Biomembranas: funciones esenciales, estructura y estudios históricos

Membranas biológicas

Las biomembranas actúan como barreras que delimitan el contorno celular (como en el caso de la membrana plasmática) y de compartimentos intracelulares (como el retículo endoplasmico, aparato de Golgi, mitocondrias y otras organelas) manteniendo las características específicas de los mismos. Algunas generalidades de las funciones en las membranas biológicas son:

Wwwloar pore Nocker envelope Chriman

1. Compartimentalización. Las membranas son hojas continuas, sin interrupciones y como tales, siempre rodean compartimentos. La membrana plasmática rodea el contenido de toda la célula, mientras que la membrana nuclear y la citoplasmica encierran diversos espacios intracelulares. Los diversos compartimentos de una célula tienen contenidos muy distintos. La compartimenzalización por la membrana permite la presencia de actividades especializadas sin interferencia externa y permite la regulación independiente de las distintas actividades celulares.
2. Andamiaje para actividades bioquímicas. Las membranas no sólo rodean compartimentos, también son un compartimiento distintivo por sí mismas. Debido a su construcción, las membranas proporcionan a la célula un marco o andamiaje extenso dentro del cual los componentes pueden ordenarse para su interacción efectiva.
3. Provisión de una barrera con permeabilidad selectiva. Las membranas previenen el intercambio irrestricto de moléculas de un lado a otro, al mismo tiempo que representan un medio de comunicación entre los compartimentos que separan.
4. Transporte de soluto. La membrana plasmática contiene la maquinaria para el transporte físico de sustancias de un lado de la membrana al otro, siguiendo su gradiente de concentración. La maquinaria de transporte de la membrana permite que una célula acumule sustancias, como azúcares y aminoácidos, necesarios para alimentar su metabolismo y construir sus macromoléculas. La membrana plasmática también es capaz de transportar iones específicos (capacidad muy importante para las células nerviosas y musculares).
5. Respuesta a señales externas. La membrana plasmática tiene una función crucial en la respuesta de una célula a los estímulos externos, un proceso conocido como transducción de señal. Las mismas contienen receptores que se combinan con moléculas específicas externas (ligandos) que tienen estructura complementaria, la interacción entre ambos genera una señal que estimula o inhibe las actividades internas de la membrana.
6. Interacción celular. La membrana plasmática de los organismos multicelulares media las interacciones entre una célula y sus vecinas, permite que las células envíen señales unas a otras, que se adhieran cuando sea adecuado y que intercambien materiales e información.
7. Transducción de energía. Las membranas participan en los procesos por los cuales un tipo de energía se conviene en otro tipo (transducción energética).

Estructura general de las biomembranas

• Bicapa lipídica. La característica arquitectónica central de las membranas biológicas es una doble capa lipídica continua de aproximadamente 5nm de espesor, la misma le da a la membrana su estructura fluida básica y actúan como barreras de permeabilidad para diferentes solutos. Los lípidos de las membranas son anfipáticos; un extremo de la molécula es hidrofóbico y el otro hidrofílico.
• Proteínas. Las proteínas que se sitúan en la membrana están involucradas en una gran variedad de funciones celulares tales como el transporte específico de moléculas, la catálisis de ciertas reacciones, transducción de señales, entre otras funciones.
• Carbohidratos. Como componentes de la membrana pueden llegar hasta un 10% del peso en seco, están unidos a proteínas y lípidos formando glicoproteínas y glicolípidos.
• Agua. Aunque no se la considera como un componente estructural de membrana, tiene un rol y consecuencias importantes en las propiedades de los lípidos y proteínas que la constituyen.

Lípidos estructurales de las membranas

Los lípidos mayoritarios de las membranas biológicas son:

Fosfolípidos Colesterol Glicolípidos

CABEZA POLAR Gal CH2-N+(CH3)3 CH2 1 O OH O-P-O- O CH-CH-CH2 CH2-CH-CH2 6 ò OH C-O C-O CH C=O CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 -CH3 CH3 CH2 CH cis-double -CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH2 `CH2 CH2 CH3 3) CH3 COLA HIDROFÓBICA

Fosfolípidos

Son los lípidos más abundantes en membranas, contienen un grupo fosfato (PO43-) en su cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas en su porción hidrofóbica.

Dentro de los fosfolípidos, los más abundantes en células animales son:

• Glicerofosfolípidos. El grupo fosfato está unido a un esqueleto glicerol el cual, a su vez, está esterificado a dos ácidos grasos de cadena larga de longitud y número de instauraciones variables. El ácido graso en el carbono quiral dos (C* encerrado en el círculo) del glicerol es muy importante ya que da origen a derivados inflamatorios. El grupo fosfato, además, está unido por enlaces fosfodiester a distintos grupos, en este caso es una colina para formar fosfatidilcolina.

