MEMBRANA BIOLÓGICA

http://membranacelular.wikispaces.com/

Tamara Jorquiera Johnson, MCBiología Celular y MolecularUSMP - Medicina

Membrana Biológica

Composición y EstructuraFunciones de MembranaTransporte de Membrana

Pasivo Activo Moléculas Grandes

Membrana Celular

Esencial para la vida celular Encierra a la célula Define sus límites Mantiene diferencias

fundamentales entre citosol y ambiente extracelular Entre citosol y ambiente interior de

organelas membranosas.

Además …

Tiene proteínas que actúan como sensores para señales externas, permitiendo a la célula cambiar su comportamiento en respuesta a avisos “señales” del medio ambiente.

Estos receptores transmiten señales, no moléculas, a través de la membrana.

COMPOSICIÓN YESTRUCTURA

Membrana Biológica

Diferentes funciones Estructura General Común:

Capa muy delgada de Lipidos y Proteínas .

Unidos por enlaces no covalentes. Estructura Dinámica. Capa contínua doble de lípidos. Tiene aprox. 5nm de ancho.

LODISH, NCBI » Bookshelf » Molecular Cell Biology » Chemical Foundations » 2.2 Noncovalent Bonds Figure 2-17

.The binding of a hypothetical pair of proteins by two ionic bonds, one hydrogen bond, and one large combination of hydrophobic and van der Waals interactions

The structural complementarity of the surfaces of the two molecules gives rise to this particular combination of weak bonds and hence to the specificity of binding between the molecules.

Membrana Celular

Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Third edition, Garland Publishing, N.Y. 1994. Figure 10-1, page 477.

Extracelular

Intracelular

Funciones

Lípidos: Triglicérido

Glicerol

3 ácidos grasos

Lípidos Saturados

Enlaces simples

Lípidos insaturados

Fosfolípido

Fosfolípido

Bicapa Lipídica

Fosfolípidos

Cabeza HIDROFÍLICA

Cola HIDROFÓBICA

Wolfe S.L., Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publishing Company, 1993, p 155

Fosfolípidos

Hidrofílica

Tiene Carga polar

Hidrofóbica

No tiene carga, neutra

Fosfolípido

Oxígeno

Hidrógeno

Carbón

Fósforo

Nitrógeno

Asimetría de Fosfolípidos

Ej. Eritrocitos Humanos: Esfingomielina Fosfatidilcolina

Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Fosfatidil inositol

Carga +

Cara Exoplásmica

Carga –

Cara Citosólica

Energéticamente Favorable

Esfera

No hay partes

hidrofóbicas libres o en

contacto con agua.

Bicapa Lipídica H2O

H2O

Lateral Flip Flop

107 / seg 1 / mes

Movimiento de Fosfolípidos

Bicapa Lipidica

Estructura fluida básica.

Semipermeable. Barrera casi impermeable a moléculas hidrosolubles.

Semipermeable

HIDROFÓBICA

Semipermeable

Semipermeable

Semipermeable

Pequeñas

Semipermeable

Semipermeable

Con carga

Grandes

H20

Semipermeable

Ayuda

Proteína Transportadora

Semipermeable

Colesterol

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing, N.Y., 1994, Third Edition, Figure 10-8.

Non polar hydrocarbon tail

Polar region

Orientación en la membrana

Colesterol – Estabiliza la membrana

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing, N.Y., 1994, Third Edition, Figure 10-9; or Wolfe S.L., Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publishing Company, 1993

Papel en fluidez de membrana

Colesterol en la Membrana

Fluidez de la Membrana

ColesterolA 37 grados disminuye fluidez, restringe movimiento aleatorio de Fosfolípidos.

A menor T, mantiene fluidez impide que las colas de Fosfolípidos interactuen.

Interacciones

Van der Waals

Proteínas de Membrana

Mediadores de casi todas las otras funciones. Transporte de moléculas. Catalisis de reaciones asociadas a la membrana.

SINTESIS ATP (ATP sintetasa) Eslabón estructural que une citoesqueleto a

través de la membrana, a la matriz extracelular o a otra célula.

