Biology capitulo7- Estructura y función de la membrana

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BiologyEighth Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp

Capítulo 7Capítulo 7

Estructura y función de la membrana

Al finalizar el capítulo debes poder:

1. Definir: moléculas amfipaticas, acuaporinas, difusión

2. Explicar como la fluidez de la membrana está determinada por la temperatura y composición de la membrana

3. Distinguir entre: proteínas periférica e integrales; proteínas canal y portadora; osmosis, difusión facilitada, y transporte activo; soluciones hipertónico, hipotónico, e isotónico

4. Explicar cómo las proteínas de transporte facilitan la difusión

5. Explicar cómo una bomba electrógena crea voltaje a través de la membrana, y nombrar dos bombas electrógena

6. Explicar cómo las moléculas grandes son transportadas a través de la membrana celular

Panorama: La vida en la frontera

• La membrana plasmática es el límite que separa la célula del medio que la rodea

• La membrana plasmática tiene permeabilidad selectiva, lo cual permite que algunas sustancias pasen más fácilmente que otras

Fig. 7-1

Concepto 7.1: Membranas celulares son mosaicos fluidos de lípidos y proteínas

• Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en la membrana plasmática

• Los fosfolípidos son moléculas amfipaticas, contienen regiones hidrófugas e hidrófilas

• El modelo del mosaico fluido establece que una membrana es una estructura fluida con un “mosaico” de varias proteínas empotradas en el fluido

Modelos de la membrana : Investigación Científica

• Las membranas se han analizado químicamente y se ha encontrado que están hechas de proteínas y lípidos

• Los científicos que estudiaron la membrana plasmática razonaron que tenía que ser un bicapa de fosfolípidos

Fig. 7-2

Hydrophilichead

Hydrophobictail

• En 1935, Hugh Davson y James Danielli propusieron el modelo del sandwich, en donde la bicapa de fosfolípidos quedaba entre dos capas de proteínas globulares

• Estudios después encontraron problemas con este modelo, particularmente con la posición de las proteínas, las cuales tenían regiones hidrófilas e hidrófugas

• En 1972, J. Singer y G. Nicolson propusieron que la membrana es un mosaico de proteínas dispersas dentro de la bicapa, con la región hidrófila expuesta solamente hacia el agua

Fig. 7-3

Phospholipidbilayer

Hydrophobic regionsof protein

Hydrophilicregions of protein

• Estudios con la técnica de “Freeze-fracture” apoyaron la hipótesis del mosaico fluido

• Freeze-fracture es una preparación especializada que divide la membrana a lo largo del medio de la bicapa de fosfolípidos

Fig. 7-4

TECHNIQUEExtracellularlayer

KnifeProteins Inside of extracellular layer

RESULTS

Inside of cytoplasmic layerCytoplasmic layerPlasma membrane

Fluidez de las Membranas

• Los fosfolípidos en la membrana plasmática se pueden mover en la bicapa

• La mayoría de los lípidos, y las proteínas, se mueven lateralmente

• Raramente una molécula hace un giro completo (flip flop) a través de la membrana

Fig. 7-5a

(a) Movement of phospholipids

Lateral movement( 107 times per second)

Flip-flop(

once per month)

Fig. 7-6

RESULTS

Membrane proteins

Mouse cellHuman cell Hybrid cell

Mixed proteinsafter 1 hour

• Según la temperatura baja, las membranas cambian de un estado fluido a uno sólido

• La temperatura a la que una membrana se solidifica dependes de los tipos de lípidos

• Membranas ricas en ácidos grasos insaturados son mas fluidas que aquellas ricas en ácidos grasos saturados

• Las membranas deben ser fluidas para funcionar adecuadamente; usualmente son tan fluidas como el aceite para ensaladas

Fig. 7-5b

(b) Membrane fluidity

Unsaturated hydrocarbontails with kinks

Viscous

Saturated hydro-carbon tails

• El esteroide, colesterol, tiene diferentes efectos en la fluidez de la membrana a diferentes temperaturas

• A temperaturas calientes (como 37°C), el colesterol limita el movimiento de los fosfolípidos

• A temperaturas frías, mantiene la fluidez porque evita que se empaquen bien cerca

Fig. 7-5c

Cholesterol

(c) Cholesterol within the animal cell membrane

Proteínas en las Membranas y sus Funciones

• Una membrana tiene una mezcla de diferentes proteínas empotradas en el fluido compuesto por la matriz de lípidos

• Las proteínas determinan la mayoría de las funciones específicas de la membrana

Fig. 7-7

Fibers ofextracellularmatrix (ECM)

