MEMBRANAS BIOLÓGICAS (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Grado Veterinaria - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2016
Páginas 11
Fecha de subida 23/09/2017
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Descripción

Constituyentes de las membranas biológicas. Principales lípidos y proteínas. Tipos de movimiento. Transporte de solitos a través de la membrana. Transportadores pasivos y activos, primarios y secundarios (tipos con explicacion de funcionamiento). Canales ionicos.

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BIOQUIMICA TEMA 12 - MEMBRANAS BIOLOGICAS CONSTITUYENTES DE LAS MEMBRANAS BIOLOGICAS La membrana biologica es un elemento que define los limites de la célula y regula el trafico de sustancias a través de estos limites. En células eucariotas también dividen el espacio interno, segmentandolo para separar procesos.
1. CARACTERISTICAS: Las actividades biológicas en las que están involucradas dependerán fundamentalmente de sus propiedades físicas: • Flexibles: permiten el crecimiento y movimiento celular mediante procesos ameboides.
• Autosellantes: pueden romperse y sellarse (fusión y fisión). En procesos de exocitosis se produce una fusión de la membrana plasmatica y lisosomica; y en procesos de endocitosis se produce una fisión de la membrana para la trasvasaron del contenido de la vacuola.
• Permeabilidad selectiva: permite la difusión de elementos apolares, pero no de elementos polares por si mismos (retienen compuestos e iones).
La membrana biologica no constituye un limite pasivo por si misma, se trata de un elemento activo. Presenta una productividad dada por las proteínas que la componen.
TRANSPORTADORES MEMBRANA EXTERNA RECEPTORES BARRERAS ACTIVAS (proteinas) ORGANIZAN SINTESIS DE LIPIDOS (energia) MEMBRANAS INTERNAS TRANSDUCCION DE ENERGIA 2. COMPOSICIÓN: Constituido principalmente por lípidos y proteinas, también poseen glúcidos (glucolipidos y glucoproteinas). Las proporciones relativas varían en función del tipo celular, así como de los tipos de lípidos y proteínas. Ej: vaina de mielan neurona (mayor proporción de lípidos), membrana bacteria (mayor proporción de proteínas). El porcentaje de lípidos de las distintas membranas de una misma célula también varia.
3. PROPIEDADES COMUNES: • • • • Impermeables a compuestos polares (cargados) y permeables a compuestos polares.
Grosor medio 5-8 nm (50-80 Å) Estructura de capa trilaminar Mismos componentes (distinta proporción): • Fosfolipidos: con cabeza polar exterior y parte apolar interior • Proteínas: incrustadas en la membrana, establecen interacciones hidrofobias entre lindos y los dominios hidrofobias de las proteinas. Algunas sobresalen por ambos lados o por uno solo, confiriendo asimetría a la membrana.
• Estructura de mosaico fluido: gracias a que la mayoría de las interacciones no son covalentes, dando libertad de movimientos.
4. PRINCIPALES LIPIDOS: I.
GLICEROFOSFOLIPIDOS Están formados por dos ácidos grasos esterificados al primer y segundo carbono del glicerol. El tercer carbono esta unido al fósforo y puede estar esterificado con otro alcohol. Uno de los ácidos grasos presenta instauraciones entre los C-18,20. Esta constituido por tanto por una parte polar (fosfato + alcohol) y otra apolar (2 ac.grasos). El nombre del glicerofosfolipido dependerá de la naturaleza del alcohol unido al fosfato: SERINA ETANOLAMINA FOSFATIDIL… COLINA GLICEROL INOSITOL II.
ESFINGOLIPIDOS Están formados por un aminoalcohol de cadena larga (18C) esterilizado con un acido graso de cadena larga normalmente saturado. Al primer carbono de la esfingosina puede unirse un aminoalcohol mediante un grupo fosfato o un azúcar mediante enlace beta-glucosidico. Hay por tanto dos tipos de esfingolipidos: • Esfingomielinas: presentan un aminoalcohol (colina o etanolamina) al C-1 mediante un fosfato.