Receptores de señales. 30% del genoma celular codifica Proteinas de

membrana

Proteínas en la Membrana

Integrales Canales iónicos, Bombas de protones, Receptores

asociados a Proteína G Periféricas

Algunas enzimas y hormonas Unidas a Lípidos

Proteínas G

Asociaciones de las Pr de Membrana

Funciones de las Pr de Membrana

Proteinas de Membrana

Wolfe S.L., Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publishing Company, 1993

BacteriorhodopsinThe basis of a simple photosynthetic system that provides some species of archaea, known as halobacteria, with chemical energy. Interestingly, bacteriorhodopsin is chemically very similar to the light-senstive pigment rhodopsin, found in the vertebrate retina.

Proteínas Integrales

α helice única

α helice multiple Barril ß

Orientación única

Asimetría

Proteínas Periféricas

1 α-hélice en

monocapa citosólica

Unión covalente c/

cadena lipídica

Unión con oligosacáridos

Proteínas Periféricas

Interacciones no covalentes

con otras proteínas de membrana

citosólica

exoplásmica

Ambiente Reductor

ASIMETRÍA

• Orientación específica de Pr

• Glucolípidos sólo en hojuela exoplásmica

• Composición lipídica diferente.

Asimetría de la membrana

http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_15.html.

Modelo de Mosaico FluídoSinger, S. J., and G. L. Nicolson. 1972. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 175: 720–731.

Proteína

Glúcido

CARA CITOSÓLICA

CARA EXOPLÁSMICA

Balsas Lipídicas – Lipid Rafts Las balsas de lípidos son dominios

especializados de membrana enriquecida en colesterol ciertos lípidos y proteínas.

La existencia de las balsas lipídicas es una hipótesis planteada por primera vez en 1988 (Simons y van Meer, 1988; Simon & Ikonen, 1997).

Alonso, M. A. et al. J Cell Sci 2001;114:3957-3965

Model of lipid-raft structure and function in biological membranes

Esfingolípidos y esfingomielina

Acidos grasos saturados de cadenas largas, cabezas grandes.

Colesterol

Sólo algunas proteinas pueden entrar a las balsas.

Lipid Rafts – Balsas Lipídicas

A Citosol - IntracelularB Extracelular / vesícula / Lumen del Golgi1. Non-raft membrane2. Lipid raft3. Lipid raft associated

transmembrane protein

4. Non-raft membrane protein

5. Glycosylation modifications (on glycoproteins and glycolipids)

6. GPI-anchored protein7. Cholesterol8. Glycolipid

A

B

4 3

8

765

12

Las balsas son abundantes en la membrana plasmática, pero también se encuentran dentro de la célula.(Dupree et al., 1993; Gagescu et al., 2000; Puertollano et al., 2001).

Son móviles, entidades dinámicas que se mueven lateralmente a lo largo del plano de la membrana plasmática y de forma continua entre la membrana plasmática y compartimentos internos (Nichols et al., 2001).

Detergent Resistant

Membrane Fractions:

DRM

¿ Nuevo Modelo ?

El mosaico fluido ya no es el modelo de caos que se pensaba. Las proteinas se acumulan de acuerdo a su función y los lípidos también se ordenan, lo hacen usando “balsas”. Las cadenas laterales de ácidos grasos de los fosfolípidos presentes en las balsas de lípidos tienden a ser más saturados que los de la membrana que rodea.

2 tipos de balsas lipídicas

Balsas lipídicas planas: (también conocido como no-caveolar, o glucolípidos, balsas) pueden ser receptores

hormonales. Son continuas con el plano de la membrana plasmática (no invaginado) y por eso es

dificil distinguirlas morfológicamente. Contienen proteínas flotillin y se encuentran en las neuronas donde caveolas está

ausente. Caveolas: 50–100 nm

Son invaginaciones de la membrana plasmática en forma de frasco que contienen proteínas caveolina y son las estructuras más fácilmente observados en las balsas lipídicas. la proteína caveolina de 21 kD. tiene un lado citoplasmática C-terminal y un lado

citoplasmático N-terminal , unidas por una horquilla hidrofóbica que se inserta en la membrana. La presencia de la caveolina conduce al cambio local en la morfología de la membrana.

