: bacteriorrodopsina, atraviesa la bicapa en forma de 7 hélices en la membrana de la bacteriaHalobacterium halobium y es una bomba de protones.

Hay proteínas de membrana, no transmembrana, se localizan en el citosol y se asocian a la membrana sólo a través de una o más cadenas de ácidos grasos a las que se unen covalentemente o por otro tipo de cadenas lipídicas llamadas “grupos prenil” (3). Este tipo de proteínas se generan como proteínas solubles en el citosol y luego se trasladan directo a la membrana uniéndose al grupo lipídico.

Otras proteínas (4) de membrana quedan expuestas en la superficie celular exter-na, ancladas a la bicapa por medio de unión covalente, por medio de un oligosacárido específico, al fosfatidilinositol dela monocapa lipídica externa de la membrana plasmática. Estas proteínas se sintetizan en el RE como proteínas transmembrana de paso único, luego el segmento transmembranoso se escinde y se le añade un glucosilfosfatidilinositol (GPI), así la proteína queda unida a la superficie no citoplasmática de la membrana sólo por medio del anclaje. (el GPI se reconoce por uso de fosfolipasa C específico para GPI)

Algunas proteínas de membrana están unidas a una o a otra cara de la membrana mediante interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana (5 y 6).

Proteínas periféricas: de la membrana, las que no son transmembrana, pueden ser liberadas mediante procedimientos de extracción relativamente suaves (sl. de alta o baja fuerza iónica o de pH extremo) que interfieren en las interacciones proteicas pero mantienen intacta la bicapa lipídica.

Proteínas integrales: proteínas transmembrana, como varias proteínas unidas a la bicapa por cadenas de ácidos grasos y otras íntimamente ligadas a la membrana, que no pueden ser liberadas por éstos métodos.

Difusión de la proteínas: las proteínas no hacen flip-flop a través de la bicapa, sino que giran alrededor de un eje algo perpendicular al plano de la bicapa: difusión rotacional. También son capaces de desplazarse lateralmente por la membrana: difusión lateral. La velocidad de difusión varía según la proteína pero generalmente es de una décima o centésima parte de la velocidad que alcanzan las moléculas de fosfolípidos de la misma membrana.

Agrupamientos o patching: cuando los ligandos, como los anticuerpos, que tie-nen más de un sitio de unión (ligandos multivalentes) se unen a proteínas específicas de la superficie celular, las proteínas tienden a agregarse, mediante enlaces cruzados, formando grandes grupos o patches, lo cual indica que las proteínas son capaces de desplazarse lateralmente por la bicapa lipídica.

Caperuzas: Una vez formados los agregados en la superficie de una célula capaz de moverse, como un leucocito, son trasladados activamente a uno de los polos celulares, formando una caperuza.

TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVES DE LA MEMBRANA

La difusión depende de el tamaño y estructura química de la molécula (hidrofóbica o no). Cuanto más pequeña y más hidrofóbica es la molécula, más rapidamente difunde a través de una bicapa.

Moléculas pequeñas no polares como el O2 (32 daltons) y el CO2 (44 daltons), se disuelven fácilmente en las bicapas lipídicas y por lo tanto difunden con rapidez a través de ellas. Hay otras como el N2 y benceno.

Las moléculas polares no cargadas también difunden rápido si su tamaño es reducido; como el agua (18 D), etanol (46 D), urea (60 D) atraviesan rápidamente la bicapa, pero el glicerol (92 D) lo hace menos rápido, y la glucosa (180 D) prácticamente no la atraviesa.

Las moléculas cargadas (iones) por muy pequeñas que sean, por su carga y el elevado grado de hidratación de ellas no pueden penetrar la bicapa, entonces la bicapa es altamente impermeable para este tipo de moléculas.

Proteínas transporte: son proteínas multipaso, establecen una vía contínua de proteína a través de la membrana, permitiendo así el transporte de solútos específicos sin que “toquen” el interior hidrofóbico de la bicapa. Para transporte de solutos o moléculas que no pueden atravesar la membrana por difusión simple, como los iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos, etc. Cada tipo de proteínas transporta específicamente un tipo particular de molécula o soluto.

1) Hay dos tipos de proteínas de transporte:

Proteínas transportadoras (carriers o permeasa): se unen al soluto que va a ser transportado y sufre una serio de cambios conformacionales que permiten la transferencia del soluto a través de la membrana. Para el transporte la proteínas puede utilizar energía o no.

