Tema II Biologia Celular (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 1º curso
Asignatura Biologia Celular
Año del apunte 2014
Páginas 7
Fecha de subida 01/11/2014
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Apuntes para asignaturas de Biologia Celular de todos los grados de biociencias (biologia, genetica, microbiologia, biomedicina, nanotecnologia y biotecnologia).

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Bloque II: Membranas celulares Todas las células, tanto procariotas como eucariotas, tienen una membrana celular formada por una bicapa lipídica y unas proteínas agregadas. La membrana no solo protege y determina la forma celular, sino que también regula el intercambio de sustancias del exterior al interior y viceversa (y por lo tanto determina el contenido del citosol), limita los orgánulos que la forma, interviene en la comunicación con otras células y actúa como receptora de señales enviadas por determinados estímulos.
Antiguamente se creía que la membrana estaba constituida por tres capas: una bicapa lipídica franqueada por dos capas de proteínas. En 1925 Gorter y Grendel estipularon mediante un experimento llevado a cabo con eritrocitos (glóbulos rojos) que la capa de lípidos era doble, y no una sola. Utilizaron los eritrocitos porque no contienen núcleo ni membranas internas, por lo que es fácil aislar y estudiar la membrana plasmática. Los científicos extrajeron la membrana de un numero conocido de glóbulos rojos y comprobaron que al estirarlo sobre una superficie (hacerlo monocapa) ocupaba el doble que sin estirar, llegando a la conclusión de que se trataba de una bicapa lipídica.
Fue en 1972 cuando Singer y Nicolson lograron comprender la estructura de la membrana tras largos experimentos donde aplicaban los principios de la termodinámica, desarrollando el modelo de mosaico fluido.
De este modo, la membrana estaría determinada por una combinación de interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas, conformando la famosa bicapa lipídica. Lo mismo ocurriría con las proteínas de membrana.
Propusieron, por lo tanto, que los residuos de aminoácidos apolares (hidrófobo) de las proteínas de membrana estarían secuestrados en el interior de la membrana, de forma similar a las cadenas de fosfolípidos de los ácidos grasos, mientras que los grupos polares (hidrofílico) de las proteínas estarían expuestos al ambiente acuoso. De este modo las proteínas quedarían integradas en la bicapa lipídica de manera asimétrica.
Lípidos de membrana: Los bloques de construcción de todas las membranas son los fosfolípidos, moléculas anfipáticas con dos cadenas de ácidos hidrófobos ligadas a un grupo de cabeza hidrófilo que contiene fosfato. De tener una sola cola, los fosfolípidos formarían micelas, pero al tener dos colas forma bicapas, y puesto que existe una parte desprotegida (las cadenas laterales) esta tiende a cerrarse y formar membranas. Los lípidos constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas celulares, aunque esta proporción varía dependiendo del tipo de membrana. Las membranas mitocondriales, por ejemplo, contienen un 75% de proteínas debido que necesitan abundantes complejos proteicos para el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.
Los ácidos insaturados (doble enlace) presentes en las colas de algunos fosfolípidos provocan que las colas tengan “dobleces” o “esquinas”, y por lo tanto que exista una mayor separación entre las colas de los fosfolípidos, aumentando la fluidez de la membrana. Las colas suelen tener entre 14-24 carbonos.
Las membranas plasmáticas de los mamíferos son más complejas, conteniendo cuatro fosfolípidos principales –fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidiletanoamina y esfingomielina – que juntos constituyen entre el 50% y el 60% del total de los lípidos de membrana. La capa externa de la membrana está compuesta principalmente por fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina y la fosfatidilserina predominan en la interna. Las cabeza de estos últimos lípidos están cargadas negativamente, lo que resulta en un carga neta negativa en la cara citosólica de la membrana plasmática. Un quinto fosfolípido, el fosfatidilinositol, se encuentra en la capa interna de la membrana, y desempeña y papel fundamental en la señalización celular.
Además de fosfolípidos, la membrana plasmática de las células animales contiene glucolípidos y colesterol. En las plantas y hongos, en lugar de colesterol podemos encontrar otro tipo de esteroles, los fitoesteroles; y en las procariotas los hopanoides.
También podemos encontrar glucolípidos, aunque los carbohidratos se encuentran siempre fuera de la célula o dentro de ella, no inmersos en la bicapa lipídica. En cuanto a los glucoesfingolipidos (cerebrosidos y gangliosidos) cabe destacar su frecuencia en las células del sistema nervioso central y periférico y que forma parte de la vaina de mielina que cubre el axón de las neuronas. Los gangliosidos constituyen el 6% de los lípidos de membrana en el sistema nervioso central, constituyendo la materia gris del cerebro. Sirven para reconocer las células, por lo tanto se consideran receptores de membrana.
