6. Membrana plasmàtica (I) (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 1º curso
Asignatura biologia cel·lular
Año del apunte 2016
Páginas 32
Fecha de subida 01/04/2016
Descargas 17
Subido por

Vista previa del texto

MRDD MEMBRANA PLASMÀTICA Introducció Model de Overton i Langmuir   Charles Ernest Overton, l’any 1895, va descobrir que les substàncies liposolubles penetraven en les cèl·lules. A més a més, que la membrana presentava gran resistència al pas de la corrent elèctrica. Aquests descobriments van permetre que deduís l’existència d’una membrana formada per lípids. També va sorgir que les cobertes cel·lulars eren una mescla de colesterol i lectina.
L’any 1897, Irving Langmuir va estudiar el comportament dels fosfolípids en benzè i lípids sobre una superfície aquosa. Un cop el benzè s’evaporava, quedava una làmina de lípids denominada “monocapa”; va observar que els grups polars es disposaven perpendicular a ella.
Els descobriments de Langmuir i Overton van servir com a base per a la posterior identificació dels compostos de les membranes.
MRDD A finals de la dècada dels 50’ amb el desenvolupament del ME i de les tècniques de processament del material biològic (criofractura) es va observar la membrana. Es va designar un model trilaminar format per dues capes electrodenses que compartien una capa menys electrodensa en l’interior. [Aquesta zona menys densa correspondria a la cua dels fosfolípids i els caps dels fosfolípids serien les capes més electrodenses]. Aquesta aparença trilaminar es va poder observar amb el MET. Aquest aspecte apareix en totes les membranes. Es va dir que era una membrana unitària perquè tots els orgànuls citoplasmàtics compartien aquest model.
  L’any 1972 Singer i Nicholson van proposar el model “mosaic fluït” de membrana. En aquest model les proteïnes, els lípids i els hidrats de carboni se situaven en una configuració estable.
Els lípids formaven la bicapa lipídica i les proteïnes adoptaven una configuració en la membrana segons la interacció de les seves parts amb les molècules que les rodejaven. La majoria dels components lipídics d’una membrana estan en constant moviment, són capaços de tenir mobilitat lateral. Moltes proteïnes de la membrana són també capaces de moure’s lateralment dins de la membrana, encara que algunes estan ancorades a elements estructurals d’un o de l’altre costat de la membrana i per això tenen una mobilitat restringida. També van fer referència a que la membrana era asimètrica, és a dir, que les partícules no es disposaven simètricament; es diferenciava el domini extracel·lular i el domini citoplasmàtic.
Unwin i Henderson van proposar que la majoria de les proteïnes tenien en la seva estructura primària una o més seqüències hidrofòbiques que abasten la bicapa lipídica; la majoria de les proteïnes de membrana contenen segments transmembrana, els quals ancoren la proteïna a la membrana que les manté alineades correctament dins de la bicapa lipídica.
Més endavant, quan es van fer els estudis de les proteïnes (les quals tenien també domini hidrofòbic), es va veure que per a que aquestes es poguessin inserir dins de les membranes devien tenir una estructura en alpha hèlix. També es va observar que aquestes proteïnes es podien incorporar en la membrana formant dominis també anomenats com a basses lipídes, associades a lípids i que es mouen juntament amb ells.
MRDD Per tant es pot dir que el nucli estructural de les membranes és justament els lípids, els quals són els que donen l’estructura, són la barrera selectivament permeable que impedeix el moviment caòtic dels soluts a ambdós costats de les membranes. Els lípids són molècules amfipàtiques (cap polar hidrofílic enfocada als exteriors de la membrana i cua apolar hidrofòbica direccionada a l’interior de la membrana). Fa més de 50 anys que se sap que la membrana està composta pricipalment per lípids i proteïnes.
Si es fa referència a la teoria de l’evolució, la qual planteja que tots els orgànuls citoplasmàtics membranosos (exceptuant mitocondris i cloroplasts) van sorgir per la invaginació de la membrana plasmàtic, és lògic pensar en el concepte de membrana unitària: totes les membranes cel·lulars són similars estructuralment, és per això que es poden observar connexions entre elles: REL i RER, entre aquest i AP; entre les vesícules que sorgeixen del AP i la membrana plasmàtica i entre aquesta i les vesícules que s’endinsen en el citoplasma. Tot i això, aquestes tenen components singulars segons l’especialització de l’orgànul. Tot i que els mitocondris i els cloroplasts es pensava primerament que no tenien connexions amb altres membranes, actualment s’ha vist en certs estudis que sí que existeixen certes connexions (dominis específics del RE amb certs dominis específics dels mitocondris). Les membranes citoplasmàtiques són més fines que la membrana plasmàtica (ja que en els lípids i proteïnes de la MP se li assemblen una gran quantitat de sucres) i contenen un major percentatge de proteïnes (que de lípids, glicoproteïnes i de lipoproteïnes).
En general totes les membranes estan formades per proteïnes i per lípids, són asimètriques, tenen una estructura trilaminar, estan connectades a través de vesícules amb unes funcions comunes: Funcions generals de les membranes 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Barrera selectiva: barrera selectivament permeable per als soluts Compartimentació: La compartimentació és indispensable degut a que els diferents espais estan plens de líquid i, si aquests líquids es barregessin seria desastrós per a la cèl·lula. Les membranes impedeixen el lliure intercanvi de materials d’un costat a un altre però al mateix temps garanteix que les substàncies apropiades entrin al citoplasma i les inapropiades surtin.
Conté els mecanismes per a transportar físicament substàncies d’un costat a un altre (inclús en contra del gradient de concentració). Separa ions amb càrrega oposada per a establir gradients iònics. Els receptors de membrana es combinen amb els lligands (molècules amb estructura complementària com ara les hormones, els factors de creixement o els neurotransmissors). La interacció receptor – lligand genera una nova senyal que estimula o inhibeix activitats internes.
Aquesta compartimentació té lloc entre cèl·lules d’organismes pluricel·lulars. Permet a les cèl·lules reconèixer-se entre si, adherir-se i intercanviar materials i informació. Proporcionen un medi per organitzar les activitats cel·lulars. La membrana proporciona a la cèl·lula una bastida on ordenar els components per a que tinguin una interacció eficaç.
Transport de soluts: en el medi extracel·lular mitjançant diferents mecanismes de transport.
Resposta a senyals externes (transducció de senyals): Lloc on hi haurà receptors per a rebre senyals externes o per a senyalitzar superfície cel·lular.
Interacció intercel·lular Llocs per a diferents activitats bioquímiques Transducció d’energia: Processos que converteixen un tipus d’energia en un altre. La fonamental té lloc amb la fotosíntesi, els pigments de la membrana absorbeixen energia de la llum solar, la converteixen en energia química i l’emmagatzemen en carbohidrats (membranes de cloroplasts i mitocondris). També poden emmagatzemar energia al mantenir diferents concentracions d’ions o de soluts a través de la seva superfície. L’energia emmagatzemada en aquests gradients actua com una pila (bateria).
MRDD Lípids Introducció Els àcids grassos de la membrana poden estar completament saturats (no tenen dobles enllaços), monoiinsaturats (un únic doble enllaç) o poliinsaturats (més d’un doble enllaç).
Són molècules amfipàtiques. Són la carcassa estructural de les membranes i actuen com a barrera que impedeix els moviments caòtics de materials hidrosolubles.
Dins dels diferents lípids dins de les membranes, es troben:    Àcids grassos Fosfolípids (fosfoglicèrids i esfingolípids) Glicolípids i esterols: No tenen grup fosfat.
Dins dels esterols, hi ha el colesterol el qual només és propi dels animals.
En fongs hi ha l’ergosterol i els hopanoides en els bacteris.
2 Es creu que en una cèl·lula de mida mitjana del cos humà té uns 5 milions de molècules/ µm de lípids.
La proporció de lípids en les membranes cel·lulars és molt variable depenent del tipus cel·lulars: (en eritròcits)     55% fosfolípids 25% colesterol 18% glicolípids 2% àcids grassos Si les membranes són asimètriques, és gairebé impossible que la composició en la hemimembrana interna i en la externa sigui igual. Això es pot saber controlant les càrregues que hi ha en una membrana i en l’altre. La cèl·lula és capaç de regular la polaritat de la membrana desplaçant certs tipus de lípids d’una banda a una altra de la membrana.
