FISIOLOGÍA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA 1.- Estructura y composición de la membrana plasmática 2.- Mecanismos generales de permeabilidad y transporte a través.

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1 FISIOLOGÍA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA 1.- Estructura y composición de la membrana plasmática 2.- Mecanismos generales de permeabilidad y transporte a través de la membrana plasmática. Transporte pasivo: difusión simple y difusión facilitada. Transporte activo: transporte activo primario y transporte activo secundario. Transporte vesicular: Endocitosis, Exocitosis. 3.- Estructura y propiedades de los canales iónicos 4.- Fisiología general de la comunicación celular Tipos de comunicación celular y mecanismos generales Clasificación de las moléculas señalizadoras o mensajeros químicos Tipos y funciones de receptores de los mensajeros químicos Vías de transducción intercelular de las señales

2 Qué entendemos por FISIOLOGÍA 1.- (Del lat. physiologĭa, y este del gr. φυσιολογ ί α). f. Ciencia que tiene por objeto el estudio de las funciones de los seres orgánicos (RAE). 2.- (del griego physis, naturaleza, y logos, conocimiento, estudio) es la ciencia biológica que estudia las funciones de los seres orgánicos (Wikipedia). La fisiología tiene varias ramas: Fisiología celular, de tejidos, de órganos, veterinaria o animal, humana, y comparada. Qué entendemos por FISIOLOGÍA CELULAR

3 Qué entendemos por FISIOLOGÍA Es el estudio de las funciones y de la actividad coordinada de Células, tejidos y órganos

4 Es el mantenimento de las condiciones estables, o constantes, del medio interno (Bernard, 1856) Concepto de Homeostasis

5 Sistema nervioso (Rápida adaptación) -sensitiva -de integración Sistema N. Central -motora Hormonal (Adaptación lenta) La reproducción(?)…. Sistema de adaptación de un grupo Qué se controla con la Homeostasis

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7 1. Todos los seres vivos están formados por células o por sus productos de secreción. La célula es la unidad estructural de la materia viva, y dentro de los diferentes niveles de complejidad biológica, una célula puede ser suficiente para constituir un organismo. 2. Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, controladas por sustancias que ellas secretan. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su medio. En una célula caben todas las funciones vitales, de manera que basta una célula para tener un ser vivo (que será un ser vivo unicelular). Así pues, la célula es la unidad fisiológica de la vida. 3. Todas las células proceden de células preexistentes, por división de éstas. Es la unidad de origen de todos los seres vivos. 4. Cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente generación celular. Así que la célula también es la unidad genética. Concepto moderno de la Teoría Celular

8 La membrana plasmática Espesor 7-10 nm 1.- Estructura y composición

9 Cada célula está limitada por una membrana celular que actúa para: 1.Conservar la integridad estructural de la célula 2. Controlar el movimiento se sustancias 3. Regular interacciones entre las células 4. Reconocer mediante receptores, antígenos o células extrañas 5. Actuar como un interfaz entre el citoplasma y el medio externo 6. Establece sistemas de transporte para moléculas específicas 7. Transferir señales físicas o químicas extracelulares a fenómenos intracelulares La membrana plasmática Funciones:

10 Micrografía electrónica -Plasmalema tiene alrededor de 7,5 nm de grosor -Estructura trilaminar

11 sbarrazaar@hotmail.com

12 1.Cara P: superficie externa de la hojuela Interna 2.Cara E: superficie interna de la hojuela externa

13 Composición de la Membrana LÍPIDOS Fosfolípidos Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas. anfipáticas Cabezas → Hidrofilicas Colas → son no polares, por lo cual presentan fobia por el agua (Hidrofóbicas).

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15 -Flip- Flop - Difusión Lateral - Rotación - Flexión Movimientos de los fosfolípidos

16 Colesterol

17 La membrana plasmática Proteína 10% Fosfolípidos 75% Colesterol 5% otros lípidos 4% Carbohidratos 3% Estructura y composición

18 Carbohidratos Los glúcidos de la membrana se presentan en forma de oligosacaridos. En todos los casos se encuentran unidos en forma covalente a lípidos, constituyendo glucolípidos, o a proteínas, constituyendo las glucoproteínas.