Proteínas de membrana: Mientras los fosfolípidos proporcionan la organización estructural básica, las proteínas desempeñan funciones específicas de las diferentes membranas de la célula. Estas se dividen en dos tipos generales, basándose en la naturaleza de su asociación con la membrana: integrales y periféricas.
Las proteínas integrales de membrana están embebidas directamente dentro de la bicapa lipídica y solamente pueden ser liberadas mediante tratamientos que rompan la bicapa fosfolipídica. Los agentes más usados para la ello son los detergentes, moléculas pequeñas anfipáticas que contienen tanto grupos hidrofóbicos como hidrofílicos. Las porciones hidrofóbicas desplazan los lípidos de membrana y se unen a las porciones hidrofóbicas de las proteínas integrales de membrana. Debido a que el otro extremo de la molécula de detergente es hidrofílico, los complejos detergente –proteína son solubles en disoluciones acuosas, extrayendo las proteínas.
Dentro de las proteínas integrales de membrana existen varios tipos:  Transmembrana (1 y 2), que atraviesan la bicapa lipídica, con partes expuestas en ambos lados de la membrana. Las partes de estas proteínas que atraviesan la membrana son habitualmente regiones α-helicoidales de entre 20 y 25 aminoácidos no polares. Las cadenas laterales hidrófobas de estos aminoácidos interaccionan con las cadenas laterales de ácidos grasos de los lípidos de membrana, y la formación de una α-hélice neutraliza el carácter polar de los enlaces peptídicos.
Las proteínas de membrana suelen estar constituidas por 12 α-hélice que se pliegan hacia atrás y hacia delante a través de la membrana formando un canal que permite el transporte de una sustancia al interior de la celula. La única otra estructura proteica conocida que atraviesa bicapas lipídicas es la lámina-β, plegada en una forma semejante a un barril, formando poros por donde circulan diferentes substancias. Las cadenas laterales de los aminoácidos polares quedan en el interior del barril, mientras que los aminoácidos apolares reaccionan con las colas de los fosfolípidos (apolar-apolar). De esta manera pueden fluir moléculas polares a través de la membrana.
 Unidas a lípidos por uniones covalentes, siempre en la capa interna (3). Estas proteínas, en vez de ser procesadas a través de la vía secretora, se sintetizan en ribosomas citosólicos libres y son modificadas después por la adición de lípidos. En algunos casos el destino en la membrana de estas proteínas está marcado, además de por la unión de lípidos, por regiones de la cadena polipeptídica cargadas positivamente. Estos dominios de proteínas con carga positiva pueden interaccionar con los grupos cargados negativamente de la cabeza de la fosfatidilserina en la cara citosólica de la membrana plasmática. Hay que destacar que muchas de las proteínas unidas a la capa interna de la membrana plasmática desempeñan un papel importante en la transmisión de señales.
 Unidas a glucolípidos por uniones covalentes, siempre en la capa externa (4). Como salen entonces al exterior? En el RER se le añade un GPI anchor (un lípido) y después se envía al Golgi, donde se le añade una glucosa y desde allí es transportado en una vesícula que se fusiona con la membrana celular quedando el GPI y su proteína adherida en el exterior, donde interacciona con una proteína Transmembrana.
 Monotópicas: inmersas en una sola capa de la bicapa Las proteínas periféricas de membrana (5 y 6) no están insertadas en la bicapa, pero están asociadas indirectamente, generalmente a través de interacciones con las proteínas integrales de membrana, generalmente a través de enlaces iónicos. Se disocian tras el tratamiento con agentes polares, como soluciones de pH extremo o de alta concentración salina, que no rompen la bicapa fosfolipídica.
Carbohidratos de membrana: Puede tratarse de cadenas de oligosacáridos (menos de 15 glucosas con ramificaciones) asociados a otras moléculas, como los glucolípidos y las glicoproteínas; o bien de cadenas de polisacáridos (más de 15 glucosas sin ramificaciones) como los proteoglucanos.
