TEMA 3 BIOLOGÍA MOLECULAR membrana celular

Transporte de membrana, características de la bicapa lipidica

1. Biología molecular
Tema III
Membrana celular
y
transporte de membrana
Dr. Aizar Ríos A.

2. La célula se halla rodeada por una membrana plasmática, de 6 a 10nm de
espesor compuesta por lípidos, proteínas e hidratos de carbono, que ejerce
diversas actividades complejas, y cuya estructura básica es similar a la de las
restantes membranas, incluida la envoltura nuclear, las mitocondrias y los
peroxisomas.

3. Actividades complejas de la membrana plasmática:
1)Barrera permeable selectiva que controla el pasaje solutos (transporte).
2)Provee soporte físico para la actividad enzimática ordenada.
3)Desplazamiento de sustancias mediante la formación de pequeñas vesículas
transportadoras.
4)Participación en procesos de endocitosis y exocitosis.
5)Reconocimiento y adherencia intercelular.
6)Interacción con moléculas externas (hormonas, neurotransmisores, factores
de crecimiento y otros inductores químicos) mediante receptores específicos.
7)Transducción de señales en respuesta a estímulos externos.
8)Interacción intercelular (reconocimiento, señalización, adherencia, etc.)
9)Transformación de energía. Ej.: fotosíntesis

4. Estructura de las membranas celulares
Las membranas contienen una gran diversidad de lípidos, todos los cuales
son anfipáticos, o sea, contienen regiones hidrofílicas e hidrófobas. Hay tres
tipos principales de lípidos de membrana: fosfoglicéridos, esfingolípidos y
colesterol.

Fosfoglicéridos: la mayoría de los lípidos de la membrana contiene un grupo
fosfato, que los convierte en fosfolípidos. Debido a que la mayor parte de
fosfolípidos de membrana se basan en un esqueleto de glicerol, se denominan
fosfoglicéridos (diglicéridos).

5. Fosfolípidos predominantes de la
membrana celular:
 Fosfatidilcolina
 Fosfatidiletanolamina
 Fosfatidilserina
 Esfingomielina
 Fosfatidilinositol (Diacilglicerol e
inositol) implícitas en la transmisión
de señales intracelulares.
 Difosfatidilglicerol o cardiolipina
(membrana interna de la mitocondria)
 Dolicol (membrana del retículo
endoplásmico)
El colesterol (anfipático) está dispuesto
en cada monocapa entre los fosfolípidos,
con el grupo OH del C3¨ de su núcleo
cíclico orientado hacia la solución
acuosa.

6. Un ácido graso de la membrana puede estar completamente saturado (sin
enlaces dobles), monoinsaturado (tiene un enlace doble) o poliinsaturado
(cuenta con más de un enlace doble).
En las cadenas saturadas los enlaces simples de los carbonos les confieren a
los ácidos grasos una configuración extendida, lo que hace que estos se
hallen perpendiculares respecto del plano de la bicapa lipídica y que en cada
monocapa los fosfolípidos queden agrupados en conjuntos bastantes
compactos.

7. En cambio, los enlaces dobles de las cadenas no saturadas producen
angulaciones en los ácidos grasos, lo cual separa a los fosfolípidos y le da
a la bicapa una configuración menos compacta.
Ac. Oleico
Ac. Palmitoleico
En fechas recientes, el interés se ha enfocado en los beneficios a la salud
aparentes de dos ácidos grasos muy insaturados (ácido eicosapentaenoico,
EPA, y ácido docosahexaenoico, DHA); ambos conocidos como ácidos
grasos Omega-3. Se encuentran en alta concentración en el aceite de
pescado.

8. Las dos capas de la bicapa lipídica son asimétricas o no idénticas en su
composición.
Capa citosólica con predominio de: fosfatidiletanolamina, la
fosfatidilserina y el fosfatidilinositol

Capa no citosólica: predominan fosfatidilcolina y la esfingomielina.

Diferencias con las membranas de algunos organoides:
Ej.: - la membrana mitocondrial interna posee difosfatidilglicerol
- la membrana del retículo endoplásmico contiene dolicol, lípidos que no
existen en otras membranas.

9. La relación lípido-proteína varía en dependencia del tipo de membrana
celular, el tipo de organismo y el tipo de célula. Ej.: la membrana de las
vainas de mielina poseen un 80% de lípidos y un 20% de proteínas, mientras
que en la membrana interna de las mitocondrias esa relación se invierte.

10. Esfingolípidos (ceramidas): son una clase menos abundantes de lípidos de
membrana y derivan de la esfingosina, un aminoalcohol que contiene una
larga cadena de hidrocarburos.
Los esfingolípidos consisten en una esfingosina unida a un ácido graso por
su grupo amino.
Ej.: gangliósido, cerebrósido (glucolípido).