19  90% glucoproteína  10% glucolípido Función : 1)Carga 2)Adhesión entre células diferentes 3)Receptores para otras moléculas 4)Receptores para el reconocimiento inmunitario Carbohidratos de membrana (el glucocáliz)

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21 Las Proteínas de la membrana Principalmente glucoproteinas  Integrales (o intrínsecas) hidrofóbicas  Periféricas (o extrínsecas) hidrofílicas uniones débiles  Canales de proteínas (poros)  Proteínas de transporte (acarreadoras)  Enzimas

22 Los lípidos de membrana Doble capa de fosfo lípidos Etanolamina Serina Colina inositol

23 Modelo de mosaico líquido Difusión lateral Flip flop Rotación Flexión colesterol

24 Activo Pasivo Transporte en la membrana celular Transporte no mediado Pasivo Difusión por canales Difusión a través de la capa lipídica Transporte mediadoTransporte vesicular Transporte activo primario Activo Transporte activo secundario Pasivo Difusión por transportadores Ósmosis Difusión simple

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27 2. Mecanismos generales de permeabilidad y transporte a través de la membrana plasmática 1.Difusión pasiva: Respiración. 2.Difusión facilitada: Iónica 3.Transporte activo: Glucosa, aminoácidos

28 1.Transporte pasivo. Es un proceso de difusión de sustancias a través de la membrana. Se produce siempre a favor del gradiente, es decir, de donde hay más hacia el medio donde hay menos. Este transporte puede darse por: 1.1.Difusión simple. Es el paso de pequeñas moléculas a favor del gradiente; puede realizarse a través de la bicapa lipídica o a través de canales proteicos. Transporte en la membrana celular

29 Difusión

30 Factores que afectan la velocidad de difusión Gradiente de concentración Flujo neto de moléculas (difusión) desde la zona mas cercana al punto inicial de difusión hacia las zonas mas alejadas, esto que es simplemente una consecuencia estadística de la suma de un gran número de movimientos aleatorios se produce siguiendo las líneas de mayor diferencia de concentración, es decir de acuerdo al gradiente de concentración de un soluto dentro de una solución. Temperatura Tamaño de la masa de la sustancia Área superficial de la membrana Distancia de difusión

31 1.1.2. Difusión simple a través de la bicapa. Así entran moléculas lipídicas como las hormonas esteroideas, anestésicos como el éter y fármacos liposolubles. Y sustancias apolares como el oxígeno y el nitrógeno atmosférico. Algunas moléculas polares de muy pequeño tamaño, como el agua, el CO2, el etanol y la glicerina, también atraviesan la membrana por difusión simple. La difusión del agua recibe el nombre de ósmosis Transporte en la membrana celular

32 Ósmosis Osmosis: Es el movimiento neto de agua por efecto de una diferencia de concentración entre los dos lados de la membrana. El flujo de agua de una parte a lo otra está condicionado directamente por el gradiente de concentración. La tendencia del agua a moverse puede ser equilibrada por una presión determinada H2OH2O NaCl Presión osmótica

33 Presión osmótica La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable.

34 1.1.3. Difusión simple a través de canales. Se realiza mediante las denominadas proteínas de canal. Así entran iones como el Na+, K+, Ca2+, Cl-. Las proteínas de canal son proteínas con un orificio o canal interno, cuya apertura está regulada, por un ligando, como ocurre con neurotransmisores u hormonas, que se unen a una determinada región, el receptor de la proteína de canal, que sufre una transformación estructural que induce la apertura del canal. Transporte en la membrana celular

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36 Apertura y cierre de las puertas: 1.Puertas dependientes de voltaje (compuertas de voltaje) 2.Puertas de control Químico (compuerta ligando) 12

37 Canales de proteína 1.Permeabilidad Selectiva 2.Presenta muchas puertas (puentes) Selectividad: condicionada a diámetro, forma y naturaleza de la carga eléctrica Canales de sodio Canales de potasio

38 Canales iónicos No se unen al soluto, sino forman poros hidrofílicos permitiendo el paso exclusivo de iones Transporte rápido No sufre cambios conformacionales Compuertas de abertura Poros hidrofílicos

39 Difusión a través de la membrana celular 1.Difusión simple Liposolubles O 2, N 2, CO 2, alcohol No liposolubles H 2 O, urea 2.Difusión facilitada Glucosa Aminoácidos

