6. La membrana citoplásmica y el transporte de nutrientes Composición química, estructura y papeles de las membranas procariotas, con especial atención al transporte de nutrientes Composición química, estructura y papeles de las membranas procariotas, con especial atención al transporte de nutrientes

Membrana citoplásmica: composición química Bicapa proteolipídica que delimita al protoplasto Su proporción proteínas:lípidos es alta (80:20), mayor que en eucariotas Carece de esteroles (salvo excepciones), pero muchas bacterias poseen hopanoides (triterpenoides pentacíclicos), que confieren parte de la rigidez a la membrana La membrana citoplásmica bacteriana es la estructura de tipo bicapa proteo-lipídica que delimita al protoplasto. Su proporción proteínas: lípidos es superior a la de las membranas celulares eucarióticas, llegando a alcanzar valores relativos de 80:20.

Una primera imagen de una membrana citoplásmica bacteriana Una primera imagen de una membrana citoplásmica bacteriana. Por lo pronto salta a la vista la bicapa proteolipídica

Comparación entre esteroles y hopanoides Núcleo básico de los esteroles Estructura del colesterol Un ejemplo de hopanoide Las membranas procarióticas, a diferencia de las de eucariotas, carecen de esteroles (con las salvedades de Cianobacterias, ciertas bacterias metilotrofas; además, los micoplasmas presentan colesterol, pero lo “secuestran” de las células eucarióticas a las que parasitan). Pero en cambio, en muchas bacterias existe una peculiar clase de compuestos policíclicos, denominados hopanoides (triterpenoides pentacíclicos) que parecen condicionar parte de la rigidez de las membranas citoplásmicas. Los hopanoides se sintetizan a partir del mismo tipo de precursores que los esteroles. (Por cierto, como dato curioso diremos que los sedimentos de combustibles fósiles como el petróleo presentan cantidades gigantescas de hopanoides, lo que confirma el papel que tuvieron las bacterias en su formación).

Lípidos en eubacterias Fosfolípidos: Fostatidil-etanolamina Fostatidil-glicerol Cardiolipina (difosfatidil-glicerol) Glucolípidos, glucofosfolípidos (Gram+) Abundan sobre todo los fosfolípidos derivados del ácido fosfatídico: fosfatidiletanolamina, fosfatidilglicerol, cardiolipina (difosfatidilglicerol). En bacterias Gram-positivas, además se encuentran glucolípidos y glucofosfolípidos. La composición y proporción concretas de los distintos tipos de lípidos son variables entre distintas cepas bacterianas, y dentro de cada cepa, en función de las condiciones de cultivo (temperatura, pH, etc.).

Ácidos grasos esterificados con el glicerol en eubacterias Ácidos grasos saturados: Palmítico (16:0) Mirístico (14:0) De cadena ramificada (en Gram+) Ácidos grasos monoinsaturados Palmitoleico (cis-9, 16:1) Cis-vaccénico (cis-11, 18:1) Salvo cianobacterias, no hay ácidos grasos poliinsaturados Los ácidos grasos esterificados con el glicerol en los fosfolípidos son principalmente: 1)      saturados, como p. ej.: a)      palmítico (16:0) b)      mirístico (14:0) c)      de cadena ramificada (muy frecuentes en muchas bacterias Gram-positivas) 2)      monoinsaturados (sobre todo en Gram-negativas), como p. ej.: a)      palmitoleico (cis-9, 16:1) b)      cis-vaccénico (cis-11, 18:1) A diferencia de eucariotas, no existen ácidos grasos poliinsaturados, con la excepción de las Cianobacterias. Este grupo de bacterias fotosintéticas tiene, además, la capacidad de modificar mediante desaturasas el grado de saturación de sus ácidos grasos, lo que representa un mecanismo adaptativo frente a cambios de temperatura. Las bacterias pueden modificar la proporción entre ácidos grasos insaturados y saturados, con objeto de mantener un estado de fluidez adecuado en la membrana, como adaptación a cambios de temperatura: a altas temperaturas, aumenta la proporción de ácidos grasos saturados, y a bajas, aumenta la de los insaturados. Las bacterias psicrófilas (amantes del frío) presentan casi todos sus ácidos grasos de tipo insaturado.

