Monografia de Membrana 2013 Arreglado

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Facultad de Medicina Humana

MEMBRANA CELULAR

I. DEFINICIÓN:

La membrana es crucial para el desarrollo de la vida celular ya que no solamente

define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como

una entidad diferente de su entorno, también permite que las células se

comuniquen entre si y se relacionen con las matrices extracelulares.

Las membranas regulan el tráfico molecular en el entorno celular, organizan

secuencias complejas de reacciones y son de importancia principal para la

conservación de la energía biológica. Las actividades biológicas son

consecuencia de sus notables propiedades físicas, son flexibles, auto sellantes,

y selectivamente permeables a los solutos polares, su flexibilidad les permite los

cambios de forma que acompañan al crecimiento celular y el movimiento.

Es muy importante también mencionar que las respuestas que la célula emite

ante la presencia de una serie de señales químicas como por ejemplo;

hormonas, neurotransmisores, moléculas de las matrices, entre otras; incluye la

recepción inicial de dichas señales por medio de proteínas receptoras

pertenecientes a la membrana. Los mecanismos para la amplificación y

transformación de tales señales, con la generación de moléculas de segundos

mensajeros que activan las respuestas fisiológicas de la célula, también residen

en la membrana celular.

II. MORFOLOGIA

Para poder entender el funcionamiento de la membrana plasmática previamente

debemos de conocer su morfología y estructura, para determinar que

componentes están normalmente presentes en todas las membranas.

III. MODELOS DE MEBRANA

En un principio las teorías sobre la estructura de la membrana celular estuvieron

basadas en evidencias indirectas, es así que fueron surgiendo algunos modelos

que trataban de identificar su estructura.

NAEGELI. (1855)

Denominó membrana plasmática a una “película invisible”, que envuelve

a la célula y sería la responsable de los fenómenos osmóticos que se

presentan en ellas.

BIOLOGÍA GENERAL, CELULAR Y MOLECULAR 1


E. OVERTON (1902)

Al observar que las moléculas liposolubles penetran con facilidad a

través de la membrana plasmática. Sostuvo que la membrana

plasmática estaba compuesta por probablemente por una delgada capa

de lípidos, cuyo espesor sería muy inferior al límite de resolución del

microscopio óptico.

E. GORTER Y F. GRENDELL (1925)

Propusieron la existencia de una bicapa fosfolipídica al observar que la

cantidad de fosfolípidos de la membrana de los eritrocitos era suficiente

para formar una doble capa de moléculas sobre toda la superficie

celular. Luego del estudio sobre este modelo una serie de técnicas

llevaron a plantear que la estructura de la membrana además de lípidos

también posee proteínas, este conclusión de obtuvo luego de estudiar la

tensión superficial de las células.

HUGH DAVSON Y JAMES DANIELLI. (1935)

Sugirieron que la membrana plasmática contenía una bicapa lipídica con

proteínas formando capas continuas sobre ambas superficies. Este

modelo aunque incorrecto, pareció confirmarse mediante el estudio de

sistemas lipídicos artificiales y años mas tarde con la observación del

microscopio electrónico, que mostró por primera vez que todas las

células están rodeadas por una membrana plasmática de 6 a 10 nm. de

espesor.

DAVID ROBERTSON. (1959)

Propuso sobre las bases de las teorías anteriores un modelo de

membrana que denominó “unidad de membrana”, interpretando la

imagen según el modelo de Davson y Danielli. Robertson decía que la

bicapa de fosfolípidos estaba cubierta en ambas caras por proteínas

extendidas.

En 1950’s Robertson estudió las micrografías mostradas anteriormente

y no encontró evidencia de espacios o poros. El postuló entonces, que la

apariencia como de rieles del tren era debida a la unión del tetroxido de

osmio (sustancia que se utiliza Modelo de Robertson en la preparación

de microscopio electrónico) con las proteínas y los grupos polares de los

lípidos.



ALEE O. BANGHAM Y COL. (1965)

Demostraron que la bicapa lipídica forma en el agua vesículas esféricas denominadas

liposomas dotadas de 2 compartimientos separados.

Luego las pruebas combinadas de microscopia electrónica y estudios de

composición química, así como los estudios físicos de permeabilidad y

movimiento de moléculas individuales de proteínas y lípidos dentro de las

membranas condujeron al MODELO DE MOSAICO FLUIDO, propuesto por

Jonathan Singer y Garth L. Nicolson.

