LOGO Dr. William Beltrán Mejía Bases iónicas de la Membrana Celular Neurofisiología.

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1 LOGO www.themegallery.com Dr. William Beltrán Mejía Bases iónicas de la Membrana Celular Neurofisiología

2 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Forma el límite externo continuo del cuerpo celular y sus prolongaciones.  En la neurona es el sitio de iniciación y conducción del impulso nervioso. Neurofisiología

3 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Morfología  Tiene aprox 8nm de espesor, por lo que es demasiado delgado para verse al microscopio óptico.  Al microscopio electrónico aparece como 2 líneas oscuras con una línea clara entre ambas.  Está compuesta por 2 capas interna y externa de moléculas proteicas. Neurofisiología

4 LOGO www.themegallery.com Fig. 4.1 - Microfotografía electrónica de transmisión de una membrana plasmática. Se pueden ver tres líneas paralelas, dos líneas densas alos electrones (2,5 - 3 nm) separada por una capa intermedia clara (3,5-4 nn). Este aspecto conocido como unidad de membrana no es reflejo de una estructura trilaminar a nivel molecular, sino es la expresión de como el osmio, usado como "colorante" se une a la membrana. Neurofisiología

5 LOGO www.themegallery.com Funciones de la membrana plasmática 1.Definen la extensión de la célula y establecen sus límites. 2.Constituyen barreras selectivamente permeables. 3.Controlan las interacciones de la célula con el medio extracelular. Permite a las células reconocerse, adherirse entre si cuando sea necesario e intercambiar materiales de información. 4.Intervienen en la respuesta a señales externas a la célula. La membrana posee receptores capaces de reconocer y responder a señales provenientes del medio extracelular portando información especifica Neurofisiología

6 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Morfología  Modelo bicapa lipídica. Neurofisiología

7 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Morfología  Modelo mosaico fluido.( propuesto en 1972 por Singer y Nicholson ) Neurofisiología

8 LOGO www.themegallery.com Composición de las membranas biológicas Membrana Celular 3. Proteínas 2. Lípidos 1. Glúcidos Neurofisiología

9 LOGO 1. Lípidos  La variedad es muy amplia:  Todas son moléculas anfipáticas (sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar)  Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. www.themegallery.com Neurofisiología

10 LOGO www.themegallery.com Esquema de un fosfolípido Corte esquemático de una vesícula de fosfolípidos Neurofisiología

11 LOGO 1. Lípidos  Los fosfolípidos más frecuentes son:  Fosfatidiletanolamina  Fosfatidilcolina  Fosfatidilserina y  La esfingomielina.  Los fosfolípidos de las membranas son DIACILGLICERIDOS. www.themegallery.com Neurofisiología

12 LOGO 1. Lípidos  Colesterol:  Es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana plasmática.  Su concentración varía mucho de un tipo de membrana a otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el 50% del total de los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y bacterianas carecen de colesterol.  Es una molécula anfipática, presenta una orientación similar a la de los fosfolípidos: el grupo hidroxilo (polar) se orienta hacia el exterior de la bicapa y el sector hidrofóbico hacia el interior de la misma. www.themegallery.com Neurofisiología

13 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología Esquema de ubicación del colesterol en la membrana plasmática

14 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología Esquema de ubicación del colesterol en la membrana plasmática

15 LOGO 1. Lípidos  Funciones del Colesterol:  Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol, la membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica.  Previene el compactamiento de las cadenas hidrocarbonadas a bajas temperaturas, ya que evita que las colas se junten, aumenten las interacciones débiles entre las mismas y se “cristalicen” (adopten una estructura muy compacta). www.themegallery.com Neurofisiología

16 LOGO www.themegallery.com 2. Proteínas  Funciones  Funciones: Las proteínas son los responsables de una gran parte de las funciones especializadas de la membrana plasmática. Existen diversos tipos de Proteínas que pueden actuar como: 1.- Elementos estructurales de la membrana 2.- Receptores para hormonas y otros mensajeros químicos. 3.- Transportadores de nutrientes e iones a través de la membrana. 4.- Enzimas catalizadores de reacciones en la superficie de la membrana. 5.- Marcadores celulares que pueden ser conocidos por el sistema inmunitario. Neurofisiología

