BIOQUÍMICA Semestre 2021 Membranas: canales y bombas Cursos Básicos Ciencias Bioquímica – Dra. María del Pilar Navarro

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2 BIOQUÍMICA Semestre 2021

3 Membranas: canales y bombas Cursos Básicos Ciencias Bioquímica – Dra. María del Pilar Navarro mnavarron@cientifica.edu.pe

4 SECCIÓN DE REFERENCIA REFLEXIÓN DESDE LA EXPERIENCIA

5 Logros de sesión de aprendizaje Conocer la membrana celular y sus arquitecturas químicas. Conocer las características dinámicas de las membranas celulares. Conocer y entender los mecanismos de transporte a través de las membranas celulares.

6 1.Definición de membranas celulares 2.Funciones de la membrana celulares 3.Características de las membranas celulares 4.Estructuras y composición de las membranas celulares 5.Dinámicas de las membranas celulares 6.Transporte de solutos a través de las membranas 7.Resúmenes 8.Ensayos experimentales 9.Conclusiones Agenda:

7 7 Estructura que rodea a todas las células Define la extensión de la célula y los límites externos de la célula Regulan el tráfico el paso de moléculas por esos límites Mantiene las diferencias esenciales entre el contenido de ésta y su entorno. Divide el espacio interno en compartimientos discretos para secretar sustancias y realizar diferentes procesos MEMBRANAS CELULARES MEMBRANA MITOCONDRIAL MEMBRANAS NUCLEAR RIBOSOMAS NUCLEOIDE CAPSULA NÚCLEO PARED CELULAR FLAGELO CÉLULAS EUCARIOTES MEMBRANAS CELULARES

8 8 FUNCIONES DE LAS MEMBRANAS CELULARES Actuar como filtro, altamente selectivo, que controla la entrada de nutrientes y la salida de los productos residuales y, además, genera diferencias en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la célula. Actuar como un sensor de señales externas, permitiendo a la célula alterar su comportamiento en respuesta a estímulos de su entorno. Conservan la comunicación entre células Organizan reacciones complejas

9 9 CARACTERÍSTICAS DE LAS MEMBRANAS CELULARES FLEXIBLES AUTOSELLANTES SELECTIVAMENTE PERMEABLES A SOLUTOS Permite los cambios de forma que acompañan el crecimiento celular y el movimiento La capacidad para romperse y volverse a sellarse permitiendo la fusión de dos membranas (exocitosis), o la fisión por un compartimiento interno formando dos compartimientos sellados (endocitosis) Retención de ciertos compuestos o iones dentro de la célula y/o en sus compartimientos, o también excluir los mismos de la célula

10 10 ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARES Proteínas; Lípidos; Carbohidratos (Glucolípidos y Glucoproteínas) Hidrofílica Hidrofóbica Parte externa Parte interna Bicapa lipídica (bidimensional) 1er. capa 2da. capa

11 11 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS CELULARES

12 12 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS CELULARES Las proporciones de lípidos, proteínas y glúcidos varían con cada tipo de membrana Neuronas (presentan vaina de mielina): constituido principalmente por lípidos. Membranas de bacterias, mitocondrias y cloroplastos: contienen más proteínas (procesos metabólicos catalizados enzimáticamente).

13 13 ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS CELULARES Las proporciones de lípidos, proteínas y glúcidos varían con cada tipo de membrana

14 ¿Qué es esta estructura? 14

15 15 CARACTERISTÍCAS DE UN FOSFOLÍPIDOS ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS CELULARES

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17 17 CADA REINO, ESPECIE, TEJIDO O TIPO CELULAR Y ORGÁNELOS EN UNA CÉLULA EN ESPECÍFICO PRESENTAN UN CONJUNTO CARACTERÍSTICO DE LÍPIDOS DE MEMBRANA COMPOSICIÓN DE LIPIDOS EN LAS MEMBRANAS CELULARES