IV. MOSAICO FLUIDO

En el modelo del mosaico fluido, que ha servido como dogma central de la

biología de membrana durante más de 30 años, la bicapa lipídica se mantiene

como el centro de la membrana, pero la atención se enfoca en el estado físico

del lípido.

A diferencia de los modelos previos, la bicapa de una membrana de mosaico

fluido se encuentra en un estado líquido y las moléculas individuales de lípido

pueden moverse a los lados dentro del plano de la membrana.

La estructura y la disposición de las proteínas de membrana en el modelo de

mosaico fluido difieren de las de los modelos previos en que se encuentran como

mosaico de partículas discontinuas que penetran la hoja de lípidos. Lo más

importante, el modelo del mosaico fluido presenta las membranas celulares

como estructuras dinámicas en las que los componentes son móviles y capaces


Fig. 1 MODELO MOSAICO FLUIDO


de reunirse para mantener varios tipos de interacciones transitorias o

semipermanentes.



En este modelo los lípidos se disponen en una delgada lámina bimolecular,

mientras que las proteínas integrales están insertadas en la capa fluida, de la

que emergen hacia ambas superficies. Una propiedad clave de la bicapa es que,

aunque constituye una estructura aplanada estable, su fluidez les permite tanto a

los lípidos como a las proteínas, considerables desplazamientos en dicho plano

estructural. Esta fluidez se debe a que la mayoría de interacciones entre los

componentes son no covalentes, dejando libertad a las moléculas de lípidos y

proteínas para trasladarse lateralmente en el plano de la membrana, pero el

movimiento de una cara de la bicapa a la otra está restringido. Las proteínas

especializadas cumplen con la mayor parte de las funciones específicas de la

membrana, pero la unidad fundamental de toda la membrana biológica es la

bicapa lipídica, a la que se debe su integridad.Una de las características

importantes de la organización de las membranas es la asimetría de sus

componentes, la cual es aún más evidente ya que las cadenas de oligosacáridos

sobresalen hacia la superficie extracelular de la membrana.

I. COMPOSICIÓN DE LA MEMBRANA

Es una estructura elástica, fina y flexible que envuelve al citoplasma, tiene

un grosor de tan solo 7,5 a 10 nanómetros. Está formada casi totalmente

por proteínas y lípidos, por ello se dice que es de naturaleza lipoproteína,

con una composición aproximada de un 55% de proteínas, un 25% de

fosfolípidos, un13% de colesterol, un 4% de otros lípidos y un 3% de

hidratos de carbono.

Lípidos (40%)

Proteínas (52%)

Glúcidos (8%)

1.1. LIPIDOS DE MEMBRANA

La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin

embargo, todos poseen una característica en común: son moléculas

anfipáticas. Esto significa que sus moléculas contienen una zona

hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar.

A. Fosfolípidos

Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su

carácter antipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan

espontáneamente conformando la denominada bicapa lipídica. Las cabezas



polares están orientadas hacia el medio acuoso (intra y extracelular) y las colas

hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, al interior de la bicapa,

constituyendo la matriz de la membrana. A su vez, estas bicapas tienden a

cerrarse espontáneamente sobre sí mismas formando vesículas, es decir,

compartimientos cerrados en toda su extensión tridimensional, similares a una

esfera.

Una importante propiedad de las bicapas lipídicas es que se comportan como

fluidos bidimensionales en los que moléculas individuales (tanto lípidos

proteínas) son libre para rotar y moverse en direcciones laterales. Esta fluidez es

una propiedad crucial de las membranas y está determinada tanto por la

temperatura como la composición lipídica.

La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de

la membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a

través de la misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de

la matriz de la membrana.

Hay cuatro tipos de fosfolípidos en la membrana celular:

Fosfatidilcolina: es uno de los principales constituyentes de las

bicapas lipídicas de las membranas celulares

Esfingomielina (en este fosfolípido la glicerina ha sido sustituida

por un aminoalcohol llamado D-4-esfingenina)

Fosfatidilserina: fosfolípido en cuya cabeza presenta el

aminoácido serina unido al ácido fosfórico. En la cola el glicerol



está unido a dos ácidos grasos. El mantenerla fuera de la hoja

extracelular es importante ya que su exposición sobre la

superficie exterior desencadena la apoptosis (muerte celular

programada).

Fosfatidiletanolamina: tiende a ubicarse en la hoja de las

membranas en contacto con el citosol, con un intercambio de

lípidos prácticamente nulo a través de ambas hojas. La

presencia de estos lípidos cargados en el lado citosólico es de

fundamental importancia para comprender los fenómenos de

fusión de membrana.