17 LOGO www.themegallery.com Tipos de proteínas  Según su asociación con la bicapa lipídica, las proteínas pueden ser: 1. Proteínas integrales o intrínsecas. 2. Proteínas periféricas o extrínsecas. Neurofisiología

18 LOGO www.themegallery.com Tipos de proteínas Neurofisiología  Proteínas integrales  Se encuentra firmemente adosadas en la bicapa lipídica embebidas parcial o totalmente en ella, estas ultimas se denominan proteínas transmembrana pues se extiende de un lado a otro de la membrana haciendo profusión por ambas caras y son las mas numerosas.  Las proteínas transmenbrana están implicadas en los procesos de transporte, algunos se agregan para formar canales o poros iónicos.  Otras actúan como transportadores uniéndose a una determinada sustancia, haciendo que se mueve de un lado a otro de la membrana.

19 LOGO www.themegallery.com Tipos de proteínas Neurofisiología  Proteínas periféricas  No se encuentran embebidas (unidas en contacto)en la capa lipidica si no que son como apéndices en la superficie externa o interna y estan unidas débilmente con los fosfolipidos o con proteínas integrales  Ligadas íntimamente con la membrana.  Este tipo de proteínas desarrollan funciones enzimáticos  Otras se encuentran implicadas en funciones mecánicas como por ejemplo: cambios en la morfología celular, que suceden durante los procesos de división celular, o en la contracción de las células musculares.

20 LOGO www.themegallery.com Tipos de proteínas Neurofisiología

21 LOGO 3. Glúcidos  Las membranas celulares contienen entre un 2-10% de glúcidos.  Glucolípidos y glucoproteínas.  Los hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría oligosacáridos, suelen ubicarse en la cara no citosólica de la membrana plasmática formando una estructura llamada glicocálix. www.themegallery.com Neurofisiología

22 LOGO 3. Glúcidos  Funciones glicocálix.  Proteger a la célula de agresiones mecánicas o físicas.  Poseer muchas cargas negativas, que atraen cationes y agua del medido extracelular.  Intervenir en el reconocimiento y adhesión celular. Actúan como una “huella dactilar” característica de cada célula, que permite distinguir lo propio de lo ajeno.  Actuar como receptores de moléculas que provienen del medio extracelular y que traen determinada información para la célula, por ejemplo, receptores de hormonas y neurotransmisores. www.themegallery.com Neurofisiología

23 LOGO www.themegallery.com ESQUEMA DEL GLUCOCÁLIX DE UNA CÉLULA EUCARIOTA Neurofisiología

24 LOGO www.themegallery.com Mecanismos de Transporte Membrana Celular  Las membranas celulares son impermeables a las proteínas intracelulares y a otros aniones intracelulares.  Las proteínas de transportes son transmembranas que facilitan el mov.selectivo de pocos o con frecuencia de sólo una sustancia a través de la membrana. Neurofisiología

25 LOGO www.themegallery.com Permeabilidad de Membrana  La bicapa lipídica es permeable al agua.  Su permeabilidad de otras sustancias depende del tamaño de los mismos.  Moléculas No Polares (hidrófobas): O 2 N 2 facilidad  Moléculas Polares (hidrófilas): No cargadas y pequeñas: CO 2 facilidad No cargadas y grandes: iones lentos  Iones, glucosa : conductos iónicos y prot transporte para atravesar MC. Neurofisiología

26 LOGO www.themegallery.com Permeabilidad de Membrana Neurofisiología

27 LOGO www.themegallery.com Mecanismo de Transporte Membrana Celular Tipos de Transporte Difusiónsimple DifusiónFacilitada TransporteActivo TransportePasivo Neurofisiología

28 LOGO Mecanismos transporte transmembrana

29 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Difusión simple:  Las sustancias que son apolares y liposolubles como oxigeno y nitrógeno atraviesan directamente la bicapa lipidica.  Las moléculas polares pequeñas no cargadas eléctricamente como el C02 y la urea también se difunden con rapidez a través de la membrana.  El oxigeno al estar siempre en mayor concentración en la sangre que en las células, se mueve continuamente hacia el interior de las mismas. Mientras que el dióxido de carbono ( CO2) con una mayor concentración intracelular se mueve desde las células hacia la sangre. Neurofisiología

