Estructura y funciones de la membrana biológica PROCESOS BIOLOGICOS Dra. Macky Moradel

Objetivo Comprender la función de la célula eucariota humana, enumerando los diferentes organelos que la componen y la forma en que estos realizan el transporte de moléculas al interior y exterior celular, así como ellas interaccionan con otras células a su alrededor

QUE SABEMOS? Como esta compuesta la membrana plasmática? Cuales son las funciones de la membrana? Cuales son los tipos de transporte que conocemos? Como hacen las macromoléculas para pasar la membrana?

Las membranas biológicas Son complejas, su dinámica estructura está hecha de moléculas de lípidos ( en su mayoría fosfolípidos ) y proteínas que se encuentran en constante movimiento Regulan el paso de materiales, dividen la célula en compartimentos, sirven como superficies para reacciones químicas, se adhieren y comunican con otras células, y transmiten señales entre el medio ambiente y el interior de la célula.

Los fosfolípidos forman bicapas porque las moléculas presentan (l) dos regiones distintas, una fuertemente hidrófoba y la otra fuertemente hidrófila (haciéndolas fuertemente anfipáticas) y (2) por su forma cilíndrica que les permite asociarse con el agua más fácilmente como una bicapa.

La membrana plasmática No tiene más de dos moléculas de fosfolípidos de espesor. Son uniformes y delgadas, no tiene más de 10 nm de espesor proteína-lípido-proteína Contienen diferentes tipos de proteínas de distintas formas y tamaños que están asociados con la bicapa en un patrón de mosaico. Las proteínas están cambiando constantemente al moverse como icebergs en un mar fluido de fosfolípidos

Una propiedad física importante de las bicapas de fosfolípidos es que se comportan como cristales líquidos. la fluidez de los lípidos en la membrana le permite a muchas de las proteínas moverse, produciendo una configuración cambiante. Ocasionalmente, con la ayuda de enzimas en la membrana celular, las moléculas de fosfolípidos se mueven de una capa a otra.

La estructura de membrana se debilita si los lípidos son demasiado fluidos. Sin embargo, muchas funciones de la membrana, como el transporte de ciertas sustancias, se inhiben o cesan si la bicapa de lípidos es demasiado rígida. A temperaturas normales, las membranas celulares son fluidas, pero a bajas temperaturas el movimiento de las cadenas de ácidos grasos es más lento. Si la temperatura disminuye hasta un punto crítico, la membrana se convierte en un gel más sólido.

Ya que la mayoría de los enlaces en las cadenas de hidrocarburos son enlaces simples, las cadenas giran cada vez más rápidamente al aumentar la temperatura Algunos organismos compensan los cambios de temperatura alterando el contenido de ácidos grasos de los lípidos de membrana. Cuando la temperatura exterior es fría, los lípidos de membrana contienen proporciones relativamente altas de ácidos grasos insaturados.

Uno de estos “amortiguadores de fluidez” es el colesterol, esteroide que se encuentra en las membranas celulares de los animales. A bajas temperaturas las moléculas de colesterol actúan como “separadores” entre las cadenas de hidrocarburos, restringiendo la interacción de las fuerzas de van der Waals que promoverían la solidificación. El colesterol también ayuda a evitar que la membrana se vuelva débil o inestable a temperaturas más altas.

La razón es que las moléculas de colesterol interactúan fuertemente con las partes de las cadenas de hidrocarburos más próximos a la cabeza del fosfolípido. Esta interacción restringe el movimiento en estas regiones. Estas bicapas tienden a resistir la formación de extremos libres, como resultado se auto sellan y en la mayoría de las condiciones, en forma espontánea se redondean para formar vesículas cerradas.

Cuando una vesícula se fusiona con otra membrana, ambas bicapas de membrana y sus compartimentos se hacen continuos. Varias vesículas de transporte se forman a partir de, y también se fusionan con, las membranas del RE y el complejo de Golgi, facilitando la transferencia de materiales de un compartimento a otro

Las dos clases principales de proteínas de membrana, las proteínas integrales y las proteínas periféricas Las proteínas integrales de la membrana están unidas con firmeza a la membrana. no atraviesan toda la membrana proteínas transmembrana, atraviesan totalmente la membrana. Algunas atraviesan la membrana una sola vez, mientras que otras la atraviesan de ida y vuelta hasta 24 veces

El tipo más común de proteína transmembrana es un hélice a con cadenas laterales de aminoácidos hidrófobos proyectándose hacia fuera Algunas proteínas atraviesan la membrana en forma de láminas plegadas β enrolladas hacia arriba Las proteínas periféricas de la membrana no se incrustan en la bicapa de lípidos

Las moléculas de las proteínas de membrana están orientadas asimétricamente. La asimetría es producida por la forma muy específica en que se inserta cada proteína en la bicapa Las proteínas de membrana que serán parte de la superficie interna de la membrana plasmática son fabricados por ribosomas libres y se mueven hacia la membrana a través del citoplasma.

