Membrana celular amanzo_2011 (pp_tminimizer)

Membrana celular

1. Biología Celular y Molecular Membrana Celular César Amanzo López

2. Temario Membrana celular: Composición Estructura Función Transporte pasivo: Difusión simple Ósmosis Difusión facilitada Transporte activo USMP-BCM Amanzo 2 Membrana Celular

3. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 3 Las células están separadas del exterior por una estructura denominada MEMBRANA CELULAR.

4. Membrana celular Es decisiva para la vida de la célula. Es una barrera selectiva para átomos, iones y moléculas, determinando la composición celular. Todas las células tienen membranas. Las membran a s celulares constituyen un complejo lipoproteico . USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 4

5. La estructura de la membrana celular se logró deducir a partir de las imágenes de microscopía electrónica y el análisis de su composición. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 5

6. 5 a 10 m Membrana plasmática Citoplasma Extracelular El espesor es semejante en células procariotas y eucariotas USMP-BCM Amanzo 6 Membrana Celular 1 m = 0.000000001 m = 10 -9 m

7. USMP-BCM Amanzo 7 Membrana Celular La membrana plasmática, está compuesta por: Proteínas Lípidos Carbohidratos Hacia ambos lados de la membrana se encuentran moléculas de agua: La membrana expone sus regiones hidrosolubles. La bicapa fosfolipídica es la estructura base de la membrana celular

8. Lípidos de membrana Los lípidos constituyen  aproximadamente el 50 % del peso de las membranas , con unos 5 millones de moléculas por µm 2 . Las membranas celulares de una célula eucariota contienen más de mil tipos de lípidos que aparecen en distinta proporción según el tipo de membrana que estemos considerando. Aproximadamente el 5 % de los genes de una célula están dedicados a producir sus lípidos. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 8

9. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 9 Bicapa lipídica Fosfolípidos Glicolípidos Esteroles Glicerofosfolípidos Esfingolípidos Colesterol Lípidos de membrana

10. Membrana celular Lípidos de membrana La mayor de parte de lípidos de membrana contienen un grupo fosfato, excepto: colesterol y glucolípidos ( cerebrósidos y gangliósidos ) Debido a que la mayor parte de fosfolípidos poseen un esqueleto de glicerol, se les denomina fosfoglicéridos . USMP-BCM Amanzo 10 Membrana Celular

11. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 11

12. La bicapa de lípidos en realidad es una estructura compuesta de dos monocapas : Independientes. Más o menos estables. Con diferentes propiedades físicas y químicas. USMP-BCM Amanzo 12 Membrana Celular

13. La bicapa de lípidos consta de dos hojas distintas. La monocapa extracelular consta de: Una concentración desproporcionadamente alta de fosfatidilcolina ( y de esfingomielina ). Una baja concentración de fosfatidiletanolamina y de fosfatidilserina . USMP-BCM Amanzo 13 Membrana Celular Distribución asimétrica de los lípidos de membrana

14. Las membranas lipídicas son sintetizadas en el retículo endoplásmico liso , en la monocapa citosólica Las membranas formadas se incorporan a la membrana plasmática mediante fusión ( exocitosis ). Con la formación de nuevas vesículas ( endocitosis ) se pierde material de membrana. USMP-BCM Amanzo 14 Membrana Celular

15. Los fosfolípidos de membrana tienen movimientos: Laterales: en la misma monocapa (1x10 -6 seg ). Rotación. Movimientos de flexión de las cadenas laterales (1x10 -9 seg ). Movimiento “ Flip flop ” (1x10 -5 seg ). USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 15 Lúmen R.E .

16. Los TRANSLOCADORES (“ Flipasas ”) mueven los lípidos sintetizados desde la monocapa citosólica hacia la monocapa luminal del retículo Endoplásmico Liso. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 16 Movimiento “ Flip flop ”

17. La composición lipídica de la membrana es asimétrica por los movimientos de “ flip flop ”. Los movimientos de “ flip flop ” ocurren menos de una vez/mes para cualquier molécula individual; excepto : colesterol. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 17

18. Distribución asimétrica de los lípidos de membrana USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 18 SM: Esfigomielina , PC : Fosfatidilcolina , PS : Fosfatidilserina , PE : Fosfatidiletanolamina , PI : Fosfatidilinositol , Cl : colesterol

19. Composición de los lípidos de algunas membranas biológicas Lípido Eritrocito humano Milelina humana Mitocondrias de corazón de ternera E. Coli Acido fosfatídico Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilglicerol Fosfatidilserina Cardiolipina Esfingomielina Glucolípidos Colesterol 1,5 19 18 8,5 - 17,5 10 25 0,5 10 20 8,5 - 8,5 26 26 - 39 27 0,5 22,5 - - 3 - - 65 18 12 - - - USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 19 Los valores expresados son porcentajes en peso de los lípidos totales. Fuente: C. Tanford , The Hydrophobic Effect , p. 109, Wiley , 1980.

