MEMBRANAS CELULARES Y ENDOMEMBRANAS
LÍPIDOS DE LAS MEMBRANAS Las membranas tienen 3 tipos de lípidos: fosfolípidos, esfingolípidos y esteroles FOSFOLÍPIDOS: llamados también glicerofosfolípidos, se caracterizan por tener: • un esqueleto de glicerol • dos ácidos grasos esterificados a los carbono-1 y carbono-2 del glicerol • una cabeza fosforilada unida al carbono-3 del glicerol el fosfolípido más simple es el fosfatidato que tiene un drupo fosfórico unicamente en el carbono-3. Sin embargo, la mayoría de los fosfolípidos son derivados de éste, en los cuáles el grupo fosfato se ha esterificado al grupo OH- de diversos alcoholes tales como : colina, etanolamina, inositol, serina. El fosfatidato está en pequeñas cantidades en las membranas. Los fosfolípidos más importantes son: PC, PE, PG, PI y PS. En las membrana interna de las mitocondrias también abunda el difosfatidilglicerol (cardiolipina)
ESFINGOLÍPIDOS, dónde el más común es la esfingomielina que abundan en la vaina de mielina que rodea las células nerviosas • un esqueleto de esfingosina •una cabeza fosforilada unida a colina o etanolamina •un ácido graso ligado por una amida
También hay glicoesfingolípidos derivados de la esfingosina pero que en vez de un grupo fosforilado tienen uno o más azucares. • galactocerebrósidos, en que el azúcar es una galactosa, que son encontrados en las membranas de las neuronas del cerebro • gangliósidos, en que hay varios tipos de azucares y siempre un ácido sialico, siedo abunadantes en las membranas plasmáticas de la mayoría de los mamíferos, particularmente en el cerebro.
ESTEROLES • en las membranas de los animales es un constituyente importante el colesterol. Forma un sistema de anillo fusionado que da rigidez a las nmembranas. •También el colesterol es el precursor metabólico de las membranas esteroides (progestagenos, andrógenos, estrogenos, glucocorticoides, mineralocorticoides) • las membranas de las plantas tienen otros tipos de esteroles: estigmaesterol y ßsitosterol que difieren poco del colesterol, son los más importantes. ÁCIDOS GRASOS Los ácidos grasos de las membranas tienen largas cadenas de carbono, > 16 C, sin ramificaciones. • las cadenas pueden ser saturadas, monoinsaturadas y poliinsaturadas, tanto en fosfolípidos como en esfingolípidos • las dos cadenas de los fosfolípidos pueden ser iguales o diferentes • algunos ácidos grasos son esenciales para los animales
La fuerza más importante que lleva a la formación espontánea de las bicapas lipídicas es el efecto hidrofóbicolas cadenas de ácidos grasos evitan entrar en contacto con las moléculas de agua.
Una vez que se forma la bicapa lipídica se mantiene unida por uniones no-covalentes tales como: •interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals entre cadenas de hidrocarbonos •interacciones de carga y puentes de hidrógeno entre las cabezas polares y el agua del medio
La membrana tiene una estructura de mosaico fluido en la que las proteinas anfipáticas están suspendidas en los lípidos, los cuáles actúan como solventes y barrera de permeabilidad. Las proteinas pueden difundir lateralmente en su plano y están restringidas para moverse transversalmente. Los lípidos interactuan con las proteinas lo que es esencial para el normal funcionamiento de éstas.
Las proteinas son libres de difundir lateralmente en la membrana, este movimiento disminuye si se baja la temperatura.