El proceso por el que una proteína transfiere una molécula de solúto a través de la bicapa se parece a una reacción enzima-substrato, y los transportadores implicados en este proceso actúan como enzimas especializadas ligadas a la membrana. Cada proteína tiene uno o más lugares de unión específicos para su soluto (substrato)

Cuando un transportador es saturado (tiene todos los lugares ocupados), la velo-cidad de transporte es máxima y esa velocidad es característica de cada transportador. Y cada proteína tiene una constante de unión para su soluto (KM), igual a la concentración del soluto cuando la velocidad de transporte es la mitad del valor máximo.

Como las enzimas, la unión del soluto puede ser bloqueada específicamente por inhibidores competitivos (que compiten por el sitio de unión) o por inhibidores no compe-titivos (que se unen a otro lugar y alteran la estructura del transportador).

Pero a diferencia de las enzimas el soluto no es modificado por el transportador.







Uniportes o transportadores sencillos: transportan un solo soluto de un lado al otro de la membrana.






Transpotadores acoplados: en los que la transferencia de un soluto depende de la transferencia simultánea o secuencial de un segundo soluto.

Simporte o unidireccional:transporte de ambos solutos en la misma dirección.

Antiporte o de intercambio:transporte de los diferentes solutos en dirección opuesta.


Como el caso del transporte de la glucosa desde la luz intestinal y de los túbulos renales, donde la concentración de glucosa en baja respecto al citosol de las células, la glucosa es transportada a través de la membrana mediante intercambio unidireccional con Na+. Y en eritrocito humano hay intercambio por transportador aniónico de Cl- por HCO3-.

Probablemente cuando transporta, la proteína primero expone el lugar de unión al soluto en una cara de la membrana y luego en la otra cara. El cambio conformacional de la proteína es reversible.

Proteínas canal : no se unen al soluto que transportan, sino que forman poros con apertura hidrofílica que atraviesan la bicapa lipídica. Cuando estos poros están abiertos permiten que determinados solutos (iones inorgánicos de tamaño y carga apropiada) pueden pasar a través suyo, y pasar al otro lado de la membrana.

Su velocidad de transporte es mayor que la de la proteína canal. Son altamente selectivos y se relacionan principalmente al transporte de iones inorgánicos (canales iónicos, para Na+, K+, Ca2+, o Cl-). No se acoplan a una fuente de energía, por lo que median transporte pasivo. Regulan el flujo de iones que transporta.

Una proteína canal muy conocida es la que forma las uniones comunicantes (gap junctions) entre dos células adyacentes; cada membrana contribuye de la misma manera a la formación del canal, que conecta los citoplasmas de ambas células. También lo son las porinas de la membranas externas de mitocondrias y cloroplastos.

Canales iónicos: presentan selectividad iónica, es decir permiten que algunos iones puedan pasar y otros no. Son estrechos en algunos lugares para permitir que los iones entren en contacto íntimo con las paredes del canal y así deshacerse de las molé-culas de agua que llevan asociadas y de la carga; y poder tener el tamaño y la carga adecuada para pasar por la parte estrecha del canal.

Este hecho limita la velocidad máxima de paso. Así cuando aumenta la concentra-ción de un ión, el flujo de tal ión a través del canal aumenta proporcionalmente hasta que alcanza los niveles de saturación, momento en que la velocidad de transporte es máxima.

Los canales iónicos no están abiertos continuamente. Tienen “puertas” que se abren brevemente y luego se cierran; éstas actúan en respuesta a estímulos específicos.

Así los cambios de voltaje a través de la membrana (canales regulados por voltaje), estimulaciones mecánicas (canales regulados mecánicamente) y la unión de un ligando (canales regulados por ligando), producen la apertura de esa “puertas”.

En los canales regulados por ligandos, los ligandos pueden ser extracelulares (co-mo un neurotransmisor), en el caso decanales regulados por transmisor, o bien un mediador intracelular (como un ión), en el caso de canales regulados por ión, o un nucleótido, en el caso de canales regulados por nucleótidos.

La actividad de muchos canales iónicos está regulado por fosforilación y desfos-forilación de las proteínas (canales regulados por nucleótidos).

TRANSPORTE ACTIVO Y PASIVO

Transporte pasivo o Difusión facilitada: si la molécula carece de carga, la dirección del transporte se determina por la diferencia de concentración a los lados de la membrana (gradiente de concentración). Pero si el soluto tiene carga neta, su transporte se ve influido tanto por su gradiente de concentración como por el gradiente eléctrico a través de la membrana (potencial de membrana). El gradiente de concentración y eléctrico se pueden combinar y formar una fuerza neta de dirección del flujo: gradiente electroquímico para cada soluto cargado.