MRDD Funcions - Impermeabilitat a les molècules hidrosolubles: Ja que la part interior està ocupada per les cues hidròfobes de les cadenes d’àcids grassos.
Viscositat i fluïdesa Flexibilitat Asimetria dels lípids de la membrana Aquesta asimetria és observable en la composició dels lípids.
Exemple: Els llevats Els lípids en les membranes es disposen de manera asimètrica. Els lípids carregats negativament tals com fosfatidilserina i fosfatidilinositol, es localitzen majoritàriament en les hemimembranes internes.
Lípids com la fosfatidilcolina i els esfingolípids (ergosterol, colesterol) són més abundants en les hemimembranes externes.
Aquesta asimetria entre les hemimembranes és important per a les interaccions entre lípids i entre proteïnes i lípids en ambdós costats de la membrana, incloent interaccions específiques de lípids amb receptors, lípids amb el citoesquelet i lípids amb molècules senyalitzadores.
La matriu de cara citoplasmàtica és més fluida que la cara externa degut al major contingut d’àcids grassos insaturats.
Membranes cel·lulars diferenciades en composició i funció: Com es veurà més endavant, el RE és el centre de biosíntesi cel·lular. Se sintetitzen lípids i proteïnes amb diverses funcions.
MRDD La funcionalitat dels lípids, i per tant de les membranes, depèn de la temperatura.
Estats de fluïdesa de la membrana: Temperatura de transició (Tm): Temperatura a la qual es produeix un canvi d’estat en les membranes entre l’estat fluït i l’estat gel.
Aquesta temperatura de transició varia segons: - La longitud de les cadenes dels àcids grassos (TM augmenta a major longitud). A major similitud de la llargada, més compactament i, a més diferència de longituds, més compactament.
La quantitat d’enllaços mixtos, és a dir, dels àcids grassos saturats i insaturats que es troben empaquetats junts.
La proporció d’esterols (colesterol/ ergosterol). Contribueix a la regulació de la temperatura gràcies a la seva capacitat de regular la fluïdesa de la membrana.
Colesterol Composició:   4 anells hidrocarbonats (hidrocarbur tetracíclic) Grup hidroxil (OH) (cap polar) Està present en totes les cèl·lules animals.
La major part de les cèl·lules vegetals (esterols) i totes les cèl·lules bacterianes no tenen colesterol.
Poden arribar a representar el 50% de les molècules lipídiques. És el més petit dels lípids de membrana.
Depenent del tipus cel·lular hi haurà més colesterol per a preservar la seva funcionalitat de manera òptima. Per exemple, les cèl·lules epitelials han de tenir molt de colesterol en la seva MP per a assegurar que amb els canvis brusc de temperatura sota les quals estan sotmeses no es vegi compromesa la seva viabilitat. Poden variar la seva temperatura però adaptant-se millor a les noves condicions. (Un exemple d’aquest fet és la hibernació de certs animals, els quals són capaços de regular la TM en depenent quines membranes gràcies a certs mecansismes).
Com més colesterol hi ha en les membranes, més alta és aquesta TM, la qual implica que es pugui evitar la fase de gel en el procés de refredament de certs lípids, i romandre en una fase líquida i ordenada. Si la temperatura baixa, la presència de colesterol impedeix que es formi una fase líquida desordenada.
MRDD Tot i que els esterols no formen la membrana per si mateixos, amb el seu grup hidroxil tanca els caps polars dels fosfolípids: A elevades temperatures: - Interfereix en els moviments de les cues dels àcids grassos dels fosfolípids.
Redueix la fluïdesa de la capa externa.
Redueix la permeabilitat de les molècules petites.
A baixes temperatures (produeix l’efecte contrari): - Evita la congelació.
Manté la fluïdesa de la membrana.
La disposició de les molècules de colesterol impedeix l’atapeït empaquetament dels fosfolípids.
Tendeix a incrementar la fluïdesa de les hemimembranes.
El colesterol orienta el seu grup hidroxil cap a la superfície de la membrana i el seu extrem hidròfob integrat en la bicapa de lípids.
La disposició de les molècules d’esterols impedeix l’atapeït empaquetament dels fosfolípids.
Tendeixen a mantenir la fluïdesa de la membrana.
Els esterols representen la majoria dels lípids no polars presents en les membranes. El colesterol és predominant en les membranes de les cèl·lules dels mamífers mentre que l’ergosterol predomina en les membranes de les llevadures.
Hi ha certes membranes la composició de les quals està determinada genèticament. Tot i això: Poden els organismes vius regular la fluïdesa de les seves membranes davant de canvis de temperatura? (ja sigui per estrés nutricional, estrés fisiològic, etc.) Ho poden fer canviant la composició lipídica, ja sigui escurçant les cadenes dels àcids grassos (ja que si són llargues són resistents als canvis de temperatura) o incrementant el número d’enllaços mixtos, el que impedeix que els lípids s’empaquetin tan fàcilment.
Mecanismes que es poden activar a baixes temperatures:    Micrococcus: S’activa un enzim que talla 2 carbonis de les cadenes dels àcids grassos de 18 carbonis, produint cadenes més curtes.
E. coli: S’activa l’enzima desaturasa que incrementa el número d’enllaços mixtos.
Mamífers de sang calenta que hibernen: incrementen el número d’enllaços mixtos, és a dir, canviarà la composició de totes les membranes de totes les cèl·lules per a adaptar-se a la hibernació i poder suportar les baixes temperatures.
MRDD Model del mosaic fluït (esquema resum de la composició i estructura de les membranes en general) Les membranes són estructures continues, formades per lípids principalment, segueixen un model trilaminar, és un mosaic de partícules (en aquests lípids hi ha unides proteïnes, el qual fa que les membranes siguin asimètriques ja que en els dos costats de la membrana no hi haurà les mateixes proteïnes ni molt menys estaran situades en les mateixes posicions) Pot haver-hi també lípids o proteïnes glicosilades, els quals es trobaran generalment en la membrana externa. A més s’ha vist que el model de mosaic és fluït, és a dir, que la membrana no és estàtica, està en moviment. Per tant, la membrana és un mosaic fluït, és a dir, està formada per diversos components els quals poden canviar de posició. [La composició no és idèntica, ni tan sols entre la membrana interna i la membrana externa].
Exemple: Els lípids en la membrana es poden moure. Aquests poden rotar sobre si mateixos, el que garanteix la fluïdesa.
Aquests ho poden fer mitjançant dos mecanismes:   Difusió lateral: És molt ràpida. Un fosfolípid pot difondre’s d’un extrem a un altre d’una bactèria en 1-2 segons. Moviment laternal, és a dir, es mouen dins d’una mateixa capa.
Difusió transversa: Aquest, d’un costat a un altre és més restringit (flip-flop); és un procés termodinàmicament desfavorable. Hi ha cèl·lules que tenen enzims (flipases) que mouen activament certs fosfolípids des d’una capa a una altra. Moviment vertical, és a dir, els lípids poden saltar d’una hemimembrana a una altra. És un moviment molt controlat per la cèl·lula i consumeix energia. Flip-flop es coneix com el moviment específic de lípids d’una hemimembrana a una altra, controlat per varis enzims com la flipasa i la flopasa, les que impliquen consum energètic en forma d’ATP (és a dir, els lípids els quals són treslladats d’una membrana a una altre han d’estar associats a una proteïna de membrana que tingui activitat ATPasa i enzimàtica).
MRDD Per tant, aquests dos tipus d’enzims són específics per a determinats tipus de fosfolípids.
També hi ha les escramblases, les quals intercanvien lípids per altres, és a dir, no duen a terme el moviment de lípids un a un, sinó que canvien un per l’altre.
Transporter-controlled exchange of phospholipids between both lipids leaflets of the cell membrane. Unidirectional phospholipids transport by flippase is directed inward, whereas floppase promotes outward-directed transport. Both transporters are ATP-dependent and frequently move phospholipids against their respective concentration gradients. For example, aminophospholipids translocase (flippase) rapidly shuttles PS and PE form outer to inner leaflet, while ABCC1 (floppase) moves both choline and aminophospholipids more slowly towards the outer leaflet. The concerted action of both transporters is thought to create a dynamic asymmetric steady state, in which the outer monolayer is rich in cholinephospholipids, whereas aminophospoholipids predominantly occupy the inner leaflet. Bidirectional phospholipids transporter is catalyzed by a scramblase, activation of whicj¡h may occur 2+ following Ca influx or when cells go into apoptosis. Since scramblase activity moves all major phospholipids classes back and forth between the two leaflets, it promotes collapse of membrane phospholipids asymmetry, with appearance of PS at the cells’ outer surface. [PC = phosphatidyl choline; SPH = sphingosine; PS = phosphatidyl serine; PE = Phosphatidyl ethanolamine].