La estabilidad de las bicapas lipídicas está dada por:

Interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas.

Fuerzas de van der Waals entre las colas hidrofóbicas.

Fuerzas electrostáticas y puentes hidrogeno entre las cabezas

polares de los lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las

moléculas de agua de los medios extra e intracelular.

Como se notará todas estas son uniones débiles (no covalentes) y

le confieren simultáneamente estabilidad y fluidez a la membrana.

B. Colesterol

El colesterol es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana

plasmática de las células animales. Su concentración varía mucho de un tipo de

membrana a otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el

50% del total de los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y

bacterianas carecen de colesterol. Sus funciones son:

Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la

membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol, la

membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica.

Fluidez de membrana: Las membranas son estructuras dinámicas donde los

componentes pueden desplazarse en todas las direcciones sobre el plano de la bicapa.

De ahí que el modelo reciba el nombre de mosaico fluido.

MOVILIDAD DE LOS COMPONENTES DE LAS MEMBRANAS



Existen tres tipos de movimientos posibles en las membranas:

Rotación (sobre su propio eje)

Traslación (o difusión lateral) sobre el plano de la membrana.

Flip-flop

El movimiento de flip-flop es el intercambio de fosfolípidos de

una monocapa (o hemimembrana) a la otra; está sumamente

restringido, debido a la dificultad que posee la cabeza polar para

atravesar el medio hidrofóbico de la matriz de la membrana. De

allí que no sea un movimiento que ocurra de manera espontánea

sino que está mediado por enzimas denominadas flipasas.

1.2. PROTEÍNAS DE MEMBRANA

Las proteínas de membrana pueden ser extrínsecas o intrínsecas. Las

extrínsecas se encuentran enteramente fuera de la membrana pero unidas

a ella por uniones tipo puente hidrogeno, van der Waals o iónicas. Las

intrínsecas se encuentran unidas en la membrana. Muchas se extienden

desde una cara a la otra de la membrana y se conocen como proteínas de

transmembrana. Según su ubicación se clasifican en:

Proteínas intrínsecas, integrales o transmembrana:

Pueden atravesar total o parcialmente la bicapa, asomando a una o ambas

superficies de la misma.Tienen un sector hidrofóbico, que es el que esta

insertado en la membrana y una o dos regiones hidrofílicas, expuestas a

los medios intra y extracelulares (ambos acuosos).La porción que

atraviesa la membrana suele presentar una estructura de alfa hélice con

una elevada proporción de aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan

con las colas hidrocarbonadas de la matriz de la membrana. El sector



proteico (también llamado dominio) expuesto a los medios acuosos suele

tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los

fosfolípidos y con otras moléculas a través de uniones iónicas y puente de

hidrógeno.

Dentro de las proteínas integrales encontramos:

Proteínas monopaso: La proteína “atraviesa” una sola vez la

membrana.

Proteínas multipaso: La cadena polipeptídica atraviesa dos o más

veces la bicapa lipídica. Por lo tanto, esta posee varias regiones

hidrofóbicas insertadas en la matriz de la membrana, alternadas

con sectores hidrofílicos que se exponen hacia los medios

acuosos.

Un grupo de proteínas denominadas Moléculas de Adhesión Celular

(MAC o CAM por sus siglas en inglés) es el responsable de las

interacciones entre células. Entre las más importantes tenemos:

INTEGRINAS: Intervienen en la interacción de una célula con la

matriz extracelular y con otras células, también son

transportadores de señales en ambas direcciones a través de la

membrana plasmática, integrando información acerca del entorno

tanto extra como intracelular. Son cruciales en procesos como el

desarrollo embrionario, la coagulación de la sangre, la función

inmune celular y el crecimiento de tumores y metástasis.

CADHERINAS: son responsables de las interacciones entre

células similares y requieren de Ca ++ para dicha interacción, y



entre otras características, se encuentra las de relacionarse al

citoesqueleto Un ejemplos de uniones que contiene cadherina lo

constituyen los desmosomas y las uniones adhesivas celulares y

que confieren rigidez y fortaleza al conjunto de células que se

unen para formar tejidos.

SELECTINAS: Tienen dominios extracelulares que en presencia

de Ca++ unen polisacáridos específicos en la superficie de una

célula adyacente. Son una parte esencial del proceso de

coagulación de la sangre.