20. Balsas de lípidos o " lipid rafts " Las interacciones moleculares entre ciertos lípidos producen la segregación de dominios espaciales y funcionales en áreas restringidas de la membrana que afectan también a la localización de las proteínas y a sus funciones. Los esfingolípidos son más abundantes en las membranas plasmáticas que en las de las organelas y junto con el colesterol , condicionan la segregación de la membrana en dominios moleculares (balsas de lípidos). USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 20

21. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 21

22. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 22 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.

23. Existen lípidos insaturados en cantidad suficiente en las membranas para mantener el punto de fusión de la bicapa lipídica por debajo de la temperatura corporal: Temperatura de transición . El doble enlace cis incrementa la fluidez de la membrana USMP-BCM Amanzo 23 Membrana Celular Fluidez de la membrana

24. Fluidez de la membrana El colesterol: Da rigidez a la membrana. Tiende a aumentar la fluidez cuando disminuye la temperatura. Evita temperaturas de transición bruscas. Incrementa la estabilidad y disminuye la permeabilidad de la membrana. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 24

25. Estructura en mosaico fluido La bicapa lipídica es la matriz en la cual las moléculas proteicas son como islas. Esta estructura recibe el nombre de mosaico fluido, pues la matriz posee baja viscosidad y las proteínas pueden ser consideradas semejantes a trozos de piedras dispersos en un mosaico. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 25

26. Estructura en mosaico fluido Proteínas intrínsecas o integrales : Las proteínas se encuentran más o menos inmersas en la matriz lipídica . Proteínas extrínsecas o periféricas : Las proteínas se encuentran apoyadas sobre las cabezas de los fosfolípidos [son mantenidas por interacciones electrostáticas], a ambos lados de la membrana. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 26

27. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 27

28. Estructura en mosaico fluido La posición que ocupa una proteína determinada en la matriz depende siempre de interacciones de los grupos laterales de ciertos restos de aminoácidos con las moléculas lipídicas . USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 28

29. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 29

30. Proteínas 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 . USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 30

31. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 31

32. Primaria : secuencia de aminoácidos. Secundaria : hélice , Lámina  Terciaria : conformación tridimensional Cuaternaria : subunidades polipeptídicas USMP-BCM Amanzo 32 Membrana Celular Estructuras de una proteína

33. Las hélices alfa constituyen dominios transmembrana . USMP-BCM Amanzo 33 Membrana Celular

34. USMP-BCM Amanzo 34 Membrana Celular

35. La estructura funcional de una proteína es alterada por: desnaturalizada normal Calor, métodos químicos, agitación excesiva de soluciones de proteínas, ácidos, alcalis. USMP-BCM Amanzo 35 Membrana Celular

36. Proteínas integrales , penetran la bicapa . Dominio citosólico Dominio transmembrana Dominio extracelular USMP-BCM Amanzo 36 Membrana Celular Proteínas de membrana

37. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 37

38. Proteínas periféricas , se localizan fuera de la bicapa lipídica , orientados hacia el extracelular en cuyo caso pueden estar formando glicoproteínas o hacia el citoplasma. USMP-BCM Amanzo 38 Membrana Celular Proteínas de membrana

39. Proteínas ancladas a lípidos , localizadas fuera de la bicapa y unidas mediante enlaces covalentes a lípidos (modificación lipídica de las proteínas). USMP-BCM Amanzo 39 Membrana Celular Proteínas de membrana

40. USMP-BCM Amanzo 40 Membrana Celular

41. 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 ). USMP-BCM Amanzo 41 Membrana Celular Carbohidratos de membrana