Estudi per a demostrar el moviment dels lípids dins d’una membrana: Fluorscence Recovery After Photobleanching (FRAP). Recuperació de la fluorescència després d’un fotoblanquejat.
Els lípids de la membrana es van marcar fluorescentment (amb un fluoròfor – substància que emet fluorescència - el qual s’hi uneix per afinitat). Per a marcar a determinats tipus de lípids, es poden crear anticossos específics, els quals seran marcats amb un fluoròfor. En aquest experiment es van emprar fluoròfors que s’unien per afinitat amb els fosfolípids. [Els fluoròfors són substàncies que, si es fa inserir llum sobre elles, aquesta es reflexa en un color determinat].
Un cop marcats els lípids de membrana, es van sotmetre a un blanquejament mitjançant un làser a una determinada zona de la cèl·lula. [Quan en un fluoròfor s’hi aplica un làser, aquest perd irreversiblement la capacitat de fluorescència]. Si s’observava en aquest mateix moment la mostra en un microscopi electrònic de fluorescència, es va veure que una zona de la membrana que no contenia color. En aquest moment es va incubar la mostra durant unes hores i quan posteriorment, es van tornar a observar aquestes cèl·lules en el microscopi específic, es va observar que l’àrea blanquejada començava poc a poc a recuperar fluorescència, el que implica que els lípids s’havien desplaçat mitjançant un moviment lateral per les membranes.
MRDD PHOTO 1: The rate of lipid diffusion in the plasma membrane is measured using fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). Lipids are uniformly labeled with fluorescent molecules, then a patch of membrane is irradiated with a laser that bleaches the fluorescence in that area. Fluorescence in the bleached area is recovered as fluorescent molecules diffuse in from other parts of the membrane. The rate of lipid diffusion is proportional to the rate of fluorescence recovery in the bleached area.
PHOTO 2: Cells are labelled with a fluorescent reagent that blinds to a specific surface protein or lipid, which is uniformly distributed on the surface. A laser light is then focused on a small area of the surface, irreversibly bleaching the bound reagent and thus reducing the fluorescence in the illuminated area. In time, the fluorescence of the bleached area increases as unbleached fluorescent surface molecules diffuse into it and bleached ones outward. The extent of recovery of fluorescence in the bleached path is proportional to the fraction of labelled molecules that are mobile in the membrane.
Funció dels lípids (RESUM)    Impermeabilitat (colesterol) - A baixes temperatures  Evita la congelació  Manté la fluïdesa de la membrana - A altes temperatures interfereix en els moviments de les cues dels àcids grassos dels fosfolípids  < permeabilitat a molècules solubles petites  < fluïdesa de la membrana externa Flexibilitat - Fusió i desdoblament de les MP - Locomoció i divisió cel·lular - Processos de formació d’una MP a partir de dos Fluïdesa i viscositat - Longitud dels fosfolípids, número d’enllaços dobles i colesterol.
- Desplaçaments: difusió lateral, rotació i flexió, infreqüents de tombarella (flip-flop) (síntesi pel RE).
MRDD Glicolípids      Es troben especialment en cèl·lules nervioses [Tenen un glicocàlix molt gran].
Els sucres estan dirigits cap al exterior de la cèl·lula formant part del revestiment fibrós (per tant sempre es trobaran en la hemimembrana externa).
Es creu que són importants en la recepció dels impulsos nerviosos i en la transmissió d’informació entre cèl·lules en els teixits nerviosos.
En general, ofereixen especificitat cel·lular; actuen com a lloc de reconeixement intercel·lular i com a receptors de superfície.
Depenent del tipus de cèl·lula, varia la naturalesa de glicolípids que hi ha i, també en varia la quantitat.
Proteïnes Representen el 50% del pes de la membrana.Com que les proteïnes són molt més grans que els lípids, aquest percentatge correspon a 1 molècula de proteïna per 50-100 molècules de lípids. Les proteïnes es troben inserides en la bicapa lipídica. Presenten una gran varietat en quan a la disposició, al pes molecular i a les seves funcions. Es pot afirmar que són el component fonamental de la membrana ja que tenen un paper clau i molt variat. S’estudien fonamentalment a través d’electroforesis en gels de poliacrilamida.
El seu pes molecular és de 20-240 kDa.
Tot i que pel general hi ha una molècula de proteïna per cada 50 – 100 molècules de lípids, no sempre és cert en tots els tipus de cèl·lules i en el tipus de proteïnes de cadascuna d’elles.
Les millors estudiades són les dels eritròcits dels mamífers per la seva facilitat a obtenir-les.
Gairebé sempre són molècules globulars i de disposició asimètrica en les membranes. Tenen papers claus i molt variats:     Transportadores Reconeixement cel·lular Funció enzimàtica Receptors intracel·lular i extracel·lular.
Tipus de proteïnes de membrana: Proteïnes perifèriques: - No inserides en l’interior hidrofòbic de la membrana.
Representen el 30% de les proteïnes de membrana.
Associades a la membrana mitjançant enllaços dèbils covalents o no covalents.
Ancorades la membrana mitjançant llargues cadenes d’hidrocarburs (lípids) integrats en la cara interna de la bicapa lipídica mitjançant enllaços covalents. (1) Enllaços a grups hidròfils del cap dels lípids. S’uneixen mitjançant enllaços electrostàtics. (2) Enllaços a les porcions hidròfiles de les proteïnes integrals que sobresurten de la bicapa. (3) MRDD Proteïnes ancorades a GPI (glicosilfosfatidilinositol): Hi ha proteïnes amb aquest tipus d’ancoratge que són enzims o antígens, altres estan implicades en processo de transducció de senyals o d’adhesió cel·lular.
Les proteïnes perifèriques de la cara extracel·lular s’associen a la membrana en moments determinats i tenen funció de reconeixement cel·lular o per a fixar substàncies. Les proteïnes perifèriques tenen una distribució asimètrica en la membrana.
Les proteïnes de membrana són molècules amfipàtiques. Aquestes, per a poder inserir-se dins de la bicapa, han de tenir dominis hidrofòbics, els quals seran els que estaran inserits en la part hidrofòbica de la membrana. Per a que aquestes proteïnes siguin hidrofòbiques, se’ls hi afegeix AA específics no polars, els quals fan que aquestes s’insereixin directament en la membrana (a mesura que es sintetitzen les proteïnes, ja se’ls afegeixen aquests AA directament i ràpidament són traslladades a la membrana per a que s’internalitzin).
Aquestes proteïnes es poden trobar tant en el domini intracel·lular como en el domini de la membrana extracel·lular.
Són operativament definides com a proteïnes que es dissocien de la membrana fàcilment mitjançant el tractament amb reactius polars (solucions de pH extrem o d’elevades concentracions salines).
Són solubles en buffers aquosos. [Buffer: substància que manté l’equilibri] Poden estar localitzades sobre la superfície extracel·lular o citoplasmàtica (proteïnes perifèriques extracel·lulars que estan menys definides).
Les proteïnes citoplasmàtiques (actina, espectrina) actuen com a “esquelet”; fan de suport i de recolzament mecànic a la membrana i fixen proteïnes integrals a la membrana.
Aquests proteïnes s’inseriran dins de la membrana d’una manera específica depenent de la seva funció:     Proteïnes monotòpiques: Proteïnes que s’insereix en una sola de les hemimembranes.
Proteïnes bitòpiques: Proteïnes que travessen les dues hemimembranes. Tenen un domini intracel·lular, un de intermembranós i un de extracel·lular.
Proteïnes de multipàs o politòpiques: Proteïnes formades per una sola cadena de polipèptids. A mesura que es va sintetitzant i afegint AA apolars, es va inserint varies vegades en la membrana.
Proteïnes amb més d’una unitat: Proteïnes formades per varies subunitats. Aquestes subunitats poden ser bitòpiques, politòpiques o inclús estar associades a altres proteïnes que no s’’integren en les membranes que són les proteïnes perifèriques. Són les que estudiarem en gran quantitat.
