MEMBRANA BIOLÓGICA

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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