Membranas biológicas

Composición

Bicapa lipídica con proteínas asociadas

Fosfolípidos determinan las propiedades físicas de las membranas biológicas

Fosfolípidos Dos cadenas de ácidos grasos enlazadas con dos de

los tres átomos de carbono del glicerol Grupo fosfato unido al tercer carbono Contienen dos partes:

Parte hidrofóbica: cadenas de ácidos grasos, es la parte no polar

Parte hidrofílica: grupo fosfato con carga negativa, es la parte polar

Son moléculas anfipáticas: tienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas bien definidas.

Formación de una bicapa debido a que un extremo del fosfolípido se asocia libremente con el agua y el otro extremo no.

Las cabezas hidrofílicas están en contacto con el entorno acuoso y las cadenas hidrofóbicas quedan en el interior de la estructura lejos del agua.

Los fosfolípidos forman bicapas porque son moléculas que tienen:

Dos regiones distintas, una muy hidrófoba y otra muy hidrofílica (propiedad anfipática).

Forma cilíndrica, que les permite asociarse más fácilmente con el agua como una estructura de bicapa.

Modelo de mosaico fluido

Propuesto por S.J. Singer y G. Nicolson en 1972

Membrana celular consiste en una bicapa lipídica fluida de moléculas de lípidos, donde las proteínas están embebidas o asociadas.

Bicapas de fosfolípidos se comportan como cristales líquidos (propiedad física).

Forman una disposición ordenada, con las cabezas en el exterior y las cadenas de ácidos grasos en el interior.

Las cadenas de hidrocarburo están en movimiento constante, pueden girar y moverse en dirección lateral dentro de cada capa (propiedad de fluido bidimensional).

Propiedades físicas

Las cualidades fluidas permiten que las moléculas incluidas en la membrana se muevan dentro, siempre que no estén fijas de alguna manera.

Resultado una configuración cambiante.

Para que la membrana funcione de manera adecuada, sus lípidos deben encontrarse en un estado de fluidez óptima.

La estructura de la membrana se debilita si sus lípidos son demasiado fluidos.

El transporte de determinadas sustancias, se inhibe o cesa si la bicapa lipídica es demasiado rígida.

A temperatura normal las membranas celulares son fluidas.

A bajas temperaturas, el movimiento de las cadenas de ácidos grasos es más lento.

Si desciende la temperatura hasta un punto crítico, la membrana pasa a un estado de gel más sólido.

El estado fluido también depende de sus componentes lipídicos, los ácidos grasos insaturadas reducen la temperatura a la cual se solidifica los lípidos de la membrana.

Colesterol:

Esteroide presente en las membranas celulares de animales

Amortiguador de fluidez

Carácter anfipático debido al grupo hidroxilo

Ayuda a estabilizar la fluidez de la membrana dentro de determinados límites

A bajas temperaturas, actúan como espaciadores entre las cadenas de hidrocarburo, evitando la solidificación.

A altas temperaturas, evita que se debilite la membrana o desestabilice, restringiendo el movimiento de las cadenas de hidrocarburo cercanas a la cabeza del fosfolípido.

Forman vesículas cerradas de manera espontánea

Las bicapas lipídicas son flexibles, permite cambiar de forma sin romperse

Propiedad de fusionarse con otras bicapas en condiciones adecuadas

Permite la transferencia de materiales de un compartimiento a otro, mediante la fusión de vesículas con la membrana.

Membrana

Clases de proteínas de membrana Integrales

Unidas firmemente a la membrana

Anfipáticas

Regiones hidrofílicas hacia fuera de la célula o hacia dentro del citoplasma

Regiones hidrofóbicas interactúan con las colas de los fosfolípidos de membrana

Proteínas integrales que atraviesan toda la membrana (transmembrana)

Periféricas

No están embebidas en la bicapa

Superficie interna o externa de la membrana plasmática

Unidas a a regiones expuestas de las proteínas integrales por interacciones no covalentes.

Orientación de las proteínas en la membrana

Las proteínas tienen una orientación asimétrica.

Cada lado de una membrana posee características diferentes, ya que cada proteína se orienta de una sola manera.

Proteínas de membrana son sintetizadas por ribosomas libres y se desplazan hacia la bicapa a través del citoplasma.