CAVEOLINAS: Proteínas integrales que se asocian con la hoja

interna de la membrana celular obligándola a curvarse hacia

adentro para formar caveolas.

Proteínas extrínsecas o periféricas:

Se encuentran sobre la cara externa o también interna de la membrana y

pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los

fosfolípidos por uniones débiles. Se pueden extraer fácilmente con

tratamientos no drásticos. Cuando estas se ubican del lado citoplasmático

de la membrana suelen interactuar con el citoesqueleto.

Proteínas

ancladas al

lípido:

Que se localiza fuera de la bicapa lipídica, en la superficie extracelular o

en la citoplásmica, pero que tienen enlaces covalentes con una molécula

de lípido que se encuentra dentro de la bicapa.



1.3. GLUCIDOS DE MEMBRANA

Los glúcidos de la membrana se presentan en forma de

oligosacáridos o con menor frecuencia, como monosacáridos. En todos

los casos se encuentran unidos en forma covalente a lípidos,

constituyendo glucolípidos, o a proteínas, constituyendo las famosas

glucoproteínas. La ubicación de los glúcidos en las membranas

plasmáticas se realiza, en forma casi exclusiva, en la capa superficial o

externa de la bicapa fosfolipídica.

Las células proyectan hacia su superficie externa el componente

oligosacárido de sus glucolípidos y glucoproteínas. El conjunto de todas

estas moléculas forma una cubierta extracelular denominada Glucocáliz.

A esta verdadera capa extracelular se le atribuyen las siguientes

funciones:

Micro ambiente: El Glucocáliz es capaz de “atrapar” ciertos

iones que son importantes para la célula, haciendo que estos

puedan ingresar rápidamente a la célula.

Protección celular: La cubierta celular puede proteger a la

membrana contra daños de origen químico o mecánico.

Reconocimiento celular: Las células pueden ser reconocidas,

mediante otras células o moléculas, a partir de la composición

diferencial que presentan los distintos tipos celulares en su

Glucocáliz.

V. FUNCIONES DE LA MEMBRANA CELULAR

1. Compartimentalizacion

Rodeando el contenido de toda la célula, permite la presencia de actividades

especializadas sin interferencia externa y permite la regulación independiente de

distintas actividades celulares.

4.1 PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA

La membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular.



Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma. Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante.

La membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general, por eso, estas moléculas se transfieren de un lado a otro de la membrana gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores dichas moléculas no se podrían difundir a través de las membrana. En cambio, las moléculas hidrofóbicas, siempre y cuando su tamaño no sea demasiado grande, pueden atravesar fácilmente la membrana.

El incesante intercambio de solutos entre el medio que rodea a la célula y el citosol y entre este y el interior de los organoides se realiza a través de la membrana plasmática y de la membrana de dichos organoides, respectivamente. Según los casos, el pasaje se produce sin gasto de energía o por mecanismos que requieren de ella. Cuando no consume energía, el proceso se denomina transporte pasivo; el dependiente de energía, transporte activo.

4.1.1 Transporte pasivo

Si colocamos un soluto en un solvente, las moléculas del soluto debido a la energía cinética de las moléculas presentes en la solución, se dispersan en forma progresiva por todo el solvente desde la zona donde se encuentra en mayor concentración hacia la zona donde se hallan en menor concentración, con una velocidad proporcional a la diferencia entre las concentraciones, hasta quedar uniformemente distribuidas. Este movimiento de soluto es llamado difusión.

Podemos definir entonces a la difusión como el movimiento de moléculas desde una zona de mayor concentración hacia una de


Fig. 11 Difusión de una sustancia disuelta en un solvente


menor concentración. A la diferencia de concentración que existe entre una zona y otra se la denomina gradiente.

Tenemos dos formas de transporte pasivo:Difusión simple, facilitada.

a) Difusión Simple

Cuando la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana permeable a ese soluto, se denomina difusión simple, no requiere de otra energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de su gradiente de concentración. En otras palabras, la difusión simple no requiere gasto de ATP, ya que es un fenómeno espontáneo.

Es el transporte que se da a través de la bicapa lipídica, en la cual únicamente atravesarán la bicapa las moléculas no polares (hidrofóbicas) y pequeñas como el O2, CO2, N2, benceno e incluso el CO (tóxico), también lo harán compuestos liposolubles como los ácidos grasos y esteroides, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol, la urea y el agua.

En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis.

El pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. El H2O se difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, con el propósito de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. Al cabo de un tiempo, el resultado serán dos medios isotónicos, o


Fig.12 Permeabilidad de la membrana de fosfolipidos


sea, la concentración a ambos lados de la membrana

será la misma.