18 18 COMPOSICIÓN DE LÍPIDOS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Glicerolfosfolipidos, esfingolípidos y esteroles son insolubles en agua Al mezclarse con agua se forman agregados de lípidos: unión de su parte hidrofóbica, mientras que los grupos hidrofílicos interactúan con el agua. Se crea una interfase lípido-líquido. Diminución de la parte hidrofóbica expuesta al agua. Interacciones hidrofóbicas entre las moléculas de lípidos conllevan a la formación y mantenimiento de estos agregados. Vesícula en bicapa Monocapa *Lisofosfolipidos Micela Fosfolípidos *fosfolípidos sin un ácido graso

19 19 Micela Bicapa laminar Liposoma Bicapa bidimensional se pliega sobre sí misma, forma una bicapa cerrada, que encierra una cavidad acuosa Unidades individuales que tienen forma de cuña (la cabeza es mayor que la de la cadena lateral Bicapa abierta, las unidades individuales son cilíndricas (la sección transversal de la cabeza igual al de la cadena lateral UNIDAD ESTRUCTURAL BÁSICA Agregados de lípidos que forman en contacto con el agua.

20 20 “Los lípidos de las membranas plasmáticas son asimétricos en su distribución”

21 21 Marca célula para su destrucción por muerte celular programada

22 22 Distribución de lípidos en las membranas de una célula típica

23 23 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES La composición proteica de membranas de diferentes orígenes varía mucho más que su composición lípidica. Esto indica su especialización funcional Proteínas de membranas, los residuos de aminoácidos (Ser, Thr, Asn) están unidos covalentemente a oligosacáridos. Esta porciones glucídicas influyen en el plegamiento de la proteína, su estabilidad, destino intracelular, y en la unión de ligandos a sus receptores glucoproteicos de superficie. Existen proteínas unidas (covalentemente) a lípidos, que actúan como anclaje, manteniendo a las proteínas unidas a la membranas. La composición proteica de membranas de diferentes orígenes varía mucho más que su composición lípidica. Esto indica su especialización funcional Proteínas de membranas, los residuos de aminoácidos (Ser, Thr, Asn) están unidos covalentemente a oligosacáridos. Esta porciones glucídicas influyen en el plegamiento de la proteína, su estabilidad, destino intracelular, y en la unión de ligandos a sus receptores glucoproteicos de superficie. Existen proteínas unidas (covalentemente) a lípidos, que actúan como anclaje, manteniendo a las proteínas unidas a la membranas. Glicoforina (Proteína más frecuente en eritrocitos. Receptor para Plasmodium falciparum)

24 24 TIPOS DE PROTEÍNAS UNIDAS A LA MEMBRANA CELULAR Proteínas ancladas al glucosilfosfatidil inositol

25 25 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Pueden ser: Proteínas integrales de membrana Proteínas periféricas

26 26 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Proteínas periféricas -Se asocian a la membrana por interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógenos con el dominio hidrofílico de proteína integrales y con los grupos de las cabezas polares de los lípidos de membranas. -Pueden liberarse por cambios en el pH (agentes quelantes; urea; carbonato)

27 27 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Proteínas integrales de membrana -Unidas firmemente a la bicapa lipídica, por interacciones hidrofóbicas a las membranas y los dominios hidrófobicos entre lípidos de membranas. -Existe una secuencia hidrofóbica en el centro de la proteína (Ej. glucoforina). -Otras proteínas tienen múltiples secuencias hidrofóbicas, que adoptan conformaciones de alfa hélice. -Pueden ser Proteínas integrales tipo I, II, III, IV, V, VI -Se liberan por acción de detergentes, disolvente orgánicos o desnaturalizante. Interfieren con las interacciones hidrofóbicas

28 28 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Dominio transmembrana Presentan múltiples regiones helicoidales que atraviesan la membrana Los residuos de Lys, His, Arg se encuentran más frecuentemente en el lado citoplasmático de la membrana (REGLA DE INTERIOR POSITIVO). Características:

29 29 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Los residuos de Lys, His, Arg se encuentran más frecuentemente en el lado citoplasmático de la membrana (REGLA DE INTERIOR POSITIVO). Características:

30 30 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Existen proteínas integrales de membranas con estructuras de barril-β. Formado por láminas beta. Estas estructuras se estabilizan por puentes de hidrógeno. Las porinas permiten el paso de ciertos solutos polares a través de membranas externas (E. coli). Las membranas de mitocondrias y cloroplastos tienen barriles- β. Residuos hidrofóbicos que interaccionan con la bicapa lípidica. Residuos aromáticos, que se encuentran en la interfase lípido-proteína. Características: Ej. Maltoporina Trasportador de maltosa

31 31 COMPOSICIÓN DE PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS CELULARES Proteínas de membranas unidos covalentemente a lípidos: Las proteínas unidas a GPI están siempre en la cara extracelular de la membrana. Las proteínas Farnesiladas y Palmitiladas están siempre en la superficie interna de la membrana. Las proteínas miristiladas presentan dominio en el interior y exterior de la membrana. Grupo palmitilo en una Cys o Ser Grupo N-miristilo Gly amino-terminal Grupo farnesilo (ogenarilgeranilo) en una Cys Carboxi-terminal Anclajes de glucosilfosfatoinositosl (GPI) Derivados del fosfatidilinositol, el inositol presenta un oligosacárido unido covalentemente al extremo carboxilo de la proteína EXTERIOR INTERIOR La unión de una proteínas recién sintetizada a un lípido favorece la correcta localización de la proteína en la membrana

32 32 Las membranas celulares definen los límites celulares, divide las células en compartimientos. Las membranas están constituidas por combinaciones variables de lípidos y proteínas. Las proteínas de las membranas pueden ser periféricas e integrales. Las proteínas integrales están constituidas por estructura de alfa hélice y láminas beta. Los lípidos y las proteínas en las membranas celulares presentan una distribución asimétrica INTEGREMOS LO APRENDIDO

33 DINÁMICA DE LAS MEMBRANAS CELULARES 33

34 DINÁMICA DE LAS MEMBRANAS CELULARES 34 Capacidad de la membrana de cambiar de forma sin perder su integridad ni dejar salir contenidos FLEXIBILIDAD INTERACCIONES NO COVALENTES ENTRE LOS LÍPIDOS DE LA BICAPA Y LOS MOVIMIENTOS PERMITIDOS DE LOS LÍPIDOS

35 35 ESTADO LÍQUIDO ORDENADO (Lo) ESTADO LÍQUIDO DESORDENADO El calor produce movimiento térmico de las cadenas laterales Los lípidos de membrana pueden existir en un estado ordenado y desordenado. La fluidez de los lípidos se ve afectada por la temperatura, por la composición de ácidos grasos y la cantidad de colesterol (esterol). DINÁMICA DE LAS MEMBRANAS CELULARES

36 36 Efecto de la temperatura sobre la fluidez de los lípidos

37 37 Esto permite a las membranas celulares tener diferentes movimiento: A. Flip-flop, B. Difusión lateral, C. translocación transbicapa catalizada. DINÁMICA DE LAS MEMBRANAS CELULARES Movimiento de un lípido de una cara a la otra Es muy lenta Raramente ocurre Movimiento de un lípido en la misma cara Es rápida No requiere catálisis Difusión lateral Rotación

38 38 DINÁMICA DE LAS MEMBRANAS CELULARES Traslocación transbicapa catalizada Hoja externa RE (fosfolípidos) desde el citosol a la luz ATPasa tipo P (Transportador activo) Transportadores ABC Transportan sustratos hidrofóbicos hacia afuera de la membrana Extracelular o interior de orgánulos Transportan cualquier sustancia a favor de su gradiente de concentración

39 39 Sin balsa Con balsaSin balsa Balsas; Lipid Rafts, o microdominios: Son dominios presentes en la membrana ricos en glicolipidos, glicoproteínas, Proteínas de anclaje GPI, esfingolipidos y colesterol. FUNCIÓN: Traducción de señal, endocitosis, exocitosis, motilidad celular Balsas de Membranas