Las proteínas de membrana que se asociarán con la superficie externa de la célula se fabrican como las proteínas destinadas a ser exportadas de la célula. Son inicialmente fabricadas por los ribosomas en el RE rugoso. Luego pasan a través de la membrana del RE por el lumen o luz del RE, donde se agregan los azúcares, haciéndolas glicoproteínas.

Funciones de las proteínas de membrana

La estructura del mosaico fluido de las membranas biológicas les permite funcionar como membranas de permeabilidad selectiva o semipermeables Una membrana puede ser una barrera para una sustancia particular en un momento y promover activamente su paso en otro momento Una célula controla su volumen y su composición interna iónica y molecular.

son más permeables a pequeñas moléculas no polares (hidrófobas). Ejm: el oxígeno y el dióxido A pesar de que las moléculas de agua son polares, su tamaño es lo suficientemente pequeño para pasar a través de los espacios que se forman entre las cadenas de ácidos grasos de la bicapa en su movimiento continuo

¿Entonces cómo obtienen las células los iones y las moléculas polares que necesitan? Sistemas de proteínas de transporte que mueven a través de las membranas iones, aminoácidos, azúcares y otras moléculas polares necesarias Los dos tipos principales de proteínas de transporte de membrana son las proteínas transportadoras y las proteínas de canal.

Las proteínas de transporte, se unen al ion o a la molécula, experimentando cambios en su forma, que provocan el movimiento de la molécula a través de la membrana Las dos formas de transporte mediado por el transportador (difusión facilitada y transporte activo mediado por el transportador), difieren en sus capacidades y fuentes de energía. EJM transportadores ABC

Usan la energía donada por la ATP para el traslado de ciertos iones, azúcares y polipéptidos a través de las membranas celulares Las proteínas de canal forman túneles, llamados poros, a través de la membrana. EJM Las porinas Las células regulan el paso de materiales a través de los canales mediante la apertura y el cierre de las puertas que los bloquean en respuesta a cambios eléctricos, estímulos químicos, o estímulos mecánicos.

El agua y tipos específicos de iones son transportados a través de canales. acuaporinas, que funcionan como canales de agua con compuertas. muy selectivos y no permiten el paso de iones y otras moléculas pequeñas. ayudan a prevenir la deshidratación regresando el agua de los túbulos renales a la sangre

TRANSPORTE PASIVO No requiere que la célula gaste energía metabólica. Muchos iones y moléculas pequeñas se mueven a través de las membranas por difusión. (un proceso físico de movimiento aleatorio.) Hay dos tipos de difusión, la difusión simple y la difusión facilitada.

Si las partículas no están distribuidas uniformemente, entonces al menos existen dos regiones: una con una mayor concentración de partículas y el otro con una concentración más baja. Esta diferencia en la concentración de una sustancia de un lugar a otro establece un gradiente de concentración.

En difusión, el movimiento aleatorio de las partículas da como resultado un movimiento neto “a favor” de su propio gradiente de concentración, desde la región de mayor concentración a una de menor concentración. Así, si una membrana es permeable a una sustancia, existe un movimiento neto desde el lado de la membrana donde está más concentrado al lado donde está menos concentrado

Este gradiente que atraviesa la membrana es una forma de energía almacenada. Esta es la energía potencial, que es la capacidad para realizar trabajo como resultado de la posición o del estado. La difusión se produce con rapidez en distancias muy cortas Conforme se incrementa la temperatura, las partículas se mueven más rápido y aumenta la razón de difusión.

La velocidad de difusión está determinada por el movimiento de las partículas, que a su vez está en función de su tamaño y forma, sus cargas eléctricas, y la temperatura.

La difusión mueve solutos hacia un estado de equilibrio Está directamente relacionada con la concentración del soluto; a mayor concentración de soluto, más rápida será la difusión.

Transporte pasivo simple o difusión de moléculas a favor del gradiente: Difusión a través de la bicapa lipídica. Pasan así sustancias lipídicas como las hormonas esteroideas, los fármacos liposolubles y los anestésicos, como el éter. También sustancias apolares como el oxígeno y el nitrógeno atmosférico y algunas moléculas polares muy pequeñas como el agua, el CO2, el etanol y la glicerina. Difusión a través de canales proteicos. Se realiza a través de proteínas canal. Proteínas que forman canales acuosos en la doble capa lipídica. Pasan así ciertos iones, como el Na+, el K+ y el Ca+ +.

