MEMBRANAS CELULARES

Todas las células tanto procariontes como eucariontes están delimitadas por una Membrana plasmática . Las células eucariontes poseen además estructuras intracelulares delimitadas por membranas (organelas: mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplamático, etc.).

Las membranas delimitan el ambiente interno celular adecuado para que se desarrollen las reacciones bioquímicas necesarias para el mantenimiento de la vida. Sin embargo, el compartimento intracelular permanentemente interactúa con el entorno extracelular, intercambiando sustancias que atraviesan la membrana., la capacidad de la membrana de regular la entrada y salida de diferentes compuestos se denomina Permeabilidad selectiva.

Básicamente todas las membranas celulares presentan la misma estructura, sus componentes químicos son: lípidos, proteínas e hidratos de carbono, mantenidas principalmente por interacciones no covalentes. Son estructuras fluidas y dinámicas.Las moléculas de lípidos están dispuestas en una capa doble, continua que provee la estructura básica de la membrana y sirve como barrera para el pasaje de la mayor parte de las moléculas solubles en agua.

Figura 1: esquema de membrana: Modelo de mosaico fluido

LIPIDOS

Fosfolípidos: Son el componente mas abundante. Se los representa así

Las moléculas que tienen una zona polar, con afinidad por el agua y una zona no polar que rechaza el agua se denominan ANFIPATICAS.

La forma y la naturaleza anfipática de los fosfolípidos hace que en soluciones acuosas se organicen espontáneamente formando BICAPAS, que separan 2 compartimentos acuosos.

Se mueven en cada monocapa de la bicapa de dos maneras: a) rotación sobre su propio eje y b) movimiento de traslación: difunden lateralmente en cada monocapa.(no se mueven de una capa a la otra: no realizan flip-flop, en general).

Recordar: No existen uniones covalentes entre los fosfolípidos. Están vinculados entre sí por interacciones hidrofóbicas.

Son los responsables de la fluidez y de la permeabilidad selectiva de la membrana.

FLUIDEZ: depende de la composición de los lípidos y de la temperatura. A mayor temperatura mayor fluidez. En las membranas de las células eucariontes los fosfolípidos en general son de cadena larga lo

que favorece una mayor interacción y menor fluidez de la membrana. Sin embargo la regulación de la fluidez depende no sólo de los fosfolípidos (presencia de cadenas insaturadas), sino también del colesterol. Las bacterias, levaduras y otros organismos no poseen colesterol y modulan la fluidez de la membrana sintetizando lípidos de cadena corta y con frecuentes dobles enlaces lo cual reduce la tendencia a interactuar de los mismos.

GLICOLIPIDOS:

Son un componente minoritario de las membranas, pueden ser simples (cerebrósidos) o complejos (gangliósidos). Su componente hidrocarbonado siempre se encuentra expuesto hacia la cara extracelular.

COLESTEROL:

Es una molécula anfipática que se intercala entre los fosfolípidos. Es responsable de la regulación de la fluidez de la membrana: a temperatura ambiente hace más rígidas las membranas es decir disminuye la fluidez y a bajas temperaturas evita la cristalización de la misma. No existe en procariontes ni en células vegetales.

PROTEÍNAS:

Las moléculas de proteínas están distribuidas en la bicapa lipídica, según su grado de vinculación con la misma pueden clasificarse en INTRÍNSECAS O DE TRANSMEMBRANA Y PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS. (ver esquema de membrana).

La mayor parte de las funciones de la membrana son llevadas a cabo por las proteínas:función de receptores, transporte, enzimática y estructurales.

La proporción de lípidos y proteínas varían en los distintos tipos celulares según sus funciones: el 50% de la masa de una membrana tipo es proteína. Sin embargo existen membranas especializadas con alto contenido proteico por ejemplo: la membrana interna de las mitocondrias.(producción de energía) y otras membranas con bajo contenido proteico y alto contenido lipídido, como por ejemplo se observan en membranas de células involucradas en la producción de la mielina (revestimiento aislante del axón de las neuronas).