Como ya hemos dicho, los azucares se encuentran siempre en el exterior de la célula o en el interior de sus orgánulos. En consecuencia la superficie celular se encuentra cubierta de un manto de carbohidratos, conocidos como el glicocálix, constituido por los oligosacáridos de las glicoproteínas y glucolípidos. Entre las funciones del glicocálix se encuentra la de proteger la superficie celular, además de servir como marcador de varios tipos de interacciones célula-célula. Un ejemplo bien estudiado de estas interacciones es la adhesión de los glóbulos blancos (leucocitos) a las células endoteliales que limitan los vasos sanguíneos –proceso que permite a los leucocitos abandonar el sistema circulatorio e intervenir en la respuesta inflamatoria en los tejidos dañados-. El primer paso en la conexión entre células endoteliales y leucocitos esta mediado por una famosa familia de proteínas transmembrana denominadas selectinas, que reconocen carbohidratos específicos de la superficie celular. Dos miembros de la familia de las selectinas (E-selectina y P-selectina), que se expresan en las células endoteliales, se unen a los oligosacáridos específicos expresados en la superficie de los leucocitos. Una selectina diferente (L-selectina) se expresa en los leucocitos y reconoce un oligosacárido en la superficie de las células endoteliales. Ambas selectinas trabajan en conjunto para reconocerse mutuamente, es decir, para reconocer sus oligosacáridos.
Fluidez de la membrana.
La fluidez de la membrana es un factor muy importante, ya que de ello depende el intercambio de sustancias entre la célula y el exterior. Algunas de las proteínas que intervienen en el intercambio de substancias sufren un cambio conformacional, por eso una membrana poco fluida impediría que la célula obtuviese el alimento necesario y que expulsase ciertas moléculas. Los factores que intervienen son:  Temperatura. Existe un estado óptimo de fluidez, que corresponde a una temperatura determinada. Cuando el calor aumenta, la membrana se hace más fluida y más “blanda”. Por el contrario, cuando enfría, se vuelve menos fluida, más dura. Esto se debe a que los cambios de temperatura desestabilizan las uniones entre las colas de los fosfolípidos. Cada membrana tiene una temperatura óptima correspondiente.
 Longitud de las colas. Cuanto más corta es la cola (menos carbonos en el ácido graso) menos interacciones existen con otras colas y por lo tanto más fluida es la membrana. Además, en una cola pequeña la temperatura para la desnaturalización es menor que la de una cola larga, ya que cuantos más átomos de carbono existen más enlaces (entre colas) hay que romper.
 Saturación de las cadenas de ácidos grasos. Cuantas más instauraciones haya (dobles enlaces) menos temperatura necesitaremos para desnaturalizarla y más fluida será, ya que los dobles enlaces crean un ángulo en las colas que hace que estén más separadas, y por lo tanto que los enlaces entre colas sean más débiles.
 Esteroles (colesterol). Provoca un efecto tampón. Dependiendo de la temperatura, el colesterol tiene efectos diferentes sobre la fluidez de la membrana. A temperaturas elevadas el colesterol interfiere con el movimiento de las cadenas de ácidos grasos de los fosfolípidos, lo que disminuye la fluidez de la parte externa de la membrana y reduce su permeabilidad a las moléculas pequeñas. A bajas temperaturas sin embargo tiene el efecto opuesto: protege la membrana de congelarse y mantiene la fluidez.
Como afecta la fluidez a los seres vivos? Si hablamos de organismos homeotermos (que mantienen una temperatura constante), a bajas temperaturas la membrana se hace gelatinosa, provocando una pérdida de sensibilidad debido a que los nervios sensoriales dejan de funcionar. En cuanto a los organismos poiquilotermos, tienen la capacidad de sufrir una adaptación homeoviscosa, que consiste en la regulación de la fluidez de la membrana mediante la alteración de su composición química. Algunos organismos, por ejemplo, a temperaturas bajas acortan las colas (reducen el número de carbonos) para aumentar la fluidez. Otros, sin embargo, activan la síntesis del enzima desaturasa, que introduce dobles enlaces en los ácidos grasos, es decir, los hace más insaturados.
Movilidad de la membrana.
Lípidos Los lípidos pueden sufrir uno de estos movimientos:  Difusión lateral  Rotación  Flexionamiento de insaturaciones  Flip-flop Para este último necesitan proteínas que realicen el movimiento, como pueden ser las flipasas (desde la capa externa a la interna, con hidrolisis de ATP), flopasas (del interior al exterior, y con hidrolisis de ATP también) y escambrasas (se mueven los dos fosfolípidos a la vez, intercambian posiciones, no existe hidrolisis de ATP). Las flopasas y flipasas consumen energía ya que la cabeza apolar debe atravesar un medio polar.
El movimiento de flip-flop resulta muy útil para el crecimiento de la membrana. La membrana del RE sintetiza fosfolípidos y los añade a la monocapa externa, creando una diferencia superficial entre la interna y la externa. Los lípidos de la membrana externa tienen por lo tanto que realizar un movimiento de flip-flop hacia la interna para compensar, para lo cual necesitan ATP. Esta proteína NO es selectiva.
Existen otras proteínas selectivas que mueven determinados fosfolípidos cuya membrana sigue simetría funcional. Este cambio en la configuración membranosa sirve como señal de que la célula está programada para morir y ser fagocitadas.