30 LOGO www.themegallery.com Membrana Celular  Difusión simple:  Las moléculas polares grandes y sin carga como la glucosa, se difunden con mucha lentitud.  Las partículas polares y cargadas eléctricamente como los iones, que son insolubles en la bicapa lipidica, pueden difundirse a traves de la membrana si tienen el tamaño adecuado para pasar por los poros acuosos o hidrofílicos de los canales proteicos. Neurofisiología

31 LOGO Difusión Simple Neurofisiología

32 LOGO www.themegallery.com Difusión Facilitada  Proteínas Transportadoras :  Se unen a iones y a otras moléculas y luego cambian su configuración y mueven a la molécula que se le ha unido de un lado a otro de la Membrana Celular.  Las moléculas se mueven siguiendo sus gradientes químicos, de un área de mayor concentración hacia otra de menor concentración.  Por otro lado, los cationes se mueven hacia áreas cargadas negativamente, mientras que los aniones se mueven hacia áreas con cargas positivas, a favor de su gradiente eléctrico. Neurofisiología

33 LOGO www.themegallery.com Proteínas Transportadoras Neurofisiología

34 LOGO www.themegallery.com Difusión facilitada  Concepto:  Cuando las proteínas transportadoras mueven a las sustancias en dirección de sus gradientes químicos o eléctricos, no se requiere gasto de energía, y a este proceso se le conoce como difusión facilitada. Ejm: transporte glucosa. Neurofisiología

35 LOGO www.themegallery.com

36 LOGO Canales iónicos  Los canales iónicos son “poros” o “túneles” formados por una o varias proteínas transmembrana.  En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico.  Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los organoides.  Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede transportar un tipo de ion (K +, Na +, etc.).  Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (10 8 iones por segundo). www.themegallery.com Neurofisiología

37 LOGO Canales iónicos  En los mamíferos hay una familia de conductos de Na+ que son tetrámeros, cada uno de cuyas subunidades atraviesa 6 veces la membrana. www.themegallery.com Neurofisiología

38 LOGO Canales iónicos  También existen familias de conductos de Ca2+ con una estructura similar tetramérica que son producto de un único gen www.themegallery.com Neurofisiología

39 LOGO www.themegallery.com Canales iónicos: 1 Algunos son simples conductos iónicos acuosos. Algunos están continuamente abiertos. Otros presentan compuertas que abren y cierran. 2 Algunas se controlan por variación en el potencial de membrana (compuertas de voltaje). 3 Otras se abren y cierran cuando se unen a un ligando (compuertas de ligando). El ligando con frecuencia es externo. Ejm: neurotransmisor u hormona. También puede ser interno: Ca2+ IC, AMPc, Proteína G. Neurofisiología A. PASIVOS B. ACTIVOS

40 LOGO Proteínas de Transporte www.themegallery.com Difusión a través de la membrana Conducto de compuerta de voltaje Conducto de compuerta de ligando Cerrado Abierto LI Membrana Celular Citoplasma LI Citoplasma Membrana Celular Difusión facilitada Transporte activo ATP Neurofisiología

41 LOGO Diferentes tipos de canales www.themegallery.com Neurofisiología

42 LOGO www.themegallery.com Tipos de Transporte:  Transporte Activo:  Cuando se mueven en contra de sus gradientes eléctricos y químicos, por lo que requieren energía.  En las células animales esta energía se suministra por la hidrólisis del ATP.  Por esta razón la mayoría de moléculas transportadoras son ATPasas; es decir catalizan la hidrólisis del ATP.  Ejm: Na+ - K+ ATPasa (Bomba Na+ - K+) Neurofisiología

43 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología

44 LOGO Potencial de membrana  Génesis del potencial de membrana www.themegallery.com Neurofisiología IonConcentración (mmol/L de H 2 O) Potencial de Equilibrio (mV) Dentro de la célula Fuera de la célula Na + 15.0150.0+60 K+K+ 150.05.5-90 Cl - 9.0125.0-70 Potencial de membrana en reposo = - 70 mV

45 LOGO Potencial de membrana  Génesis del potencial de membrana  El gradiente de concentración para el K+ facilita su movimiento hacia el exterior de la célula a través de conductos para dicho ion.  Pero su gradiente eléctrico se orienta en dirección opuesta (hacia adentro)  En consecuencia se alcanza un equilibrio, en el cual la tendencia es “equilibrada”… www.themegallery.com Neurofisiología