Per tant podem diferenciar dos grans grups: proteïnes integrals (amfipàtiques que es poden inserir a les membranes de diverses maneres) i proteïnes perifèriques (no s’integren a la membrana, sinó que estan ancorades a àcids grassos o a isoprenils o a GPI (glicosilfosfatidilinositol) (actua com a transport de proteïnes, per al ancoratge de proteïnes –en el citoesquele – i com a ancoratge de glúcids).
MRDD Proteïnes citoplasmàtiques del eritròcit: El principal component de l’esquelet és la espectrina. Nombroses malalties genètiques caracteritzades per eritròcits fràgils de forma anormal s’atribueixen a mutacions que alteran l’estructura i funció de la espectrina. Els eritròcits han de ser molt deformables ja que la xarxa d’espectrina i actina confereix a la cèl·lula resistència, rigidesa i plegabilitat. S’ha comprovat l’existència d’esquelet intern de membrana en altres tipus cel·lulars, pel que és una estructura àmpliament distribuïda.
 Actina: proteïna esquelètica que actua fixant determinades proteïnes en determinades zones de la membrana. Les proteïnes en les membranes estan formant dominis, i moltes d’aquestes proteïnes es troben fixes en aquest domini, per tant hi haurà proteïnes que funcionaran com a recolzament mecànic fixant o creant dominis de membrana (per a altres proteïnes).
MRDD    Glicoforina: Proteïna que conté determinats sucres i és l’encarregada de definir els diferents grups sanguinis, ja que aquests actuen com a antígens. Aquesta és una proteïna multipàs i, necessita d’una altra proteïna com podria ser l’actina per a fixar-se en la membrana i, a la vegada al citoesquelet.
Anquirina: és una proteïna superficial fixada també per l’actina (es fixa tant en la membrana com en el citoesquelet).
Tropomiosina: Proteïna superficial ancorades tant al citoesquelet com a proteïnes de membrana) Aquestes proteïnes creen barreres de domini proteic.
Proteïnes integrals: Representen la majoria de les proteïnes de les membranes (70% en els eritròcits).
Estan integrades en la bicapa lipídica (monotópiques, bitòpiques, de multipàs).
Generalment són proteïnes α hèlix i poden estar associades a glicolípids i oligosacàrids.
També tenen associats residus apolars, que és el que les permet adquirir aquest caràcter amfipàtic i així poder inserir-se en les membranes. Aquests AA específics se’ls uneixen a les proteïnes en el mateix moment de síntesi d’aquestes [Aquest fet dóna la informació que aquestes proteïnes se sintetitzaran en els ribosomes del RER ja que aquest està més prop de la membrana i per tant, aquestes proteïnes apolars no hauran d’estar flotant en el citoplasma] [Les proteïnes superficials de la cara citoplasmàtica de la membrana sí que es sintetitzaran en els ribosomes lliures del citoplasma perquè no són apolars. A més a més, aquestes no s’inseriran en la membrana sinó que posteriorment s’associaran a altres molècules com ara els glúcids].
Aquestes proteïnes formen enllaços covalents amb els lípids o àcids grassos (o relacions hidròfobes), pel que les fa molt difícil d’extreure. Els reactius més emprats per a solubilitzar proteïnes integrals són els detergents, els quals són un mètode dràstic que destrueix la bicapa lipídica.
Els AA polars de les proteïnes integrals no estan integrats en la bicapa sinó que sobresurten dels extrems de la bicapa en un o en ambdós costats formant un canal aquós a través d’aquesta.
Els dominis aquosos poden actuar amb substàncies hidrosolubles (ions, substrats de baix pes molecular, hormones i altres proteïnes) en la superfície de la membrana o dins del canal central.
MRDD De les proteïnes integrals de membrana dels eritròcits destaquen la glicoforina (explicada anteriorment) i l’anomenada “banda 3”, la qual és una proteïna globular molt gran relacionada amb el transport aniònic. Ambdós proteïnes tenen associats sucres que sempre es troben en la cara extracel·lular de la membrana.
La Glicoforina A, proteïna transmembrana de pas únic, té a veure amb el sistema ABO dels grups sanguinis. La seva funció primària es creu que està associada a evitar la formació de grumolls entre els eritròcits, doncs els extrems de les seves cadenes de carbohidrats estan carregats negativament, el que fa que els eritròcits es repel·leixin entre si.
La Banda 3 és també una proteïna transmembrana de pas múltiple (travessa la membra aproximadament 12 vegades) i és la més abundant. La seva funció està relacionada fonamentalment amb el transport aniònic pel canal de transport per al intercanvi de HCO3 (bicarbonat) i Cl quan l’eritròcit desprèn el CO2 en els pulmons (en el intercanvi de CO2 i O2 entre pulmons i teixits) i en el + plasma el CO2 es combina amb l’aigua: CO2 + H2O  H2CO3 HCO3 + H .Els ions bicarbonat penetren en l’eritròcit i s’intercanvia per ions Cl i es transporta el CO2 als pulmons. És en els pulmons on té lloc la reacció inversa, és a dir, les ions bicarbonat abandonen l’eritròcit intercanviant-se per ions clorur.
Anteriorment, hem dit que certes proteïnes estan ancorades a la membrana per a poder crear dominis a causa de que les proteïnes es mouen per la membrana.
Per a demostrar aquesta fluïdesa de la membrana i poder veure que les proteïnes són mòbils en la membrana, l’any 1970 Frye i Edidin van demostrar-ho creant un heterocarió (híbrid cel·lular creat amb cèl·lules humanes i cèl·lules de ratolí) fusionant plasmogàmia (unió de citoplasmes). Van dissenyar anticossos específics per a proteïnes de membrana humanes i del ratolí. Aquests anticossos que es van dissenyar es van marcar amb fluoròfors diferents, és a dir, la fluoresceïna per a les proteïnes de membrana del ratolí i, la rodamina per a les proteïnes de membrana de les cèl·lules humanes. Es va ajuntar les dues solucions (la dels anticossos i la dels heterocarions) i es va fer un rentat per a eliminar tots aquells anticossos que no s’havien unit a les cèl·lules. Es va observar posteriorment les cèl·lules mitjançant microscopia de fluorescència i es va observar que la meitat de la cèl·lula corresponent al heterocarió està marcada fluorescenment de color verd (fluoresceïna) i l’altre meitat corresponent a les proteïnes de les cèl·lules humanes, marcades en color vermell (rodamina). Es va deixar incubar un temps determinat l’heterocarió amb les proteïnes marcades i al cap d’uns 40’ es va observar que la fluorescència s’entremesclava. Això identifica clarament que les proteïnes poden difondre’s en la membrana, poden traslladar-se en una difusió lateral com passa amb els lípids.
Les proteïnes poden realitzar un moviment de zig – zag movent-se per tota la membrana.
MRDD Tot i això, no totes les membranes tenen la capacitat de difondre’s lliurement a través de la membrana.
Aquesta mobilitat està restringida per: A) B) C) D) Autoassamblatge en agregats Restricció pels materials extracel·lulars (paret cel·lular) Associació al citoesquelet Unions entre cèl·lules.
Les proteïnes formen dominis de membrana molt específics estructural i funcionalment ben diferenciats.
A: El que delimita aquest moviment és creant autoagregats, és a dir, unint-se unes amb les altres de manera que formin blocs.
B: Pels materials extracel·lulars (determinades proteïnes que s’uneixen a la matriu extracel·lular com és la paret bacteriana o fúngica) el que les ancora fortament i no es poden moure.
C: Associades al citoesquelet d’actina a través a la vegada d’associacions a proteïnes superficials com l’anquirina que bloqueja les proteïnes i s’uneixen al citoesquelet.
D: Altres proteïnes estan destinades a unir cèl·lules entre cèl·lules. [Els teixits es formen gràcies a que les cèl·lules es mantenen unides i estables; si les proteïnes d’unió es comencessin a desplaçar-se, els teixits no serien viables i no podrien existir els organismes pluricel·lulars)]. Aquestes proteïnes tenen dominis específics i a més a més es troben fixades, en els organismes pluricel·lulars, al citoesquelet.