40 1.2. Difusión facilitada. Permite el transporte de pequeñas moléculas polares, como los aminoácidos, monosacáridos, etc, que al no poder atravesar la bicapa lipídica, requieren que proteínas trasmembranosas faciliten su paso. Estas proteínas reciben el nombre de proteínas transportadoras o permeasas que, al unirse a la molécula transportadora sufren un cambio en su estructura que arrastra a dicha molécula hacia el interior de la célula. Transporte en la membrana celular

41 Difusión facilitada Mediada por un transportador Glucosa varios monosacáridos Aminoácidos Vitamina B La Insulina puede aumentar hasta 20 veces la velocidad de difusión de la glucosa

42 Transporte en la membrana celular 1234

43 Transporte mediado Activo Transporte activo primario Pasivo Difusión facilitada Activo Transporte activo secundario

44 2. Transporte activo. En este proceso también actúan proteínas de membrana, pero éstas requieren energía, en forma de ATP, para transportar las moléculas al otro lado de la membrana. Se produce cuando el transporte se realiza en contra del gradiente electroquímico. Son ejemplos de transporte activo la bomba de Na/K, y la bomba de Ca. Transporte en la membrana celular

45 2.1. La bomba de Na+/K+ Requiere una proteína transmembranosa que bombea Na+ hacia el exterior de la membrana y K+ hacia el interior. Esta proteína actúa contra el gradiente gracias a su actividad como ATP-asa, ya que rompe el ATP para obtener la energía necesaria para el transporte.

46 Transporte activo Lo realizan proteínas transportadoras con utilización de energía PRIMARIO SECUNDARIO La energía deriva de un “almacenamiento energetico” realizado en un T.A. primario ATP

47 Bomba de sodio y potasio Traslada iónes Na+ al medio externo de la célula y hace fluir iones K+ al interior Está presente en todas las células del cuerpo Es responsable del mantenimiento de las diferencias de concentración del Na+ y el K+ entre exterior e interior de la célula Es responsable del potencial eléctrico negativo al interior Y a la base del proceso de transmisión de las señales en el sistema Transporte activo primario

48 Bomba de sodio y potasio Funciones Control del volumen celular Efecto electrogénico

49 Bomba de sodio y potasio

50 Transporte activo secundario Uniporte Un soluto en particular se mueve directamente a través de la membrana en una dirección. Cotransporte Conocido como simporte dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultáneamente y en el mismo sentido. Frecuentemente, un gradiente de concentración, que involucra a uno de los solutos transportados, impulsa el transporte del otro; por ejemplo, un gradiente de concentración de iones Na+ frecuentemente impulsa el cotransporte de moléculas de glucosa. Antiporte Dos solutos diferentes se mueven a través de la membrana, simultánea o secuencialmente en sentidos opuestos. La bomba Na + - K + es un ejemplo de sistema de cotransporte que implica un antiporte.

51 Transporte activo secundario Cotransporte o symport Contratransporte o antiport H + (Ca 2+ )Na + GlucosaNa + Unitransporte o uniport

52 Transporte activo secundario

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55 Transporte en la membrana celular Endocitosis Exocitosis Transporte vesicular Mediada por r.PinocitosisFagocitosis NeurotransmisoresHormonas VIHG. Bcos. Gotas ext. Enzimas digestivas

56 Transporte vesicular La endocitosis es un proceso celular que consiste en la invaginación de la membrana citoplasmática, formando una vesícula con contenido diverso que es así transportado del exterior de la célula al interior.celularinvaginación membrana citoplasmática La endocitosis es el método que utilizan las neuronas para recuperar un neurotransmisor liberado en la brecha sináptica, para ser reutilizado. Sin este proceso, se produciría un fracaso en la transmisión del impulso nervioso entre neuronas.neuronas neurotransmisorbrecha sinápticaimpulso nervioso