Glyco-protein

Microfilamentsof cytoskeleton

Cholesterol

Peripheralproteins

Integralprotein

CYTOPLASMIC SIDEOF MEMBRANE

GlycolipidEXTRACELLULARSIDE OFMEMBRANE

Carbohydrate

• Proteínas Periférica están unidas a la superficie de la membrana

• Proteínas Integrales penetran la centro el hidrófugo

• Proteínas Integrales que se extienden a través de toda la membrana se llaman proteínas transmembránica

• La región hidrófuga de una proteína integral consiste de una o mas áreas de amino ácidos no polares, usualmente enroscados en alfa hélices

Fig. 7-8

N-terminus

C-terminus

HelixCYTOPLASMICSIDE

EXTRACELLULARSIDE

• Seis funciones principales de las proteínas en la membrana:– Transporte– actividad enzimática– Señales de transducción (de acción hormonal

a enzimática)– Reconocimiento de Célula a célula – Unión Intercelular – Punto de anclaje para el citoesqueleto y la

Fig. 7-9ac

(a) Transport (b) Enzymatic activity (c) Signal transduction

Enzymes

Signal transduction

Signaling molecule

Receptor

Fig. 7-9df

(d) Cell-cell recognition

Glyco-protein

(e) Intercellular joining (f) Attachment tothe cytoskeletonand extracellularmatrix (ECM)

El rol de los Carbohidratos en la Membrana para las células reconocerse• Las células se reconocen las unas a las otras a

través de enlazarse con moléculas, como carbohidratos, en la superficie de la membrana plasmática

• Los carbohidratos en la membrana se unen por enlaces covalentes con lípidos (formando glucolípids) o con proteínas (formando glucoproteínas)

• Carbohidratos en la cara externa de la membrana plasmática varían entre las especies, individuos, y hasta tipos de células en un individuo

Sintesis y simetría de las membranas

• Las membranas tienen la cara interna es distinta a la externa

• La distribución asimétrica de las proteínas, lípidos, y la asociación con carbohidratos en la membrana plasmática queda determinada cuando se construye la membrana en el RE y aparato de Golgi

Fig. 7-10

Transmembraneglycoproteins

Secretoryprotein

Glycolipid

2Golgiapparatus

Vesicle

Secretedprotein

Transmembraneglycoprotein

Plasma membrane:Cytoplasmic faceExtracellular face

Membrane glycolipid

Concepto 7.2: La estructura de la membrana determina su permeabilidad selectiva

• Una célula tiene que intercambiar materiales con el medio/ambiente que le rodea; este proceso es controlado por la membrana plasmática

• Membrana plasmáticas son permeables selectivamente, o se regulan el trafico molecular de la célula

La permeabilidad de la bicapa de lípidos

• Moléculas hidrófugas (no polar), como los hidrocarburos, se pueden disolver en la bicapa de lípidos y pasar a través de la membrana rápidamente

• Moléculas polares, como las azúcares, no cruzan la membrana fácilmente

Proteínas de transporte

• Proteínas de Transporte permiten el paso de sustancias hidrófilas a través de la membrana

• Algunas se les llama, canales y tienen un canal hidrófilo que ciertos moléculas o iones pueden usar como túnel

• Un ejemplo las acuaporinas que facilitan el paso del agua

• Otras proteínas de transporte, se llaman proteínas portadoras, las cuales se unen a moléculas, cambian su forma y luego lanzan la molécula a través de la membrana

• Son especificas para la sustancia que transportan

Concepto 7.3: Transporte pasivo es difusión de una sustancia a través de la membrana sin gasto de no energía

• Difusión es la tendencia de las moléculas a dispersarse equitativamente en un espacio disponible

• Aunque cada molécula se mueve al azar, la difusión de un grupo de moléculas puede mostrar movimiento neto en una dirección

• En un equilibrio dinámico, igual cantidad de moléculas que se mueven en una dirección la misma cantidad se mueve en dirección contraria

Animation: Membrane SelectivityAnimation: Membrane Selectivity Animation: DiffusionAnimation: Diffusion

Molecules of dye

Fig. 7-11a

Membrane (cross section)

Net diffusion Net diffusion

(a) Diffusion of one solute

Equilibrium

• Las sustancias se difunden a través de un gradiente de concentración, esto es, entre áreas que difieren en concentración

• No se realiza trabajo cuando las moléculas se mueven a favor del gradiente de concentración

• Difusión de sustancias a través de una membrana biológica es un transporte pasivo porque para que ocurra no requiere energía de la célula