Un cas d’aquest fet són els eritròcits quan s’agregen per a formar, juntament amb les plaquetes, un tap en una ferida. El que fa és que s’uneixin entre si són proteïnes de membrana que enllaça les diferents cèl·lules entre si. En els mateixos eritròcits també troben l’exemple de que la proteïna “Banda 3” està immobilitzada per l’esquelet intern que forma l’espectrina, la anquirina i la actina.
Estructura, composició i funció de la MP La membrana plasmàtica és el límit exterior de les cèl·lules. Només conté unes quantes molècules d’espessor 5-10 nm.
Concepte de membrana plasmàtica: 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Estructura laminar que engloba a les cèl·lules definint els seus límits.
Contribueix a mantenir l’equilibri entre l’interior i l’exterior.
Bicapa lipídica que serveix de “contenidor” per als compartiments interns de la cèl·lula protegint-la mecànicament.
Formada principalment per lípids i proteïnes (espessor de 10 nm).
Presenta una permeabilitat selectiva.
S’assembla a les membranes que delimiten els orgànuls cel·lulars eucariotes (7 nm d’espessor).
No és visible a MO però sí que ho és al ME.
En procariotes, plantes i fongs se situa sota una altra capa, la paret cel·lular.
És un conglomerat molecular actiu que limita el contingut de totes les cèl·lules; garantint el intercanvi de materials entre l’entorn de la cèl·lula i el citoplasma.
MRDD Composició: Els components (lípids i proteïnes) units per enllaços covalents.
La proporció entre lípids i proteïnes varia segons el tipus d’organisme, però generalitzant: - 35% lípids 45% proteïnes 10% carbohidrats En eritròcits, exactament la composició és de 52% de proteïnes, 40% de lípids i 8% de glúcids.
Tot i això existeixen algunes excepcions com poden ser les cèl·lules nervioses, el percentatge de lípids de les quals és molt més elevat que el percentatge de proteïnes.
La membrana plasmàtica forma teixits molt específics els quals són estructuralment i funcionalment molt específics. A partir d’ara s0estudiarà l’exemple a partir dels enteròcits (cèl·lules epitelials del intestí prim) en comptes dels eritròcits ja que aquestes no estan en un medi fluït sinó que estan dins d’un teixit. En aquestes cèl·lules la membrana plasmàtica forma diversos dominis proteics i lipídics molt específics. Es poden diferenciar el domini apical (el que està exposat al lumen de l’intestí on hi haurà la majoria de transportadors que incorporaran substàncies a les cèl·lules), del domini lateral o basolateral (unió de cèl·lula a cèl·lula) i del domini basal (altament especialitzant en la unió cèl·lula – matriu extracel·lular. Caracteritzat per tenir proteïnes que transportaran ions o restes de la digestió cel·lular al torrent sanguini per a ser distribuïts a tot l’organisme). Per tant, la membrana tot i ser fluïda es troba formant dominis on les proteïnes únicament difonen dins del seu domini i en aquest domini existirà composició proteica i composició lipídica diferenciades entre si. Per tant, les funcions de cada domini també són diferents.
Les cèl·lules epitelials amb pluridominis són pròpies dels organismes pluricel·lulars. Tot i això, un organisme unicel·lular també pot formar dominis de membrana específics. Per exemple, en el cas dels llevats: [Mecanismes de formació dels dominis en les membranes dels llevats] En química orgànica, un grup acil és un grup derivat d’un oxoàcid, normalment d’un àcid carboxílic, per eliminació d’ almenys un grup hidroxil. Els derivats d’àcids carboxílics, ésters, anhídrids d’àcid, halurs d’àcid i amides, tenen com a fórmula general R-CO-.
MRDD Els diferents dominis en llevats es poden formar per tres mètodes diferents: - - Proteïnes associades a lípids: La membrana d’aquesta zona es troba en fase líquida organitzada, formada per esterols i esfingolípids que interactuen uns amb altres i que es troba separada de la fase líquida desorganitzada formada per glicerofosfolípids. Les proteïnes modificades amb palmitol o unides a GPI (glicosilfosfatidilinositol) es troben preferiblement en aquestes regions riques en esfingolípids i esterols.
Bastides proteiques: Les proteïnes generen dominis de membrana per l’assemblatge en agregats proteics interactuant directa o indirectament amb lípids específics.
Barreres proteiques: Les proteïnes defineixen dominis actuant com a barreres que restringeixen el moviment per difusió lateral dins de la membrana proteïnes ancorades al citoesquelet.
Glicocàlix Composició: carbohidrats (des d’oligosacàrids a polisacàrids) units a glicolípids i glicoproteïnes. Es troba just per fora de la membrana externa. En algunes cèl·lules, degut a la seva funció tan especialitzada, poden tenir un glicocàlix molt desenvolupat.
Hi ha molts components de la membrana plasmàtica que tenen dominis glicolisats. Aquests dominis units a glúcids formen part de la hemimembrana externa. Aquests components són els que formen el glicocàlix.
Generalment, la porció extracel·lular de les proteïnes transmembranes es troba unida a carbohidrats.
Alguns lípids també apareixen units a cadenes de sucres (glicolípids). Aquests carbohidrats es troben exposats a la cara extracel·lular de la bicapa. En conseqüència, la superfície cel·lular es troba recoberra d’aquest material hidrocarbonat anomenat glicocàlix. En aquesta coberta, a més a més de carbohidrats es poden trobar algunes proteïnes. Els oligosacàrids s’uneixen tan als lípids com a les proteïnes. Els polisacàrids només s’uneixen a les proteïnes. El total d’oligosacàrids units a proteïnes és major que el dels units a lípids. Les glicoproteïnes poden tenir varies cadenes d’hidrats de carboni; la de glicolípids només una.
Un exemple de cèl·lules molt especialitzades amb un glicocàlix molt específic són els enteròcits, les cèl·lules epitelials del intestí prim.
Els enteròcits es dediquen, en el seu extrem apical, a absorbir nutrients. És aquesta especialització el que els hi permet tenir les vellositats. A més a més, dins d’aquestes es pot observar (mitjançant MET) que són molt riques en sucres. A aquest glicocàlix se’l denomina “glicocàlix antenular”, el qual funciona com si fos una malla retenint diverses substàncies com ara ions, AA, bactèries...
MRDD El grau de desenvolupament del glicocàlix és molt variable. En la majoria de les cèl·lules és una capa fina i en altres pot estar molt desenvolupada.
Per exemple, i com ja s’ha dit anteriorment, el glicocàlix del epiteli intestinal. Les cèl·lules de l’epiteli intestinal posseeix nombroses prolongacions cap a la llum intestinal denominades microvellositats, que estan recobertes per un material filamentós molt ramificat formant un entramat tridimensional denominat glicocàlix antenular.
Funcions       Selectivitat en la incorporació de substàncies de baix pes molecular.
Reconeixement específic de cèl·lules entre si durant el desenvolupament embrionari, en contactes sinàptics neuronals, etc.
Unions intercel·lulars i de la cèl·lula amb la matriu extracel·lular.
Propietats immunitàries (grups sanguinis vinculats amb el glicocàlix dels eritròcits).
Ancoratge d’enzims (fosfatasa alcalina).
Actua com a resina intercanviadora d’ions.
Transport Transport de molècules de baixa massa molecular   Difusió simple: a favor de gradient Intervingut per proteïnes - Transport passiu:  Difusió per canal  Difusió facilitada - Transport actiu: Implica la hidròlisi del ATP i els soluts es mouen en contra del gradient de la seva concentració.
 Bomba sodi/potassi  Altres bombes La composició interna de la cèl·lula es manté gràcies a la selectivitat de la membrana. Moltes molècules són incapaces de difondre a través de la bicapa de lípids. Existeixen proteïnes específiques de transport (carriers i proteïnes de canal) que actuen com a mediadores selectives de les molècules a través de la membrana i, per tant controlen la composició del citoplasma cel·lular.
Una membrana pot ser permeable a un solut determinat: 1.
2.
El transport actiu es dur a terme mitjançant proteïnes que tenen dominis específics citoplasmàtics on es produeix la hidròlisi del ATP per a poder, al mateix temps, transportar la molècula desitjada.
Perquè el solut passa directament a través de la bicapa de lípids.
Perquè aquest solut és capaç de travessar un prous aquós situat en l’espessor de la membra que impedeix el contacte del solut amb les molècules lipídiques de la bicapa.
