Estructura de las Membranas Celulares, Universidad Complutense Madrid

ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS CELULARES

VERSITAU UNIVERSITAS TAS COM OMPLVTENSIS 35 R T UNIVERSIDAD COMPLUTENSE MADRID CO

CONTENIDOS-I

1. INTRODUCCIÓN 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS BIOMEMBRANAS 2.1. LÍPIDOS

Lípidos: Fosfolípidos

A. FOSFOLÍPIDOS

Lípidos: Esteroles

B. ESTEROLES

Lípidos: Glucolípidos

C. GLUCOLÍPIDOS

Lípidos: Propiedades de Membrana

D. PROPIEDADES DE MEMBRANA ASOCIADAS A LÍPIDOS. E. FLUIDEZ DE LOS LÍPIDOS DE MEMBRANA F. ASIMETRÍA LOS LÍPIDOS DE MEMBRANA G. MECANISMOS DE TRASPORTE DE COLESTEROL Y FOSFOLÍPIDOS ENTRE MEMBRANAS H. RAFTS LIPÍDICOS

Composición Química: Proteínas

2.2. PROTEÍNAS

Proteínas: Ancladas a Lípidos

A. PROTEÍNAS ANCLADAS A LÍPIDOS

Proteínas: Periféricas

B. PROTEÍNAS PERIFÉRICAS

Proteínas: Integrales de Membrana

C. PROTEÍNAS INTEGRALES DE MEMBRANA

Proteínas Transmembrana

1. PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA CON a-HÉLICE 2. PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA CON HOJAS PLANAS B

Proteínas: Glucoproteínas

D. GLUCOPROTEÍNAS

Proteínas: Movilidad

E. MOVILIDAD DE LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANACONTENIDOS-II

DOMINIOS DE MEMBRANA

3. DOMINIOS DE MEMBRANA CONFINAN LÍPIDOS Y PROTEÍNAS

Dominios que Confinan Lípidos y Proteínas

3.1. DOMINIOS CONFINAN LÍPIDOS Y PROTEÍNAS EN LAS MEMBRANAS

Dominios: Septinas

3.2. SEPTINAS

MEMBRANA PLASMÁTICA DEL ERITROCITO

4. MEMBRANA PLASMÁTICA DEL ERITROCITO

Proteínas del Citoesqueleto Cortical

4.1. PROTEINAS DEL CITOESQUELETO CORTICAL

Citoesqueleto Cortical: Espectrina

A. ESPECTRINA

Citoesqueleto Cortical: Anquirinina

B. ANQUIRININA

Citoesqueleto Cortical: Otras Proteínas

C. OTRAS PROTEINAS DEL CITOESQUELETO CORTICAL

Patologías Asociadas a la Membrana Plasmática

4.2. PATOLOGÍAS ASOCIADAS

CURVATURA DE LAS MEMBRANAS

5. CURVATURA DE LAS MEMBRANAS

MEMBRANA PLASMÁTICA EN PROCARIOTAS

6. MEMBRANA PLASMÁTICA EN PROCARIOTAS

INTRODUCCIÓN

ITAO Mitocondrias Vesícula Golgi Cara exoplásmica Lisosoma Retículo endoplasmico Cara citosólica Núcleo Citosol Exterior |Interior Exterior Membranas nucleares Espacio intermembrana Na+ 1 Boundary and permeability barrier 2 Organization and localization of function Nucleus Na+ 5 Cell-to-cell interactions Nutrients 3 Transport processes 4 Signal detection

Membranas Celulares

1. Membrana plasmática: característica fundamental de las células. 2. Otras membranas celulares: - Envoltura nuclear - Membrana mitocondrial - Sistema de endomembranas: - Membrana cloroplastos RE, CG, lisosomas, vesículas, peroxisomas

Funciones de la Membrana Plasmática

FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA - Rodea las células, define sus límites, mantiene las diferencias entre citosol y medio extracelular e interacciona con otras células y con la ECM. - No es barrera: Intercambio información (dentro-fuera). - Contiene sensores (R) > información a la célula de la condición externa. - Semipermeables: Genera gradientes iónicos > Síntesis ATP / Movimiento de moléculas / Impulsos eléctricos (Musculares y nerviosas).

Introducción al Modelo Mosaico Fluido

1. Introducción ITAO Las membranas realizan funciones muy diferentes, pero se organizan de manera similar (A) (B) protein molecules molecule Modelo "Mosaico fluido" 1. Bicapa lipídica: impermeable a la mayoría de las mols. hidrofílicas) (5 nm ancho). - Más ancha en zonas con lípidos con cadena más larga (20-26 vs 14-24). - Extremadamente heterogénea (asimetría) y dinámica. 2. Proteínas de membrana: median la mayoría de las funciones de la MP y la conectan a otros elementos (citoesqueleto cortical, la ECM y las céls. vecinas). - Tiempo en encontrar un modelo para explicar sus propiedades en todas -> Modelo "Mosaico-fluido" (Singer y Nicholson, 1972). - Modelo probabilístico (análisis biofísicos con memb. artificiales). Fluidez de los componentes, movimiento, interacción-desinteracción y asimetría. Lipid-anchor protein Exoplasm Peripheral membrane protein Hydrophilic phospholipid head group Phospholipid bilayer Cytosol Hydrophilic fatty acyl side chains Lipid-anchored protein Peripheral membrane protein Integral membrane protein Azúcares (hidratos de carbono) NO libres