(b) Diffusion of two solutes

Fig. 7-11b

Net diffusion

Equilibrium

Efectos de la Osmosis en Balance de agua

• Osmosis es la difusión del agua a través de una membrana selectivamente permeable

• El agua se difunde a través de la membrana de una región de menor concentración de soluto a una región de mayor concentración de soluto

Lowerconcentrationof solute (sugar)

Fig. 7-12

Higher concentrationof sugar

Selectivelypermeablemembrane

Same concentrationof sugar

Osmosis

Balance de agua en células sin pared

• Tonicidad es el potencial de una solución para causar que la célula gane o pierda agua

• Solución Isotónica: concentración de soluto es la misma que en el interior de la célula; no tendrá movimiento neto de agua a través de la membrana plasmática

• Solución Hipertónica: concentración de soluto es mayor que en el interior de la célula; la célula pierde agua

• Solución Hipotónica: concentración de soluto es menos que el interior de la célula; la célula gana agua

Fig. 7-13

Hypotonic solution

(a) Animalcell

(b) Plantcell

Turgid (normal)

Normal

Isotonic solution

Flaccid

Shriveled

Plasmolyzed

Hypertonic solution

• Ambientes hipertónicos o hipotónicos crean problemas osmóticos a los organismos

• Osmoregulación, es el control del balance de agua, y es una adaptación necesaria para la vida en esos tipos de ambientes

• El protista Paramecium, el cual es hipertónico con respecto al ambiente de una charca, tiene una vacuola contráctil que bombea

Video: Video: ChlamydomonasChlamydomonas Video: Video: ParameciumParamecium VacuoleVacuole

Fig. 7-14

Filling vacuole 50 µm

(a) A contractile vacuole fills with fluid that enters froma system of canals radiating throughout the cytoplasm.

Contracting vacuole

(b) When full, the vacuole and canals contract, expellingfluid from the cell.

Balance de agua en células con paredes

• Las paredes celulares ayudan a mantener el balance de agua

• Célula de una planta en una solución hipotónica se hincha hasta que la pared se opone a mas ingreso; la célula se pone túrgida (firme)

• Si la célula de una planta y su ambiente es isotónico, no habrá movimiento neto de agua a la célula; se torna flácida, y la planta se seca

Video: Video: PlasmolysisPlasmolysis

Video: Turgid Video: Turgid ElodeaElodea

Animation: OsmosisAnimation: Osmosis

• En un ambiente hipertónico, las células de plantas pierden agua; eventualmente la membrana se separa de la pared, y este efecto es letal y se llama plasmolisis

Difusión Facilitada : Transporte pasivo asistido por proteínas

• En difusión facilitada, proteínas de transporte aceleran el movimiento pasivo de moléculas a través de la membrana plasmática

• Canales de proteína proveen corredores que permiten el paso de moléculas o iones específicos a través de la membrana

• Canales de proteínas incluye– Acuaporinas, difusión facilitada de agua– canales de Iones que se abren y cierran en

Fig. 7-15

EXTRACELLULAR FLUID

Channel protein

(a) A channel protein

Solute CYTOPLASM

Solute Carrier protein

(b) A carrier protein

• Proteínas portadoras pasan por un cambio en su forma y esto ayuda a trasladar el soluto a través de la membrana

• Algunas enfermedades son producidas por el mal funcionamiento de esos sistemas de transporte, por ejemplo una enfermedad de los riñones “cystinuria”

Concepto 7.4: Transporte Activo usa energía para trasladar solutos en contra del gradiente

• Difusión Facilitada es pasiva porque ocurre a favor del gradiente de concentración

• Algunas proteínas de transporte pueden mover solutos en contra del gradiente de concentración

La necesidad de energía en Transporte Activo

• Transporte Activo mueve sustancias en contra del gradiente de concentración

• Requiere energía, usualmente en la forma de ATP

• Lo llevan a cabo proteínas específica en la membrana

Animation: Active TransportAnimation: Active Transport

• El transporte activo le permite a las células mantener un gradiente de concentración que difiere del medio que la rodea

• La bomba de sodio-potasio es un ejemplo

EXTRACELLULAR

FLUID[Na+] high[K+] low

[Na+] low [K+] high

CYTOPLASMATP

Fig. 7-16-7

Fig. 7-16-5

Loss of the phosphaterestores the protein’s originalshape.

Fig. 7-16-6

K+ is released, and thecycle repeats.