• Glucoesfingolipidos: tienen uno o mas azucares en el C-1. No presentan fosfato y se encuentran ubicados principalmente en la cara externa.
• Cerebrosidos: si el azúcar es un monosacarido. Si es galactita se encuentra en células nerviosas (si no es galactosa, no cel.nerv.) • Globosidos: si presentan dos o mas azucares en el C-1 (glucosa, galactita o Nacetilgalactosamina).
• Gangliosidos: oligosacaridos complejos en el C-1.
Tanto cerebrosidos como globosidos son glucolipidos neutros, no presentan carga a pH 7. Los gangliosidos presentan carga negativa a pH 7.
III.
COLESTEROL Derivado de esteroides. Presenta un grupo hidróxilo en el C-3, un doble enlace entre los C- 6,8 y una cadena lateral de 8-12 átomos de carbono en el C-17. Su estructura es rígida y limita parte de la movilidad de los lípidos de membrana.
5. DINAMICA DE MEMBRANAS: TIPOS DE MOVIMIENTO La distribución de los lípidos en la lamina externa e interna de la membrana es asimetrica, ya que son estructuras dinámicas que están en continuo movimiento. Gracias a que las interacciones entre lípidos no son covalentes, estos tienen cierta libertad de movimientos (mosaico fluido): • Difusion lateral sin catalizar: movimientos laterales rápidos en la misma lamina.
• Difusion transbicapa sin catalizar (“flip-flop”): movimientos lentos de una lamina a otra.
Pueden durar dias.
• Difusion transbicapa catalizada: necesitan un elemento adicional (proteina) que induzca el transito del fosfolipido de una capa a otra.
Las proteinas integrales de membrana que participan en la difusión transbicapa catalizada son: I.
FLIPASAS Realizan el transporte del exterior al interior celular, siempre en contra de gradiente. En contra de gradiente quiere decir de menos a mas concentrado, siendo un proceso no favorecido que requiere energía mediante hidrólisis de ATP. Son importantes ya que traspasan la fofatidilserina, fundamental para la bioseñalizacion de la apoptosis celular.
II. FLOPASAS Transporte de lípidos de la lamina interna a la externa. También en contra del gradiente de concentración, requieren energía (Hidrolisis atp). Ej: transportador ABC.
III. ESCRAMBLASAS Transporta lípidos en ambas direcciones hacia el equilibrio, por lo que no requieren energía.
Siempre lo hacen a favor del gradiente de concentración.
6.
LIMITACIONES DE MOVIMIENTO • Estériles • Proteinas de membrana ancladas a proteinas intracelulares: están ancladas al citoesqueleto (espectrina).
• Lipid rafts o balsas lipidicas (miles de esfingolipidos y solo 10-50 proteinas). Al no tener instauraciones los esfingolipidos se agrupan muy bien, ya que las cadenas de los ac grasos son rectas. Pasa lo mismo con el colesterol. La presencia de microdominios enriquecidas con estos lípidos provoca que las proteínas de membrana que están en esas balsas lipidicas sean especiales.
• Proteinas que interaccionan covalentemente con el fosfolipido GPI (puentes glucosil fosfatidil inositol) • Proteinas que interaccionan covalentemente con otros fosfolipidos de membrana • Caveolinas: cuando dimerizan (juntan formando dimero) reclutan moléculas de colesterol adyacentes formando invaginaciones (calveolas). Estas invaginaciones si se terminan de cerrar permiten el transporte de sustancias de exterior a interior. También tienen importancia en la señalizacion célular, invaginando receptores de membrana.