Casi todas las membranas plasmáticas tienen una diferencia de potencial (gradien-te de voltaje) a través de ellas, siendo habitualmente negativa en el interior respecto al exterior. Esta diferencia permite la entrada a la célula de iones cargados positivamente y se opone a la entrada de iones negativos.

Transporte activo: siempre mediado por proteínas transportadoras, donde la actividad bombeadora de la proteína de transporte es direccional, ya que está acoplada a una fuente de energía metabólica, como la hidrólisis de ATP, o a un gradiente iónico.

Este tipo de transporte sucede cuando se necesita bombear activamente solutos a través de la membrana en contra de su gradiente electroquímico.

Cerca de la Membrana Plasmática

MEMBRANA PLASMATICA

En la imagen inferior tienes dos células vistas con el microscopio electrónico con técnicas de transmisión (izquierda) y de criofractura (derecha). Aunque juntas, cada una de estas células posee una individualidad y esa cualidad se la proporciona la membrana plasmática.

En la imagen izda. hemos ampliado la zona de contacto entre dos células (1 y 2). Cada célula presenta una limitante que es la membrana plasmática (Flechas rojas) y entre las dos células hay un espacio intercelular (Ei)    La membrana plasmática aparece como una estructura trilaminar (dos bandas más oscuras en los extremos y una banda más clara en el centro), pero esto es solo un efecto de la tinción que usamos para poder ver las estructuras celulares al microscopio electrónico La ESTRUCTURA de la MEMBRANA PLASMÁTICA OBSERVADA por CRIOFRACTURA APOYA la HIPÓTESIS de MOSAICO FLUIDO A la izquierda se muestra una imagen parcial de una célula vista por criofractura, en la imagen vemos la membrana (m), el citoplasma (c) y el núcleo (n). A la derecha se muestra una ampliación de la membrana plasmática, esta imagen sugiere que las proteínas de membrana -que se observan como granos- se hayan integradas en una superficie constituida por fosfolípidos.

La MEMBRANA MANTIENE la RELACIÓN ENTRE la CÉLULA y el EXTERIOR

  La membrana plasmática es el componente que establece la comunicación entre la célula y el entorno. En la membrana se realiza un transporte de moléculas en dos direcciones: de la célula al exterior y viceversa.
Los únicos mecanismos de transporte que pueden observarse al microscopio electrónico son los de la endocitosis y la exocitosis. La endocitosis es el mecanismo de formación de vesículas en la membrana plasmática que se cargan con un contenido extracelular; la exocitosis es el proceso por el que las vesículas formadas en la célula se fusionan con la membrana plasmática y descargan su contenido al exterior.
Esos dos procesos distintos muestran, sin embargo, la misma imagen al microscopio electrónico (abajo). Las vesículas se fusionan con la membrana plasmática (Mp) o se forman en ella y este proceso no se distingue morfológicamente. Observa abajo como las vesículas (izda, flechas rojas) se localizan en la membrana plasmática y como el proceso se observa en criofractura como sacos asociados a la membrana (dcha, flechas rojas).

SUPERFICIE CELULAR

Usualmente la superficie celular no es lisa, como lo es la superficie de un globo inflado. Por el contrario puede presentar prolongaciones, algunas hasta 1 m de largo como es el caso de los axones de las neuronas.
Las microvellosidades (abajo, izda.) son pequeñas prolongaciones que aumentan la superficie de contacto de la célula con el medio exterior. Son habituales en células que limitan las cavidades de los organismos pluricelulares. Los cilios (derecha) son prolongaciones capaces de generar un movimiento sobre el medio extracelular líquido, para ello cuentan con un sistema de proteínas que forman parte del citoesqueleto.

La Membrana Plasmática

Definición

Todas las células están rodeadas y separadas de su ambiente exterior por una membrana con una permeabilidad selectiva llamada membrana plasmática, que define los límites de la célula, su perímetro celular, actuando como una barrera que separa su contenido interno (el citoplasma y núcleo) del medio externo.

El modelo actual que describe la organización estructural de la membrana plasmática fue propuesto en 1972 por los científicos Garth Nicholson y S. Jonathan Singer . Este modelo describe la membrana plasmática como un mosaico fluido que contiene diversas proteínas embebidas en una matriz de fosfolípidos.