11. Colesterol: otro componente
lipídico de ciertas membranas es
el esterol colesterol, que en
ciertas células animales puede
constituir hasta el 50% de las
moléculas de lípidos en la
membrana plasmática. En el caso
de las células vegetales
contienen esteroles similares al
colesterol.
Las moléculas de colesterol
están orientadas con su pequeño
grupo hidroxilo hidrofílico hacia
la superficie de la membrana y el
resto de molécula incrustada en
la bicapa lipídica.

12. Proteínas de membrana:
1) Proteínas periféricas se hallan sobre ambas caras de la membrana,
ligadas a las cabezas de los fosfolípidos o a proteínas integrales por uniones
no covalentes. De la superficie de las proteínas emergen los resíduos de los
aminoácidos polares los cuales interactúan con grupos químicos de la propia
membrana y de los medios que la bañan.

13. 2) Proteínas integrales se hallan incrustadas en las membranas, entre los
lípidos de la bicapa. Otras, en cambio, atraviesan la bicapa totalmente, de ahí
que se las llame transmembranosas. Su extremo carboxilo suele hallarse en el
lado citosólico y su extremo amino en el lado no citosólico.
Muchas proteínas transmembranosas atraviesan la bicapa lipídica más de una
vez, de ahí que se llama multipaso, y emergen por ambas caras de la
membrana.
Son estables por estar ligadas mediante uniones covalentes a un ácido graso
en el lado citosólico o a un fosfatidilinositol en el lado no citosólico.

14. Las membranas celulares responden al modelo llamado de mosaico
fluido:
Las proteínas así como los lípidos también pueden girar en torno de sus
propios ejes y desplazarse lateralmente en el plano de la bicapa. A esta
propiedad dinámica de las membranas biológicas se le da el nombre de
mosaico fluido.

15. Los hidratos de carbono de las membranas celulares forman parte de
glicolípidos y de proteínas
Las membranas celulares contienen entre 2 y 10% de hidratos de carbono,
unidos a la superficie no citosólica de la bicapa lipídica, por uniones
covalentes a lípidos y a proteínas de membrana, bajo la forma de glicolípidos
y glicoproteínas.
Los glicolípidos se clasifican en:
 Cerebrósidos (galactosa o glucosa + ceramida)
Gangliósidos (ceramida + oligosacárido + ácido siálico).

16. Glicoproteínas (proteína + carbohidrato de tipo oligosacárido o
polisacárido).
Los oligosacáridos se hallan ligados a las proteínas a través de enlaces N-
glicosídicos u O-glicosídicos. Habitualmente los monómeros que se localizan
en la periferia de los oligosacáridos son ácidos siálicos(monosacáridos).
Una proteína puede contener una o varias cadenas oligosacáridas.
Los polisacáridos ligados a proteínas son glicosaminoglicanos (uno o varios
por proteína) y forman glicoproteínas llamadas proteoglicanos.

17. Función de los carbohidratos de las membranas celulares
 Protección contra enzimas a organoides que están unidos a la superficie
citosólica de sus membranas formando parte de glicolípidos y de
glicoproteínas.

 Protección contra agresiones mecánicas y químicas a la cara externa de la
membrana plasmática formando una cubierta llamada, Ej.: el glicocáliz de
células de la mucosa intestinal protege del contacto con alimentos y efectos
destructivos en las enzimas digestivas.

18.  Atracción de cationes del medio extracelular, Ej.: Na+ (células nerviosas y
musculares)

 Participa en el reconocimiento y adhesión celular.

 Participa en la formación de las vainas de mielina de algunas neuronas para el
aislamiento axónico.

 Confieren especificidad del sistema ABO en los glóbulos rojos de estos
grupos sanguíneos. Estos oligosacáridos sólo difieren por sus monómeros
terminales y están ligados a una proteína transmembranosa o a una ceramida.

19. En las células tumorales malignas alteran la recepción de las señales que
controlan las divisiones celulares.

Unión a toxinas de patógenos invasores y facilitación en el inicio de sus
acciones patogénicas. Ej.: Oligosacáridos y gangliósidos de la superficie
celular que se unen a toxinas elaboradas por bacterias del cólera, del
tétanos, del botulismo y de la difteria.

Función enzimática en algunas células Ej.: en células que revisten el
intestino son peptidasas y glicosidasas degradan proteínas.

20. PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS CELULARES
Los solutos y las macromoléculas atraviesan las membranas celulares
mediante mecanismos diferentes

Existe un flujo continuo de sustancias que entran y salen de la célula y
circulan por su interior. Para ello, los solutos (iones y moléculas pequeñas)
deben pasar a través de las membranas celulares; tal fenómeno se denomina
permeabilidad.

