Membrana Celular

Universidad de San Martín de Porres Facultad de Medicina Humana

Biología Celular y Molecular

Membrana Celular Transporte Hélmer H. Lezama, MSc. H. Lezama

1

Perspectiva histórica. 2. Composición, estructura y función. 3. Transporte. 1.

H. Lezama

2

Perspectiva histórica H. Lezama

3



Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) 





Robert Hooke (1635-1703) 

Descubre bacterias, protistas, espermatozoides, glóbulos rojos, etc. 1676: primera observación de una bacteria por el hombre.

1665: descubre la célula: “celdas” H. Lezama

4



Mediados del s. XIX:  



Se logra ver la pared celular. Consideraron que todas las células tenían pared celular.  1860s: Leydig, de Bary y No se veía la Schultz: membrana.  Las paredes celulares no son esenciales para todas las células.  Células “sin piel”. 

Teoría: Protoplasma es insoluble en agua y por lo tanto las células no requieren “piel”.

H. Lezama

5



Hugo de Vries (1848-1935). 



Nathanael Pringsheim (1823-1894). 

En 1854, nota que las células epidérmicas de las plantas se alejaban de la pared celular cuando eran expuestas a soluciones hipertónicas. H. Lezama



En 1884, señala que la membrana es responsable del comportamiento osmótico de las plantas. Plantea: la membrana debe ser el límite del tonoplástido.

6



Ernest Overton (1895-1899). 



Walther Hermann Nernst (1864-1941).  





Premio Nobel de Química 1920 En 1888: Teoría de los potenciales eléctricos basada en la difusión de iones en soluciones. Fundamento del modelo de flujo de iones a través de membranas biológicas en electrofisiología. H. Lezama

Existe una diferencia entre la pared celular y la membrana de la célula. La membrana está compuesta por lípidos: (colesterol, ésteres de colesterol, lecitina y triglicéridos).





Intercambio de Na+ externos por K+ internos. Propone un transporte activo (cuesta arriba) que requiere energía metabólica. 7



En 1925: Gorter E. y Grendel F. 



Irving Langmuir (1881-1957). 



1932, Premio Nobel de Química. Descubrió las películas monomoleculares de lípidos con la orientación molecular específica en las superficies.



A partir de experiencias con lípidos extraídos de glóbulos rojos hemolizados sobre una superficie acuosa. Proponen como estructura de la membrana una doble

capa de lípidos. H. Lezama

8



En 1935, Danielli y Davson. 





Estudiaron bicapas lipídicas de triglicéridos sobre una superficie de agua. Ellos encontraron un arreglo de las cabezas polares hacia el exterior. Proponen una bicapa

lipídica que excluye a las proteínas transmembrana. H. Lezama

9

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10



En 1952, G. Palade. 

Observa con microscopía electrónica membranas de mitocondrias. H. Lezama

11



En 1959, J. D. Robertson.  

Emplea M.E. Muestra una membrana de tres capas:  



  

Dos capas externas oscuras: proteínas. Una capa central clara: cadenas hidrocarbonadas de lípidos.

Todas las membranas examinadas mostraban la misma estructura. No observa espacios para poros. “Modelo de la unidad de membrana”. Visión simplificada. H. Lezama

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Espacio Intercelular

Membrana celular

Membrana celular

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

En 1966, Lenard y Singer: 



Notan que más del 30% de las proteínas de membrana tienen una estructura secundaria en alfa hélice: Proteínas más esféricas.

¿Cómo las proteínas no plegadas exponían sus regiones no polares (aminoácidos hidrofóbicos) en un medio acuoso?. 

Singer estudió bicapas fosfolipídicas por criofractura y encontró que podían formar superficies aplanadas sobre agua y no requerían una cubierta proteica.

H. Lezama

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S. J. Singer y C. L. Nicolson, 1972 Modelo de mosaico fluido 1.

2.

3.

Los lípidos y proteínas integrales están dispuestos en una especie de organización en mosaico. Las membranas biológicas son estructuras casi fluidas, donde los lípidos y proteínas integrales pueden movilizarse. Los componentes son mantenidos en sus lugares mediante interacción no covalente. Singer, S.J, and Nicolson C.L. (1972) Science, 175:720 H. Lezama

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M.E. Técnica de criofractura

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Glicolípido

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Composición, estructura y función.

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Membrana celular 

Todas las células tienen membrana celular.



Determina el límite entre la célula y el medio externo.



Es una barrera selectiva para moléculas, determinando la composición del citoplasma.

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



Se dedujo la estructura de la membrana a partir de las imágenes de microscopía electrónica y análisis de composición. Las membranas celulares constituyen un complejo lipoproteico. H. Lezama

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Membrana plasmática

5 a 10 m

Extracelular

El espesor es semejante en células procariotas y eucariotas

Citoplasma

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



Las células están separadas del ambiente externo por una estructura denominada MEMBRANA CELULAR. Tiene 5 a 10 m de espesor. 