Las Caveolins se expresan ampliamente en el cerebro de micro-vasos sanguíneos del sistema nervioso, las células endoteliales, los astrocitos, oligodendrocitos, células de Schwann, los ganglios de la raíz dorsal y neuronas del hipocampo.

in endocitosis, oncogénesis, ingreso de bacterias patógenas y algunos virus.

Ambos tipos tienen similares composición de los lípidos (colesterol y esfingolípidos).

Las balsa que contienen invaginaciones vesiculares de la membrana son conocidas como caveolas; están implicadas en la señalización y endocitosis independiente de clatrina, en las células epiteliales y los fibroblastos (Anderson, 1998).

Tipo de Raft Componente Propiedades Función Referencias

Caveolae

Colesterol, glicoesfingolipido, Ácido Araquidónico,

Plasmeniletanolamina, Caveolin1 y 2, Proteína G heterotrimerica y monomérica, Receptores EGF &

PDGF, Fyn, enzimas ligada al GPI, Integrinas. Flotillin

Invaginaciones de membrana ricas en

moleculas señalizadoras

Parecen ser centros de señalización y

centros de importación de

colesterol

Pike et al, 2002; Wary et al, 1998;

Huang et al, 1999; Rothberg et al,

1992

Rico en Glicoesfingolípidos

Colesterol, glicoesfingolipido, poco PI y otros fosfolípidos aniónicos

Membranas resistentes a los

detergentesSeñalización

Rico en PIP2 PIP2, MARKS, CAP, GAP-43 Señalización y Estructural

Laux et al, 2000; Rozelle et al,

2000.

Microdominios de membrana especializada

Compartimentar los procesos celulares: Sirve como centros de organización para el

montaje de moléculas de señalización, Influyen En la fluidez de membrana, En el tráfico de proteínas de membrana, En la regulación de la neurotransmisión y En el tráfico de receptores.

El citoesqueleto puede tener un papel en el ordenamiento de las balsas.

FUNCIONES DE LA MEMBRANA CELULAR

Funciones de la Membrana Celular

1. Transporte2. Actividad Enzimatica3. Traducción de Señales4. Reconocimiento Célula-

Célula5. Uniones Intercelulares6. Adhesión a citoesqueleto y

MEC

1. Transporte

2. Actividad Enzimatica

3. Traducción de Señales

4. Reconocimie

nto Célula-Célula

5. Uniones Intercelulares

6. Adhesión a citoesqueleto y a MEC

1

2

3

4

5

6

Funciones de la Membrana Celular

Transporte

Ingreso de nutrientes Salida de detritos Impedir ingreso de sustancias

indeseables Impedir pérdida de metabolitos

necesarios Mantener composición

Iónica pH Presión osmótica.

Actividad Enzimatica

Energía representada por la acumulación de H+ en el espacio

intermembrana

H+

Traducción de Señales

Traducción de Señales

Traducción de Señales

Traducción de Señales Activación de enzimas

Cambio de citoesquelet

o

Activación de genes

específicos

Traducción de Señales

Mechanism of Activation and Action of G Proteins

In the “off,” or resting, state, guanosine diphosphate (GDP) is tightly bound to the a subunit of the G protein. When the membrane receptor is activated by the binding of a hormone (first messenger), it interacts with the G protein, causing GDP to dissociate from the a subunit. GDP is replaced by guanosine triphosphate (GTP), which activates the G protein and leads to its dissociation into a-subunit and bg-subunit complexes, either of which can activate effectors (the “on” state). The a subunit quickly hydrolyzes GTP to GDP, an action that inactivates the a subunit, allows it to reassociate with the bg complex, and resets the switch to the off position.

Reconocimiento Célula-Célula

Reconocer una Cel. vecina de otra

• Grupos ABO

• Separación de células embrionarias en Tj y

órganos.

• Rechazo de células extrañas por sistema

inmune.

Antigeno y Anticuerpo

ABO blood group antigens present on red blood cells and IgM antibodies present in the serum.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/ABO_blood_group_diagram.svg

Recipient Donor

A A or O

B B or O

ABA, B, AB, or

O

O O

Uniones Intercelulares

CAM: Molecs de Adh Cel.