Considerem primerament la ruta per la qual el solut es dissolgui en la bicapa.
MRDD A) Difusió simple.
B) Difusió simple a través de canal aquós format en una proteïna integral de membrana o entre un cúmul d’aquestes proteïnes.
C) Transport facilitat, les molècules del solut s’uneixen de manera específica amb un portador proteic de la membrana (transportador facilitador).
D) Transport actiu.
E) Exemples d’aquests tipus de transport en la membrana del eritròcit.
Transport actiu:    Sense consum energètic A favor del gradient osmòtic.
Petites molècules (aigua) i molècules apolars.
Transport facilitat:    Sense consum energètic.
A favor del gradient osmòtic.
Molècules polars (glucosa).
Transport actiu:    Consum d’energia (ATP).
En contra del gradient osmòtic.
Precisa de transportadors (proteïnes) MRDD Difusió Procés espontani on els soluts es desplacen segons el gradient de concentració osmòtic i/o el gradient electroquímic a través de la bicapa de lípids.
  Soluts que travessen directament la bicapa de lípids.
Procés no selectiu Aquesta ruta de difusió obliga a considerar la polaritat del solut. NO electròlits (partícula sense càrrega elèctrica): el seu pas a través de la membrana depèn del gradient de concentració i de la permeabilitat (penetrància) de la membrana a la substància.
  Depèn de la polaritat del solut (o no polaritat) [Coeficient de partició]: com més liposolubilitat, més permeabilitat.
Depèn de la mida.
Si el solut no és un electròlit (partícula sense càrrega elèctrica): el seu pas a través de la membrana depèn del gradient de concentració i de la permeabilitat de la membrana a la substància. Una mesura simple de la polaritat (o no polaritat) d’una substància és el seu coeficient de partició, és a dir, la proporció entre la seva solubilitat en oli i la seva solubilitat en aigua. La velocitat és major en aquelles substàncies que tenen una major solubilitat en lípids en relació a la seva solubilitat en aigua [Coeficient de partició]. Un altre factor que també determina la velocitat de penetració és la mida. Dues molècules amb el mateix coeficient de partició: la molècula de menor mida tendeix a penetrar en la bicapa lipídica de la membrana amb major rapidesa.
     Moviment en ambdós direccions Flux net a favor del gradient La velocitat de penetració està lligada a la permeabilitat i al coeficient de partició Molècules no polars, petites Molècules polars sense càrrga Distribució irregular de la càrrega elèctrica.
- Molècules petites hidrofòbiques: O2, CO2, N2, benzè Molècules polars petites sense càrrega: H2O, glicerol, etanol Molècules polars llargues sense càrrega: AA, glucosa, nucleòtids + + Ions: Cl , H , Na ...
La permeabilitat (velocitat de penetració amb relació al gradient de concentracions) varia àmpliament entre les diferents substàncies. Per tant, les membranes són molt permeables a molècules inorgàniques petites. Per contra, molècules polars més grans com sucres, AA i intermediaris fosforilats, mostren poca penetrabilitat en la membrana. L’aigua es mou amb major facilitat que la majoria dels soluts, ja que per osmosi es desplaça cap a on aquests estan més concentrats. La major part de les cèl·lules manté un volum apropiat al desplaçar ions cap a dins i cap a fora de la cèl·lula fins que la concentració interna del solut (incloent una elevada concentració de proteïnes dissoltes) sigui igual a la concentració del solut extern. En aquestes condicions ambdós líquids són isotònics (isosmòtics) i no hi ha moviment d’aigua.
Per a compensar l’entrada d’aigua, les cèl·lules han desenvolupat diferents estratègies, com la presència de parets cel·lulars rígides (bactèries, cèl·lules vegetals), d’orgànuls cel·lulars actius en la expulsió d’aigua (vacuoles contràctils) o bombes de membrana.
MRDD Transport passiu Proteïnes de canal o Porines Formen canals aquosos que permeten el pas de molècules polars o ions a velocitats superiors al que permet la difusió a través de la bicapa.
+ + ++ - Els soluts (Na , K , Ca , Cl ) travessen la membrana a través de canals aquosos (difusió simple) - Transport a favor del gradient Té especificat per determinats soluts. Aquesta selectivitat demostra que són més que simples porus aquàtics.
Més ràpida que la difusió simple i tendeix a saturar-se Molècules polars o ions Proteïnes de canal: Formen canals aquosos que permeten el pas de molècules polars o ions a velocitats superiors a lo que permetria la difusió a través de la bicapa. Són proteïnes integrals de la membrana que rodegen un porus aquós. Tot i que en alguns canals el flux de substàncies augmenta literalment amb el gradient, en la majoria dels canals el procés tendeix a saturar-se a altes concentracions, el que indica que la molècula transportada actua amb el canal proteic.
La seva obertura i tancament està regulat per diferents estímuls com ara pot ser el voltatge (la membrana en si mateixa té carrega gràcies als caps polars dels fosfolípids. Aquesta la pot modificar mitjançant la composició de lípids o bé per la retenció de determinats ions per part del glicocàlix), certs lligants (ja siguin interns o externs) o la concentració iònica.
Existeixen diferents tipus de porines per als diferents tipus de soluts. Alguns exemples:     + Canal de K : Canal controlat per voltatge. Molt important en les cèl·lules nervioses.
+ Canal de Na : Canal controlat per voltatge. Molt important en les cèl·lules nervioses.
Malporina Canal de Hemosilina Un exemple és la maltoporina, que facilita la dilució de maltodextrines a través de la membrana externa de bactèries Gram-negatives. Presenta en el porus 6 residus aromàtics que guien als sucres en la seva ruta. Forma trímers. Un altre exemple és la hemosilina de Staphylococcus aureus la qual forma porus en la membrana d’eritròcits i altres cèl·lules, permeabilitzant-les i produint la mort cel·lular.
La majoria dels canals per ions actuen com a portes transitòries i estan regulars en la seva apertura i tancament per diferents tipus d’estímuls: - Canals operats per voltatge: El seu estat de conformació depèn de la diferència de càrrega iònica en ambdós costats de la membrana (s’obren en resposta a un canvi de potencial de membrana).
Un senzill model del canal sensitiu al voltatge er ions de sodi, mostraria 4 posicions: A: en repòs, el portal d’activació (AG) està tancat i el de desactivació (IG) obert.
B: Durant l’activació, ambdós portals s’obren.
C: En la desactivació, es tanca el portal de desactivació. El d’activació encarà està obert.
D: Durant el període refractari, ambdós portals estan tancats.
MRDD - - Canals operats per substàncies químiques: El seu estat de conformació depèn de l’enllaç amb una substància particular. [Lligant: molècula específica del canal i diferent a la substància transportada per aquest].
Canals operats per concentració iònica: S’obren quan canvia la concentració d’algun ió.
Proteïnes transportadores o carriers Soluts que s’enllacen a una proteïna transportadora.
      Transport a favor del gradient Té major especifitat pels soluts Més lent que el transport per canal Segueix una cinètica de saturació Soluts polars (sucres i AA) La seva activitat pot ser regulada a nivell cel·lular.
Les proteïnes transportadores (carriers) o permeases tenen un pas altament selectiu de determinades molècules o ions. Aquestes tenen una configuració alternant, és a dir, capten el solut a un costat de la membrana, on tenen una gran afinitat, i quan aquest solut entra provoca el canvi de conformació de la proteïna, la qual quan entra en contacte amb el pH diferent al altre costat de la membrana hi perd afinitat i l’allibera. El fet d’alliberació del solut fa que novament canviï la conformació i que quedi en l’altre costat de la membrana al qual hi tenia afinitat.
- Enllaç del solut amb la proteïna transportadora Canvi de confirmació en la proteïna Exposició del solut en l’altre superfície de la membrana Difusió seguint el seu gradient de concentració.
Tipus:  Uniporte: Poden transportar una sola molècula. Transporten a favor del gradient de concentració de la substància a transportar. Un exemple és la glucosa amb diferents tipus d’AA.
 Cotransporte: Transport simultani de dues molècules. En aquest cas la cèl·lula pot utilitzar el moviment a favor del gradient d’una de les substàncies transportadores per a transportar l’altre en contra de gradient, de manera que el transport global sigui energèticament favorable.