40 40 Proteína unida GPI colesterol

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42 42 Las balsas lipídicas están formadas por una bicapa de fosfolípidos enriquecida en colesterol, esfingolípidos y proteínas de señalización residentes (AKT) y receptores (GPCR, receptor acoplado a proteína G; RTK, receptor de tirosina quinasa, incluido el receptor del factor de crecimiento (GFR); CXCR4, CX receptor de quimioquinas 4). Una vez activados por sus respectivos ligandos, los receptores reclutan diferentes efectores de señalización que promueven la supervivencia celular, la migración celular y la invasión celular, todos los cuales contribuyen al crecimiento del tumor.

43 43 La agregación de receptores de muerte (DR4 / DR5, Fas) en balsas de lípidos forma *CASMERs ( clusters of apoptotic signaling molecule-enriched rafts). El reclutamiento de CASMER en un espacio restringido mejora la vía de señalización de muerte asociada a fas con dominio de muerte (FADD) / Caspasa-8 en comparación con la señal apoptótica inducida por la activación de receptores de muerte no agrupados. *agrupaciones de balsas enriquecidas con moléculas de señalización apoptótica (CASMER)

44 44 Son proteínas integrales de membranas, que conduce a invaginaciones de la membrana. Proteína formada por dos dominios globulares unidos por un dominio hidrofóbico, que una a la proteína a la hoja citoplasmática. Al unirse dos moléculas de caveolinas (dímeros) forma una caveola (pequeña cuevas).

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46 46 t-SNAR:Sintaxina V-SNARE:Sinaptobrevina Proteínas Rab-GTPasas Proteínas MTC ("multi-subunit tethering complex")

47 Proteínas integrales de membranas favorecen adhesión celular 47 Son proteínas integrales de membranas, que presentan tres dominios: Secuencias extracelular, intracelular, integrado en la membranas. Ligando debe tener una secuencia específica de aminoácidos (RGD). Caderinas, interactúa con moléculas idénticas adyacentes. Selectinas, dominios extracelulares que en presencia de Ca+2 une polisacáridos específicos a la superficie de células.

48 Transmigración endotelial 48

49 49 Los lípidos de la membrana pueden existir en estado ordenado o desordenado, dependiendo de la temperatura y composición de lípidos. Los lípidos en la membrana se pueden desplazar por flip-flop, difusión lateral, translocación transbicapa catalizada. La bicapa lípidica presenta las balsas, microdominios que permiten la señalización intracelular y la fusión de membranas. Microdominios están conformado por estructura alfa hélice y barriles beta. Las moléculas de adhesión permiten la unión de célula -célula INTEGREMOS LO APRENDIDO

50 Break 10 minutos 50

51 51 TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES

52 52 TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES Las células puedan adquirir materia prima para biosíntesis y/o producción de energía, y liberar productos de desechos del metabolismo. Permite

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55 55 Gradiente de concentración Más concentración Menor concentración TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS CELULARES CO 2, H 2 O, N 2, O 2, glicerol, ácidos grasos, esteroides, Urea Difusión simple: Difusión facilitada: Paso de pequeñas moléculas polares e iónicas Gradiente electroquímico Se unen proteínas transportadores o Permeasas. (interacciones no covalentes con el soluto deshidratado sustituyendo los puentes de hidrógeno con el agua). Proporciona una vía de paso de proteínas hidrofílica.

56 56 Para que se efectúe el ingreso de la glucosa, se deben formar previamente uniones débiles (tipo puentes de hidrógeno) entre los grupos hidróxilo y carbamino del GLUT y los grupos hidroxilo de la glucosa. Sistema uniporte (Transporte de un sustrato)

57 57 Características de Transportadores de glucosa IATREIA / VOL 15/No.3 / SEPTIEMBRE / 2002

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59 59 (sustrato receptor de insulina 1)

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62 62 AE1: eritrocito AE2: hígado AE3: retina, corazón, cerebro