1. Cadherinas2. Selectinas3. Mucinas4. Inmunoglobulin

as5. Integrinas1 a 4 Adh C-C

5 Adh a MEC

Dependen de Ca+

Uniones

Estrecha (b) C. epiteliales

intestinales Hendidura (c)

Intercambio de molecs pequeñas

Sinapsis eléctrica

Intercelular Entre C y matriz

Estructurales con cadherinas

e integrinas

Uniones Estrechas

Uniones tipo Hendidura

Adhesión a Citoesqueleto y MEC

TRANSPORTE DE MEMBRANA

Pasaje de moléculas a través de

la membrana

Transporte deMembrana

Pasivo Activo

Transporte deMembrana

Pasivo Activo

Transporte Pasivo

Difusión Facilitada OsmosisDifusión Simple

Transporte Pasivo

Difusión Facilitada OsmosisDifusión Simple

Osmosis

Movimiento de Agua (solvente).

De Mayor concentración de soluto a

menor concentración de soluto.

Presión Osmótica.

Presión necesaria para prevenir el

movimiento de agua.

Osmosis

Soluto Solvente

Agua

Igual (soluto) o Presión Osmómotica

PO

Debe compensar con transporte Activo

Mantener Forma

Transporte Pasivo

Difusión Facilitada OsmosisDifusión Simple

Difusión Simple

Moléculas pequeñas.

Moléculas liposolubles.

Lento.

De mayor a menor concentración.

Hasta EQUILIBRIO.

Difusión Simple

Difusión Simple

No consume energía metabólica Velocidad de Difusión es proporcional a

su gradiente de concentración y a su grado de hidrofobicidad

Pocas moléculas lo hacen No intervienen proteínas No es selectivo.

Molécula Liposoluble

O2, CO2, N2, BENCENO

Difusión

K

Na

K

Na

Transporte Pasivo

Difusión Facilitada OsmosisDifusión Simple

Difusión Facilitada

Muy Grandes.

Muy insolubles en LIPIDOS.

Usa Proteinas.

De Mayor a Menor Concentración.

No usa energía de ATP

Es Selectivo

CARRIER CANAL

Dos tipos de Proteinas Transportadoras

Cambio de Forma Canal hidrofilico

Diferencias

Canales CarriersRapido Lento

Sólo T. Pasivo T. Pasivo y Activo

Sin Cambio de conformación

Cambio de Conformación

Selecciona por carga y tamaño

Tiene un lugar de acoplamiento

Difusión Facilitada

Proteína Canal - Tipos

Canal iónico Depende de gradiente iónico

Aquaporinas

Porinas

Canal Iónico

Transporte MUY rápido Más de 1 millón de iones por segundo

pueden pasar (107 – 108 / seg). Aprox, 1000 veces + rápido que un carrier.

Altamente selectivos Carga y tamaño específicos.

No siempre abiertos, necesitan un estímulo

NO USA ATP

Canal de Potasio (K+) Bacteriano

4 subunidades transmembrana Cada subunidad con dos α-hélice. Froman un poro central, más abierto en

cara exoplásmica. Cara citosólica. Cargas (-)

Atrae cationes, repele aniones.

Canal iónico – Altamente selectivo

Atrae cationes

Canal iónico – Altamente selectivo

Oxígenos de grupo carbonilo

Na muy pequeño

No interaciona

C

Canal Iónico - Regulación

Canal Iónico - REGULACIÓN

Se abren al recibir una señal: Regulados por Ligando:

Se abren en respuesta a la unión con neurotransmisores u otras moléculas señal.

Regulados por Voltaje:Se abren en respuesta a variaciones en el potencial eléctrico a través de la membrana celular.

Regulación de canal Iónico

Extensión citoplasmática

unida a citoesqueleto

Transporte

Mechanisms of DiseaseNEJM Volume 336 Number 22, p1575 ION CHANNELS — BASIC SCIENCEAND CLINICAL DISEASEMICHAEL J. ACKERMAN, M.D., PH.D.,ANDDAVIDE. CLAPHAM, M.D., PH.D.