Proteínas que se asocian a la superficie externa de la célula se sintetizan como proteínas destinadas a ser exportadas fuera de la célula:

Luz del ER→ vesícula de transporte → vesícula en el complejo de Golgi → vesícula secretora → membrana plasmática → proteína de membrana

Funciones de las proteínas de membrana Transporte de moléculas de un lado a otro de la

membrana

Forman conductos o canales que permiten el paso de determinados iones o moléculas

Utilización del ATP para el transporte activo de solutos a través de la membrana

Enzimas que catalizan reacciones que ocurren cerca de la superficie celular

Transmiten señales a células vecinas

Receptores que participan en el reconocimiento celular

Formación de uniones con células adyacentes

Unión a elementos del citoesqueleto

Proteínas receptoras reciben información del entorno, de hormonas y la transmiten al interior de la célula. (Ej. Insulina)

Transducción de señales: proceso en el que el receptor convierte una señal extracelular en una intracelular que afecta alguna función de la célula.

Componentes:

1. Receptor: proteína transmembranosa (activada o desactivada), la unión de la señal externa activa el receptor al cambiar su forma.

2. Una segunda proteína que se activa al cambiar su conformación por la primera.

3. Activación de una enzima específica unida a la membrana

4. Activación de enzimas intracelulares o producción de grandes cantidades de moléculas señalizadoras intracelulares

5. La señal original recibida por la proteína receptora es amplificada muchas veces, y el metabolismo de la célula se modifica notablemente.

Permeabilidad selectiva

Es permeable a una sustancia si permite que ésta la cruce e impermeable si no.

Permeabilidad selectiva o semipermeable: permite el paso sólo de algunas sustancias.

La permeabilidad depende del tamaño y de la carga de la sustancia, y de la composición de la membrana.

Las membranas biológicas son más permeables a las moléculas pequeñas y a sustancias liposolubles (apolares) capaces de cruzar el interior hidrófobo de la bicapa.

Las moléculas de agua aunque son polares pueden cruzar con rapidez las bicapas lipídicas, porque son los suficientemente pequeñas.

Pueden atravesar con libertad algunos:

gases: oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno moléculas polares:glicerol Sustancias hidrófobas grandes: hidrocarburos Moléculas polares grandes: glucosa Iones cargados pero con mayor lentitud

Debido a la relativa impermeabilidad a los iones y moléculas polares grandes de la membrana, la permeabilidad se lleva a cabo por actividades de proteínas de membrana especializadas.

En respuesta a condiciones ambientales o necesidades celulares cambiantes, la membrana puede ser impermeable a una sustancia dada en un momento y permeable en otro instante, ejerce control sobre su propia composición iónica y molecular interna.

Transporte1. Difusión Proceso físico basado

en el movimiento al azar.

A temperaturas mayores de 0k ó -273.15°C todos los átomos y moléculas tienen energía cinética.

Las moléculas de líquidos y gases pueden moverse con facilidad y cambiar de dirección al chocar.

Existen dos regiones:

1. Alta concentración de partículas

2. Baja concentración de partículas

Esta diferencia en la

concentración de una sustancia de un lugar a otro es un gradiente de concentración.

Difusión: el movimiento aleatorio de las partículas se da a favor de su propio gradiente de concentración (alta a baja concentración).

La velocidad de difusión depende del movimiento de las partículas, tamaño, forma, cargas eléctricas y temperatura.

Aumento de temperatura aumenta la velocidad de difusión, porque las partículas se mueven con más rapidez.

Ósmosis Movimiento de las moléculas del

solvente (agua) a través de una membrana semipermeable.

Difusión a favor del gradiente de concentración.

Presión osmótica de una solución es la tendencia del agua de moverse hacia dicha solución como resultado de la ósmosis.

Soluciones Isotónica o isoosmótica

Contiene igual presión osmótica o concentración de soluto en comparación con el líquido intracelular.

No ocurre movimiento neto de moléculas de agua al interior o exterior de la célula.

Ej. Plasma sanguíneo y todos los demás líquidos corporales son isotónicos en relación a la célula.

Hipertónica o hiperosmótico

Líquido circundante posee mayor concentración de sustancias disueltas que la del interior de la célula.

Mayor presión osmótica que la célula.

La célula se contrae al perder agua por ósmosis.