Hay otro factor importante que condiciona el movimiento de los lípidos de membrana: • Temperatura: el movimiento de los fosfolipidos a temperatura corporal es de rotacion sobre su eje. Los ácidos grasos saturados empaquetados (buena rotacion C-C) forman un líquido ordenado con consistencia gelatinosa. Los ácidos grasos instaurados presentan movimientos desordenados debido a los dobles enlaces que crean codos en su cadena, aportando un aspecto más desordenado y fluido al líquido. Los estériles son rígidos e impiden desorden. Al aumentar la temperatura se incrementará el aspecto fluido del líquido, la célula para contrarrestarlo sintetizara más glucoesfingolipidos (ac.grasos saturados) y colesterol. Si las temperaturas son bajas se produce lo contrario, generando más glicerofosfolipidos para favorecer la fluidez de la membrana. Así la célula es capaz de mantener un equilibrio en cuanto a la viscosidad del líquido.
7. PROTEINAS DE LA MEMBRANA PLASMATICA • Proteinas integrales de membrana: atraviesan la membrana plasmatica. Están unidas fuertemente por interacciones hidrofobicas a los lípidos (parte hidrofobica de los lípidos y no hidrofobica de la proteína) • Proteinas perifericas: interacciones electroestáticas o de enlaces de hidrógeno con los dominios hidrofilicos de las proteínas integrales o las cabezas polares de los lípidos.
• Proteínas anfitropicas: unidas o no a la membrana mediante interacciones no covalentes proteína-proteina, o uniones covalentes proteína-lípido (GPI). Su unión suele estar regulada.
I.
PROTEINAS INTEGRALES DE MEMBRANA Se unen muy fuertemente y se necesitan procesos drásticos para separarlas. Se distinguen dos regiones: • Dominio hidrofobico: secuencia de aminoácidos de la proteína que atraviesa la membrana plasmatica. Constituido aprox. por 20 aa con estructura alfa hélice (cada aminoácido en alfa hélice 1,5Å), se requieren 20 para atravesar los 30Å de la capa. Se favorece que se formen enlaces de hidrógeno intercatenarios que favorecen la formación de la estructura alfa ya que se encuentran en un entorno hidrofobico.
• Dominio hidrofilico: presenta asimetría respecto a la zona exterior e interior de la membrana biológica, ya que la exterior esta glicosilada.
TIPO 1 UN UNICO POLIPEPTIDO CON EL EXTREMO AMINO ORIENTADO AL EXTERIOR TIPO 2 UN UNICO POLIPEPTIDO CON EL EXTREMO CARBONIZO ORIENTADO AL EXTERIOR TIPO 3 UN UNICO POLIPEPTIDO CON VARIOS DOMINIOS TRANSMEMBRANA (atraviesa varias veces) TIPO 4 VARIAS SECUENCIAS POLIPEPTIDICAS QUE ATRAVIESA VARIAS VECES LA MEMBRANA TIPO 5 INTERACCIONAN COVAENTEMENTE CON LOS FOSFOLIPIDOS DE MEMBRANA TIPO 6 UN DOMINIO TRANSMEMBRANA E INTERACCIONA COVALENTEMENTE CON FOSFOLIPIDOS DE MEMBRANA Índice hidropatico: variación de la energía libre (G) que se produce cuando un aminoácido pasa de un entorno hidrofobico a uno acuoso. A mayor índice hidropatico, mayor posibilidad de ser un dominio transmembrana. (Nos permite hacer una predicción de cuantos dominios transmembrana presentará la célula o si no). Si la célula presenta más de 20 dominios transmembranales va a poder adquirir una estructura de barril beta. Este barril beta conformará una especie de canal en la membrana que permitirá el transporte de sustancias a través de la misma.
TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Las proteínas integrales de membrana son importantes ya que permiten el transporte de sustancias a través de la membrana. El transporte es necesario como intercambio de células con el entorno para: aporte de nutrientes y eliminación de residuos procedentes del metabolismo de esos nutrientes.
El transporte transmembrana puede ser de dos tipos: • Difusión simple: Siempre que el transporte sea a favor del gradiente de concentración (sustancias apolares).
• Difusión facilitada: Si se transportan iones a favor de gradiente electroquimico. Son necesarios los ionoforos (proteínas que interaccionan con las sustancias polares, enmascarando su carga, transformándolo en apolar y liberandolo en el interior celular).