Los fosfolípidos en la membrana forman una bicapa lipídica con las cabezas polares dirigidas hacia el exterior y las colas hidrofóbicas hacia el interior de la bicapa. Esta tiene un grosor aproximado de 75 Å (ángstrom) o 7.5 nanómetros (nm), por ello no es posible visualizarla al microscopio óptico pero sí con el microscopio electrónico, ya que éste ofrece imágenes de la membrana plasmática en la que se pueden observar dos líneas oscuras laterales y una central más clara, imagen que recuerda a las vías del tren.

Estructura

El modelo de mosaico fluido es el que describe la estructura de capas de la La membrana plasmática| membrana plasmática.

La membrana plasmática es un mosaico de diferentes tipos de proteínas (generalmente glicoproteínas) embebidas en una bicapa de fosfolípidos. El conjunto se mueve en el plano de la membrana como si fuera un fluido, de ahí el nombre que recibe este modelo de estructura: mosaico fluido.

Así pues, todas las membranas biológicas son entidades dinámicas, estructuras fluidas, pues la mayoría de sus lípidos y proteínas son capaces de moverse en el plano de la membrana, además de sufrir un continuo recambio de componentes. Al igual que un mosaico, la membrana plasmática es una estructura compleja construida de diferentes elementos, proteínas, fosfolípidos y esteroides. Cuatro fosfolípidos, tres fosfoglicéridos principales fosfatidilcolina,fosfatidiletalonamina, y fosfatidilserina y la esfingomielina constituyen más del 50 % de los fosfolípidos de la mayoría de las biomembranas.

Los esteroides, como el colesterol, tienen un importante papel en la regulación de las propiedades físico-químicas de la membrana biológicas regulando suresistencia y fluidez. La cantidad relativa de estos componentes varían de membrana en membrana, y los tipos de lípidos en la membrana también pueden variar.

Las proteínas integrales (llamadas también proteínas transmembrana) cruzan completamente la bicapa lipídica. Las proteínas periféricas se asocian con la membrana principalmente a través de interacciones no covalentes específicas con las proteínas integrales o lípidos de membrana. Las cadenas de oligosacáridos se encuentran unidos covalentemente a muchas proteínas extracelulares y al dominio exoplasmático de muchas proteínas transmembrana.

Función de la membrana plasmática

La membrana plasmática, tiene un doble papel fisiológico en la célula, por una parte aísla y por lo tanto diferencia el medio interno celular del ambiente exterior pero a su vez media la interacción entre la célula y su entorno al permitir intercambio selectivo de materia y energía e información (diferentes tipos de señales físicas y químicas) entre ambos, intercambio que es necesario para mantener una adecuada homeostasis del medio interno, clave en el mantenimiento de la vida celular. Esta doble función de la membrana plasmática es posible por una parte gracias a la naturaleza aislante que en medio acuoso proporciona la bicapa lipídica y por otra en las funciones de transporte que desempeñan las proteínas embebidas en la membrana. Es la actividad específica transportadora de dichas proteínas la que determina permeabilidad selectiva de las biomembranas y de ese modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana.

La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de unas sustancias pero no de otras. Determina pues qué sustancias entran o salen de la célula. El interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos es una de las razones por las que la membrana es selectivamente permeable.

Así, la bicapa lipídica tiene un papel fisicoquímico dual, pues sirve por una parte como un solvente de las proteínas de la membrana y por otra actúa como una barrera a la permeabilidad. Mientras que las moléculas hidrofóbicas, que son solubles en lípidos (e.g. etanol) pueden pasar fácilmente la membrana, moléculas pequeñas como el oxígeno , dióxido de carbono , Nitrógeno pueden difundir entre los fosfolípidos de membrana, pero moléculas hidrofílicas pequeñas como agua, nutrientes como la glucosa e iones [ , , protones , etc…] no pueden pasar directamente a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática. Estos compuestos deben pasar a través de proteínas de transporte específico situadas en la membrana.

Permeabilidad de una bicapa de fosfolípidos a varias tipos de moléculas

Las proteínas embebidas en la membrana realizan varios tipos de funciones, algunas de las cuales están relacionadas con el mantenimiento de la hemostasia celular (e.g. transporte, enzimas) y otras que son básicas para integrar una célula en un tejido (receptores, funciones de anclaje, de conexión y reconocimiento intercelular).

Diferentes tipos de función adscritas a distintos tipos de proteínas de membrana transmembranales: transporte, de anclaje y conexión, receptores y enzimas. Una misma proteína transmembrana puede más de una función por ejemplo ser un receptor y tener actividad enzimática.