Frecuentemente las proteínas poseen grupos azúcares, asociados con la parte expuesta hacia la superficie externa de la membrana: glicoproteinas. Estas junto a los glicolípidos constituyen el llamado glicocálix, al cual se le atribuye funciones de protección, reconocimiento y adhesión celular.

Tanto los fosfolípidos como las proteínas y los hidratos de carbono tienen una orientación única dentro de la bicapa, esto determina la ASIMETRÍA de las membranas, es decir la monocapa externa presenta características diferentes de la monocapa interna lo que es clave para su funcionamiento (ver esquema de membrana)

Las proteínas no se mueven de una capa a la otra (flip-flop) ni cambian su orientación, pueden rotar alrededor de sí mismas y moverse lateralmente dentro de la membrana.

RESUMIENDO : las membranas celulares son bicapas lipídicas con proteínas asociadas, son fluidas, tienen la característica de ser selectivamente permeables, regulando la entrada y salida de distintas sustancias, de vincular a la célula con su entorno extracelular a través de la recepción de señales, la adhesión a otras células o a la matriz extracelular. Responden al modelo de mosaico fluido asimétrico descripto por Singer y Nicolson en 1972.

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS

Virtualmente cualquier molécula puede difundir a través de una bicapa lipídica libre de proteínas, a favor del gradiente de concentración. Lo que varía es la velocidad a la cual esto sucede, que depende a su vez de la solubilidad de las moléculas en lípidos y del tamaño de la partícula.

Las moléculas tienen que atravesar el interior de la membrana lipídica, altamente hidrofóbico, por lo tanto la difusión va a ser más rápida cuanto más pequeña y mas hidrofóbicas sean las moléculas, como en el caso del O2 y el CO2.

La célula necesita de un intercambio constante de sustancias con el medio externo, para incorporar nutrientes, eliminar productos de desecho metabólico y regular la concentración de iones.El transporte de iones y de moléculas orgánicas pequeñas hidrosolubles., ej.: glucosa, se realiza a través de la membrana por medio de proteínas de transmembranas especializadas, cada una es específica en el transporte de una determinada molécula o ión.

Dos tipos de proteínas de membrana median el transporte de sustancias.

PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS: CARRIER(actúan por cambio conformacional)

PROTEÍNAS DE TRANSMEBRANAS

CANALES : (poros hidrofílicos)

Difusión simple*A través de la bicapa *Sin gasto energía

PASIVO: Difusión facilitada*Proteínas transportadoras *A favor de *Canales gradiente electro-

químico.TIPOS DE TRANSPORTE *Sin gasto energía

ACTIVO: Acoplado a fuente de energía E *En contra de *Proteínas transportadoras gradiente electro

químico.*Hidrólisis de

ATPo gradiente de un ión

Transporte pasivo:

Difusión simple: utilizan este medio de transporte las moléculas hidrofílicas pequeñas o medianas como O2, C02, hormonas esteroides, vitaminas. También pasan moléculas hidrofílicas sin carga y pequeñas: H20, glicerol, urea.

Difusión facilitada:: así se transportan moléculas medianas e hidrofílicas como monosacáridos, disacáridos, nucleótidos, aminoácidos, ácidos grasos. Es específico y saturable. Se realiza mediante proteínas “carrier” que tienen un sitio de unión específico para la molécula a transportar a la que transfieren al sufrir un cambio conformacional reversible.Ejemplo: entrada de glucosa en las células. La concentración de glucosa en sangre es mayor que en el interior celular, por lo tanto la glucosa entra a favor de gradiente de concentración.

Difusión a través de proteínas canal: así se transportan átomos y moléculas pequeñas hidrofílicas con carga: Iones: Na+, K+, Cl- Son selectivos de iones Regulados por estímulosMayor velocidad de transporte que proteínas de transmembrana.

