La membrana plasmática separa el citosol del espacio extracelular. De acuerdo con el “Modelo del Mosaico Fluido”, su matriz o entramado básico es una bicapa lipídica en la cual se encuentran embebidas las proteínas integrales de membrana ( glicoproteínas ). Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 1 Dibujo tomado de

La composición de las membranas es muy variable dependiendo del tipo celular. También existen diferencias importantes debidas a determinadas patologías. También existen diferencias entre las membranas de distintos orgánulos celulares y la membrana plasmática Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 2 Composición de la membrana plasmática : Datos de la Tabla : Molecular Cell Biology. Lodish et al En la membrana plasmática existen 3 componentes fundamentales : Lípidos, Proteínas y Glícidos. Los glícidos están en forma de gliciproteínas y glicolípidos. Membrana% Proteína% Lípido% Carbohidrato Mielina18793 Plasmática de Eritrocito humano Mitocondrial interna76240

La composición de la bicapa lipídica también es muy variable. Esencialmente podemos diferenciar 3 tipos de Lípidos : Fosfolípidos, Glucolípidos y Colesterol Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 3 Datos de la Tabla : Bioquímica Voet & Voet. Ed. Omega Los Glucolípidos son un componente minoritario de las membranas plasmáticas. Representa en torno al 10 % en eritrocitos sobre el total de lípido de membrana (porcentaje de peso / peso de lípido). Los componentes mayoritarios de la bicapa lipídica son los Fosfolípidos y el Colesterol. Lípido% en Eritrocito% en Mielina Acido Fosfatídico Fosfatidilcolina1910 Fosfatidiletanolamina1820 Fosfatidilserina8.5 Fosfatidilinositol11 Esfingomielina Glucolípidos1026 Colesterol2526 Estos valores se refieren a porcentaje de peso / peso de lípido

MP eritr MP hepat RER hepat REL hepat EN hepat GOL hepat Lis hepat Mit OM hepat Mit IM hepat Proteínas Lípidos Totales Acido Fosfatídico Fosfatidil-colina Fosfatidil- etanolamina Fosfatidil-serina Fosfatidil-inositol Fosfatidil-glicerol 22 Cardiolipina 5316 Esfingomielina Glucolípios 37 Colesterol Otros Estructura General de la membrana plasmática 4 Composición de las membranas de diferentes orgánulos celulares Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Tabla Tomada de :

Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 5 Esto quiere decir que la ratio Ch / PL ( Colesterol / Fosfolípido ), cuando se expresa en % peso sobre lípido total es aproximadamente : ratio = 25% / 65% = ratio Ch/PL = 25% / 65% = Sin embargo esta forma de expresar la ratio entre dos moléculas que tienen un papel estructural no es muy acertada. Es mas correcto el uso de la ratio molar; es decir, la proporción moles de Colesterol / moles de Fosfolípidos ratio Ch/PL = moles de Colesterol / moles de Fosfolípidos El Colesterol (C 27 H 46 O ) tiene un Peso Molecular MW = Un Fosfolípido como la 1-Oleoil-2-palmitoil-sn-glicero-3-fosfocolina (C 42 H 82 NO 8 P) tiene un Peso Molecular MW = El Peso Molecular del Colesterol es casi el doble que el de este Fosfolípido

Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 6 Datos de la Tabla : James S. Owen,’ K. Richard Bruckdorfer, Richard C. Day, and Neil McIntyre. Journal of Lipid Research Volume 23, 1982 En la siguiente tabla podemos ver los valores obtenidos para esta relación molar en Eritrocitos humanos, y como esta relación molar se modifica en algunas patologías. En este trabajo se compara la composición de membrana de eritrocitos en personas normales y pacientes con una patología hepática. Vemos que los normales tienen una ratio de Ch/PL = 0.85, mientras en los enfermos alcanza un valor Ch/PL = 1.05 Es decir que el número de moléculas de Colesterol es normalmente algo menor a las de Fosfolípidos, pero en algunos estados patológicos puede ser superior al de moléculas de Fosfolípidos.

Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 7 Datos Tabla : James S. Owen,' Ronald A. Hutton, Richard C. Day, K. Richard Bruckdorfer, and Neil McIntyre Journal of Lipid Research Volume 22, 1981 En la siguiente Tabla vemos como cambia la relación Ch / PL de un tipo celular a otro Aquí podemos ver las diferencias en la ratio Ch / PL entre Eritrocitos normal ( 0.87 ) y la de Plaquetas del mismo origen ( 0.57 ), semejante al que han publicado otros autores para los Sinaptosomas ( 0.52 ).

Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 8 Los cambios en la proporción de Colesterol en la membrana tienen como consecuencia cambios en la fluidez de la misma. Vemos como el índice de fluidez de la membrana L.O.P. ( indice que aumenta cuando disminuye la fluidez ) aumenta de una forma lineal con el incremento en la ratio Ch/PL. Es decir, la fluidez disminuye linealmente al aumentar la concentración de Colesterol. Palabras “difíciles” : Jaundice : Ictericia Datos de la Figura : James S. Owen,’ K. Richard Bruckdorfer, Richard C. Day, and Neil McIntyre. Journal of Lipid Research Volume 23, 1982

FIGURE 7 Scanning electron micrographs of cholesterol-rich red cells. All cells are from the same preparation. The range of morphologic variation is shown. Estructura General de la membrana plasmática 9 Los incrementos en la proporción de Colesterol en la membrana hacen a estas mas rígidas y frágiles. Las células pueden verse afectadas en su forma. En la fotografía pueden verse Eritrocitos cuyas membranas han sido enriquecidas en Colesterol. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Fotografías tomadas de : R A Cooper, E C Arner, J S Wiley, and S J Shattil. J Clin Invest January; 55(1): 115–126.

Estructura General de la membrana plasmática 10 La estructura de los fosfolípidos les permite formar bicapas lipídicas de una forma “espontanea” cuando se encuentran en medio acuoso. Veamos la estructura típica de un Fosfoacilglicerol como es la Fosfatidilserina. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Cola apolar formada por las cadenas de 2 Acidos Grasos Cabeza polar cargada Representación esquemática Estructura tomada de :

Estructura General de la membrana plasmática 11 La estructura de los fosfolípidos les permite formar bicapas lipídicas de una forma “espontanea” cuando se encuentran en medio acuoso. Cuando los Fosfolípidos de cola doble se añaden a agua y se agita fuertemente o se sonica, se obtienen liposomas. Agregación cola – cola e interacción cabeza - agua Liposoma Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

El uso experimental de liposomas ha permitido conocer las propiedades de las membranas. Estructura General de la membrana plasmática 12 Así, se pueden construir membranas artificiales mediante la adición de Proteínas a los liposomas. Proteínas de membrana Membrana artificial Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Los liposomas se pueden utilizar para vehicular fármacos. Los liposomas se pueden utilizar también para transfectar células; es decir, para introducir genes u otros fragmentos de DNA en el interior de las células. Molécula de DNA circular ( Plásmido ) Transfección integración Estructura General de la membrana plasmática 13 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Difusión de los fosfolípidos en las membranas : Estructura General de la membrana plasmática 14 Los fosfolípidos sufren varios tipos de movimiento dentro de la membrana : Movimiento rotacional Intercambio transversal o “flip-flop” Difusión lateral Flexión de las cadenas alifáticas El Movimiento rotacional es rápido y espontáneo Eje de rotación Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Estructura General de la membrana plasmática 15 Los fosfolípidos sufren varios tipos de movimiento dentro de la membrana : Movimiento rotacional Intercambio transversal o “flip-flop” Difusión lateral Flexión de las cadenas alifáticas El Intercambio transversal o “flip-flop” es termodinámicamente muy desfavorable. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Estructura General de la membrana plasmática 16 Los fosfolípidos sufren varios tipos de movimiento dentro de la membrana : Movimiento rotacional Intercambio transversal o “flip-flop” Difusión lateral Flexión de las cadenas alifáticas La Difusión lateral es rápida y espontánea Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Estructura General de la membrana plasmática 17 Los fosfolípidos sufren varios tipos de movimiento dentro de la membrana : La Flexión de las cadenas alifáticas de Acidos Grasos Insaturados y Polinsaturados es rápida y espontánea. Esto, junto al movimiento de rotación produce un “aleteo” continuo en la bicapa lipídica que es el fundamento de la fluidez de la membrana. El colesterol es una molécula plana que se intercala entre los Fosfolípidos y reduce la fluidez. Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Movimiento rotacional Intercambio transversal o “flip-flop” Difusión lateral Flexión de las cadenas alifáticas Saturados Insaturado