Efecto de los cambios de concentración – Osmosis

Si colocamos una célula, por ejemplo un glóbulo rojo, en una solución hipertónica (agua salada, por ejemplo) el H2O tenderá a salir por ósmosis hacia el medio extracelular, encogiendo o crenando al glóbulo rojo, en la célula vegeta se denomina plasmólisis.

En cambio, si el medio extracelular es hipotónico (agua destilada, por ejemplo) el H2O penetrará en la célula, hinchándola y, finalmente, ocasionando su ruptura o lisis, en la célula vegetal se denomina turgencia.

Cabe hacer aquí una breve aclaración: un medio no es por sí mismo ni hipertónico ni hipotónico; siempre que se use esta terminología lo que se está haciendo es comparar un medio con respecto a otro. Por ejemplo, A puede ser hipertónico con respecto a B y, al mismo tiempo, A también puede ser hipotónico con respecto a C. Es decir, A tiene una concentración de solutos intermedia. Por otra parte, se dice que dos medios son isotónicos cuando su concentración de solutos es la misma.

b) Difusión Facilitada


Fig.14 Osmosis. Efecto de los cambios de

concentración de soluto en Cel.

Animal -Vegetal

Fig. 13 Efecto del proceso osmótico sobre la célula


La mayoría de las sustancias que atraviesan las membranas a favor de la gradiente, es decir sin gasto de energía, lo hacen a una velocidad mayor a la esperable si su pasaje fuera por difusión simple.

El sentido de difusión se realiza siempre a favor de la gradiente de concentración y voltaje, la fuerza que impulsa la movilización de las partículas del soluto es el gradiente, y por lo tanto no se consume energía. Desde este punto de vista la difusión facilitada es similar a la difusión simple; la diferencia reside en que la primera participan estructuras proteicas reguladoras y en la segunda no.

Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple debido a su polaridad y/o a su tamaño (glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores que muestran características de especificidad y saturabilidad similares a las del complejo enzima producto. Dichos transportadores son proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo:

Canales iónicosLos canales iónicos son “poros” o “túneles” formados por una o varias proteínas transmembranosas. En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico. Existen canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los organoides. Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede transportar un tipo de ion (K+, Na+, etc.). Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (108 iones por segundo).

El transporte de un ion es impulsado por el gradiente electroquímico quiere decir que un ion puede difundir de un lado a otro de la membrana, gracias a la diferencia de concentración como a la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana.



La mayoría de los canales no permanecen abiertos permanentemente, sino que se abren en respuesta a estímulos. Estos estímulos pueden ser tanto la presencia de una sustancia inductora como una modificación de la carga eléctrica de la membrana (modificación del potencial eléctrico). Los canales que se abren o cierran en presencia de sustancias inductoras (ligandos) son llamados dependientes de ligando y los otros, dependientes de voltaje.

Proteínas “Carriers” o permiasas

Al igual que los canales iónicos, las permeasas están formadas por proteínas transmembrana multipaso. Suelen transportar una gran variedad de iones como el HCO3- y otras moléculas polares sin carga como la glucosa.

Este tipo de proteínas fijan una única molécula de sustrato (o unas pocas) a la vez, y a continuación sufren un cambio conformacional reversible que les permite transportar el soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). Aquí vale hacer otra aclaración: para entender la difusión facilitada no hay que pensar si una sustancia “entra o sale” de la célula, lo importante es considerar que se está movilizando algo a favor del gradiente (químico o eléctrico) gracias a la acción de proteínas


Fig.16 Mecanismo del pasaje de iones a través de canales ionicos dependientes de voltaje y de ligando

Fig.15 Canales Proteicos


transportadoras. Por esta razón es que no se requiere de energía adicional, no se requiere gasto de ATP, ya que es el propio gradiente el que impulsa el pasaje a través de los transportadores.

Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos.

Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos.

Existen tres tipos de permeasas:

MONOTRANSPORTADORA O UNIPORTE:

Transfieren un solo tipo de soluto de un lado al otro de la membrana (transporte de glucosa en la mayoría de las células animales, desde el medio extracelular, la sangre, donde la concentración es mayor, hacia el interior de las mismas donde es menor).

Los uniportes transportan las moléculas a favor de su gradiente de concentración. Como ejemplo podemos citar la glucosa y distintos aminoácidos.