Podemos marcar el movimiento de los lípidos en la membrana. En las bicapas artificiales no hay proteínas, por lo tanto cuando comparamos el movimiento de lípidos entre una membrana natural y una artificial observamos que los artificiales se mueven más, ya que no hay proteínas que restrinjan su movimiento.
Balsas lipídica o lipid rafts: son dominios discretos formados por glucoesfingolipidos con colas largas y saturadas, así como fosfolípidos saturados y colesterol. Esto le da a la asociación un carácter poco fluido y una gran grosura con respecto al resto de la membrana. Cuenta, además, con proteínas asociadas a otras proteínas Transmembrana median glúcidos y GPI. Gracias a ello, podemos observar los microdominios mediante el marcaje de GPI. Su función no está clara.
Proteínas.
Gracias al experimento llevado a cabo en 1970 por Frye y Edidin quedó demostrada la movilidad de las proteínas. Los científicos consiguieron fusionar una célula humana con una de ratón, marcando previamente las proteínas de membrana de cada célula con anticuerpos asociados a fluorocromos de colores distintos para cada célula. Al principio las proteínas humanas estaban separadas y en lados opuestos de la célula a aquellas procedentes del ratón, pero después de un breve periodo de incubación observaron que estas se habían mezclado, quedando en evidencia que las proteínas se movían y ayudando a probar el modelo de mosaico fluido propuesto inicialmente por Singer y Nicolson.
Otro modo de ver el movimiento de las proteínas de membrana habría sido mediante FRAP –Fluorescence Recovery After Photobleaching –que consistiría en lo siguiente: primero, añadiríamos un marcaje de fluorocromo afín a proteínas a la muestra y observaríamos la muestra con una luz suave. Después, centrándonos en un pequeño set de moléculas, emitiríamos una fuerte luz, lo que provocaría una descoloración (bleaching) de las proteínas que hayan sido alcanzadas por la luz intensa, quedando un espacio negro. Como las proteínas se mueven deberíamos observar que al cabo de un tiempo la mancha negra se ha disperso, y que en su lugar aparece una mezcla de color fluorescente y puntos negros.
Las proteínas se mueven más lentamente en una membrana natural que en una artificial, y también existen proteínas inmóviles debido a su asociación con otras proteínas de membrana, con proteínas de la superficie de células adyacentes o con la matriz extracelular. Un ejemplo de esto es lo que ocurre en las células epiteliales, que normalmente se polarizan cuando se organizan en tejidos, de tal manera que diferentes partes de la célula llevan a cabo distintas funciones. La célula se divide en el dominio apical y el basolateral, que difieren en función y en composición de proteínas. Las células epiteliales del intestino delgado actúan absorbiendo nutrientes desde el tracto digestivo. La superficie apical de estas células, que encara la luz intestinal, está cubierta por microvellosidades que incrementan su área de superficie y facilitan la absorción de nutrientes. La superficie basolateral, que encara al tejido conectivo subyacente y al aporte sanguíneo, está especializada en la transferencia hacia la circulación de los nutrientes absorbidos. Para mantener estas funciones diferenciadas, la movilidad de las proteínas de la membrana plasmática debe de estar restringida a los dominios pertinentes de la superficie celular, Uno de los mecanismos por el que esto tiene lugar implica la formación de uniones estrechas entre las células adyacentes del epitelio, que no solo sellan el espacio entre las células, sino que también sirven como barreras para el movimiento de los lípidos y proteínas de membrana.
Asimetria estructural.
Existen lípidos que se encuentran mayormente en la capa externa –fosfatidilcolina y esfingomielina –y otros en la interna –fosfatidiletanolamina y la fosfatidilserina –ya que cuando se intercambian es una señal de que la célula está dispuesta a morir.
Otro punto asimétrico de la membrana plasmática son los azucares, ya que estos solo se encuentran en el exterior, formando a menudo el glicocálix, que interviene en el reconocimiento celular como ya hemos visto anteriormente. Otro ejemplo además del ya dado sería el sistema ABO. Existen una determinadas enzimas (“enzimas O”) que producen un lípido o proteína determinado en la pared celular de las células sanguíneas, dando lugar a un antígeno O. Otro tipo, las “enzimas A”, añaden un carbohidrato determinado a dicha proteína o lípido del tipo O creando un antígeno del tipo AO. Si por el contrario actuasen los “enzima B”, crearían un antígeno BO, y si actuasen ambos, un antígeno AB. En otras palabras, los carbohidratos añadidos a la membrana plasmática (glicocálix) son los que determinan el grupo sanguíneo y los causantes de que un determinado tipo de sangre resulte compatible o no, poniendo en evidencia su rol en el reconocimiento celular.
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