Transporte específico de moléculas hacia el interior o hacia el exterior celular

Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutriente por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.g. potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana necesarios para mantener la vida celular.

Tipos de transporte: pasivo y activo.

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas. Difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración y de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son por ello colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplando a la hidrólisis ATP) al realizarse enana dirección energéticamente desfavorable contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Diferentes tipos de proteínas transportadoras de membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas canales o de canal facilitan la difusión formando poros (e.g porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadoras se unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Se distinguen tres tipos de transportadores, Uniportes, transportan un solo tipo de molécula a favor de gradiente de concentración y proteínas de cotransporte (simportes y antiportes), que catalizan el movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración dirigido por el cotransporte (en la misma dirección o en sentidos opuestos respectivamente) de otra molécula o ión a favor de gradiente. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la unión de un pequeño ligando (e.g. un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico (canales iónicos regulados por voltaje para cationes , , , etc…). Las bombas potenciadas por ATP permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico. Los triángulos señalan los gradientes con la punta indicando hacia la zona de menor concentración o de potencial eléctrico.

Ensamblaje de una membrana

La formación de una bicapa lipídica es un proceso espontáneo en el que fuerzas intermoleculares como interacciones de van der Waals, einteracciones hidrofobicas (mediada por el efecto hidrofóbico) favorecen que las colas de los lípidos se autoasocien y autoensamblenespontáneamente en una bicapa lipídica con las capaces polares orientadas hacia el agua, y las colas hidrofóbicas hacia el interior. Así, cuando los fosfolípidos se “disuelven” en agua forman espontáneamente una micela o una bicapa lipídica en forma de liposomas.

Estructura química de un fosfolípido

Estructura de la fosfatidilcolina unos de los fosfolípidos (fosfoglicerido) más comunes en las membranas biológicas. Estructura química y representación de modelos de bolas de su estructura atómica, que da una idea aproximada de la forma de la molécula.

Ensamblajes de fosfolípidos anfipáticos en soluciones acuosas

Micela

Unidades con forma de cuña (cabeza más grande que la cadena). En las micelas, las cadenas hidrofóbicas de los ácidos grasos están secuestradas en el núcleo de la esfera. No hay agua en el interior hidrofóbico.

Bicapa

Unidades con forma de cilindro (cabeza de igual tamaño que la cadena) . En una bicapa abierta todas las cadenas hidrofóbicas están protegidas del agua, excepto las situadas en los bordes. Representación abreviada típica de la estructura anfipática de los fosfolípidos, con una cabeza polar hidrofílica y una cola apolar hidrofóbica

Liposoma

Estructuras esféricas huecas con una pared en forma de bicapa lipídica y una cavidad interior acuosa

Bicapa lipídica

La imagen muestra los distintos niveles de organización membrana biológica (biomembrana) típica que se ensambla con fosfolípidos (fosfogliceridos,esfingolipidos) y esteroides (principalmente colesterol). Aunque todos los lípidos de membrana tienen su carácter antipático en común (con cabezas polares-hidrofílicas y colas apolares-hidrofóbicas) difieren en su estructura química, abundancia y funciones en las membranas biológicas.

Asimetría en la membrana

La membrana plasmática es una estructura asimétrica. Las dos monocapas que forman la bicapa lipídica, la monocapa o cara externa que mira al medio extracelular y la otra que mira al citosol (el medio interno de la célula), la cara citosólica tienen distinta composición, y distribución de fosofolípidos, así como de colesterol como también en la organización de las proteínas embebidas o asociadas a la membrana.

La cara externa de la membrana plasmática está compuesta principalmente de fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidietalonamina y fosfatidilserina son los fosfolípidos predominantes de la cara interna o citosólica. Otro fosfolípido, el fosfatidilinositol, también se encuentra en la cara interna de la membrana Los oligosacáridos unidos a lípidos (gicolípidos) y a las proteínas integrales de membrana (glicoproteínas) miran siempre hacia el exterior celular.