COTRANSPORTADORA O SIMPORTE:

Transfieren dos tipos de solutos, ambos en el mismo sentido.


Fig.17 Proteínas de transporte


CONTRATRANSPORTADORA O ANTIPORTE:

Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el otro sale.

Estos dos tipos de transporte acoplan el movimiento de un tipo de ion o molécula a favor de su gradiente de concentración con el de otro tipo de molécula o ion en contra de su gradiente de concentración sea lo que hacen es acoplar un transporte energéticamente favorable con otro que no lo es.

Un ejemplo de cotransporte sería el transporte de Na+ y glucosa en la membrana plasmática de las células intestinales (ver más adelante) y uno de contratransporte, el transporte de Cl- y HCO3

- en la membrana de los glóbulos rojos.

Tanto el cotransporte como el contratransporte, son también llamados transportes acoplados, ya que no se pueden llevar a cabo si no están presentes ambos tipos de solutos.

Casos particulares de transporte pasivo: Ionóforos y Aquaporinas

IonóforosEstas sustancias tienen la propiedad de poder incorporarse a las membranas y aumentar la permeabilidad a ciertos iones. En general son fabricados por bacterias como mecanismos defensivos. Existen dos tipos distintos:


Fig. 18 Tipos de transporte mediados por proteínas transportadoras


Transportadores móviles: Se unen reversiblemente a un ion que se encuentra en el medio con mayor concentración, giran en la bicapa y lo liberan en el otro lado de la membrana. Ejemplo: Valinomicina (Fig.19).

Formadores de canales: Son proteínas con estructura helicoidal, en cuyo interior de la hélice hay una región hidrofílica que permite el paso de iones monovalentes (con una sola carga eléctrica). Ejemplo: Gramidicina (Fig. 20).

AquaporinasSon canales especiales con estructura helicoidal que permiten el paso selectivo de H2O. No son canales iónicos. En ciertas clases de células, por ejemplo en algunas células renales, se requiere un mayor transporte de H2O que es logrado exclusivamente con la difusión simple (osmosis). La estructura de las aquaporinas es semejante a la de los ionoforos formadores de canales.Las acuaporinas están constituidas por cuatro proteínas de 28KDa iguales en tres si (menos una que esta glicosílada), denominadas CHIP, cada una de las cuales se compone de seis alfa hélices transmembranosas.


Fig.21 Acuaporina. Corte transversal por el plano de la membrana, los puntos representan una hélice alfa transmembranosa

Fig. 19 Transportador ionico móvil y un ionoforo formador de canal

Fig. 20 Estructura de un canal de Gramicidina


4.1.2 Transporte activo

Cuando el transporte de un soluto se realiza en dirección contraria a su gradiente de concentración o de voltaje, solo es posible con gasto de energía, de ahí que este tipo de pasaje se lo llame transporte activo.El transporte activo tiene lugar a través de permeasas llamadas bombas, en esta forma también existen formas de monotrasporte, cotransporte y contratransporte.

Las células no pueden depender únicamente del transporte pasivo dado que deben importar, por un lado, moléculas que están en menor concentración en medio extracelular que en el citoplasma y, por otro, necesitan mantener constante la composición iónica intracelular. Ambas funciones se llevan a cabo por medio del transporte activo.

Es un transporte que se realiza en contra del gradiente, ya sea este de concentración o eléctrico y, en consecuencia, se requerirá gasto de energía en forma de ATP.

El transporte activo se realiza por medio de bombas y también presenta como en el transporte pasivo formas de monotransporte, cotransporte y contratransporte.

Posee las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión facilitada, aunque difiere de ésta por realizarse contra el gradiente electroquímico. El transporte activo esta desfavorecido termodinámicamente (es endergónico) y se da solamente cuando está acoplado (directa o indirectamente) a un proceso exergónico como, por ej., la conversión de ATP a ADP + Pi. Debido a esto, las bombas se suelen denominar ATPasas de transporte.

Existen muchos tipos de ATPasas distintas. Aquí vamos a hablar de las más importantes, que son la Bomba de Na+-K+ (bomba sodio –potasio)y la de K+/H+.



TRANSPORTE ACTIVO PRIMARIO

Usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel de la misma proteína de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través de la proteína.

El ejemplo más conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contratransporte (usando un "antyport"). Transporta K+ al interior de la célula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP.