21. El pasaje de solutos a través de las membranas celulares puede ser
pasivo o activo
Existe un constante intercambio de solutos entre el medio extracelular y el
citosol, y entre éste y el interior de los otrganoides, a través de la membrana
plasmática y de las membranas de dichos organoides.

- Cuando no consume energía, el proceso se denomina transporte pasivo; el
dependiente de energía, transporte activo.

El transporte pasivo se cumple a través de los componentes de la bicapa
lipídica o a través de estructuras especiales, constituidas por proteínas
transmembranosas organizadas para el paso de los solutos; canales iónicos y
las permeasas (transportadores). Este puede ser a través de las bicapa lipídica
(difusión simple), y a través de canales iónicos y las permeasas (difusión
facilitada).

El transporte activo tiene lugar exclusivamente a través de permeasas

22. El transporte pasivo de los solutos se produce por difusión
El movimiento del soluto, llamado difusión, se realiza desde los sitios en que se
halla más concentrado hasta los de menor concentración, con una velocidad
proporcional a la diferencia entre las concentraciones. Esta diferencia se
denomina gradiente de concentración. Si el soluto posee carga eléctrica, gravita
además el gradiente de voltaje o potencial eléctrico que se establece entre los
distintos puntos de la solución. La suma de los gradientes de concentración y
de voltaje se conoce como gradiente electroquímico. La difusión a favor de
tales gradientes es un proceso que ocurre espontáneamente, sin gasto de
energía, de ahí que lleve el nombre de transporte pasivo.

23. La difusión simple se produce a través de la energía lipídica
El transporte pasivo de solutos puede también ocurrir entre compartimientos
acuosos separados por membranas semipermeables, como lo son las bicapas
lipídicas de las membranas celulares. Este tipo de transporte se denomina
difusión simple. Existe una relación lineal directa entre la solubilidad en
lípidos de una sustancia y su velocidad de difusión a través de las
membranas semipermeables.

24. Las moléculas no polares pequeñas, como el O2, CO2, N2, y los compuestos
liposolubles de mayor tamaño (ácidos grasos esteroides, glicerol, urea)
difunden libremente a través de las bicapas lipídicas. El agua por difusión
simple.
La difusión de las moléculas polares a través de la bicapa lipídica es tanto
menor cuanto mayor es su tamaño; hexosas, aminoácidos y nucleótidos
prácticamente no difunden. En cuanto a los iones, dada su carga eléctrica se
unen a varias moléculas de agua lo cual les impide atravesar la bicapa lipídica
por más pequeños que sean.

25. La difusión facilitada se produce a través de canales iónicos y de permeasas
La mayoría de las sustancias que atraviesan las membranas celulares a favor de
gradientes o sin gasto de energía lo hacen a una velocidad mayor a la esperable
si su pasaje fuera por difusión simple y a través de canales iónicos y permeasas,
en los cuales se facilita, aunque también se regula, la transferencia de los solutos
de un lado al otro de la membrana.
El sentido de la difusión se realiza siempre a favor de los gradientes de
concentración y voltaje.

26. Durante el transporte pasivo de solutos por difusión facilitada, los complejos
soluto-canal iónico y soluto-permeasa muestran características de
especificidad y saturabilidad similares a las del complejo enzima-sustrato.
Cuando en un canal iónico o en una permeasa se alcanza velocidad máxima de
flujo, ésta ya no aumenta por más que se incremente la concentración del
soluto.
Como ocurre con las enzimas, existen sustancias que poseen estructuras
moleculares semejante a la de los solutos y que pueden unirse a los canales
iónicos y a las permeasas y producir inhibiciones competitivas. También se
producen inhibiciones de tipo no competitivo.

27. Existen dos clases de canales iónicos, los dependientes de ligando y los
dependientes de voltaje
Los canales iónicos son poros o túneles hidrofílicos que atraviesan las
membranas, formados por proteínas integrales transmembranosas
generalmente de tipo multiuso.
Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática
como en la de los organoides. Son altamente selectivos, de modo que hay
canales específicos para cada tipo de ion (Na+, K+, Ca++, Cl-, etc.). Los más
abundantes en la membrana plasmática son los canales para el K+

28. Normalmente el lado cotisólico de la membrana plasmática es electronegativo
con respecto al lado exterior, lo cual favorece el ingreso o dificulta el escape
de los iones con carga positiva. Con los iones negativos se da la situación
inversa. Por ejemplo, el gradiente de voltaje se opone a la salida del K+ de la
célula, mientras que el gradiente de concentración la favorece. Cuando estas
fuerzas opuestas se equilibran, el gradiente electroquímico es igual a cero y el
flujo del ion se detiene.