Todas las biomembranas conocidas muestran una asimetría en la disposición y distribución de los componentes lipídicos y proteicos en ambas monocapas u hojas que componen la bicapa lipídica, la cara citosólica (que mira al citosol) y la cara extracelular (que mira hacia el exterior). Tal asimetría en la distribución confiere distintas propiedades funcionales a las dos caras de la membrana. Esta asimetría es tanto una asimetría lateral como transversal. En la asimetría lateral los lípidos o proteínas de un tipo particular se agrupan en un plano o zona concreto de la membrana, mientras que la asimetría transversal es la que existe a través de la membrana desde el lado exterior al lado citosólico. Los lípidos se distribuyen asimétricamente tanto lateral como transversalmente, su asimetría transversal se observa claramente en la membrana de los eritrocitos (glóbulos rojos) donde la fosfatidilcolina comprende el 30% de los fosfolipidos totales, pero de este porcentaje el 30 % se encuentra en la monocapa exterior y el 70% en la hoja que mira hacia el interior. La asimetría lateral de los lípidos es requerida en formación de ciertas estructuras especializadas de la membrana, por ejemplo para llevar a cabo diferentes mecanismos de endocitosis, y también es importante para el correcto funcionamiento de proteínas integrales de membrana (e.g. canales iónicos).

Por otra parte, las proteínas embebidas integralmente en la membrana tienen una orientación definida asimétrica dentro de la bicapa mostrando una única orientación polarizada debido a que se sintetizan y se insertan en la membrana de una manera asimétrica. Además los restos oligosacáridos de losglicolípidos y las glicoproteínas de la membrana plasmática sólo se orientan hacia el medio extracelular donde participan en los fenómenos dereconocimiento celular.

Entre las propiedades funcionales de la membrana que son una consecuencia de la asimetría de orientación y composición de su componente proteico se incluye el transporte vectorial de membrana, el cual está dirigido en una sola dirección, la unión a receptores situados en la superficie de las células (con su consiguiente efecto fisiológico) de multitud de hormonas (u otras moléculas de señalización química), diversos tipos de procesos de reconocimiento molecular entre células que necesariamente involucra ciertas estructuras de la superficie exterior de las células (e.g. oligosacáridos), y otro largo etcétera de procesos.

Las proteínas integrales de membrana (PIM) tienen diferentes modos de anclarse a la membrana plasmática : a través de uno o varios segmentos -helicoidales hidrofóbicos con distinta orientación topológica [amino N- Carboxilo terminal] (a,b,c). Existen también PIM que se anclas por medio de láminas (e.g. porinas, proteínas con estructura en forma de barril construido de 8 a 22 láminas que forman un poro, presentes en la membrana exterior de las bacterias Gram negativas y en la membrana exterior de las mitocondrias). Por otra parte, existen proteínas que se encuentran ancladas exclusivamente a una de las hojas de la bicapa (monocapa) por un larga cadena lipídica hidrofóbica de diferente composición de ácido graso (e.g. ácido mirístico, ácido palmítico) o de grupos prenilo (d). Otras proteínas se anclan exclusivamente a la monocapa exterior de la memebrana plasmática través de un anclaje de glicosilfosfatidilinositol (un glicolípido abreviadamente GPI), llamadas por ello proteínas GPI (e) .

El colesterol se inserta dentro de la bicapa de fosfolípidos con sus grupos polares hidrófilo (-OH) próximos a las cabezas de los fosfolípidos.

Funciones de la membrana plasmática

La membrana plasmática, tiene un doble papel fisiológico en la célula, por una parte aísla y por lo tanto diferencia el medio interno celular del ambiente exterior pero a su vez media la interacción entre la célula y su entorno exterior al permitir intercambio selectivo de materia y energía e información (diferentes tipos de señales físicas y químicas) entre ambos, intercambio que es necesario para mantener una adecuada homeostasis del medio interno, clave en el mantenimiento de la vida celular. Esta doble función de la membrana plasmática es posible por una parte gracias a la naturaleza aislante que en medio acuoso proporciona la bicapa lipídica hidrofóbica y por otra en las funciones de transporte que desempeñan las proteínas embebidas en la membrana. Es la actividad específica transportadora de dichas proteínas la que determina permeabilidad selectiva de las biomembranas y de ese modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana.

La membrana plasmática es una barrera selectivamente permeable que permite el paso de unas sustancias pero no de otras. Determina pues que sustancias entran o salen de la célula. El interior hidrofóbico de la bicapa de fosfolípidos es una de las razones por las que la membrana es selectivamente permeable. Así, la bicapa lipídica tiene un papel fisicoquímico dual pues sirve por una parte como un solvente de las proteínas de la membrana y por otra actúa como una barrera a la permeabilidad. Mientras que las moléculas hidrofóbicas, que son solubles en lípidos (e.g etanol) pueden pasar fácilmente la membrana, moléculas pequeñas como el oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), Nitrógeno (N2) pueden difundir entre los fosfolípidos de membrana, pero moléculas hidrofílicas pequeñas como agua, nutrientes como la glucosa e iónes [Na+, K+, protones (H+), etc…] no pueden pasar directamente a través de los fosfolípidos de la membrana plasmática. Estos compuestos deben pasar a través de proteínas de transporte específico situadas en la membrana.