En el caso del transporte activo, las proteínas transportadoras deben mover moléculas contra un gradiente de concentración. Por ejemplo en la bomba de sodio-potasio de las células nerviosas el Na+ es mantenido a bajas concentraciones en el interior de las células y el K+ a altas concentraciones. Las concentraciones están invertidas en el exterior de las células. El valor del potencial eléctrico generado por la diferencia de permeabilidad de los iones y su distribución a ambos lados de la membrana es de -70 mV, resultando el interior de la célula negativo con respecto al exterior.

A) ATP- ASAS TIPO P:

Las bombas de clase P (compuestas por dos polipéptidos diferentes: alfa y beta) intervienen en el transporte de H+, Na+, K+ y Ca++, se las encuentra en las membranas plasmáticas de vegetales, hongos y bacterias , donde en las membranas plasmáticas de eucariotas actúan como bombas de Na+/ K+ y H+/K+ (células gástricas) y este tipo se lo encuentra además como bombas de Ca++ en dichas células (y en el retículo sarcoplásmico de células musculares).

BOMBA DE NA+ / K+

Es de fundamental importancia para el metabolismo celular, está constituida por un tetrámero de dos subunidades transmembranosas alfa y dos beta. En el dominio citosolico, de la subunidad beta reside el sitio catalico para la hidrolisis de ATP y el sitio para la unión de tres iones sodio. En el domino extracelular existe el sitió de unión de dos iones potasio, este sitio puede ser ocupado por la oubaina, que es un glúcido digitalico que inhibe el funcionamiento de la bomba. Concentración de K+ en el interior celulares típicamente 10 a 20 veces mas alta que en el exterior, La bomba actúa como un transportador de intercambio (antiportador), bombeando de forma activa Na + hacia el exterior del a célula y K+ hacia el interior. Dado



que este transportador hidroliza ATP para bombear el Na+ hacia fuera y el K+ hacia adentro, también se llama Na+ / K+ - ATPasa.

Una característica esencial de la bomba de Na+/K+ es que el ciclo de transporte depende de la autofosforilación de la proteína. El grupo fosfato Terminal del ATP es transferido a un residuo de acido aspartico de la bomba, de donde es posteriormente eliminado. Las bombas iónicas que se fosforilan a si mismas reciben el nombre de ATP asas de transporte de tipo P. La bomba de Na+/ K+ puede llegar a hacerse reversible, produciendo ATP

Modelo de funcionamiento de la bomba de Na+ / K+

A) La unión del Na+ a la proteína transportadora.

B) Ocurre la fosforilación de la cara citoplasmática de la bomba por ATP lo que induce un cambio conformacional en la proteína transportadora.

C) Se transfiere sodio a través del a membrana y lo libera en el exterior.

D) En esta situación se da la unión de K+ a la cara extracelular de la proteína que media el transporte.

E) La desfosforilación de la proteína transportadora devuelve a la proteína a su configuración original.

F) Se transfiere el K+ a través de la membrana liberándolo en el citosol.

La fosforilacion de la bomba es dependiente de Na+ y la desfosforilacion es dependiente de K+, esto hace que las transciones conformacioanles se den de una forma ordenada.



BOMBA DE CA++:

La familia de ATPasas de tipo P incluye las bombas de Ca++, que eliminan el calcio del citosol después de que haya participado en algún proceso de señalización intracelular. Las células eucariotas mantienen unas concentraciones de calcio libre en su citosol muy bajas, frente a unas concentraciones de calcio extracelular muy superiores. La entrada de Ca++ a favor de su elevado gradiente de concentración, en respuesta a señales extracelulares, es uno de los mecanismos de transmisión de estas señales de manera rápida a través de la membrana plasmática. La salida de calcio esta determinada por esta bomba ATPasa tipo P y un antopiportador (llamado intercambiador de Na+ / Ca+) impulsado por el gradiente electroquimico de Na+.

La bomba más conocida de este tipo es la bomba de Ca++ ATPasa de la membrana del retículo sarcoplasmico, Cuando un potencial de acción despolariza la membrana de la célula muscular, el Ca+ se libera desde el retículo sarcoplasmico la citosol mediante unos canales de Ca+, lo que estimula la contracción muscular. La bomba de Ca+ es la responsable de devolver de nuevo este Ca+ al retículo sarcoplasmico. La posterior fosforilación del dominio de la bomba de Ca+ , hacen que las hélices transmembrana se reordenen drásticamente, lo cual colapsa l centro de unión del Ca+, de forma que los iones Ca++ son liberados al otro lado de la membrana, hacia la luz del retículo sarcoplasmico.