46 LOGO www.themegallery.com En este estado de equilibrio hay un leve exceso de cationes en el exterior, y de aniones el interior. Esta situación se mantiene por la actividad de la Na+ - K+ ATPAasa. Neurofisiología

47 LOGO Potencial de membrana  Génesis del potencial de membrana  Por lo tanto:----  La entrada de Na+ no compensa la salida de K+ porque los conductos de este ion hacen la membrana más permeable al K+ que al Na+. www.themegallery.com Neurofisiología

48 LOGO www.themegallery.com Excitación de la membrana celular Medios Eléctricos Medios Mecánicos Medios Químicos Cambios iónicos Neurona Excitada Membrana se despolariza progresivamente. El ingreso súbito de Na+ seguido por la polaridad alterada produce POTENCIAL DE ACCIÓN. (aprox +40mV) Neurofisiología Potencial de acción

49 LOGO Potencial de membrana  Potencial de acción  Es muy breve. Dura unos 5 mseg.  La mayor permeabilidad a los iones Na+ cesa rápidamente y aumenta la permeabilidad a los iones K+, de modo que la célula retorna al estado de reposo.  Una vez generado, se propaga a lo largo de la membrana y es conducido como impulso nervioso. www.themegallery.com Neurofisiología

50 LOGO Potencial de membrana  Potencial de acción  Una vez que el impulso nervioso se ha propagado sobre una región dada de la membrana, no puede provocarse otro potencial de acción en forma inmediata.  La duración de este estado no excitable se denomina periodo refractario. www.themegallery.com Neurofisiología

51 LOGO www.themegallery.com Na + -K + ATPasa BombaSodioPotasio Heterodimero: 01 subunidad alfa y 01 subunidad beta Cataliza ATP en ADP Relación de acoplamiento 3:2 Bomba electrogénica Se encuentra en todas partes del cuerpo Se inhibe por ouabaina Glucósidos digitálicos Neurofisiología

52 LOGO www.themegallery.com Na + –K + ATPase. The intracellular portion of the subunit has a Na + - binding site (1), a phosphorylation site (4), and an ATP-binding site (5). The extracellular portion has a K + -binding site (2) and a ouabain-binding site (3). (From Horisberger J-D et al: Structure–function relationship of Na–K-ATPase. Annu Rev Physiol 1991;53:565. Reproduced, with permission, from the Annual Review of Physiology, vol. 53. Copyright © 1991 by Annual Reviews Inc.) Na + -K + ATPasa Neurofisiología

53 LOGO Bomba sodio y potasio  Subunidades:  La separación de las subunidades elimina la actividad.  La subunidad beta es una glucoproteína.  El transporte de Na+ y K+ se produce a través de la subunidad alfa.  La subunidad beta tiene un dominio que pasa a través de la membrana una sola vez y tres sitios de glucosilación extracelular, todos los cuales parecen tener fijado residuos de carbohidratos. www.themegallery.com Neurofisiología

54 LOGO Bomba sodio y potasio  Subunidades:  La subunidad alfa atraviesa la membrana 10 veces.  Las subunidades alfa y beta son heterogéneas y hasta el momento se han descrito subunidades alfa1, alfa2 y alfa3; y subunidades beta1, beta2 y beta3. www.themegallery.com Neurofisiología

55 LOGO www.themegallery.com Sub Unidad alfa EXTRACELULAR Fosoforilación Fijación ATP Fijación del Na Fijación del K Fijación ouabaína INTRACELULAR Neurofisiología Sitios de Unión

56 LOGO www.themegallery.com Las subunidades y β son heterogéneas SUBUNIDADES 2222 β1β1β1β1 3333 β3 1111 Mayoría de células Músculo, corazón, tej adiposo y cerebro Corazón y cerebro Ampliamente distribuida. Ausente en astrocitos, células vestibulares oído interno. Músculos glucolíticos de contracción rápida D β2β2β2β2 Neurofisiología

57 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología MECANISMO DE ACCIÓN DE LA ATPASA NA+/K+

58 LOGO Bomba sodio y potasio  Funciones: a. Mantener diferencias en las concentraciones de Na + y K + intra y extracelulares. b. Generar un potencial eléctrico de membrana c. Intervenir en la regulación del volumen celular. d. Generar diferencias de concentración de Na + o K + para que otros transportadores pasivos utilicen indirectamente la energía potencial acumulada en este gradiente. Como ejemplo podemos citar al: COTRANSPORTE Na + /GLUCOSA www.themegallery.com Neurofisiología