Modelo eritrocito glucoforina A: proteina de 131 aa, la primera en ser secuenciada observandose: 1. región N-terminal exoplásmica con sitios de glucosilación 2. región hidrofóbica central 3. región C-terminal polar citosólica
Proteinas de múltiple hélices transmembranas: modelo bacteriorodopsina: proteina de 7 hélices que atraviesan la membrana en algunas bacterias fotosintéticas. Las moléculas se unen por sus terminales citosólico y extracelular que son péptidos cortos y polares a otras moleculas de rodopsina
Carbohidratos de membrana: • están asociados a la lámina extracelular • tienen un rol protector de la membrana plasmática • tienen un rol en el reconocimiento entre células • mantienen la asimetría de la membrana • solo se encuentran en la membrana plasmática de eucariontes proteinas integrales ancladas a lípidos • en eucariontes existen proteinas integrales que no atraviesan la membrana pero que se ligan a lípidos de la bicapa a través de enlaces covalentes
las proteinas integrales que interactuan con las proteinas del citoesqueleto no son libres para moverse en la membrana
TRANSPORTE DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS Una bicapa de fosfolípidos pura es: • permeable al agua, a gases, y a pequeñas moléculas polares sin carga como urea, etanol • impermeable a grandes moléculas sin carga (glucosa), iones (Na+, K+, Ca2+, Cl-) y moléculas polares cargadas (aa, ATP, glucosa-6-P)
TRANSPORTE PASIVO: no requiere de energía metabólica. La tasa de difusión es proporcional al gradiente de concentración a través de la mebrana. Hay dos tipos difusión simple y difusión facilitada. • difusión simple: es un proceso no saturable que depende del gradientes de concentración, no es específico. La molécula disuelta en medio acuoso es capaz de disolverse en la bicapa lipídica atravesándola Ej: H2O, O2, CO2, otros gases, etanol, urea • difusión facilitada: es un proceso saturable, es afectado por la temperatura, pH, e inhibidores. Requiere de una proteina integral específica que liga a la molécula en uno de los lados de la membrana, cambia de conformación y transporta ala molécula a través de la membrana dejándola al otro lado. Ej: glucosa, aminoácidos, otros azúcares. La dirección en que ocurre el transporte depende del gradiente de concentración, la proteina se llama “carrier” La porina es una proteina con un canal al centro por el que pueden atravesar iones cuando se encuentra abierto. Esta difusión facilitada es fundamental en la transmisión de señales eléctricas en el sistema nervioso
TRANSPORTE ACTIVO: requiere de energía metabólica. Esta puede ser generada directamente por acoplamiento a la hidrólisis de ATP o obtenerse por acoplamiento al movimiento de iones en un gradiente de concentración
transporte conducido por ATP: El movimiento de Na+, K+, Ca2+ y H+ y otras moléculas está acoplada a la hidrólisis de ATP. Es decir no hay transporte a menos que el ATP se hidrolice y no hay ATP hidrolizado si no hay transporte de Na+o K+, u otro
tranporte conducido por iones: El movimiento de la molécula para ser transportado a través de la membrana está acoplado al movimiento de un ión, generalmente Na+ o H+. La energía del movimiento de la molécula a través de la membrana contra su gradiente de concentración viene del movimiento del ión a favor de su gradiente de concentración. Si la molécula y el ión se mueven en la misma dirección se llama simporta y si se mueven en direcciones opuestas es antiporta.
TRANSPORTE DE MACROMOLÉCULAS Las macromoléculas atraviesan la membrana a través de procesos de exocitosis y endocitosis. EXOCITOSIS es la secreción de proteinas fuera de la célula, atravesando la membrana celular.Las proteinas destinadas a ser secretadas son traducidas en los ribosomas unidos al RER. Las vesículas conteniendo las proteinas son expulsadas desde el RER, migran a través del citosol, se fusionan al aparato de Golgi. Durante este proceso sufren cambios posttraduccion. En el Golgi son empacadas en vesículas que pueden o no contener señales de objetivos específicos.
Si no hay una señal especial, por defecto la vesícula migrará a la membrana citoplasmática y será secretada en una vía secretoria constitutiva. Si la vesícula es empacada con una cubierta de clatrina, esta se disociará durante la migración por el citoplasma y la vesícula se mantendrá en el citosol hasta que se le señale que debe liberar su contenido fuera de la célula. Este mecanismo es la vía secretoria regulada y es típica de las células secretoras como las del páncreas.