B) ATP- asas tipo V

Son estructuras semejantes a turbinas, formadas por muchas subunidades proteicas diferentes. Muchas ATPasas de tipo V actúan en sentido opuesto: es el gradiente de H+ a través de estas membranas el que impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. Los gradientes de H+ se generan en las etapas de transferencia de electrones de la fosforilación oxidativa o de la fotosíntesis, o mediante la bomba de H+ activada por la luz.

Algunos orgánulos, como los lisosomas, contienen ATPasas de transporte tipo V, que bombean H+, por lo que son responsables de la acidificación de estos orgánulos.


Fig.22 Transporte Activo mediante bombas de Na y K


C) ATP-ASAS TIPO F:

Proceso dentro de la membrana interna mitocondrial

TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO

Cotransporte Na+/Glucosa: Esta situación se da en las membranas apicales de las células del intestino delgado o en membranas de células renales, donde deberá absorberse glucosa desde la luz del intestino o de los túbulos renales, aunque las concentraciones extracelulares sean bajas. Gracias a la acción de la bomba Na+-K+ se expulsan iones Na+ a través de la membrana basal de la célula. De este modo, la concentración de Na+ intracelular se mantenida baja. En la región apical de la membrana se encuentra una permeasa pasiva cotransportadora de Na+ y glucosa. El Na+ ingresa de este modo a favor de su gradiente electroquímico al interior de la célula y arrastra a la glucosa con él, que ingresa de este modo en contra de su gradiente de concentración, gracias al sistema de cotransporte.

VI. PATOLOGIAS

Las patologías de membranas se deben principalmente a alteraciones en las

proteínas que forman parte de la membrana. Alteraciones en:

1. Alteraciones en las proteínas de transporte: Síndrome de Fanconi,

raquitismo, osteomalacia.

SÍNDROME DE FANCONI:Es una alteración en la absorción y transporte de

aminoácidos, glucosa, ácido úrico y fosfato, a nivel renal. Hoy día está

establecido que se debe a mutaciones de un gen que codifica un

transportador específico de glucosa.Este gen se expresa en hepatocitos,

células pancreáticas y membranas de células epiteliales de intestino y riñón.

2. Alteraciones en proteínas receptoras: Defecto del número y/o afinidad de

los receptores

ACONDROPLASIA: La acondroplasia es la causa más común de

enanismo. Es un trastorno genético del esqueleto óseo. Se debe a

mutaciones del gen que codifica el receptor 3 del factor de crecimiento de

fibroblastos. El receptor 3 es una proteína que se encuentra en la



membrana celular y que contiene a la tirosincinasa que es una enzima que

actúa en la tiroides.

3. Alteraciones en proteínas de contacto:La disminución del número de

nexos de membrana, la formación de prolongaciones irregulares “en masa” o

evaginaciones citoplasmáticas vesiculiformes, además de la ausencia de

inhibición de contacto, son características de tumores malignos.

CANCER Y METÁSTASIS: La metástasis es la diseminación de las células

cancerosas desde un sitio de origen primario hacia otros tejidos donde

crecen como tumores secundarios; este es el principal problema de cáncer.

La metástasis refleja una falla en la interacción célula – célula.

A continuación, algunos cambios detectados en la superficie de células

malignas:

Alteraciones en la permeabilidad

Alteraciones en las propiedades de transporte

Adhesión disminuida

Incremento de la capacidad de aglutinación de muchas lecitinas

Alteraciones en las actividades de una gran número de enzimas

Alteraciones de la carga eléctrica de la superficie

Aparición de antígenos nuevos

Pérdida de ciertos antígenos

Alteraciones de las cadenas de oligosacáridos constituyentes de

glucoproteínas

Cambios en los componentes de glucolípidos

4. Alteraciones en proteínas que son canales iónicos:

La mayoría de las enfermedades relacionadas con las membranas se van

encontrar en las proteínas y de estas en un tipo de proteínas muy especial

las que funcionan como canales a diferentes iones; el conjunto de estas

enfermedades relacionadas con los canales iónicos se denominan

canalopatías o canalopatologías. Las alteraciones en las funciones de los

canales iónicos pueden conducir a graves enfermedades del sistema

nervioso o del sistema muscular, incluyendo al corazón.

BIBLIOGRAFIA



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De Robertis, E.; Hib, J.; (2001). Fundamentos de Biología Celular y Molecular. 3º

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Lodish, H.; (2001). Biología Molecular de la Célula. 4º Edición. Ed.

Panamericana. Bs.As.


Monografia de Membrana 2013 Arreglado

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