57 Transporte vesicular La exocitosis es el proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática, liberando su contenido.citoplasma membrana citoplasmática La exocitosis se observa en muy diversas células secretoras, tanto en la función de excreción como en la función endocrina.célulasexcreción También interviene la exocitosis en la secreción de un neurotransmisor a la brecha sináptica, para posibilitar la propagación del impulso nervioso entre neuronas. La secreción química desencadena una despolarización del potencial de membrana, desde el axón de la célula emisora hacia la dendrita (u otra parte) de la célula receptora.secreciónneurotransmisorbrecha sinápticaimpulso nerviosoneuronasdespolarización potencial de membrana axón dendrita

58 FIN

59 El transporte vesicular El transporte en el S. Vacuolar Citoplasmático se lleva a cabo por medio de vesículas, pequeñas bolsas limitadas por membrana que se desprenden como brotes de un compartimento dador y viajan por el citosol hasta alcanzar el compartimento receptor; entonces se fusionan a este último.

60 El transporte vesicular Cada vesícula tiene un continente (la membrana) y un contenido (su naturaleza dependerá de cuál sea el compartimento dador); ambos se desplazan de un compartimento a otro. Cuando se produce la fusión al compartimento receptor, el contenido de la vesícula se vuelca al lumen del mismo. La membrana vesicular, por su parte, se incorpora a la membrana receptora. Si la estructura diana es la membrana plasmática, entonces el contenido es vertido al medio. En su trayecto de una cisterna a otra, las vesículas son movidas por elementos del citoesqueleto.

61 El transporte vesicular

62 Exocitosis

63 El transporte vesicular Endocitosis

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65 Fagocitosis y Pinocitosis Moléculas demasiado grandes para los canales. Membrana cubre la partícula. Membrana se corta y forma vesícula. SOLIDOS  FAGOCITOSIS LÍQUIDOS  PINOCITOSIS

66 Fagocitosis Extensión de Pseudópodos Encierra Ingresa vesícula Detecta Participa el citoesqueleto celular. Hay gasto de ATP

67 Micrografía electrónica de un neutrófilo fagocitando bacteria.

68 Fagocitosis Células engullen partículas grandes como bacterias, desechos celulares o incluso otras células. La unión de las partículos a receptores de membrana de la célula fagocítica dispara la formación de Pseudópodos. Los pseudópodos rodean la partícula y se funden para formar un fagosoma. Fagosomas se unen a lisosomas: fagolisosoma, para digerir el material.

69 Pinocitosis Detecta Invagina VesículaUSO Ingreso de fluidos Vesícula pinocítica Proceso común en eucariontes.

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71 Exocitosis Vesícula Adherencia Fusión Liberación

72 Exocitosis Opuesto a endocitosis. Vesícula exocítica se fusiona con membrana celular. Liberación al extracelular. Membrana de vesícula incorporada a membrana celular. Participa citoesqueleto celular. Usa energía.

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74 Micrografía electrónica: secreción de insulina de una vesícula secretoria de una célula pancreática tipo b.

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76 Endocitosis Mediada por Receptores Ligando Receptor Membrana invagina, forma vesícula Endosoma separan Reciclado de receptores EXOCITOSIS Formación Lisosoma ESPECÍFICO Enzimas

77 Endocitosis Mediada por Receptores Mecanismo selectivo para el ingreso de moléculas. Las macromoléculas a ingresar se unen a receptores específicos de membrana. Receptores acumulados en regiones de membrana especializadas (citoesqueleto).

78 Endocitosis Mediada por Receptores Formación de hoyos cubiertos de Clatrina por invaginación de membrana. Se liberan vesículas revestidas de Clatrina que contienen macromoléculas unidas a su receptor. Vesícula se fusiona con endosoma y se distribuyen sus contenidos.

79 Ingreso de lipoproteínas al oocyto de gallinas para formar la yema. Clathrin coated pits invaginaciónClathrin coated vesicles

80 Esqueleto triple de Clatrina Probable estructura de una vesícula cubierta de clatrina

81 Macromolécula de LDL. Colesterol esterificado y ácidos grasos en el interior. Monocapa de fosfolípidos. Proteína mediadora de unión específica a células.