ENDOCITOSIS: es la obtención de moléculas extracelulares a través de la membrana plasmática. Dependiendo del tipo de receptores envueltos y de la macromolécula ingerida se distinguen tres tipos: fagocitosis, pinocitosis, y endocitosis mediada por receptor. Fagocitosis es la la ingestión de grandes partículas a través de grandes vesículas endocíticas llamadas fagosomas. La partícula a ingerir debe ligarse a la superficie del fagocito, generalmente a través de receptores especializados. Una vez ligado al receptor, el fagocito es estimulado a encerrar a la partícula con su membrana citoplasmática. Pinocitosis, a diferencia de la fagocitosis, es un fenómeno constitutivo que ocurre continuamente en todas las células eucariontes. Pequeñas areas de la membrana plasmática son ingeridas en la forma de vesículas pinociticas. En una región de la membrana se forma una depresión cubierta de clatrina, formandose una vesicula endocitica cubierta con clatrina (endosoma) que es luego endocitada, la clatrina se disocia y el endosoma se fusiona con el lisosoma
Endocitosis mediada por receptor, es la obtención selectiva de macromoléculas desde el fluido extracelular a través de depresiones y vesículas cubiertas de clatrina. Tienen lugar en la mayoría de las células animales, requiere de una receptor específico en la superficie de la membrana. Una vez formado el complejo receptor-macromolécula se forma una depresión cubierta por clatrina que es endocitada como una vesícula cubierta. Permite concentrar macromoléculas que están en baja concentración en el fluido extracelular.
Clatrina es una proteina altamente conservada a través de la evolución. Su presencia dirige la invaginación de la membrana en ese punto.
ENVÍO Y RECEPCIÓN DE SEÑALES CELULARES Las células se comunican unas con otras en los organismos multicelulares. Ello permite coordinar el crecimiento y metabolismo de los organismos. la principal forma en la cuál las células se comunican entre ellas es usando moléculas de señalización extracelular u hormonas. La hormona es secretada por una célula señalizante y luego se liga a un receptor en una célula objetivo, iniciando una respuesta en esta célula. Diferentes células pueden responder de manera diferente a estas señales dependiendo del tipo de receptor y de las reacciones intracelulares que se inician. Hay tres tipos de células: • endocrinas, la hormona actúa en un sitio distante del que fué secretada (Ej: células del páncreas) • paracrinas, la hormona actúa en un sitio vecino al que fué secretada (Ej: células nerviosas) • autocrinas, la hormona actúa en la misma célula en la que fué secretada
De acuerdo al tipo de solubilidad y localización del receptor celular, las hormonas pueden ser: • lipofílicas con receptores intracelulares: hormonas esteroides derivadas del colesterol, tirosina, etc. • lipofílicas con receptores en la superficie celular: prostaglandinas derivadas del ácido araquidónico y del eicosapentanoico • hidrofílicas con receptores en la superficie celular: a) hormonas peptídicas (Ej: insulina, glucagón), b) aminas biogénicas (Ej: epinefrina, histamina) Segundos mensajeros: La unión de los receptores celulares con la hormona (primer mensajero) lleva a la producción de moléculas intracelulares de señalización (segundos mensajeros), La elevación de la concentración de estos segundos mensajeros produce una rápida alteración de la función celular.
Además de la comunicación mediada por señales, en los organismos pluricelulares también hay comunicación directa entre las células a través de pequeños canales de 2nm de diámetro rodeados de una estructura ordenada de proteinas. •en tejidos animales estas estructuras se llaman uniones nexus o conexones, son poros poco selectivos por los que puede pasar cualquier molécula que tenga el tamaño apropiado. Sirven para enviar moléculas mensajeras y iones,
Ej: la contracción de las células musculares del corazón están sincronizadas por el flujo de iones Na+ a través de estas uniones.
en tejidos vegetales estos canales son llamados plasmodesmos y se extienden a través de paredes celulares adyacentes.
La membrana celular es un continuo a través de los plasmodesmos, el citosol de células adyacentes se conecta y a través del anillo de citosol también pasa una extensión del retículo endoplásmico denominada desmotúbulo.
En tejidos animales, alrededor de la mayoría de las células hay una mezcla de proteinas fibrosas y polisacáridos formando una matriz vicosa y llena de agua llamada matriz extracelular. Las proteinas de la membrana plasmática anclan las células a muchos de los componentes de la matriz, lo que aumenta la fuerza y la rigidez de muchos tejidos.