CH3- CH3 1_CH3 molécula orgánica pequeña CH2 CH2 grupo fosfato O=P-OO glicerol CH2-( -CH2 C=o C=O Cola hidrofóbica FATTY ACID TAIL- FATTY ACID TAIL- phosphatidyl- choline FATTY ACID TAIL CH bond CH2 CH2 CH2 CH2 `CH2 CH2 CH3 CH3 FATTY CHAIN CH2 CH2 CH NH Dependiendo de la membrana del organismo o la condición de crecimiento del organismo, podemos tener distintos grupos polares y distintas cadenas hidrocarbonadas. Los tres glicerofosfolípidos más comunes en biomembranas son:

Glicerofosfolípidos CH3 + NH3 @NH3 CH3CH3 CH2 H-C-COOO + CH2 CH2 CH2 O O O=P-OO O=P-OO O=P-OO O O CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 O C=0 C=0 C=0 C=O C=0 C=0 FATTY ACID TAIL- FATTY ACID TAIL- FATTY ACID TAIL- FATTY ACID TAIL-O FATTY ACID TAIL- FATTY ACID TAIL- Fosfatidil- Fosfatidil- Fosfatidil- etanolamina serina colina

La fosfatidil-serina es la única con carga neta negativa, mientras que las otras dos son zwitteriónicos (compuestos químicos que son eléctricamente neutros, pero tienen cargas formales positivas y negativas sobre átomos diferentes). Presentan diferentes grupos acilos y los ácidos grasos pueden estar compuestos de 12 a 14 átomos de carbono, una de las dos cadenas es normalmente saturada (solo posee enlaces simples C-C) y la otra tiene al menos una insaturación (doble o triple enlace C-C). La presencia de dobles enlaces C-C cis generan una curvatura en la cadena hidrocarbonada y, como se va a ver más adelante, tanto las diferencias en longitud como el número de insaturaciones de los ácidos grasos van a influenciar en cómo los lípidos se pueden empaquetar y van a afectar la fluidez de la membrana.

• Esfingofosfolípidos. Si en lugar de un glicerol se tiene una esfingosina, tenemos un esfingofosfolipido. Recordemos que la esfingosina es un amino alcohol de cadena larga, es decir que tenemos una cadena acilo, un grupo amino y dos grupos oxidrilos. Dependiendo de la membrana del organismo o la condición de crecimiento del organismo, podemos tener distintos grupos polares y distintas cadenas hidrocarbonadas.

CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 Grupos oxidrilos O=P-OO OH esfingosina CH-CH-CH2 CH NH ČH Grupo acilo Cadena larga FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL sphingo- myelin

CH2El esfingofosfolípido más abundante es la esfingo-mielina que se encuentra especialmente en la vaina de mielina que rodea los axones de células nerviosas. Como ocurre con los glicerofosfolípidos, presentan diferentes grupos acilos y los ácidos grasos pueden estar compuestos de 12 a 14 átomos de carbono, una de las dos cadenas es normalmente saturada (solo posee enlaces simples C-C) y la otra tiene al menos una insaturación (doble o triple enlace C-C). La presencia de dobles enlaces C-C cis generan una curvatura en la cadena hidrocarbonada.

Esfingofosfolípidos CH3 CH3 ICH3 O CH2 CH2 O O=P-OO OH Ò CH-CH-CH2 CH NH I CH C=O FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL -O Esfingo- mielina

Colesterol

OH hidroxilo CH3 estructura rígida de anillos -CH3 CH3 st -CH CH2 CH2 cadena hidrocarbonada corta CH2 CH CH3 CH3 En las biomembranas, el colesterol se intercala entre las cadenas de fosfolípidos adyacentes y se orienta con el grupo hidroxilo a la altura de las cabezas polares de los fosfolípidos; de esta manera va a influenciar marcadamente en las propiedades físicas de las membranas. Las membranas de las células eucariotas contienen colesterol. Estructuralmente es un esterol con una cabeza polar muy pequeña conformado por un grupo hidroxilo y una región apolar formada por un sistema de anillos condensados y una cadena hidrocarbonada corta, de manera que es una molecula rígida y muy hidrofóbica.

Cabeza polar 2 nm Región endurecida por el colesterol 1 Región más fluida 0

Glicolípidos

Los glicolípidos son lípidos que contienen azúcares en su cabeza polar y se encuentran mayoritariamente en hemicapas no citosólicas. Pueden contener uno o varios residuos de azúcares que además adsorben agua, por lo que la cabeza polar puede ser muy voluminosa. En células animales, el esqueleto central es esfingosina.

Gal GaINAc C NANA Gal Gal Glc O O ESFINGOSINA -CH-CH2 CH CH-CH2 CH NH CH NH H C=0 ČH =0 esfingosina FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL-O CH3 H O-C HN COO R H H H OH OH H CHOH R = CHOH CH2OH Los glicolípidos más complejos son los gangliosidos que tienen oligosacáridos con uno o más ácidos sialicos (NANA) que le confiere una carga neta negativa. Los gangliosidos son particularmente más abundantes en membranas plasmáticas de células nerviosas.

azúcares FATTY CHAIN 9 FATTY ACID TAIL -O

Factores que influyen en las propiedades y tipo de agregado que se forma

En la clase de interacciones se vio que cuando una molécula anfipática se disuelve en agua, el efecto hidrofóbico favorece el ensamblado de esas moléculas en agregados muy organizados. Ahora, vamos a ver qué factores influyen en el tipo y propiedades del agregado que se forma.

Restricciones geométricas para el auto-ensamblado de anfifilos

Un primer factor que modula la habilidad de una molécula anfipática de ajustarse a cada tipo de agregado, es su forma efectiva. Veamos el caso de una micela esférica con un volumen V (V = Tr3), un area A (A = 4 fr2) y que está formada por N monómeros.

SS Ie: longitud de la cadena HC = radio r a: área seccional del grupo polar v: volumen efectivo de la cadena HC N: número de agregación de monómeros en el agregado