Diferencia entre lípidos de eubacterias y de arqueas En a): las eubacterias forman enlaces éster entre glicerol y ácidos grasos En b): las arqueas forman enlaces éter entre el glicerol y cadenas de alcoholes isoprenoides En c): isopreno, precursor de los alcoholes isoprenoides eterificados con glicerol en arqueas En Arqueas, en lugar de los habituales lípidos a base de ésteres de ácidos grasos con glicerol, existen lípidos a base de éteres de alcoholes de cadena larga con glicerol .

Ejemplos de lípidos de arqueas  Difitanol-glicerol-diéter Ejemplos de lípidos de arqueas: difitanil-glicerol-diéteres. Los alcoholes suelen ser derivados poliisoprenoides. Este tipo de membranas son más rígidas que las de eubacterias. Incluso existen arqueas con membranas a partir de tetrafitanil-diglicerol-tetraétereres, que consituyen bicapas monomoleculares. Tetrafitanil-diglicerol-tetraéter

Estructura de la membrana de las arqueas Obsérvese que por sí mismos, los diglicerol-tetraéteres de arqueas forman una monocapa molecular que tiene aspecto de bicapa. Bicapa (dos láminas de glicerol-diéteres) Monocapa molecular de diglicerol-tetraéteres

Tipos de proteínas de la membrana citoplásmica Proteínas integrales (=endoproteínas) Atraviesan de lado a lado la membrana Difíciles de extraer respecto de lípidos Desplazamiento horizontal, pero no flip-flop  vectoriales, con polaridad definida Proteínas periféricas (=epiproteínas) Unión lábil al lado citoplásmico de la membrana Fáciles de extraer y purificar Algunas pueden establecer contactos transitorios Las proteínas constituyen la mayor parte de la membrana bacteriana (hasta el 80% en peso seco). Existe una gran variedad de tipos de proteínas en una misma bacteria (hasta 200), pero la composición y proporción concreta varía según las condiciones de cultivo.  Según su localización en la membrana, y su grado de unión con la porción lipídica, se distingue entre: · proteínas integrales de membrana (=endoproteínas): son proteínas estrechamente unidas a la membrana, por lo general atravesadas en plena bicapa lipídica. Son difíciles de extraer, teniéndose que recurrir a detergentes y/o disolventes orgánicos para separarlas respecto de los lípidos. Las proteínas integrales pueden desplazarse lateralmente en la bicapa lipídica, pero no son capaces de rotar, por lo que siempre presentan una determinada orientación o polaridad. Algunas presentan hidratos de carbono que sobresalen hacia la superficie externa (glucoproteínas). · Proteínas periféricas (= epiproteínas): unidas a la superficie de la membrana, de forma más débil, por lo que son más fáciles de extraer y purificar. Incluso algunas establecen contactos sólo transitorios con la membrana.

Estructura de la membrana citoplásmica de eubacterias Estructura: Consiste en una bicapa lipídica, con los grupos polares (hidrófilos) hacia afuera, y las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos (o, en el caso de Arqueobacterias, de alcoholes) hacia adentro, ajustándose al modelo de mosaico fluido de Singer y Nicholson. Inmersas en esta bicapa se encuentran las abundantes proteínas, que pueden moverse lateralmente en el mosaico de moléculas de lípidos, igualmente dotados de una rápida movilidad. Parece ser que no existe movilidad de lípidos entre las dos capas. La membrana citoplásmica es asimétrica (aunque no tanto como la membrana externa de Gram-negativas). Esto se traduce en el hecho de que muchos de los procesos que tienen lugar en la membrana sean vectoriales (tengan una dirección determinada).

Funciones de la membrana citoplásmica procariota Barrera osmótica Límite entre el protoplasto y el medio Permite el paso selectivo de moléculas Interviene en procesos de obtención de energía (respiración, fotosíntesis) Participa en biosíntesis de componentes de envueltas (pared, membrana y cápsulas) Secreción de proteínas y otras macromoléculas La membrana citoplásmica de los procariotas es una notable estructura multifuncional (como uno podría esperar de la constatación del gran número de tipos de proteínas), siendo el sitio donde se producen muchos procesos metabólicos complejos, en un grado desconocido en el resto del mundo vivo. Citemos brevemente las principales funciones de la membrana procariótica (aunque en este y otros temas las estudiaremos en detalle): · Barrera osmótica (que mantiene constante el medio interno), impidiendo el paso libre de sales y de compuestos orgánicos polares · Es el límite metabólicamente activo de la célula: establece la frontera entre el protoplasto y el medio externo, impidiendo la pérdida de metabolitos y macromoléculas del protoplasto. · Ahora bien, merced a sistemas de transporte, permite selectivamente el paso de sustancias entre el exterior y el interior (y viceversa). · Interviene, además, en procesos bioenergéticos (fotosíntesis, respiración) · Participa en la biosíntesis de componentes de membrana, de pared y de cápsulas · En la secreción de proteínas.