Transporte pasivo facilitado (difusión facilitada). Las moléculas hidrófilas (glúcidos, aminoácidos...) no pueden atravesar la doble capa lipídica por difusión a favor del gradiente de concentración. Determinadas proteínas de la membrana, llamadas permeasas, actúan como "barcas" para que estas sustancias puedan salvar el obstáculo que supone la doble capa lipídica. Este tipo de transporte tampoco requiere un consumo de energía, pues se realiza a favor del gradiente de concentración.

OSMOSIS La ósmosis es un tipo especial de difusión que implica el movimiento neto de agua (el principal solvente en los sistemas biológicos) a través de una membrana semipermeable de una región de mayor concentración a una región de menor concentración

Debido a la diferencia en la concentración efectiva del agua, hay un movimiento neto de moléculas de agua desde el lado del agua pura (con una alta concentración efectiva de agua) hacia el lado del agua y soluto (con una concentración efectiva de agua menor). Como resultado, el nivel del fluido desciende en el lado del agua pura y se eleva en el lado del agua y soluto. Debido a que las moléculas de soluto no se difunden a través de la membrana, nunca se alcanza el equilibrio

Respuestas de las células animales a las diferencias de presión osmótica

Cuando una célula se encuentra en un medio isotónico, es decir, de igual concentración que su interior celular, hay intercambio de agua ente el exterior y el interior de la célula aunque no hay un cambio aparente en la célula; pero si se encuentra en un medio hipotónico, esto es, de menor concentración que su contenido celular, por ejemplo, en agua simple, entonces el agua penetra en ella y provoca la turgencia o hinchamiento de la célula. Si la turgencia es excesiva puede ocasionar el estallamiento de la célula.

La plasmólisis es el caso contrario. Si la célula se encuentra en un medio hipertónico, es decir, más concentrado que su interior (por ejemplo, agua salada) entonces el agua sale de su interior provocando la deshidratación del citoplasma. En caso excesivo, se produce la destrucción del citoplasma, lo que ocasiona la muerte celular.

TRANSPORTE ACTIVO El paso de sustancias en contra del gradiente de concentración a través de proteínas es un tipo de transporte activo porque requiere ATP, la molécula de la energía, para llevarse a cabo. Uno de los ejemplos más destacado de mecanismo de transporte activo es la bomba de sodio-potasio que se encuentra en todas las células animales

Utiliza energía del ATP para bombear iones de sodio fuera de la célula y iones de potasio dentro de la célula. El intercambio es desigual: en general sólo dos iones de potasio son importados por cada tres iones de sodio exportados

La distribución desigual de iones establece un gradiente eléctrico que impulsa a los iones a través de la membrana plasmática. Las bombas sodio-potasio ayudan a mantener una separación de cargas a través de la membrana plasmática. Esta separación se llama un potencial de membrana.

Uniportadores: proteínas que transportan un tipo de sustancia en una sola dirección. las simportadoras, mueven dos tipos de sustancias en una misma dirección. Por ejemplo, una proteína transportadora específica lleva sodio y glucosa al interior de la célula. las antiportadoras, acarrean dos sustancias en direcciones opuestas.

Algunos de los materiales más grandes, como moléculas de gran tamaño, las partículas de alimentos, o incluso células pequeñas, también se mueven dentro o fuera de las células. Son trasladados por exocitosis y endocitosis. Al igual que el transporte activo, estos procesos requieren un gasto de energía directamente de la célula.

En la exocitosis, una célula expulsa productos de desecho, o productos de secreción como las hormonas, mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática En la endocitosis, los materiales son incorporados en la célula. Varios tipos de mecanismos de endocitosis operan en los sistemas biológicos, incluyendo la fagocitosis, pinocitosis y la endocitosis mediada por un receptor

En la fagocitosis (“células comiendo”)la célula ingiere partículas grandes de sólidos como alimento o bacterias La vacuola puede entonces fusionarse con los lisosomas, que degradan el material ingerido. En la pinocitosis (“células bebiendo”) la célula toma los materiales disueltos

endocitosis mediada por receptores, moléculas específicas se combinan con las proteínas del receptor en la membrana plasmática. Ejm: Las células utilizan el colesterol como un componente de las membranas celulares y como un precursor de hormonas esteroideas. El colesterol se transporta en la sangre como parte de unas partículas llamadas lipoproteínas de baja densidad (LDL, conocido popularmente como “colesterol malo”).

el colesterol que queda en la sangre en lugar de entrar en las células se puede depositar en las paredes arteriales, lo que aumenta el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Cierre de la clase La membrana celular esta compuesta por lípidos y proteínas que tienen funciones diversas Hay dos tipos de transporte que favorecen el paso de sustancias por la membrana: transporte pasivo que no requiere energía y el transporte activo que necesita ATP El paso de macromoléculas ocurre por la formación de vacuolas gracias a la endocitosis y exocitosis