42. USMP-BCM Amanzo 42 Membrana Celular

43. USMP-BCM Amanzo 43 Membrana Celular

44. Grupo sanguíneo ABO: Son glicolípidos de membrana los que hacen la diferencia. USMP-BCM Amanzo 44 Membrana Celular

45. USMP-BCM Amanzo 45 Membrana Celular

46. Compartimentalización . Barreras selectivas permeables. Transporte de solutos: Difusión simple. Difusión facilitada. Transporte activo . Respuesta a señales externas: transducción de señales. Interacción celular. Sitios para actividades bioquímicas. Transducción de energía. USMP-BCM Amanzo 46 Membrana Celular Funciones de la membrana plasmática

47. USMP-BCM Amanzo 47 Membrana Celular Las membranas biológicas son bicapas lipídicas . La estructura es común para todas las membranas celulares. La célula eucariote tiene un sistema de endomembranas d eterminando compartimentos dentro de ella que posibilitan importantes eventos y procesos celulares. Sistema de endomembranas

48. La membrana plasmática es una barrera de permeabilidad selectiva entre la célula y el medio extracelular . La membrana celular es selectivamente permeable a las moléculas pequeñas. Es esencialmente impermeable a las moléculas hidrosolubles (ej. Glucosa, aminoácidos e iones). La mayoría de moléculas biológicas no difunden a través de la membrana. Extracelular Intracelular USMP-BCM Amanzo 48 Membrana Celular Selectividad de la membrana plasmática

49. Sus propiedades de permeabilidad aseguran que: Las sustancias esenciales (glucosa, aminoácidos y lípidos) entren a la célula con facilidad. Los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula Los compuestos de desecho la abandonen. USMP-BCM Amanzo 49 Membrana Celular Permeabilidad de la membrana plasmática

50. La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática permite que la célula mantenga un medio interno constante . USMP-BCM Amanzo 50 Membrana Celular Permeabilidad de la membrana plasmática

51. USMP-BCM Amanzo 51 Membrana Celular

52. Transporte pasivo : ósmosis , difusión simple y difusión facilitada . Transporte activo: bomba iónica, endocitosis y exocitosis . Fagocitosis y pinocitosis . USMP-BCM Amanzo 52 Membrana Celular Transporte celular

53. El primer paso es el movimiento de la molécula desde la solución acuosa hacia el interior hidrófobo de la bicapa fosfolipídica . La molécula se disuelve en la bicapa fosfolipídica y difunde a través de ella . Después se disuelve en la solución acuosa al otro lado de la membrana. La velocidad de difusión relativa es proporcional a su gradiente de concentración a través de la membrana y a su grado de hidrofobicidad . USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 53 Difusión simple

54. No se consume energía metabólica porque el movimiento es a favor de la gradiente de concentración . Es un proceso no selectivo. No se utiliza energía del ATP. Muy pocas son las moléculas que ingresan o salen de las células, o atraviesan las membranas de las organelas , sin la ayuda de proteínas transportadoras. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 54 Difusión simple

55. Pequeñas moléculas hidrofóbicas: O 2 CO 2 N 2 benceno Pequeñas moléculas polares no cargadas: H 2 O etanol glicerol Difusión simple no hay gasto de ATP USMP-BCM Amanzo 55 Membrana Celular

56. Importancia del transporte de Na + y K + Concentración de iones en el espacio extracelular Crenado Normal Hinchado Lisado Solución isotónica Solución hipertónica Solución hipotónica Solución muy hipotónica USMP-BCM Amanzo 56 Membrana Celular ósmosis Glóbulo rojo

57. El transporte de moléculas es mediante proteínas transportadoras asociadas con la bicapa . Existen proteínas de transporte específico: Transportadores ( carriers ) : transporte facilitado. Canales iónicos : a favor de la gradiente electroquímica. Bombas iónicas : en contra de la gradiente electroquímica. USMP-BCM Amanzo 57 Membrana Celular Proteínas de transporte

58. El agua y la urea que pueden difundir a través de las bicapas fosfolipídicas puras aceleran su transporte mediante proteínas transportadoras. USMP-BCM Amanzo 58 Membrana Celular

59. La dirección del transporte es a favor de la gradiente electroquímica. No utiliza energía del ATP. Interviene una proteína de membrana: Proteína transportadora ( carriers ). Proteína canal: canales iónicos, aquaporinas , porinas . Es un proceso selectivo. USMP-BCM Amanzo 59 Membrana Celular Difusión facilitada

60. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 60

61. Moléculas grandes polares no cargadas Iones Moléculas pequeñas polares no cargadas Moléculas pequeñas hidrofóbicas Bicapa lipídica sintética Requieren proteínas transportadoras USMP-BCM Amanzo 61 Membrana Celular

62. Proteínas transportadoras ( carriers ) Se unen a la molécula específica en un lado de la membrana. Sufren un cambio conformacional . Liberan a la molécula al otro lado de la membrana. No utiliza energía del ATP. Se transportan : azúcares, aminoácidos y nucleósidos USMP-BCM Amanzo 62 Membrana Celular Difusión facilitada

63. Transportadores ( carriers ) Uniporte Simporte Antiporte Citosol Líquido extracelular Transporte acoplado Cotransporte USMP-BCM Amanzo 63 Membrana Celular

64. Proteínas canal Forman “poros” en la membrana, permitiendo a las moléculas de pequeño tamaño y con carga apropiada pasar libremente a través de la bicapa . No utilizan energía del ATP. Se saturan . Tipos: Canales iónicos Aquaporinas Porinas USMP-BCM Amanzo 64 Membrana Celular Difusión facilitada

65. Canales iónicos 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. USMP-BCM Amanzo 65 Membrana Celular Difusión facilitada

66. Canales iónicos El flujo de los iones a través de la membrana depende de que se forme un gradiente iónico a través de los canales de membrana plasmática. El transporte es extremadamente rápido. Más de un millón de iones por segundo puede fluir a través de ellos (10 7 -10 8 iones/ seg ). Es una velocidad de flujo aproximadamente 1000 veces mayor que una proteína transportadora ( carrier ). USMP-BCM Amanzo 66 Membrana Celular Difusión facilitada

67. Los canales iónicos son proteínas transmembrana . Son específicos para cada ión. USMP-BCM Amanzo 67 Membrana Celular

68. Los iones pasan a través de un filtro en fila individual. USMP-BCM Amanzo 68 Membrana Celular

69. Mecanismos de control Abiertos: Voltaje Tiempo Agonistas directos Proteina G Calcio Modulados: Incremento de la fosforilación Oxido-reducción Citoesqueleto Calcio ATP USMP-BCM Amanzo 69 Membrana Celular

70. Canales iónicos Regulados por ligando: Se abren en respuesta a la unión con neurotransmisores u otras moléculas señal. Regulados por cambios de voltaje (Voltaje- gated ion channel ): Se abren en respuesta a variaciones en el potencial eléctrico a través de la membrana celular. USMP-BCM Amanzo 70 Membrana Celular Difusión facilitada

71. Canales iónicos regulados por ligando: La unión ligando-receptor genera un cambio conformacional en la molécula canal. Se abre el poro acuoso. Ocurre un flujo de iones específicos siguiendo la gradiente del ión a través de la membrana. USMP-BCM Amanzo 71 Membrana Celular Difusión facilitada

72. USMP-BCM Amanzo 72 Membrana Celular

73. Canales iónicos abiertos por cambio de voltaje (voltaje- gated ion channel ). Los canales de K + , Na + y Ca ++ regulados por voltaje pertenecen a una gran familia de proteínas relacionadas. Los canales están formados por subunidades que contienen hélices-alfa transmembrana . USMP-BCM Amanzo 73 Membrana Celular Difusión facilitada

74. Canales iónicos abiertos por cambio de voltaje (voltaje- gated ion channel ). La hélice-alfa transmembrana S4 tiene varios aminoácidos cargados positivamente y actúa como el sensor de voltaje que interviene en la apertura del canal en respuesta a las variaciones en el potencial de membrana. Los cationes pasan a través del poro acuoso hacia la célula. USMP-BCM Amanzo 74 Membrana Celular Difusión facilitada

75. Estructura de un típico Canal iónico abierto por cambio de voltaje USMP-BCM Amanzo 75 Membrana Celular

76. Canales iónicos abiertos por cambio de voltaje (voltaje- gated ion channel ). El canal de K + está formado por la asociación de 4 subunidades idénticas. El canal de Na+ está formada por una única cadena polipeptídica que contiene 4 dominios repetidos, cada una de la cuales es similar a una subunidad del canal de K + . El canal de Ca++ es similar al canal de Na + . USMP-BCM Amanzo 76 Membrana Celular Cada dominio o subunidad está hecho de 6 hélices alfa transmembrana . Difusión facilitada