59 LOGO Transporte activo secundario  Cotransporte:  En caso del sodio con glucosa la energía de difusión que supone la separación de dos medios con diferentes concentraciones de Na+ es aprovechado para mover la glucosa junto con el Na+ hacia el interior de la célula.  Para ello es necesario la participación de una proteína transportadora que se encuentra en la membrana con un lugar de unión para el Na+ y otro para la glucosa.  Una vez que se fija ambos se produce un cambio de conformación de la proteína y la energía del movimiento del Na+ produce el desplazamiento de la glucosa hacia el interior. Existen otros contratransportadores importantes como el: sodio con aminoácidos Sodio –Potasio- cloro. Potasio -Cloro www.themegallery.com Neurofisiología

60 LOGO Transporte activo secundario  Contra transporte:  La sustancia a transportar es intracelular. Ejm: contratransporte de Na+ por Ca2+, (calcio molécula a contratarnsportar).  El sodio se une a una proteína transportadora en la superficie externa d la membrana mientras que el calcio lo hace a su lugar de unión de la proteína (lado interno de la membrana)  Una vez fijadas se produce un cambio de conformación y la energía derivada del gradiente del concentración para el sodio produce al desplazamiento del sodio hacia el interior y del calcio hacia el exterior. www.themegallery.com Neurofisiología

61 LOGO www.themegallery.com Transporte activo secundario (cotransporte) El transporte activo de Na+ se acopla al transporte de otras sustancias El transporte activo de Na+ y K+ es uno de los procesos del organismo que consume más energía más energía Es el causante de la utilización energética del 70% 1.Simportador 2.Antiportador Cuanto mayor es la velocidad de “bombeo”, más ADP se forma y El suministro de ADP disponible determina la velocidad con que se produce el ATP por fosforilación oxidativa. Neurofisiología

62 LOGO www.themegallery.com Proteínas Transporte 1 Uniportadoras Transportan una sola sustancia. 2 Simportadoras El transporte requiere la unión de más de una sustancia con la proteína de transporte y dichas sustancias se transportan juntas a través de la membrana. 3 Antiportadoras Intercambian una sustancia por otra. La Na+ - K+ ATPasa es un típico antiportador. Neurofisiología

63 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología TRES TIPOS DE TRANSPORTE MEDIADOS POR PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS

64 LOGO www.themegallery.com Ca2+ Na+ Ca2+ Na+ H+ Na+ H+ TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO ANTIPORTE Neurofisiología

65 LOGO www.themegallery.com Na+Glucosa TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO SIMPORTE Na+Glucosa Neurofisiología

66 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología

67 LOGO www.themegallery.com Membrana envuelve la sustancia progresivamente hasta formar un saco membranoso que se desprende de la membrana quedando en el interior de la célula. Sustancias son trasladadas del intra al extracelular envuelta en un saco o vesícula membranosa, vaciando su contenido al exterior. Transporte en masa ExocitosisEndocitosis Fagocitosis Hormonas, neurotransmisores, secreción de moco Pinocitosis Mediada por receptor Neurofisiología

68 LOGO Exocitosis Neurofisiología

69 LOGO www.themegallery.com Se efectúa por invaginación de la membrana plasmática y luego se unen los extremos, dando lugar a una vesícula pinocitica que encierra una pequeña porción de líquido intersticial con los correspondientes solutos disueltos Parte de la membrana plasmática y del citoplasma se expanden y rodean la partícula hasta formar el fagosoma que luego se desprende de la membrana y pasa a unirse con los lisosomas citoplasmáticas (LIC), en cuyo interior existe enzimas que digieren el contenido fagocítico Endocitosis FagocitosisPinocitosis Neurofisiología Similar a pinocitosis. Muy selectivo. Cuenta con recpetores (proteìnas de MC) que se unen sòlo a determinadas moléculas. Tanto los receptores como las sustancias unidas a ellas pasan al interior formando una pequeña vesícula. Mediada por receptor

70 LOGO PINOCITOSIS TIPOS DE ENDOCITOSIS Neurofisiología

71 LOGO www.themegallery.com Neurofisiología