La distribución de los Fosfolípidos entre ambos lados de la membrana plasmática es asimétrica. Cada Fosfolípido se dispone preferentemente en un lado u otro de la membrana. Estructura General de la membrana plasmática 18 Cara externa de la membrana Mayor proporción lípidos con Colina Cara interna de la membrana Mayor proporción Aminofosfolípidos 50 % 25 % Fosfolípidos Totales EM Esfingomielina PC Fosfatidilcolina PE Fosfatidiletanolamina PS Fosfatidilserina

Dibujo Tomado de : Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 19 In steady state, the choline containing phospholipids, sphingomyelin (SM) and phosphatidylcholine (PC) are mainly found on the outside of the bilayer while the aminophospholipids are mainly (phosphatidylethanolamine, PE), or exclusively (phosphatidylserine, PS), found in the inner monolayer. This organization is maintained by an active set of transport systems that "flip" and "flop" phospholipids across the membrane. The flipase actively transports aminophospholipids from the outer to the inner monolayer, while the scramblase, when activated, moves all phospholipids in both directions, thereby scrambling the phospholipid distribution. PS exposed on the surface forms a docking site for hemostatic factors such as the prothrombinase complex (factor Xa, Va and II). In addition, PS is recognized by macrophages and interacts with proteins such as annexin V

La creación y el mantenimiento de esta asimetría requiere de procesos enzimáticos. Estos procesos son catalizados por los enzimas : Estructura General de la membrana plasmática 20 Flipasa. Este enzima transporta los Fosfatidilserina y Fosfatidiletanolamina desde la cara externa de la membrana a la interna, a alta velocidad y de una forma ATP dependiente. A este enzima se le llama también Translocasa. Se conocen varias formas que se agrupan en la familia de transportadores MDR-ABC ( ATP BINDING CASETTE ) que son P-Glicoproteínas de Resistencia a Multidrogas : ABCB4 / PGY3 / MDR3, ABCB1 / PGY1 / MDR1, ABCA4 / ABCR / RMP, Existe también una flipasa de Colesterol llamada ABCA1.Translocasa familia de transportadores MDR-ABC ( ATP BINDING CASETTE ) ABCB4 / PGY3 / MDR3ABCB1 / PGY1 / MDR1ABCA4 / ABCR / RMP Existe también una flipasa de Colesterol llamada ABCA1. Flopasa. Este enzima transporta inespecíficamente fosfolípidos desde la cara interna de la membrana a la externa, a baja velocidad y de una forma ATP dependiente. Es la Proteína Asociada a la Resistencia a Multidroga ABCC1 / MRP1ABCC1 / MRP1 Scramblasa. Este enzima causa una homogeneización en la distribución de los fosfolípidos a ambos lados de la membrana. Lo hace mediante la catálisis de un rápido movimiento bidireccional entre las dos hojas de la membrana. Este enzima se activa con un incremento en la concentración de calcio intracelular. Se conocen varias formas : PHOSPHOLIPID SCRAMBLASE 1; PLSCR1, PLSCR2, PLSCR3, PLSCR4 PHOSPHOLIPID SCRAMBLASE 1; PLSCR1 PLSCR2PLSCR3PLSCR4 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid

Dibujo Tomado de : Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid En este dibujo podemos ver la actividad de Flipasas, Flopasas y Scramblasas Estructura General de la membrana plasmática 21

Estructura General de la membrana plasmática 22 Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Proteínas Periféricas Proteínas Integrales Las Proteínas integrales tienen dominios Extracelular, Transmembrana e Intracelular o Citosólico.

Veamos nuevamente un esquema tridimensional del “Modelo del Mosaico Fluido”. La Matriz o entramado básico es una bicapa lipídica en la cual se encuentran embebidas las proteínas integrales de membrana ( glicoproteínas ). Observemos la parte glicídica de Glicoproteínas y Glicolípidos desplegada al espacio extracelular Realizado por Dr. A. Martínez-Conde & Dra P. Mayor Dep. Bioquímica y Biología Molecular Fac. Medicina Universidad Complutense de Madrid Estructura General de la membrana plasmática 23 Dibujo tomado de