Variación de energía libre asociada: • Sustancias apolares: ecuación de hess • Sustancias polares: se genera un potencial de membrana debido a las diferencias de las cargas a ambos lados de la membrana. Al ser a favor de gradiente se utiliza la misma fórmula pero con un elemento añadido por el potencial de membrana que se opone a la difusión de las cargas.
Mecanismo de transporte de sustancias polares: La molécula polar sería rodeada por moléculas de agua (solvatada). El proceso consistiría en hidratacion- deshidratacion- tránsito a través de la membrana lipidica- rehidratacion. Ninguno de los procesos esta favorecido excepto la rehidratacion, por lo que este proceso no se produce (requiere demasiada energía). En cambio, sintetiza unas proteínas integrales de membrana que transportan la sustancia polar (transformada), reduciendo la energía del proceso. Moléculas polares nunca atraviesan la membrana plasmatica perse, requiere ionoforos o proteínas integrales especiales.
Tipos de ionoforos o proteinas integrales transportadoras: 1. Transportadores: estereoespecifico, es capaz de diferenciar las moléculas. Es un transporte saturable, a partir de una determinada cantidad de sustrato no podrá ir más rápido, tiene una velocidad máxima. Transporte lento.
• Transportadores pasivos: siempre a favor de gradiente.
• Transportadores activos: siempre en contra de gradiente - Transportadores activos primarios: obtienen la energía necesaria para el transporte de sustancias polares por hidrolisis de ATP.
- Transportadores activos secundarios: obtienen la energía acoplándose a un transporte a favor de concentración.
2. Canales Ionicos: menos estereoespecificos, menos selectivos. No son saturables y el transporte es mucho más rápido.
TRANSPORTADORES PASIVOS I.
TRANSPORTADOR DE GLUCOSA (GLTU): GLTU1 es una proteína transportadora de membrana de tipo III, tiene 12 dominios transmembrana. En cada uno de esos dominios transmembrana a parte de los aa hidrofobicos, tiene algunos residuos hidrofilicos. Su estructura tridimensional forma una especie de flor, los pétalos serían los aa hidrofobicos y en el interior se dispondrían los aa hidrofilicos formando un canal para poder interaccionan con la glucosa.
• Mecanismo de acción: al entrar una molécula de glucosa en el canal, interacciona con los aa hidrofilicos del mismo provocando un cambio de conformación de la proteina. Esto permite que la glucosa sea liberada al citosol celular, quedando libre para volver a iniciar el ciclo. Estos cambios conformacionales son reversibles y dependerán de la concentración intra y extracelular, ya que siempre lo hacen a favor de gradiente.
En los eritrocitos la glucosa se metabóliza muy rápidamente, por lo que la concentración siempre es mayor en el exterior. Pasa al contrario en los hepatocitos (GLTU2), que tienen concentraciones intracelulares de glucosa muy altas, por lo que el transporte será del interior al exterior. Estos transportadores pasivos se comportan como un enzima, por lo que podemos adaptar la ecuacion de Michaellis Mendel.
TRANSPORTADORES ACTIVOS Permite almacenar sustancias en el interior celular, ya que al producirse el transporte en contra de gradiente de concentración se puede almacenar (no como los pasivos que si las concentraciones se igualan no transportan).
• Primarios: obtienen la energía a partir de hidrólisis de ATP • Secundarios: obtienen la energía al acoplarse a otro transporte que se produce a favor de gradiente de concentración.
La energía asociada a estos transporte es la misma que la de difusión de partículas polares por difusión. En este caso la G será positiva y la G de los transportadores pasivos o difusión serán negativas.
TRANSPORTADORES ACTIVOS PRIMARIOS I. ATPASAS TIPO P: Se denominan tipo P porque su transporte esta acoplado a la hidrolisis de una molécula de ATP.
