Chapter 7 Membrane Structure & Dynamics S E C T I O N III Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved. Illustrations by Graham Johnson Cell Biology, 2e Thomas D. Pollard William C. Earnshaw with Jennifer Lippincott-Schwartz Biol 4018 – Celular – Molecular José A. Cardé, PhD Universidad de Puerto Rico - Aguadilla

Objetivos Al finalizar el estudiante podrá: –Conocer los componentes de la membrana y las propiedades que estos le confieren a la membrana. –Distinguir entre proteínas trans membranales y proteínas periferales. –Entender la estructura física de la membrana. –Entender el comportamiento heterogéneo de las proteínas membranales.

Book section III: Membrane structure & function Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Chapters on membrane structure & function Chapter 7Membrane structure & dynamics Chapter 8Membrane pumps Chapter 9Membrane carriers Chapter 10Membrane channels Chapter 11Membrane physiology Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Lipid bilayer = bicapa plana, lípidos Integral membrane proteins = atraviesan Peripheral membrane proteins = a ambos lados Structure of biological membranes Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Development of membrane concepts Started with plasma membrane Later applied to internal membranes 1925: phospholipid bilayer 1943: phospholipid with surface proteins 1972: fluid mosaic model with a fluid bilayer and transmembrane proteins 1990s: atomic models of both the fluid phospholipid bilayer and associated membrane proteins Fig. 7-1 Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componente de la Membrana Lípidos: fosfofligcéridos, esfingolípidos, esteroles, glucolípidos, triglicéridos -Son la base de las membranas -Anclan proteinas solubles a las membranas –Señales para atraer proteínas a la membrana. –Almacenan energía –Llevan información Hormonas extracelulares Mensajero secundarios intracelulares –“PhosphoInositol Phosphate” PIP

Componentes de la membrana Tipos de Lípidos –Fosfoglicéridos Constituyente principal de la membrana. También conocidos como fosfolípidos. –Glicerol –Dos cadenas de ácidos grasos »C1 y C2 de la molécula de glicerol »Saturadas vs. no saturadas* –Ácido fosfórico (C3)

Fig. 7-2 Phosphoglyceride structure (also called glycerophospholipids) Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Fosfoglicéridos: variedad –Esterificar uno de cinco alcoholes al fosfato Hacer más de 100 Fosfoglicéridos distintos –Ácidos fosfatídicos »PA »No contienen un grupo unido al fosfato –Fosfatidilglicerol »PG »Contienen un grupo glicerol unido al fosfato

Componentes de la membrana Fosfoglicéridos –Fosfatidil etanol amina PE (neutral) Etanolamina unida al fosfato –Fosfatidil colina PC Un grupo colina unido al fosfato –Fosfatidil serina PS Serina unido al fosfato –Fosfatidi inositol PI Inositol unido al fosfato

Componentes de la membrana Esfingolípidos –Contienen azúcar. –Esfingocina (4 carbonos, 1 nitrógeno). –Dos características que definen a los esfingolípidos El ácido graso unido al C2 mediante enlace de amida. Naturaleza del grupo polar esterificado al C1. –Esterifican azucares al grupo hidroxilo del C1. »Carga neta neutral »Carga neta negativa

Fig. 7-3 Sphingolipid structures Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Esfingolípidos –Glicoesfingolípidos Una o más azucares Servir de receptor a virus –Esfingomielinas Se une una base al C1 mediante un enlace éster de fosfato –Fosforil colina –Fosfo etanol amina

Componentes de la membrana Colesterol –Sólo presente en células animales. –Apolar –Orientación en la membrana es con el OH del C3 hacia la superficie. –Contribuye a la fluidez de la membrana. –Compuesto intermedio importante en la síntesis de hormonas esteroides Estrógeno, progesterona y cortisona Vitamina D

Cholesterol Fig. 7-4 Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Glicolípidos –Hay tres tipos Esfingolípidos –Los mas abundantes Glicolípidos con glicerol –Azúcar unida en el C3 Glicosil-fosfatidil-inositol –GPI –Los menos comunes

Componentes de la membrana Triglicéridos –Glicerol con tres ácidos grasos esterificados a este. –No posee un grupo polar, PLT no puede formar parte de la membrana, –Forman las gotas de grasa que se encuentran en las células adiposas –Función?

Membrane proteins Integral proteins Peripheral proteins Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Proteínas –Integrales Transmembranales Atraviesan la doble capa de la membrana. Requiere de detergentes para solubilizarlas Segmento trans membranal –Alfa-hélice –Segmentos beta Cuando hay más de uno Poseen lugares de glicolisación en el terminal externo de la proteína.

Fig. 7-8 Integral membrane proteins Glucoforina Bacteriorodopsina Porina Atomic structures Cross section in the plane of the lipid bilayer Hydropathy plots Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Periferales –Poseen residuos hidrofílicos expuestos y un segmento hidrofóbico. –Pueden solubilizarse con agentes alcalinos. –Pueden encontrarse externa o internamente asociadas a la membrana. –Se pueden asociar a la membrana mediante seis métodos distintos.

Six modes of association of peripheral proteins with lipid bilayers Fig. 7-9 Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Componentes de la membrana Anclaje a través de cadenas de acilicas –Isoprenoides Modificación post-traduccional que añade una cadena de C15 a cisteína en el terminal carboxílico Señal de reconocimiento CAAX Asociadas a sistemas de transducción de señales utilizando Ras. –Miristoil Añadir una cadena de C14 a grupo amino del terminal aminico de glicina. Asociada con la quinasa de Tirosina (Src). –Glicosil fosfatidil inositol (GPI) Oligosacárido-fosfoglicerico corto Añade al terminal carboxílico.

Componentes de la membrana Anclaje a través de cadenas de acilicas –Interacciones electrostáticas Ocurren con fosfolípidos Anexina y Miosina I- Fosfatidil serina –Penetración parcial de la membrana Alfa hélices hidrofóbicas Sintetasa de prostaglandina H2 –Asociación con proteinas integrales Interacción con el dominio citoplasmático de proteinas integrales Cateninas con cadherinas Conectan Citoesqueleto con membrana Vias de comunicación intracelular

A membrane skeleton stabilizes the cytoplasmic surface of red blood cell plasma membranes Inherited deficiencies of these proteins cause fragile red blood cells and hemolytic anemia Evidencia interaccion; integrales y periferales Banda 3 Glicoforina Spectrina Fig Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Estructuración Física Propiedades físicas –Dinámica –Mosaico fluido Movimiento lateral Movimiento rotacional Movimiento transversal –Ácidos grasos tienen movimientos en la escala de pico segundos

Movements patterns of membrane proteins (some membrane proteins do not move) Fig Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Dinámicas de las proteínas membranales Métodos de estudio –Fluorescencia Fotoblanqueado (Photobleaching) –Marcado con anticuerpos Microscopia –Seguimiento de una partícula Trampa óptica

Methods to document movements of membrane molecules Fig Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Estructuración Física Propiedades mecánicas –FlexibleFlexible Responder a cambios en volumen. –Permeabilidad limitada Iones Alta resistencia eléctrica. Habilidad de auto sellarse. Asimetría en la distribución de lípidos con respecto a la membrana. –Ocurre durante la biogénesis. –Glicofosfolípidos – capa externa –Fosfatidilserina – capa interna

Estructuración Física Determinadas por el largo de las cadenas de ácidos grasos y la presencia o ausencia de cadenas saturadas versus no saturadas. Agregados de Esfingolípidos o colesterol en la membrana citoplasmática pueden ocurrir –Rafts

¿Preguntas?