Existen otros tipos de canales que se ubican entre célula y célula de poros mas grandes, mas permisivos denominados uniones GAP o comunicantes. No son específicos. Son regulables. Abundan en el tejido muscular cardíaco.

Transporte activo:

Se realiza a través de proteínas carrier: se transportan así moléculas medianas e hidrofílicas.Ejemplo: transporte de glucosa en contra de gradiente en células intestinales.Este transporte está acoplado al gradiente de Na+.(cotransporte).

Transporte por proteínas bombas: Iones: Ca2+, Na+, K+, H+, etc.Ejemplo: bomba Na+/K+., bomba Ca2+/ATPasa, bomba H+/ATPasa.

COMPARTIMENTALIZACION INTRACELULAR

Una de las características de las células eucariontes es contar con un sistema de endomembranas que delimitan compartimentos donde se desarrollan distintas funciones.Este sistema de endomembranas también se denomina sistema vacuolar citoplasmático. Comprende:

1) La envoltura nuclear, compuesta por dos membranas no idénticas, separadas por una luz y hallándose en contacto entre sí en los poros nucleares.

2) El retículo endoplasmático, con sus dos componentes liso (REL) y rugoso (RER), diferenciados por la ausencia o presencia de ribosomas respectivamente.

3) El complejo de Golgi.

4) Lisosomas, endosomas y vesículas secretorias.

Cada membrana que constituye estas organelas tiene la estructura de bicapa fosfolipídica con proteínas que ya describimos y presenta dos caras, una citoplasmática que da hacia el citosol y una luminal que mira hacia las cavidades del retículo endoplásmico, el ap. de Golgi y las cisternas perinucleares.

Retículo endoplásmico rugoso o granular

Estructura: está constituido por cisternas aplanadas, paralelas, tachonadas en su cara citoplasmática por ribosomas.

Función: Es el responsable de sintetizar las proteínas que tienen como destino final: Proteínas que van a ser secretadas por exocitosis (proteínas de exportación.) Por ejemplo:

hormonas, enzimas digestivas, proteínas de la matriz extracelular.

Proteínas que van a formar parte de las membranas o del contenido intraluminal del RER, REL y aparato de Golgi ,

Dentro de la luz del retículo las proteínas se glicosilan parcialmente, proceso que se completará en el Ap. de Golgi.

Esta organela se encuentra muy desarrollada en células secretoras de proteínas por ejemplo: plasmocitos (productoras de anticuerpos), célula acinar del páncreas (enzimas pancreáticas), células principales del estómago (pepsina).

Esta organela tiene continuidad estructural y funcional con el REL.

Retículo endoplásmico Liso o agranular:

Estructura: Está formado por una red de túbulos interconectados, con menor orden que el RER, de superficie lisa, sin ribosomas.

Función: Se encarga de :*Síntesis de lípidos (fosfolípidos, glicolípidos, esteroides). Por ejemplo: células del intersticio testicular o de “Leydig”, sintetizan testosterona, la hormona masculina.*Detoxificación de drogas liposolubles y de desechos metabólicos, para ello cuenta con enzimas ubicadas sobre la membrana, como por ejemplo citocromo p450, que transforma a los tóxicos en agentes solubles en agua, fácilmente eliminables por la orina. Ejemplo: el hepatocito, célula del hígado, tiene un gran desarrollo de esta organela y tiene la capacidad de metabolizar barbitúricos, bilirrubina , alcohol, etc.).*Depósito de Calcio: funciona como reservorio de este ión, teniendo gran relevancia esta función en el músculo estriado esquelético (como se verá en la guía de citoesqueleto y contracción muscular).