Aquest tipus de transport pot acoblar el moviment d’un tipus de molècula a favor del seu gradient de concentració amb l’altre molècula que vagi en contra del seu gradient de concentració.
+ - Simporte (unidireccional): Transport de Na i glucosa a la membrana plasmàtica de les cèl·lules intestinals.
- Antiporte (intercanvi): Transport de Cl i HCO3 en la membrana dels glòbuls vermells.
Tant el simporte com l’antiporte són també anomenats transportadors acoblats, ja que no es poden dur a terme si no hi estan presents ambdós soluts.
MRDD Ionòfors Molècula hidròfoba: protegeixen la càrrega del ió. Transport a favor de gradient. Rodegen la càrrega del ió transportat per a que travessin l’interior hidròfob a favor del seu gradient. Es sintetitzen en moments específics davant d’estrès o com a mecanisme de defensa.
Aquestes substàncies tenen la propietat de poder incorporar-se a les membranes i augmentar la permeabilitat a certs ions. En generals són fabricats per bactèries com a mecanismes defensius contra els antibiòtics. Existeixen dos tipus diferents:  Transportadors mòbils: S’uneixen reversiblement a un ió que es troba en el medi amb major concentració, giren en la bicapa i l’allibera en l’altre costat de la membrana (Ex: Valinomicina).
Exemples: -  ++ ++ Ionòfor A23187 – Ca , Mg + Complexe valinomicina – K Formadors de canals: Són proteïnes amb estructura helicoïdal, on en l’interior de la hèlix hi ha una regió hidrofílica que permet el pas d’ions monovalents (amb una sola càrrega elèctrica) + + + (Ex: Gramidicina – H , Na , K ).
Aquaporines Són canals especials amb estructura helicoïdal que permeten el pas selectiu d’H 2O. No són canals iònics.
En certes classes de cèl·lules, per exemple en algunes cèl·lules renals, es requereix un major transport d’H2O que l’aconseguit exclusivament amb la difusió simple (osmosis). L’estructura de les aquaporines és semblant a la dels ionòfors formadors de canals.
L’observació de que la permeabilitat a l’aigua d’alguns teixits era excessivament alta per a ser explicada només per simple difusió a través de la membrana lipídica, va ser fonamental per al desenvolupament del concepte d’un canal específic per al transport d’aigua. Avui en dia s’ha demostrat l’existència d’una família de canals proteics específics d’aigua que faciliten el seu moviment transcel·lular, denominades aquaporines (AQP). Les AQP són, per tant, una família de proteïnes intrínseques de membrana que funcionen com a canals selectius d’aigua en la membrana plasmàtica de les cèl·lules dels diferents teixits transportadors de la mateixa.
Review Structural insights into eukaryotic aquaporin regulation abstract Aquaporin-mediated water transport across cellular membranes is an ancient, ubiquitous mechanism within cell biology. This family of integral membrane proteins includes both water selective pores (aquaporins) and transport facilitators of other small molecules such as glycerol and urea (aquaglyceroporins). Eukaryotic aquaporins are frequently regulated post-translationally by gating, whereby the rate of flux through the channel is controlled, or by trafficking, whereby aquaporins are shuttled from intracellular storage sites to the plasma membrane. A number of high-resolution X-ray structures of eukaryotic aquaporins have recently been reported and the new structural insights into gating and trafficking that emerged from these studies are described. Basic structural themes reoccur, illustrating how the problem of regulation in diverse biological contexts builds upon a limited set of possible solutions.
MRDD El transport per difusió simple es satura molt més ràpidament que no pas per difusió facilitada.
En condicions típiques, la cèl·lula manté gradients de concentració: + + [K ] intracel·lular: 100mM > [K ] extracel·lular = 5mM + + [Na ] intracel·lular = 10-20 mM < [Na ] extracel·lular = 150 mM + + [Ca ] intracel·lular 1000-10 000 vegades menor que la [Ca ] + extracel·lular. La presència de Ca en la cèl·lula és entès per la cèl·lula com a una senyals molt important, per això aquests quasi sempre es troben a nivells molt baixos.
  Els gradients de concentració constitueixen un medi per a emmagatzemar energia a la cèl·lula.
La cèl·lula utilitza l’energia potencial emmagatzemada en gradients iònics per a executar ell transport d’altres soluts.
Però, com es aconsegueixen aquests gradients? Transport actiu        Es transporten molècules en conta del seu gradient de concentració.
Implica un consum energètic (hidròlisi del ATP).
El mecanisme emprat en aquests processos s’anomenen bombes.
Aquestes bombes tenen dominis citoplasmàtics que fan hidròlisi del ATP i es transforma el adenosina trifosfat a adenosina difosfat. Aquest fosfat alliberat es poden unir a llocs específics de determinades bombes, les quals passen a ser denominades “Bombes P” les quals es fosforilen. Aquestes tenen dominis específics per al grup fosfat.
Tot i això, existeixen bombes que tot i la seva activitat ATPasa no se’ls hi uneix cap fosfat i aquest queda lliure pel citoplasma. Aquestes es denominen “Bombes V” Existeixen bombes les qual expulsen protons en contra del seu gradient de concentració.
Aquestes bombes específiques no tenen activitat ATPasa, sinó que el contrari, tenen activitat ATP sintasa i, se les denomina “Bombes F”. Es troben en els mitocondris i en els cloroplasts.
Hi ha un altre equip de bombes molt específic. Aquestes bombes pertanyen a la “superfamília ABC”. Són bombes que han evolucionat des de els procariotes fins als nostres dies. Estan presents tan en procariotes com en eucariotes. Aquestes tenen un domini específic per a la hidròlisi del ATP que s’ha conservat evolutivament. Està formada per varies subunitats de proteïnes i, depenent dels organismes, tenen diverses funcions.
MRDD Tipus de bombes iòniques ATPases. [Alguns exemples] MRDD + + + + Bomba Na /K . Na /K ATPasa – Bomba tipus P - Present en la totalitat de les cèl·lules animals.
+ + Transport antiporte (treu 3 Na i entra 2K ).
Bomba tipus P (fosforilació de la proteïna).
Regula el volum cel·lular.
Transport de sucres i AA.
+ + Crea gradients de Na i K importants en la generació d’impulsos en cèl·lules nervioses i musculars.
La configuració alternant que té tindrà a veure amb la fosforilació del domini intracel·lular del conjunt de proteïnes que formen la bomba.
La bomba està formada per diverses subunitats molt específiques a certs substrats depenent del pH.
La concentración del Na+ es aproximadamente 10 veces mayor en el exterior celular que en citoplasma, mientras que la concentración del K+ es más alta en el interior que en el exterior. Este gradiente iónico se mantiene gracias a la bomba Na+ -K+ (también llamada Na+ -K+ ATPasa) la cual utiliza la energía derivada de la hidrólisis del ATP para transportar Na+ y K+ en contra de su gradiente de concentración.
1º El Na+ se une a sitios de gran afinidad en el interior celular.
2º Esta unión estimula la hidrólisis de ATP y la fosforilación de la bomba, lo que induce un cambio en la configuración de la bomba, lo cual conlleva a que el Na+ quede expuesto a la superficie extracelular y se reduzca su afinidad por el sitio de unión.
3º El Na+ es liberado al fluido extracelular 4º En este mismo momento quedan expuestos al fluido extracelular sitios de gran afinidad por el LaK+.
fosforilació de la proteïna 5º La unión del K+ estimula la hidrólisis del fosfato, lo que induce un segundo cambio de configuración. El sitio de unión provoca un canvi de configuració del K+ queda expuesto al citoplasma celular y el K+ es liberado al interior de la célula.
essencial dinsy de La bomba tiene tres sitios de unión para el Na+ y dos para el K+, por tanto en cada ciclo se transportan 3 Na+ 2 K+la aproteïna. Els canvis de conformació són través de la membrana a expensas de la hidrólisis de una molécula de ATP.
necessaris per a modificar l’afinitat de la proteïna pels ions que transporta. La proteïna ha de transportar els ions des de concentracions baixes, i per tant, ha de posseir una afinitat alta pels ions que transporta. Després ha d’alliberar-los on aquestes concentracions són molt més altes, per això en aquest moment la afinitat per aquest ió ha de disminuir.
El canvi d’afinitat de la proteïna pels ions que transporta és diferent en ambdós costats de la membrana, el que pot explicar-se mitjançant un canvi de forma de la proteïna.