• BOMBAS DE CA2+ ATPASAS: Transportadores que regulan los niveles citosolicos de calcio. Se encuentran en la membrana plasmatica y en la membrana del retículo endoplasmatico (en este caso se denominan BOMBAS SERCA). Las presentes en la membrana plasmatica bombean las partículas de calcio del citosol al exterior celular, y en la membrana endoplasmatica del citosol al interior del organulo. Son proteínas integrales de membrana de tipo III, se diferencian cuatro dominios. El dominio integrado en la membrana plasmatica se denomina dominio de unión al calcio. Tiene otros tres dominios que están orientadas o hacia el citosol o hacia el interior del retículo endoplasmico: dominio de unión de nucleotidos (une ATP), dominio de fosforilacion y dominio actuador.
• Mecanismo de acción: tiene alta afinidad por calcio y ATP. Al dominio de unión al calcio se unen dos moléculas de calcio y al dominio de unión de nucleotidos se une una molécula de ATP. Una vez unido el ATP, se produce la hidrolisis de ATP, y el fosfato liberado se incorpora a un espartato del dominio de fosforilacion. Como consecuencia de esa fosforilacion se produce un cambio conformacional de la proteína que provoca la liberación del calcio unido y la aproximación del dominio actuador al dominio de unión de nucleotidos y fosforilacion para separarlos.
Como consecuencia de la separación, se libera la molécula de ADP y se defosforila el residuo de aspartato, volviéndose a producir un cambio conformacional y volviendo a la formación inicial. De esta manera se mantiene el nivel de calcio bajo en el interior celular.
• BOMBAS NA/K ATPASAS: Responsables de la generación de potencial de membrana de las células excitables del SNC (neuronas).
Mantienen bajos los niveles de Na+ y altos de K+ en el citosol. Transportan sodio al exterior celular y potasio al interior.
• Mecanismo de acción: el transportador tiene alta afinidad por el sodio y baja por el potasio, por lo que coge el sodio intracelular, lo que produce un cambio conformacional que conlleva la hidrolisis de una molécula de ATP. Esto hace que este transportador ahora tenga baja afinidad por el sodio y alta por potasio. Como tiene sodio incorporado lo libera, y al tener alta afinidad por el potasio ahora coge el extracelular, produciéndose la defosforilacion del transportador, volviendo a la conformación inicial en la que tenía baja afinidad por el potasio por lo que lo libera al medio interno y coge sodio.
II. TRANSPORTADORES ABC (ATP BINDING CASETTE): Son muy abundantes en eucariotas y se pueden encontrar tanto en la membrana plasmatica, como endoplasmica, lisosomas y mitocondrias. Son muy variados según el sustrato que transporten. Son proteínas integrales de membrana tipo 3. Estructuralmente tienen diversas estructuras, en la más común se distinguen tres dominios: dominio integral de membrana y dos dominios de unión a ATP. Alteraciones en estos transportadores están asociados a numerosas enfermedades (fallos a nivel hepatico, anemias, fibrosis qustica: moco que tapiza el epitelio del aparato respiratorio es mucho más denso y provoca que los cilios se muevan de forma deficiente, disminuyendo la capacidad para eliminar bacterias, mutación en un transportador ABC favorece producción del moco).
• Mecanismo de acción: el dominio transmembrana (no es continuo son dos) constituye un poro que en una conformación normal estará unido a los dos dominios de unión a nucleotidos. El dominio de fosforilacion (secuencia susceptible de ser fosforilada) necesita estar fosforilada por la proteína quinasa A para que se puedan unir ATP a los dominios de unión de nucleotidos.
Como consecuencia de la unión del ATP se produce un cambio conformacional y la abertura del canal. Al separarse permite el tránsito de iones (Cl) del interior al exterior celular. Los dominios de unión a ATP tienen por sí mismos actividad ATPasa por lo que en cuanto se une se comienza a hidrolizar, y al hidrolizarse completamente se vuelven a juntar. Son transportadores bastante lentos que requieren mucha energía para funcionar. Una vez que se cierra el canal, el dominio rico en serinas se defosforila.