Figura 2: esquema de REL y RER:

Aparato de Golgi:

Estructura: está formado por cisternas paralelas superpuestas que presentan una región convexa y otra cóncava denominadas Cis y Trans, respectivamente. Entre ambas se ubican las cisternas intermedias.Estas presentan vesículas asociadas en sus extremos.Esta organela tiene continuidad funcional no estructural , con el RE del cual recibe vesículas que se fusionan en la cara Cis. El contenido de estas vesículas sufre distintos procesamientos, para ello transitan a través de las diferentes cisternas mediante brotación y fusión de vesículas, hasta que finalmente salen con un contenido ya terminado por la cara Trans, hacia diferentes destinos (m. plasmática, lisosomas, etc.)

Función: en el interior de las distintas cisternas pueden llevarse a cabo diferentes funciones, por ejemplo :

se modifica y completa la glicosilación de glicoproteínas que ya había comenzado en el RER. glicosilación de lípidos para formar glicolípidos de membrana.reconocimiento de señales específicas en algunas proteínas para clasificarlas y empaquetarlas en vesículas especializadas según el destino de cada una de ellas. Estos posibles destinos pueden ser:

* proteínas que tiene como marca una manosa-6-fosfato, serán reconocidas y segregadas hacia vesículas que serán futuros lisosomas. *otras vesículas se fusionarán con la m. plasmática para renovación de lípidos y proteínas.*las vesículas que contienen proteínas de exportación, viajarán hacia la membrana plasmática, se fusionarán con ella, liberando el contenido hacia el espacio extracelular: mecanismo de exocitosis.

Figura 3: esquema del Aparato de Golgi

Lisosomas:

Estructura y función: son vesículas rodeadas de membrana que contienen enzimas hidrolíticas (lipasas, nucleasas, proteasas, etc), que controlan la digestión intracelular de macromoléculas para excretar o reutilizar los productos de degradación de las mismas (aminoácidos, azúcares, nucleótidos). Todas las hidrolasas lisosomales actúan a pH ácido para ello la membrana de estas organelas cuentan con bombas de protones que aseguran la acidez del contenido.La membrana lisosomal se encuentra altamente glicosilada, esta cubierta de hidratos de carbono, protege al lisosoma de su autodegradación.La dependencia de la actividad enzimática con el pH ácido, es un resguardo que toma la célula para que ante la eventual liberación intracelular del contenido lisosomal, las enzimas no actúan a pH 7,2.Las macromoléculas que son degradadas en los lisosomas pueden proceder de la propia célula: autofagocitosis; de organelas envejecidas o no funcionantes o desde el exterior y ser incorporadas por el proceso de endocitosis mediada o no por receptores.

Bioquímica:

Todas las membranas biológicas están constituidas por lípidos y proteínas. La cantidad relativa de estos compuestos varía notablemente en células de distintos tejidos y diferentes organelas de una misma célula. Los lípidos y proteínas frecuentemente se asocian a carbohidratos; es común encontrar glicolípidos y glicoproteínas en las membranas.

La estructura básica de todas las membranas biológicas es una doble capa lipídica. En ella predominan los fosfolípidos; en menos proporción se encuentran los glicolípidos y el colesterol. La composición de ambas capas no es idéntica (no hay asimetría). En general, predominan los fosfatidilcolina y los esfingomielina en la capa externa y, los fosfatodiletanolamina y fosfatidilserina en la capa interna. La fluidez de la membrana es tanto mayor cuanto más elevada es la proporción de ácidos grasos insaturados en los lípidos que la componen. Las proteínas se encuentran en proporciones variables para distintas células y organelas. Se distinguen en periféricas e integrales; éstas atraviesan la bicapa una o muchas veces. Los carbohidratos, se unen a proteínas y lípidos de la membrana en la cara externa de las células, formando el glicocaliz.

Las glicoproteínas se encuentran en la superficie externa de todas las membranas celulares. Se usa el término glucocáliz para referirse a la zona, rica en carbohidratos, de la superficie celular de eucariotas. Estas moléculas desempeñan un importante papel en el proceso de conocimiento de las células entre sí y con otras, como bacterias y virus.