Las proteínas embebidas en la membrana realizan varios tipos de funciones algunas de las cuales están relacionadas con el mantenimiento de la hemostasia celular (e.g. transporte, enzimas) y otras que son básicas para integrar una célula en un tejido (receptores, funciones de anclaje, de conexión y reconocimiento intercelular)

Transporte

Transporte específico de moléculas hacia el interior o hacia el exterior celular. Esta función de las proteínas de membrana es de vital importancia para la toma de nutriente por la célula, la salida de productos de desecho de la célula; así como para el mantenimiento de diferentes tipos de gradientes electroquímicos (e.g. potencial de membrana) y de concentración de diferentes moléculas a través de la membrana necesarios para mantener la vida celular.

Diferentes tipos de movimiento de las moléculas a través de las membranas biológicas. Difusión pasiva y la difusión facilitada no requieren el consumo de energía, ya que se realiza a favor de gradiente de concentración o electroquímico; cuando las sustancias están cargadas la dirección y magnitud del flujo de iones a través de una membrana depende tanto de la diferencia de concentración y de la diferencia eléctrica a través de ella, estas dos fuerzas son por ello colectivamente conocidas como gradiente electroquímico. Algunas sustancias entran directamente en la célula a través de difusión pasiva pero muchas sustancias de interés para la célula atraviesan la membrana mediante difusión facilitada. El transporte activo se realiza con consumo de energía (acoplando a la hidrólisis ATP) al realizarse en una dirección energéticamente desfavorable contra un gradiente electroquímico o de concentración.

Proteínas transportadoras de membrana

Se suelen distinguir dos clases de proteínas que intervienen en la difusión facilitada: Las proteínas canales o de canal facilitan la difusión formando poros (e.g porinas) abiertos en la membrana que permiten la libre difusión de cualquier molécula de tamaño y carga apropiados. Las proteínas transportadorasse unen específicamente en un lado de la membrana a las moléculas que van a ser transportadas, sufren entonces un cambio conformacional que permite que la molécula pase a través de la membrana y sea finalmente liberada al otro lado. Se distinguen tres tipos de transportadores, Uniportes, transportan un solo tipo de molécula a favor de gradiente de concentración y proteínas de cotransporte (Simportes y Antiportes), que median el movimiento de una molécula en contra de su gradiente de concentración dirigido por el cotransporte (en la misma dirección o en sentidos opuestos respectivamente) de otra molécula o ión a favor de gradiente. Existen también canales iónicos (que transportan iones, moléculas cargadas) cuya apertura es regulada por la unión de un pequeño ligando (e.g. un neurotransmisor, acetilcolina) o con una apertura regulada por cambios en el voltaje eléctrico (canales iónicos regulados por voltaje para cationes Na+, K+, Ca2+, etc…).

Por otra parte, las bombas potenciadas por ATP o bombas ATPasas como también se las denomina, que permiten a la célula el transporte activo de ciertas moléculas en contra de gradiente de concentración o electroquímico. Se han descrito diferentes tipos de bombas ATPasas que median el transporte activo dependiente de la hidrólisis de ATP. La familia de transportadores de tipo ABC (acrónimo de ATP-binding Cassete en inglés) es una de la más numerosa.

Las células producen y mantienen diferentes tipos de gradientes electroquímicos, que son importantes para diferentes aspectos de la fisiología celular. Lasbombas iónicas, son unas proteínas integrales de membrana responsables de mantener los diferentes gradientes iónicos a través de la membrana plasmática, siendo un buen ejemplo de transporte activo acoplado directamente a hidrólisis de ATP. Por ejemplo, la concentración de cationes Na+ es aproximadamente diez veces superior fuera que dentro de las células, mientras que concentración K+ de es mayor dentro que fuera. La bomba de Na+- K+llamada también ATPasa de Na+- K+ es la responsable del mantenimiento de diferencias de concentración iónica (gradientes) Na+ y K+ a ambos lado de la membrana. La bomba de Na+- K+ utiliza la energía derivada de la hidrólisis de ATP para transportar Na+ y K+ contra sus gradientes electroquímicos. El proceso de transporte es el resultado de una serie de cambios conformacionales de la bomba, dirigidos por el ATP. Por cada tres iones Na+ transportados al exterior por la bomba se transportan dos iónes K+ al interior celular. Este bombeo desigual de iones positivos hace más negativo el interior celular lo que causa una separación de cargas a través de la membrana plasmática contribuyendo a originar el potencial de membrana (con un voltaje eléctrico negativo en la célula) que proporciona una fuerza eléctrica que influencia el movimiento de iones a través de la membrana. El potencial de membrana y gradiente electroquímico de Na+ y K+ mantenido por la ATPasa de Na+ y K+ tiene un papel crítico en la propagación de señales eléctrica en los nervios y músculos, así como en el mantenimiento de un equilibrio osmótico y volumen celular adecuado. Además la energía potencial almacenada en el gradiente de Na+ establecido por la ATPasa de Na+- K+ también se utiliza para el transporte activo de otras moléculas en contra de su gradiente de concentración, (e.g.glucosa), un proceso llamado cotransporte o transporte activo secundario.