77. USMP-BCM Amanzo 77 Membrana Celular

78. USMP-BCM Amanzo 78 Membrana Celular

79. El flujo neto de las moléculas por difusión facilitada, por proteínas transportadoras y canales iónicos siempre es energéticamente favorable al gradiente electroquímico. La célula requiere transportar moléculas contra gradiente para mantener su medio interno. El transporte activo utiliza la energía liberada por hidrólisis del ATP acoplada a bombas iónicas . USMP-BCM Amanzo 79 Membrana Celular Transporte activo

80. Bombas iónicas: ATPasa de Na + /K + Membrana celular. ATPasa de Ca ++ Membrana del retículo sarcoplásmático (músculo). Membrana del retículo endoplásmático liso. Membrana celular. ATPasa de H + Membrana lisosomal . Endosomas . Vacuolas vegetales. USMP-BCM Amanzo 80 Membrana Celular Transporte activo

81. ATPasa Na + / K + USMP-BCM Amanzo 81 Membrana Celular

82. 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 . USMP-BCM Amanzo 82 Membrana Celular Transporte activo

83. Endocitosis - tipos: Fagocitosis Pinocitosis Endocitosis mediada por receptor USMP-BCM Amanzo 83 Membrana Celular Transporte activo

84. Rizo Macropinosoma Fagosoma Receptosoma Endocitosis mediada por receptor Hoyo cubierto por clatrina Pinocitosis Fagocitosis USMP-BCM Amanzo 84 Membrana Celular Transporte activo

85. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 85

86. Endocitosis Fagocitosis : Las células engullen partículas grandes como bacterias, desechos celulares, o incluso células intactas. La unión de las partículas a unos receptores sobre la superficie de la célula fagocítica dispara la extensión de pseudópodos. USMP-BCM Amanzo 86 Membrana Celular Transporte activo

87. Endocitosis Fagocitosis : Los pseudópodos rodean la partícula y sus membranas se funden para formar una vesícula intracelular (> 0,25 m de diámetro) llamada fagosoma . Los fagosomas se fusionan con los lisosomas: fagolisosomas , donde el material es digerido. Es un proceso especializado de las células fagocíticas . USMP-BCM Amanzo 87 Membrana Celular Transporte activo

88. 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. USMP-BCM Amanzo 88 Membrana Celular Transporte activo

89. Endocitosis . Pinocitosis : Se forma la vesícula pinocítica . Diámetro 0,15 - 5,0 m. Es un proceso común entre las células eucariotes . USMP-BCM Amanzo 89 Membrana Celular Transporte activo

90. Endocitosis Mediada por receptor USMP-BCM Amanzo 90 Membrana Celular Transporte activo

91. Endocitosis mediada por receptor. Es un mecanismo selectivo de ingreso de moléculas a la célula. Las macromoléculas a introducirse se unen a receptores específicos de la superficie celular. Estos receptores se acumulan en regiones especializadas con la participación del citoesqueleto celular. USMP-BCM Amanzo 91 Membrana Celular Transporte activo

92. Endocitosis mediada por receptor: Se forman los Hoyos cubiertos de clatrina por invaginación de la membrana. Se liberan vesículas revestidas por clatrina que contiene los receptores y sus macromoléculas unidas. Las vesículas revestidas por clatrina se fusionan con endosomas tempranos y el contenido es distribuido: Hacia los lisosomas o Son reciclados a la membrana plasmática. USMP-BCM Amanzo 92 Membrana Celular Transporte activo

93. USMP-BCM Amanzo 93 Membrana Celular

94. 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. USMP-BCM Amanzo 94 Membrana Celular Transporte activo

95. El transporte de moléculas intracelulares de una organela a otra es mediante vesículas. Gemación : formación de la vesícula. Transporte vesicular: participa el citoesqueleto . Fusión: de la vesícula a la membrana blanco. USMP-BCM Amanzo 95 Membrana Celular Transporte activo

96. Transcitosis : Una molécula puede ser transportada a través de una célula sin sufrir mayores modificaciones y liberada al extracelular. USMP-BCM Amanzo 96 Membrana Celular Transporte activo

97. USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 97

98. Transporte a través de membrana celular USMP-BCM Amanzo 98 Membrana Celular