1  m = 0.000000001 m = 10-9 m

Sinonimia: MEMBRANA PLASMATICA. H. Lezama

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La célula eucariote tiene un sistema de endomembranas

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Membrana celular

Composición, estructura y función 

Las membranas son vitales:  



Separan a la célula del medio exterior. Separan compartimentos dentro de la célula para proteger importantes eventos y procesos en las diferentes regiones y organelas de la célula.

La estructura es común para todas las membranas celulares.

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Membrana celular

Composición, estructura y función 

La membrana plasmática, está compuesta por:  Proteínas  Lípidos  Carbohidratos

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Membrana celular

Lípidos de membrana



Los lípidos de membrana son: 1. 2. 3.

Fosfolípidos Glicolípidos. Colesterol

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Membrana celular

Lípidos de membrana





Los fosfolípidos de membrana son:  Fosfatidilcolina  Fosfatidiletanolamina  Fosfatidilserina  Fosfatidilinositol  Esfingomielinas



Los principales glicolípidos son:  Cerebrósidos.  Gangliósidos.

Los lípidos de membrana son: 2.

Fosfolípidos Glicolípidos.

3.

Colesterol

1.

H. Lezama

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Composición de los lípidos de algunas membranas biológicas Lípido Acido fosfatídico Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilglicerol Fosfatidilserina Cardiolipina Esfingomielina Glucolípidos Colesterol

Eritrocito humano

Milelina humana

Mitocondrias de corazón de ternera

E. Coli

1,5 19 18 0 8,5 17,5 10 25

0,5 10 20 0 8,5 8,5 26 26

39 27 0 0,5 22,5 3

65 18 0 12 -

Los valores expresados son porcentajes en peso de los lípidos totales. Fuente: C. Tanford, The Hydrophobic Effect, p. 109, Wiley, 1980. H. Lezama

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Membrana celular

Distribución asimétrica de los componentes de membrana 



La bicapa de lípidos consta de dos hojas distintas. La capa externa consta de: 

Una concentración desproporcionadamente alta de fosfatidilcolina ( y de esfingomielina).



Una baja concentración de

fosfatidiletanolamina y de fosfatidilserina. H. Lezama

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Membrana celular

Distribución asimétrica de los componentes de membrana 

La bicapa de lípidos en realidad es una estructura compuesta de dos monocapas:   

Independientes. Más o menos estables. Con diferentes propiedades físicas y químicas. H. Lezama

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Membrana celular

Distribución asimétrica de los componentes de membrana

SM: Esfigomielina, PC: Fosfatidilcolina, PS: Fosfatidilserina, PE: Fosfatidiletanolamina, 36 H. Lezama PI: Fosfatidilinositol, Cl: colesterol

1. Las membranas lipídicas son sintetizadas en el

retículo endoplásmico liso. 2. Mediante fusión de vesiculas se incorporan componentes a la membrana. 3. Con la formación de nuevas vesículas se pierde material de membrana.

H. Lezama

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Membrana celular

Distribución asimétrica de los componentes de membrana LUMEN R.E.



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Los TRANSLOCADORES (“Flipasas”) mueven los lípidos sintetizados hacia el LADO LUMINAL de la BICAPA LIPIDICA (movimientos FLIP FLOP).

38

La composición lipídica de la membrana es asimétrica por los movimientos de “flip flop”.

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Fluidez de la membrana 







Los lípidos y proteínas tiene libertad de movimiento lateral en la bicapa. El movimiento de una bicapa a otra es muy limitado. Los lípidos son fluidos a temperatura corporal. Los ácidos grasos no saturados tiene un punto de fusión inferior a los ácidos grasos saturados. H. Lezama

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Fluidez de la membrana

 El

colesterol:

Tiende a aumentar la fluidez.  Evita temperaturas de transición bruscas.  Incrementa la estabilidad y disminuye la permeabilidad de la membrana. 

H. Lezama

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Membrana celular

PROTEINAS DE MEMBRANA 

 

Según el tipo de célula y organela una membrana puede contener desde 12 a más de 50 proteínas diferentes. No están dispuestas al azar. Se localizan y orientan en posiciones particulares respecto a la bicapa.

H. Lezama

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Las hélices alfa constituyen dominios transmembrana. H. Lezama

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Carbohidratos de membrana 





Unidos a proteínas o lípidos mediante enlaces covalentes. Cumplen un rol importante como receptores. Sirven de barrera de protección (Ej. Lisosomas, glicocálix de los enterocitos).

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Grupo sanguíneo ABO:

Son glicolípidos de membrana los que hacen la diferencia.

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Funciones de la membrana celular:   

Compartimentalización. Barreras selectivas permeables. Transporte de solutos   

Difusión simple. Difusión facilitada. Transporte activo.

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Funciones de la membrana celular: 



 

Respuesta a señales externas: transducción de señales. Interacción celular. Sitios para actividades bioquímicas. Transducción de energía.

H. Lezama

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Transporte celular: 1.

Transporte pasivo: ósmosis, difusión simple y difusión facilitada.

2.

Transporte activo: bomba iónica, endocitosis y exocitosis.

3.

Fagocitosis y pinocitosis.