A modo de ejemplo, la célula emplea diferentes tipos de transporte (facilitado y activo) y de transportadores: bombas ATPasa de calcio, canales iónicos, cotransportadores (antiporter) para controlar la concentración del ión Ca2+ entre diferentes compartimentos interiores de la célula y el exterior celular.

.- Enzimas que catalizan reacciones químicas asociadas a la membrana plasmática La ATPasa de Na+- K+ es un ejemplo de proteínas que además de tener una función transportadora son también una enzima (hidroliza ATP). Multitud de proteínas asociadas y embebidas en las membrana plasmática tiene actividad enzimática.

Señalización molecular

Ciertas proteínas integrales de membrana sirven también como receptores para recibir y transducir señales químicas o físicas del ambiente externo al interior celular. Permiten por ello la comunicación de la célula con su entorno exterior.

Proteínas receptores de membrana sirven para sentir estímulos externos (generalmente una pequeña moléculas señalizadora, e.g. hormona o un estímulo físico, luz por ejemplo) y poner en marcha una cascada de señalización interna que conduce a la generación finalmente una respuesta fisiológica adecuada. En muchos casos los receptores tienen también actividad enzimática.

Por ejemplo, el receptor de insulina, una hormona péptidica que controla los niveles de glucosa en sangre es una proteína integral de membrana que tiene también actividad enzimática (quinasa).

Unión intercelular. Las proteínas de membranas adyacentes pueden actuar como puentes de unión entre células. Permiten la comunicación intercelular. Lasuniones comunicantes (gap junctions en inglés) un ejemplo de estructuras para la comunicación intercelular construidas con proteínas integrales de membrana llamadas conexinas.

Reconocimiento célula-célula

Los oligosacáridos que se encuentra unidos covalentemente a glicoproteínas y glicolípidos de la membrana plasmática se dirigen hacia el espacio extracelular formando el glicocalix, una especie de manto de carbohidratos que recubre la superficie celular. El glicocalix sirve para proteger la superficie celular de diferentes tipos de agresiones mecánica y químicas, además de estar implicado en diferentes tipos de interacción célula-célula al servir como puntos de reconocimiento (marcadores) de la superficie celular que son identificados por receptores específicos encontrados en otras células (reconocimiento intercelular). Por ejemplo los grupos sanguíneos humanos A, B, AB y O reflejan variaciones en la estructura de los oligosacáridos unidos a proteínas o lípidos en la superficie de los eritrocitos o glóbulos rojos.

Los distintos grupos sanguíneos humanos son una consecuencia de la diferente estructura de los oligosacarídos unidos covalentemente a lípidos y proteínas de la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos. Los glóbulos blancos (leucocitos,e.g neutrófilos, macrófagos) son capaces de adherirse a las células endoteliales gracias a los restos de oligosacarios que expone en su superficie y que son reconocidos por receptores específicos (selectinas) de la superficie de las células endoteliales.

.- Proteínas receptoras, forman enlaces estructurales entre las proteínas del citoesqueleto celular y la matriz extracelular. De importancia fundamental en la construcción de tejidos y en el movimiento celular.

Por ejemplo, en las estructura celulares de adhesión denominadas contacto focales, las células se adhieren a un sustrato(e.g. matriz extracelular), las proteínas integrales de membranaintegrinas, (un heterodimero de alfa y beta subunidades) constituyen el principal receptor para la interacción entre proteínas del citoesqueleto (en el citoplasma de la célula) y las proteínas de la matriz extracelular.

Referencias


1. The Fluid Mosaic Model of Biological Membranes, por William C. Wimley, profesor de Bioquímica en la Universidad de Tulane en Nueva Orleans, Estados Unidos. (Consultado por última vez el 10-11-2008)