MRDD + + + Bomba H . (H /K ATPasa) – Bomba tipus P        Transport secundari de soluts (llevats, bactèries, plantes).
+ Transport actiu de H fora de la cèl·lula.
Control del pH del citosol.
+ El transport de H en les cèl·lules de l’estómac resulta en l’acidificació del suc gàstric.
Regulació de creixement vegetal (acidificació de la paret).
+ Existeixen bombes de H estructuralment diferents en els lisosomes i en els endosomes.
En mitocondris i cloroplasts aquesta bomba opera de manera inversa, amb un moviment d’ions sota el gradient electroquímic donant lloc a la síntesi del ATP.
2+ Bomba Ca . Bomba tipus P   Bomba de H+: Transporte activo de H+ fuera de la célula.
El transporte de H+ en las células del estómago resulta en la acidificación del jugo gástrico. Existen bombas de H+ estructuralmente diferentes en los lisosomas y en los endosomas. En mitocondrias y cloroplastos la bomba de H+ opera de manera inversa, con un movimiento de iones bajo el gradiente electroquímico y dando lugar a la síntesis de ATP.
El jugo gástrico humano contiene una solución de ácido clorhídrico (H+Cl-) 0.1 M. Este medio fuertemente ácido desnaturaliza las proteínas ingeridas, facilitando la digestión por las enzimas proteolíticas, como la pepsina que funcionan a pH ácido. El ácido clorhídrico es producido por las células parietales (o células oxínticas) que tapizan la mucosa gástrica. El proceso implica una ATPasa situada en la membrana apical de la célula, la parte que se enfrenta al lumen del estómago.
El transporte activo de H+ hacia el exterior de la célula, ATP-dependiente, iría acompañado de un transporte pasivo de Cl- para mantener la electroneutralidad. Dicho transporte se haría a través de una Cl-permeasa. El resultado neto es que en el estómago hay una concentración de HCl un millón de veces mayor que en citoplasma de la célula. El protón excretado por la bomba de protones proviene de la hidratación del CO2 por una anhidrasa carbónica. El bicarbonato producido es, a su vez intercambiado por cloro en una proteína intercambiadora.
Ej. Células de la pared del estómago Contribuyen a la formación de ácido clorhídrico para el jugo gástrico. Como el pH de la célula es 7 y el pH del jugo gástrico es 1.....hay segregación de H+ en contra del gradiente.
Present en la membrana plasmàtica i en las del RE.
2+ Activa el transport de Ca fora del citoplasma (al espai extracel·lular o llum del RE) tot i que les concentracions intracel·lulars de calci són baixes. Aquestes baixes concentracions fan a la 2+ 2+ cèl·lula molt sensible als petits increments de Ca intracel·lular. Aquests increments en la [Ca ] intracel·lular juguen un paper molt important en les senyals cel·lulars que participen en la contracció muscular.
La Bomba Ca++-ATPasa Otra bomba importante en la función celular es la bomba Ca++ATPasa que se encarga de mantener los niveles intracelulares de calcio a un nivel bajo. En algunas células, como los eritrocitos, está localizada en la membrana celular y su función es transportar Ca++ fuera de la célula. Sin embargo, en las células musculares, la bomba Ca++-ATPasa se encuentra en la membrana del retículo sarcoplásmico. La bomba transporta el Ca++ desde el citosol hacia el interior del orgánulo, que concentra y almacena el calcio. La salida del Ca++ del retículo sarcoplásmico al citosol muscular origina la contracción de la célula y se requiere una rápida eliminación de este calcio para que la célula se relaje. La bomba Ca++-ATPasa funciona de una forma muy parecida a la bomba Na+K+-ATPasa: dos iones de Ca++ son transportados fuera del citosol por cada molécula de ATP hidrolizado. La actividad de esta bomba está regulada de tal forma que si la concentración de Ca++ aumenta, la velocidad de bombeo aumenta hasta que la concentración citosólica se reduce a 0.1 mmolar.
En el interior del retículo sarcoplásmico, existen dos proteínas capaces de acomplejar grandes cantidades de calcio: una de ellas, la calsecuestrina y Proteína fijadora del calcio con alta afinidad. Esta proteínas sirven como almacén de calcio y reducen las concentraciones de calcio libre en las vesículas sarcoplásmicas, reduciendo el gradiente en contra del cual tiene que trabajar la bomba.
MRDD Bombes tipus V    Utilitzen l’energia del ATP.
No formen proteïnes intermèdies fosforilades.
+ Transport de H a través de les membranes d’orgànuls i vacuoles.
Transportadors ABC. (ATP binding cassettes)     Tenen dominis altament conservats d’unió amb el ATP (ATP binding cassettes).
Presente en cèl·lules procariotes i eucariotes (més de 100 famílies diferents).
En procariotes: transport d’ions sucres i AA.
En eucariotes: relacionat a més a més, amb l’expressió gènica (fibrosis quística, alteració en el transport de Cl ).
Poden actuar exportant soluts cap al exterior del citoplasma o important soluts. [En EUCARIOTES].
 ATPases del tipus ABC (ATP Binding Cassette). És un grup molt antic i extraordinàriament divers de proteïnes que es troba en arquees, eubactèries i eucariotes. Pateixen canvis conformacionals durant el procés de transport, però no es fosforilen durant aquest (a diferència de les ATPases del tipus P). Poden actuar exportant soluts cap al exterior del citoplasma o important soluts.
1.
2.
3.1 3.2 4.
     Substrat Proteïna de membrana externa (Porina) Proteïna de l’espai periplàsmic (Proteïna ABC) Proteïna integral (Permeasa) ATP Porina o altres proteïnes de membrana externa ajuden a difondre el substrat des del medi fins al espai periplàsmic.
Proteïna ABC del espai periplàsmic (oberta) s’uneix al substrat per afinitat i canvia la seva conformació (tancada).
Permeasa (heterodímer de proteïna integral) s’uneix al complexe Proteïna ABC – substrat i canvia de conformació obrint el canal de pas.
Descàrrega del substrat en el citoplasma Hidròlisi del ATP catalitzada per proteïnes ABC per a que la proteïna integral torni al seu estat energitzat inicial.
En el primer caso (exportación), presentes en todos los organismos, la unidad básica se compone de dos dominios funcionales: un dominio transmembrana -muy diverso entre las diferentes bombas- y un dominio citoplásmico más conservado (“cassette” de unión del ATP, ABC), en donde reside la actividad ATPasa. La proteína funcional está formada por la unión de dos unidades básicas que pueden ser iguales o distintas (dos dominios transmembrana + 2 ABC) Las ATPasas ABC de importación están restringidas a procariotas, tanto arqueas como eubacterias. Tienen una estructura similar a las ATPasas “de exportación”, pero además poseen una proteína extracelular de unión al sustrato, por lo que también se conocen como “sistemas de transporte dependientes de una proteína de unión”. Las ATPasas de exportación suelen tener los dominios transmembrana y ABC en el mismo polipéptido, mientras que en las de importación se encuentran en polipéptidos distintos.
MRDD MRDD Transport actiu secundari Algunes similituds i diferències entre les cèl·lules animals i les vegetals en relació amb el transport de soluts mediats per transportadors.
- En les membranes plasmàtiques de les cèl·lules animals s’utilitza un gradient electroquímic de 2+ Na per a impulsar el transport actiu de soluts.
En cèl·lules vegetals, bactèries i fongs, amb aquesta mateixa finalitat s’utilitza un gradient + electroquímic de H .
En Saccharomyces cerevisiae + + Bomba Na /K : Transport de glucosa actiu secundari. Exemple de cotransport (unidireccional o simporte) El movimiento de la glucosa a través de la membrana plasmática apical contra un gradiente de concentración ocurre mediante cotransporte con iones Na+. La concentración de Na+ se mantiene muy baja dentro de las células por acción del sistema del transporte activo primario (ATPasa), localizado en la membrana basal y lateral, que bombea iones Na+ fuera de la célula contra un gradiente de concentración. La tendencia de los iones sodio para difundir hacia adentro a través de la membrana apical siguiendo su gradiente de concentración es “controlada” por las células epiteliales que dirigen el cotransporte de moléculas de glucosa hacia adentro de la célula contra un gradiente de concentración. Se dice que las moléculas de glucosa son impulsadas por un sistema de transporte activo secundario.
MRDD ...