29. La mayoría de los canales iónicos no están abiertos en forma permanente,
pues poseen un dispositivo de apertura y cierre semejante al de una
compuerta, accionado por dos clases de factores: algunos canales se abren en
respuesta a un cambio en el potencial eléctrico de la membrana (dependientes
de voltaje) y otros cuando les llega una sustancia inductora o ligando
(dependientes de ligando) por el lado citosólico o por el lado no citosólico.
La pared del cilindro se forma con varias proteínas transmembranosas, cuatro
en los canales regulados por cambios de voltaje y cinco en los canales
dependientes de ligando.

30. Los ionóforos aumentan la permeabilidad de las membranas biológicas a
ciertos iones
Existen sustancias llamadas ionóforos que tienen la propiedad de incorporarse a
las membranas biológicas y aumentar su permeabilidad a diversos iones. Son
moléculas de tamaño relativamente pequeño, con una superficie hidrofóbica que
les permite insertarse en la bicapa lipídica. Se conocen dos tipos de ionóforos,
los transportadores móviles y los formadores de canales. Permiten flujos de
iones basados en gradientes electroquímicos.
Los transportadores móviles atrapan al ion en un lado de la membrana, lo
engloban en el interior de sus moléculas, giran 180° en la bicapa lipídica y lo
liberan del otro lado de la membrana, Ej.: el antibiótico valinomicina

31. Las acuaporinas son canales especiales que permiten el paso selectivo del
agua
No son canales iónicos. En células como eritrocitos, epiteliales de plexos
coroideos, vesícula biliar y nefronas, la membrana plasmática es
excepcionalmente permeable al agua, por mecanismo de difusión simple
debido a las acuaporinas (constituidas de 4 proteínas de 28kDa iguales entre
si(menos una glicosilada) compuestas de 6 alfa hélices transmembranosas.

32. Existen distintas clases de permeasas pasivas, involucradas en procesos de
monotransporte, cotransporte y contratransporte
La pared de las permeasas está integrada por varias proteínas transmembranosas
multipaso. Cada permeasa posee sitios de unión específicos para una o dos clases
de solutos, accesible desde una o ambas caras de la bicapa. La fijación del soluto
produce un cambio conformacional en la permeasa, merced al cual se transfiere el
material hacia el otro lado de la membrana.
Las permeasas que permiten el traspaso pasivo de solutos correspondiente al
mecanismo de difusión facilitada.
Existen tres clases de permeasas: Las que transfieren un solo tipo de soluto, o de
monotransporte, Las que transportan dos tipos de solutos simultáneamente pero en
el mismo sentido, llamado cotransporte, Las que transfieren dos tipos de solutos en
sentido contrario denominadas de contratransporte. Ej.:el monotransporte de
glucosa, cotransporte de Na+ y glucosa, contratransporte de Na+ e H+, de ADP y
ATP.

33. El transporte activo requiere energía
Cuando el transporte de un soluto se realiza en dirección contraria a su gradiente
de concentración o de voltaje, solo es posible con gasto de energía, a esto se
llama transporte activo, y tiene lugar a través de permeasas llamadas bombas y
se realiza en contra del gradiente del soluto, Ej.:La bomba de Na+K+ que
establece las diferencias en las concentraciones de Na+ y de K+ entre el interior
y exterior de la célula.

34. El sistema necesita de energía y esta se obtiene de la hidrólisis del ATP
mediante una reacción que requiere de Na+, K+ y Mg++
Cada ATP se hidroliza y posibilita el transporte de tres Na+ hacia el EEC y
dos de K+ hacia el citosol.
Normalmente la bomba expele tres Na+ por cada dos K+ que ingresan, ello
crea la diferencia de voltaje que existe entre ambos lados de la membrana
donde el lado citosólico normalmente es electronegativo, aunque esta
situación puede revertirse.

35. Algunos fármacos cardiotónicos inhiben la bomba de Na+K+
La Na+K+-ATPasa es inhibida por fármacos del tipo Digitoxina que bloquea
el cotransporte de Na+ y K+ en altas concentraciones, como consecuencia
disminuye la salida de Na+ al medio extracelular, inhibiendo el intercambio
con el Ca++ que aumenta en el citosol haciendo contraer a las células
musculares cardiacas con más fuerza.

36. Proteínas MDR
Son transportadores activos denominados con la sigla ABC, que poseen un par
de dominios con actividad ATPasa. Esta hidroliza al ATP que provee energía que
moviliza solutos en contra de sus gradientes. Se encuentran en las membranas
de muchos tipos celulares, también en las membranas del RE, peroxisoma y
mitocondrial interna. También eliminan tóxicos derivados del metabolismo
celular normal. Aparecen en gran número en la membrana plasmática de varias
células cancerosas confiriéndole resistencias contra los citostáticos, debido a que
las proteínas MDR bombean e esos citostáticos hacia afuera de las células
cancerosas.