63 Transporte activo 63 ADP ATP Transporte activo primario La energía liberada por la hidrolisis del ATP permite movimiento de un soluto en contra de un gradiente. Menor concentración Mayor concentración

64 64 Transporte activo primario ATPasa tipo P

65 65 ADP ATP Transporte activo Secundario Transporte activo secundario En contra de un gradiente de concentración A favor de un gradiente de concentración

66 66 Transporte activo secundario

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68 68 Resumen de tipos de transportes

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70 Ensayos experimentales para estudiar membranas y para evaluar la función de canales iónicos 70

71 71 Estudios de composición de membrana Se debe aislar la membrana de interés

72 Patch clamp 72 Registrar la corriente eléctricas de una región de la superficie de la membrana que contienen canales iónicos. -Apoyo de una micropipeta sobre el exterior de la membrana. -Aspiración de la zona (sello hermético) donde se registraría la corriente.

73 Conclusiones 73 Las membranas celulares definen los límites celulares, divide las células en compartimientos. Las membranas están constituidas por combinaciones variables de lípidos y proteínas, la cuales se distribuyen de manera asimétrica. Los lípidos de la membrana existen en estado ordenado o desordenado, dependiendo de la temperatura y composición de lípidos. Además, se desplazan por flip-flop, difusión lateral, translocación transbicapa catalizada. Las balsas o microdominios permiten la señalización intracelular y la fusión de membranas.

74 Conclusiones 74 Las moléculas de adhesión permiten la unión de célula –célula. El transporte de sustancias a través de la membrana se realiza por transporte pasivo y/o activo. Se pueden emplear ensayos (centrifugación diferencial y/o patch clamp) para estudiar los transporte en las membranas celulares.

75 75 Referencias OBLIGATORIAS Berg, J. M. Tymoczko, J. L. y Stryer, L. (2007). Bioquímica. Editorial Reverté. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/105687 Salazar, J y Salazar Y. Guía de prácticas de laboratorio. Bioquímica. UCSUR. Lima. Edición 2019.

76 76 Referencias DE CONSULTAS Blanco Gaitán, M. D. y Blanco Gaitán, M. D. (2017). Fundamentos de bioquímica metabólica (4a. ed.). Editorial Tébar Flores. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/51989 Cuchillo, C. M. Canals, F. y M. Cuchillo, C. (2015). Bioquímica: libro de texto con aplicaciones clínicas (4a. ed.). Editorial Reverté. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/46790 Ferrier, D. R. Jameson, B. A. y León Jiménez, R. G. (Trad.). (2015). Memorama: Bioquímica. Wolters Kluwer Health. DisponibleenBiblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/125904 https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/125904 Melo, V. y Cuamatzi, O. (2019). Bioquímica de los procesos metabólicos (3a. ed.). Editorial Reverté. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/127790 Müller-Esterl, W. (2020). Bioquímica: fundamentos para medicina y ciencias de la vida. Editorial Reverté. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/129564 Palacios Martínez, J. R. (Trad.), Lieberman, M. A. y Ricer, R. (2015). Bioquímica, biología molecular y genética (6a. ed.). Disponible en Biblioteca virtual: Wolters Kluwer Health. https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/125888https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/125888 Perán Mesa, S. (2016). Introducción a la bioquímica clínica. Servicio de Publicaciones y Divulgación Científica de la Universidad de Málaga. Disponible en Biblioteca virtual:https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/60710 Simes, L. E. (2020). Introducción a la bioquímica: interpretación de análisis clínicos. Jorge Sarmiento Editor - Universitas. Disponible en Biblioteca virtual: https://elibro.net/es/lc/ucsur/titulos/172171

77 77 Actividad de Aula Virtual -Cuestionario -Revisión de Lectura: Ch13_MembraneChannelsPump s ACTIVIDADES DE TRABAJO AUTÓNOMO COMPLEMENTARIA

78 GRACIAS Cursos Básicos Ciencias Bioquímica – Dra. María del Pilar Navarro mnavarron@cientifica.edu.pe mnavarron@cientifica.edu.pe