H. Lezama

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Transporte pasivo: ósmosis, difusión simple y difusión facilitada. H. Lezama

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En la difusión simple: No interviene ninguna proteína transportadora.  La dirección del transporte es a favor de la gradiente de concentración.  Es un proceso no selectivo.  No se utiliza energía del ATP. 

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Difusión simple Pequeñas moléculas hidrofóbicas:

O2

CO2

N2 benceno

Pequeñas moléculas polares no cargadas:

H 2O

etanol H. Lezama

glicerol

55

Difusión facilitada

H. Lezama

56

Difusión facilitada 

 

La dirección del transporte es a favor de la gradiente electroquímica. No utiliza energía del ATP. Interviene una proteína de membrana: 1. 2.



Proteína transportadora (carriers). Proteína canal: canales iónicos, aquaporinas, porinas.

Es un proceso selectivo.

H. Lezama

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Moléculas pequeñas hidrofóbicas

Moléculas pequeñas polares no cargadas Moléculas grandes polares no cargadas

Requieren proteínas transportadoras

Iones

Bicapa lipídica sintética H. Lezama

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 El

agua y la urea que pueden difundir a través de las bicapas fosfolipídicas puras aceleran su transporte mediante proteínas transportadoras.

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Cotransporte

Líquido extracelular

Citosol

Uniporte

Simporte

Antiporte

Transporte acoplado

Transportadores (carriers) H. Lezama

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Difusión facilitada

2.Proteína canal • Canales iónicos • Aquaporinas • Porinas

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Difusión facilitada

Proteínas canal CANALES IONICOS

El transporte es extremadamente rápido.







Más de un millón de iones por segundo puede fluir a través de ellos (107-108 iones/sg). Es una velocidad de flujo aproximadamente 1000 veces mayor que una proteína transportadora (carrier). H. Lezama

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Difusión facilitada

Proteínas canal CANALES IONICOS 







Son altamente selectivos debido al estrecho poro del canal que restringe el paso sólo a iones de carga y tamaño específico. Se abren en respuesta a estímulos específicos. No se encuentran permanentemente abiertos. No utilizan energía del ATP. H. Lezama

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Difusión facilitada

Proteínas canal CANALES IONICOS REGULADOS POR LIGANDO:

1. 

Se abren en respuesta a la unión con neurotransmisores u otras moléculas señal.

REGULADOS POR VOLTAJE (Voltaje-gated ion channel):

2. 

Se abren en respuesta a variaciones en el potencial eléctrico a través de la membrana celular.

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Transporte activo: bombas iónicas. endocitosis. exocitosis.

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TRANSPORTE ACTIVO 1. El flujo neto de las moléculas por difusión facilitada, por proteínas transportadoras y canales iónicos siempre es energéticamente favorable al gradiente electroquímico. 2. La célula requiere transportar moléculas contra gradiente para mantener su medio interno. 3. Utiliza la energía liberada por hidrólisis del ATP acoplada a BOMBAS IONICAS. H. Lezama

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TRANSPORTE ACTIVO

Bombas iónicas 

ATPasa de Na+/K+ 



ATPasa de Ca++   



Membrana celular. Membrana del retículo sarcoplásmático (músculo). Membrana del retículo endoplásmático liso. Membrana celular.

ATPasa de H+ 

 

Membrana lisosomal. Endosomas. Vacuolas vegetales.

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TRANSPORTE ACTIVO Endocitosis. 







El material que se va a introducir es rodeado por una porción de membrana plasmática. Esta porción luego se invagina para formar una vesícula que contiene el material ingerido. Participa el citoesqueleto de la célula. Hay gasto de ATP.

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TRANSPORTE ACTIVO

Endocitosis- tipos: 1.

2. 3.

Fagocitosis Pinocitosis Endocitosis mediada por receptor

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Fagocitosis

Pinocitosis

Endocitosis mediada por receptor

Rizo Hoyo cubierto por clatrina

Fagosoma

Macropinosoma

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Receptosoma

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TRANSPORTE ACTIVO

Endocitosis 

Pinocitosis: 





Las células pueden ingresar fluidos mediante este mecanismo. Se forma una proyección de la membrana conocida como “rizo” incorporando un volumen de líquido extracelular. La proyección de membrana se fusiona con la membrana celular. H. Lezama

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TRANSPORTE ACTIVO

Endocitosis. 

Pinocitosis:   

Se forma la vesícula pinocítica. Diámetro 0,15 - 5,0 m. Es un proceso común entre las células eucariotes.

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TRANSPORTE ACTIVO

Endocitosis Mediada por receptor

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TRANSPORTE ACTIVO

Exocitosis  

   

Mecanismo opuesto a la endocitosis. Una vesícula exocítica se fusiona con la membrana celular. Se libera el contenido al extracelular. La membrana de la vesícula es incorporada a la membrana celular. Participa en este proceso el citoesqueleto. Se requiere energía del ATP. H. Lezama

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TRANSPORTE ACTIVO

Transcitosis: Una molécula puede ser transportada a través de una célula sin sufrir mayores modificaciones y liberada al extracelular.

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Transporte a través de membrana celular H. Lezama

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