Ilustración de algunos de los papeles de la membrana citoplásmica bacteriana

Participación de la membrana en procesos bioenergéticos Contiene los elementos para la transducción de energía por respiración Deshidrogenasas Cadenas de transporte de electrones ATPasas (ATP sintasas/hidrolasas) En bacterias fotosintéticas anoxigénicas también contiene este tipo de elementos Contiene todos los componentes requeridos para la transducción de energía y la producción de ATP, por procesos respiratorios. En el caso de una bacteria quimiotrofa, esto incluye: deshidrogenasas, cadenas de transporte de electrones (con quinonas, citocromos, etc.) y ATP-asas (ATP sintasas/hidrolasas). Algunas bacterias fotosintéticas anaerobias también incluyen este tipo de componentes en la membrana citoplásmica.  En un capítulo posterior veremos en más detalle cómo explica la teoría quimiosmótica de Mitchell el acoplamiento entre el funcionamiento de las cadenas de transporte electrónico (o de la ATP-hidrolasa) y la generación de un gradiente de protones a través de la membrana (potencial electroquímico o fuerza protón-motriz), el cual a su vez puede: · generar ATP (desarrollo de un trabajo químico) · promover transporte de ciertos nutrientes (trabajo osmótico) · promover movimiento flagelar (trabajo mecánico).

La membrana en la síntesis de polímeros de envueltas Contiene transportadores y enzimas implicados en la síntesis de: Polisacáridos de cápsulas Peptidoglucano (recordar el bactoprenol) Ácidos teicoicos y teicurónicos Lipopolisacárido Contiene enzimas implicados en síntesis de los propios lípidos de la membrana Como ya hemos visto en temas anteriores, la membrana alberga transportadores (como el undecaprenil-P) y enzimas relacionados con fases de la biosíntesis de polisacáridos de la cápsula, peptidoglucano, ácidos teicoicos y teicurónicos y lipopolisacárido. Igualmente en ella se localizan los enzimas implicados en la síntesis de los lípidos de la propia membrana.

La membrana citoplásmica como barrera selectiva Mantiene la constancia del medio interno... ... y simultáneamente permite o promueve: Entrada de nutrientes Salida de ciertas moléculas (secreción) Excreción de productos de desecho Mantiene la constancia del medio interno (impidiendo la salida de iones, metabolitos y macromoléculas), pero simultáneamente permite o promueve activamente la entrada de nutrientes y la salida de los productos de desecho o de ciertas moléculas excretadas. La función de transporte de nutrientes será tratada en detalle más adelante en este capítulo.

Exportación de moléculas de superficie o secretadas En el PG: recordar papel bactoprenol Proteínas a secretar: Se sintetizan como precursores dotadas de una región de péptido-líder N terminal La pre-proteína naciente se asocia a SecA El complejo SecA-preproteína se asocia con el complejo SecYEG de la membrana La pre-proteína entra por el canal de SecYEG, con hidrólisis de ATP Cuando el péptido líder asoma por el otro lado del canal, se corta por la peptidasa del líder La proteína madura pasa al exterior La membrana tiene un papel importante en la secreción de carbohidratos y proteínas al exterior. · En el caso del peptidoglucano, ya vimos cómo el bactoprenol-fosfato de la membrana lograba el transporte de los precursores desde el citoplasma al lado periplásmico. · Las proteínas secretadas se sintetizan como pre-proteínas dotadas en el extremo N-terminal de un péptido señal. Cuando aún está en el citoplasma, la pre-proteína naciente se une a la proteína SecA (una chaperona), la cual la traslada al complejo de proteínas de membrana SecYEG, que tiene un canal interior, por el que va entrando la pre-proteína, con hidrólisis de ATP. Cuando la parte del péptido señal asoma por el otro lado de la mebrana, es cortado en un sitio específico por la peptidasa líder, lo que ayuda a liberar al exterior la parte madura de la proteína secretada. · Aparte de este, existen otros sistemas para la exportación de proteínas, que se están estudiando intensamente en la actualidad.