Los casos de fibrosis quistica se producen por una mutación en el segmento de serias de los transportadores. No se produce la fosforilacion del mismo por proteinquinasa A, ni la apertura del canal por lo que no entra ATP ni se libera el cloro. Como el cloro esta solvatado (rodeado de moléculas de agua) genera que el moco este más espeso y dificulte la acción de los cilios.
La glicoproteina P también tiene gran importancia, está presente en el epitelio intestinal, riñón, hígado... y es capaz de transportar al exterior celular diversos elementos, todos con carácter hidrofobico. Las que se encuentran en el intestino eliminan sustancias tóxicas de carácter hidrofobico. Muchos tratamientos quimioterapicos también tienen carácter hidrofobico, por lo que también los expulsa, impidiendo que se acumulen en el interior celular e impidiendo su efecto terapeutico. GEN.
TRANSPORTADORES ACTIVOS SECUNDARIOS Acoplamiento de flujo espontáneo al transporte contra gradiente de otros compuestos.
I.
CO-TRANSPORTADOR DE NA Y GLUCOSA (intestino): - En el exterior celular (luz intestinal): alta concentración de sodio y baja de glucosa.
- En el interior celular: alta concentración de glucosa y baja de sodio.
- En la lamina basal: baja concentración de glucosa y alta de sodio.
El transportador transporta sodio y glucosa al interior de las células epiteliales, el transporte de sodio esta favorecido (a favor de gradiente que posibilita el transporte de glucosa), pero el de glucosa no. Para poder transportar el sodio es necesario tener en la lamina basal una bomba sodio y potasio, que expulsa sodio manteniendo valores bajos en el interior celular, favoreciendo así el transporte. Además en la lamina basal también se encuentra un transportador pasivo de glucosa GLUT2, que transporta la glucosa a favor de gradiente desde el interior celular al extracelular (torrente sanguíneo). Gracias a estos elementos (membrana apical co-transportador y membrana basal atpasa y GLUT2) podemos absorber la glucosa en el instestino.
Este transporte también se da en bacterias, lo que ha permitido su utilización como antibióticos.
• Valiomicina: es un ionoforo que actúa como antibiótico. Rodea los iones de potasio, haciéndolos apolares y permitiendo que atraviesen la membrana de determinadas células. Al evitar que exista un gradiente de potasio, se rompe el potencial de membrana, no actuando correctamente la bomba sodio-potasio. Esto provoca que no funcionen los transportadores activos secundarios, no proporcionándoles glucosa y provocando la muerte de las bacterias.
II. CANALES IONICOS Son rápidos e instaurables, pero son menos específicos que un transportador.
• CANAL DE K: Transporta potasio del interior al exterior celular. Los canales son proteínas integrales de membrana tipo 4 constituidas por 4 subunidades cada una con tres dominios transmembranales.
• Mecanismo de acción: en el interior celular el potasio al ser polar estará solvatado. El canal del potasio estructuralmente tiene una cavidad grande orientada hacia al interior celular tapizada de residuos cargados negativamente. Los aminoácidos cargados negativamente favorecen que el potasio se acumule en la cavidad, lo que permitirá que transite a través del poro que confirma el canal ionicos. Los oxigenaos de los aminoácidos del canal miran hacia el interior, formando cuatro cavidades en las que puede entrar potasio o agua. Interaccionan potasio y oxigenos, produciéndose la eliminación de las moléculas de agua. Dos de las cavidades del canal estarán ocupadas por potasio y otras dos por las moléculas de agua desprendidas del potasio. Como las moléculas de potasio tienen carga positiva y están muy próximas, se repelen y produce que salga del canal (todo). V=10.000 iones por segundo. La selectividad de los canales viene determinadas por el tamaño de las celdas del canal ionico.
CANALES IONICOS VS TRANSPORTADORES Mas rápidos (se abren y mantienen abiertos milisegundos) Más lentos No saturables Saturables Responden a cambios celulares ¿No son dependientes? ...

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