Hipotónica o hipoosmótico

Líquido circundante tiene menor concentración de materiales disueltos que la célula.

Presión osmótica menor que la célula.

El agua entra a la célula y hace que aumente de tamaño.

Presión de turgencia Presión hidrostática interna que está presente en las

células con pared celular.

Las células son hipotónicas respecto a su entorno, debido a la alta concentración de sustancias disueltas en el citoplasma.

El agua pasa a las células por ósmosis y llena las vacuolas centrales, se hincha con lo que acumula la presión de turgencia, contra la pared celular rígida.

La pared celular puede estirarse muy poco, impidiendo cualquier incremento adicional en el tamaño celular y movimiento neto de moléculas de agua hacia el interior de la célula.

2. Transporte de solutos mediado por moléculas portadoras

La célula debe adquirir continuamente moléculas polares como glucosa y aminoácidos, la transferencia de solutos se realiza por proteínas localizadas en el interior de la membrana.

Hay dos variantes: difusión facilitada y el transporte activo por portadores

Difusión facilitada La membrana se

vuelve permeable a un soluto (ión o molécula polar), por efecto de una proteína portadora o de transporte específica.

Se da a favor del gradiente de concentración

Transporte activo mediado por portadores Partículas son bombeadas de una región de baja

concentración a una de alta concentración (contra el gradiente de concentración).

Transporte se acopla a una fuente de energía como ATP.

Ejemplo de este mecanismo de transporte activo es la bomba de sodio y potasio.

Importante: porque la célula animal es capaz de igualar las presiones osmóticas en su citoplasma y su entorno, para que su contenido no se vuelva hipertónico, controla de manera indirecta el movimiento de agua, cuando se bombean iones hacia fuera de la célula también sale agua por ósmosis.

Sistemas de cotransporte Los gradientes de concentración generados

con la bomba de sodio-potasio aportan energía suficiente para transportar diversas sustancias esenciales.

Una proteína portadora puede cotransportar las moléculas necesarias contra su gradiente de concentración mientras se desplazan iones sodio, potasio e hidrógeno a favor de su gradiente de concentración.

3. Exocitosis Célula expulsa productos de desecho

o secreciones específicas, mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática.

Incorporación de la vesícula a la membrana plasmática y como resultado la liberación del contenido de ésta fuera de la célula.

4. Endocitosis La célula lleva

materiales a su interior.

Tipos de mecanismos endocitóticos:

Fagocitosis: la célula ingiere partículas sólidas grandes, como bacterias o alimentos.

Pinocitosis: la célula absorbe materiales disueltos, la membrana plasmática atrapa microgotas de líquido y se desprenden en el citoplasma como diminutas vesículas, el contenido líquido se transfiere al citosol.

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Endocitosis mediada por receptores: moléculas específicas se combinan con proteínas receptoras incluidas en la membrana plasmática.

Molécula se une al receptor → se forma por endocitosis una vesícula recubierta → vesícula pierde su recubrimiento (endosoma) → se devuelven los receptores a la membrana → endosoma se fusiona con un lisosoma → el contenido es digerido y liberado en el citosol

Uniones intercelulares especializadas

Células que están en contacto estrecho entre sí desarrollan uniones intercelulares especializadas, donde participan las membranas plasmáticas y otros componentes.

Permiten a las células adyacentes formar conexiones estrechas unas con otras, impedir el paso de materiales y establecer comunicación rápida entre ellas.

Tipos de contactos intercelulares:1.Desmosomas: mantiene unida a la célula en un sitio

determinado, las células pueden formar láminas resistentes. Ej. Las células epiteliales que forman las capas de la piel.

2.Uniones estrechas: áreas de conexión íntimas entre las membranas celulares adyacentes, no quedan espacios entre ellas por lo que no es posible el paso de sustancias entre ellas. Ej. vejiga

3.Uniones de hendidura: conectan membranas y actúan como poros que conectan el citoplasma de células adyacentes. Controlan el paso de materiales abriendo y cerrando los poros.

Plasmodesmos En células vegetales

Equivalentes a las uniones de hendidura de las células animales.

Conductos entre las paredes celulares adyacentes que sirven para conectar el citoplasma de las células vecinas.

Permiten el paso de iones y moléculas de unas célula a otra.