82 Schematic diagram of an LDL particle.

83 Endocitosis mediada por receptor. LDL y su receptor. Similar a insulina y hormonas internalizadas por endocitosis mediada por receptores. Hoyo cubierto de Clatrina Endosoma temprano 1 min segundos

84 Unión con vesícula seleccionadora Endosoma tardío

85 Mutación del Receptor, no se une a hoyo revestido de clatrina. No ingresa a la célula. Hipercolesterolemia.

86 SIDA Endocitosis Mediada por Receptores Virus de HIV Linfocito T Unión Receptores CD4

87 CAMINOS POSIBLES DE RECEPTORES INGRESADOS POR ENDOCITOSIS

88 Canales iónicos

89 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS DE CANALES IÓNICOS Los canales proteicos forman simplemente poros abiertos en la membrana, permitiendo a moléculas de tamaño y carga apropiados pasar libremente a través de la bicapa lipídica. –Porinas, que permiten el libre paso de iones y pequeñas moléculas polares a través de la membrana exterior de bacterias. –Canales proteicos de agua, que permiten a las moléculas de agua cruzar la membrana mucho más rápidamente de lo que puede difundir a través de la bicapa fosfolipídica. –Canales iónicos, que median el paso de iones a través de la membrana plasmática. Aunque dichos canales se encuentran en las membranas de todas las células, son de relevante importancia en: Nervio Músculo –Son responsables de la transmisión de señales eléctricas.

90 Propiedades relevantes de los canales iónicos para su función: El transporte de iones a través de estos canales es extremadamente rápido. Más de un millón de iones por segundo puede fluir a través de ellos (10 7 -10 8 iones/sg). Flujo mil veces mayor que la velocidad de transporte de una proteína transportadora. Son altamente selectivos a un tipo de ion. En algunos casos su apertura y cierre puede encontrarse regulada en respuesta a estímulos específicos.

91 1.Canales regulados por ligandos: abren en respuesta a la unión de determinados neurotransmisores u otras moléculas 2.Canales regulados por voltaje: abren en respuesta a cambios en el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática 3.Canales regulados por un impulso mecánico: abren en respuesta a una acción mecánica Propiedades relevantes de los canales iónicos para su función

92 Propiedades de los canales iónicos regulados por voltaje que permiten a las células nerviosas conducir impulsos eléctricos: 1.Abren en respuesta a cambios en el potencial de membrana 2.Posteriormente el canal se cierra e inactiva 3.Presentan una especificidad exquisita por los iones a los que permiten pasar. 4.Inactivación. Cierre espontáneo. PROPIEDADES MOLECULARES DE LOS CANALES IÓNICOS REGULADOS POR VOLTAJE

93 Modelo esquemático de un canal iónico regulado por voltaje

94 CICLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN CANAL DE Na+ REGULADO POR VOLTAJE Por información de la que actualmente se dispone se propone el siguiente mecanismo cíclico para el funcionamiento de un canal de Na+ regulado por voltaje:

95 Comunicación entre células Unión adherente (Adhesion junction) Unión firme (Thight junction) Unión de la hendidura (Gap junction)

96 1) Mediante mensajes químicos 2) Mediante mensajes eléctricos El mensaje de naturaleza química puede venir de la célula a sí misma (comunicación autocrina) o a las células adyacentes (comunicación paracrina) por difusión simple, o bien utilizando sistemas de secreción especializados, como las sinapsis (comunicación nerviosa), o bien todavía vaciando sustancias en la sangre (comunicación endocrina) Cómo se comunican las células

97 Comunicación química Endocrina Epicrina Autocrina Paracrina neurocrina

98 Comunicación eléctrica Sinapsis eléctrica Sincitio miocárdico

99 La respuesta de una célula depende de los receptores (específicos y de alta afinidad)

100 Transducción de la señal Al unirse la hormona con el sitio efector, se inicia la transducción, la cual puede interaccionar con otros componentes celulares. Las hormonas esteroideas y tiroideas son liposolubles y entran a las células libremente y se unen a las proteínas del citosol. Los complejos resultantes translocan al núcleo donde se unen a elementos regulatorios en el DNA estimulando o inhibiendo la transducción de genes específicos. Todas las demás hormonas se unen a los receptores celulares localizados en la membrana de la célula blanco.

101 Transducción de la señal Sistema en cascada: Un mecanismo de transducción de cascada es un sistema de amplificación donde una reacción inicial resulta en la generación de múltiples reacciones secundarias que se desencadenan a partir de una primera.

102 Traducción de la señal Señal IP3 Calcio Fosfolipasa g Proteína G