Cardiac Ion Channels

Arnold M. Katz Volume 328:1244-1251 April 29, 1993 Number 17

Proteína Carrier

Glucosa

Unión

Estímulo

Cambio de Forma

Glucosa 6 Fosfato

Proteina Transportadora

Carrier

Transporte deMembrana

Pasivo Activo

Proceso Activo

TransporteActivo

Transporte enmasa

ExocitosisEndocitosis

PinocitosisFagocitosisMediado porReceptores

Proceso Activo

TransporteActivo

Transporte enmasa

ExocitosisEndocitosis

PinocitosisFagocitosisMediado porReceptores

Transporte Activo

Contra gradiente.

De menor a mayor concentración.

Usa energía.

Para mantener su medio interno.

Transporte Activo

K

Na

K

Na

Transporte Activo Primario

Es selectivo (ej.Tamaño o Carga).

Contra Gradiente.

Usa ATP.

Proteina Transportadora tipo

Carrier,cambia de forma.

Bombas Iónicas

ATPasa de Na+ / K+ Membrana Celular

ATPasa de Ca++ Membrana de Retículo sarcoplasmático (músculo) Membrana de RE Liso Membrana Celular

ATPasa de H+ Membrana Lisosomal Endosomas Vacuolas Vegetales

Na

Na

K

K

2

3

Sodio Potasio ATPasa

Transporte Activo Secundario

Movimiento simultáneo de 2 moléculas.

Usa la energía de la gradiente de una

molécula, para mover la otra molécula.

Proteína cotransportadora.

Simport.

Antiport.

Transporte

Transporte Activo Secundario

Na K

KNa

Simporte

• Simportador 2-Na+/ 1-glucose

• Cadena de 662-aa

• 14 α-hélices transmembrana

Proceso Activo

TransporteActivo

Transporte enmasa

ExocitosisEndocitosis

PinocitosisFagocitosisMediado porReceptores

Fagocitosis y Pinocitosis

Moléculas demasiado grandes para los

canales.

Membrana cubre la partícula.

Membrana se corta y forma vesícula.

SOLIDOS FAGOCITOSIS

LÍQUIDOS PINOCITOSIS

Fagocitosis

Extensión de Pseudópodos

Encierra

Ingresa

vesícula

Detecta

• Participa el citoesquelet

o celular.

• Hay gasto de ATP

Micrografía electrónica

de un neutrófilo

fagocitando bacteria.

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.

PinocitosisDetecta

Invagina

Vesícula USO

• Ingreso de fluidos

• Vesícula pinocítica

• Proceso común en

eucariontes.

Proceso Activo

TransporteActivo

Transporte enmasa

ExocitosisEndocitosis

PinocitosisFagocitosisMediado porReceptores

Exocitosis

Vesícula

Adherencia

Fusión

Liberación

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.

Micrografía electrónica: secreción de insulina de una vesícula secretoria de

una célula pancreática tipo b.

Proceso Activo

TransporteActivo

Transporte enmasa

ExocitosisEndocitosis

PinocitosisFagocitosisMediado porReceptores

Endocitosis Mediada por Receptores

Ligando

Receptor

Membrana invagina, forma vesícula

Endosoma

separan

Reciclado de receptores

EXOCITOSIS

Formación Lisosoma

ESPECÍFICO

Enzimas

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).

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.

Ingreso de lipoproteínas al oocyto de gallinas para formar la yema.

Clathrin coated pits

invaginación Clathrin coated vesicles

Esqueleto triple de Clatrina

Probable estructura de una vesícula

cubierta de clatrina

Macromolécula de LDL.

Colesterol esterificado y

ácidos grasos en el interior.

Monocapa de fosfolípidos.

Proteína mediadora de

unión específica a células.

Schematic diagram of an LDL particle.

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

Unión con vesícula seleccionadora Endosoma

tardío

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

Hipercolesterolemia.

SIDA Endocitosis Mediada por Receptores

Virus de HIV

Linfocito T

Unión Receptores

CD4

Bibliografía

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