Fig. 7-17Passive transport

Diffusion Facilitated diffusion

Active transport

Cómo Las bombas de iones mantienen el potencial de la membrana

• potencial de la membrana es la diferencia en voltaje a través de la membrana

• El voltaje se crea por la distribución diferente de iones positivos y negativos

• Dos fuerzas combinadas, en conjunto llamadas gradiente electroquímico, impulsan la difusión de iones a través de la membrana:– Una fuerza/poder química (el gradiente en

concentración de iones)– Una fuerza/poder eléctrico (el efecto del

potencial de la membrana en el movimiento de los iones)

• Una bomba electrógena es una proteína de transporte que genera voltaje a través de la membrana

• La bomba de sodio – potasio es la principal en las células animales

• La principal en plantas, hongos y bacterias es una bomba de protones

Fig. 7-18

EXTRACELLULARFLUID

Proton pump

CYTOPLASM

Co-transporte: Transporte acoplados por una Proteína de la Membrana

• Co-transporte ocurre cuando el transporte activo de un soluto indirectamente impulsa el transporte de otro soluto

• Las plantas comúnmente usan el gradiente de iones de hidrogeno generado por una bomba de protones para impulsar el transporte activo de nutrientes a la célula

Fig. 7-19

Proton pump

Diffusionof H+

Sucrose-H+

cotransporter

Sucrose

Concepto 7.5: transporte de materiales más grandes se lleva a cabo por exocitosis y endocitosis

• Moléculas pequeñas y agua entran y salen de la célula atravesando la bicapa o por proteínas de transporte

• Moléculas grandes, como polisacáridos y proteínas, cruzan la membrana en vesículas

• Transporte en vesículas requiere energía

Exocitosis

• En exocitosis, vesículas de transporte migran a la membrana, se unen con esta y así liberan su contenido

• Muchas células secretoras usan exocitosis para exportar sus productos

Animation: Animation: ExocytosisExocytosis

Endocitosis

• En endocitosis, la célula toma macromoléculas a través de la formación de vesículas de la membrana plasmática

• Endocitosis es lo opuesto a exocitosis, envuelve proteínas diferentes

• Tres tipos:– Fagocitosis (“cellular eating”)– Pinocitosis (“cellular drinking”)– Endocitosis mediada por un receptor

Animation: Animation: ExocytosisExocytosis and and EndocytosisEndocytosis IntroductionIntroduction

• En fagocitosis la célula se “traga” una partícula en una vacuola

• La vacuola se une con un lisosoma para digerir la partícula

Animation: Animation: PhagocytosisPhagocytosis

Fig. 7-20PHAGOCYTOSIS

EXTRACELLULARFLUID

CYTOPLASM

Pseudopodium

“Food”orother particle

Foodvacuole

PINOCYTOSIS

Pseudopodiumof amoeba

Bacterium

Food vacuole

An amoeba engulfing a bacteriumvia phagocytosis (TEM)

Plasmamembrane

Vesicle

0.5 µm

Pinocytosis vesiclesforming (arrows) ina cell lining a smallblood vessel (TEM)

RECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS

Receptor Coat protein

Coatedvesicle

Coatedpit

Ligand

Coatprotein

Plasmamembrane

A coated pitand a coatedvesicle formedduringreceptor-mediatedendocytosis(TEMs)

0.25 µm

Fig. 7-20a

PHAGOCYTOSIS

CYTOPLASM EXTRACELLULARFLUID

Pseudopodium

“Food” orother particle

Foodvacuole Food vacuole

Bacterium

An amoeba engulfing a bacteriumvia phagocytosis (TEM)

Pseudopodiumof amoeba

• En pinocitosis, las moléculas son “tragadas” en forma líquida en pequeñas vesículas

Animation: Animation: PinocytosisPinocytosis

Fig. 7-20b

PINOCYTOSIS

Plasmamembrane

Vesicle

0.5 µm

Pinocytosis vesiclesforming (arrows) ina cell lining a smallblood vessel (TEM)

• En endocitosis mediada por un receptor-, la union de “ligands” a receptores estimula la formación de vesículas

• Un “ligand” es una molécula que se une a un receptor de otra molécula

Animation: ReceptorAnimation: Receptor--Mediated Mediated EndocytosisEndocytosis

Fig. 7-20cRECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS

Receptor Coat protein

Coatedpit

Ligand

Coatprotein

Plasmamembrane

0.25 µm

Coatedvesicle

A coated pitand a coatedvesicle formedduringreceptor-mediatedendocytosis(TEMs)

Fig. 7-UN1Passive transport:Facilitated diffusion

Channelprotein

Carrierprotein

Fig. 7-UN2Active transport:

Fig. 7-UN3

Environment:0.01 M sucrose0.01 M glucose0.01 M fructose

“Cell”0.03 M sucrose0.02 M glucose

Fig. 7-UN4

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