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS BIOMEMBRANAS

LÍPIDOS

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS BIOMEMBRANAS 2.1. LÍPIDOS BICAPA LIPÍDICA (lípidos de membrana) N ER LD Mt outer face 80000 sugar side chain cholesterol integral (intri inner face Todas las membranas celulares cara externa y cara interna - 2 zonas "electrondensas" y una central clara. - 50% moléculas membrana lípidos: 109 mols lipídicas en MP de una cél. animal pequeña (grandes diferencias según tipo membrana). - Lípidos bicapa son anfipáticos: - Región hidrofílica (cargada, polar): cabeza - Región hidrofóbica (no cargada, apolar): cola. Grupo cabeza hidrófilo Colas de acil graso hidrófobas Bicapa fosfolipidica Eucariotas > fosfolípidos (más abundantes: fosfoglicéridos y esfingolípidos) / esteroles (colesterol). Bacterias: menos tipos fosfolip y no colesterol (hopanoides). Arqueas: no cadenas ác. grasos sino grupos prenilo (20-25℃). Mismas propiedades hidrofóbicas y menos flexibles. Distintos diseños, funciones similares

LÍPIDOS: Bicapa Lipídica en Arqueas vs Bacterias

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS BIOMEMBRANAS 2.1. LÍPIDOS BICAPA LIPÍDICA (Arqueas vs Bacterias) isoprenoid ether G1P G3P ester fatty acid H2C-O-PP-O-CH2 - 1 O CH2-0-C-H H-C-O-C - H2C-O-C. C G3PDH (GpsA) GIPDH (EgsA) G3PDH (GpsA) GIPDH (FgsA) G3PDH (GpsA) GIPDH (EggsA) Modern archaea GK (GlpK) GK (GlpK) G3PDHI (GipA/D) GK (GlpK) G3PDH (GlpA/D) G3PDH (GlpA/D) (G1PDH) C P Archaea dihydroxyacetone phosphate Bacteria (a) Archaea Bacteria & Eukarya di- and tetra ethers fatty acids outer membrane hydrophobic region -- headgroup -. inner membrane -- integral membrane protein Archaea Bacteria & Eukarya (b) -C ether linkage (c) ester linkage O 0-0- C-o-Ć-R, head- group n-alkyl chains with - methylation - unsaturation - cycloprenylation R-C-O-C - 1,2-sn-glycerol 2,3-sn-glycerol -- = V VII IX XI XIII: other core lipid types unidos separados Acyletherglycerol (AEG) Dietherglycerol (DEG) G3PDH (GlpA/D) OH Monoacylglycerol (Lyso) Origin of life O GIP-lipid membrane G3P-lipid membrane G3PDH (GpsA) G3PDH (GlpA/GlpD) GAPDE (cấpA/1) Chimeric-lipid membrane GK (GlpK) Recientemente, han encontrado bact anaerobias con memb mixtas (G1P+G3P) Plasmalogen (Plas) HN R VIII X XII OH Sphingosine (Ceramide - Cer) Monolayers Bilayers R-C-O-C O head- group -o-C-R/ R-isoprenoidal GIPDH (EgSA) Lokiarqueas producen G3P y ác. grasos "bacterianos" G3PDH (GlpA/D)) C. commonote (last universal common ancestor as cellular organism) CITDE GIPDH (EgsA/AraM) HGT Archaea Modern bacteria sn-glycerol-1-phosphate dehydrogenase O sn-glycerol-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH) O H C. bacteria (last bacterial common ancestor) G3PDH (GpsA) GIFDH (EgsA) C. archaea (last archaeal common ancestor) GK (GlpK) IV HO VI Bacteria CH2-0-CH2 G3PDH (GlpA/D) hydrophilic region

Composición química de las biomembranas

LÍPIDOS: Fosfolípidos

2. Composición química de las biomembranas 2.1. LÍPIDOS A. FOSFOLÍPIDOS a) Cabeza polar (hidrofílica): Glicerol + Grupo fosfato + Otras moléculas. b) 2 colas apolares (hidrofóbicas): Normalmente, ác. grasos 14-24 C. 1 ó 2 insaturaciones (dobles enlaces) en una cadena y ninguna en la otra. Distinta longitud y saturación afectan al grado de empaquetamiento bicapa y, con ello, la fluidez de la membrana. CHOLINE CH2-N+(CH3)3 CH2 polar (hydrophilic) head group PHOSPHATE 0 0=P-o- 0 GLYCEROL CH -CH-CH2 7 hydrophilic 0 C=0 C=0 - 2 CH2 hydrophobic tails CH2 CH2 (D) CH2 CH H2 nonpolar (hydrophobic) tails HYDROCARBON TAIL HYDROCARBON TAIL Saturado ČH H2 cis-double bond CH `CH. Insaturado Sólo lípidos saturados Saturado Enlace doble Monoinsaturado Mezcla de saturados e insaturados |\_தி_சி_சி_கி_கி கி_கி_கி_தி கி_தி_தி கி_கி_கி_கிடதி CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 - head

LÍPIDOS: Tipos de Fosfolípidos

2.1. LÍPIDOS ITAO A. FOSFOLÍPIDOS Tipos de Fosfolípidos Fosfolípidos se dividen atendiendo a la naturaleza de sus cabezas polares 1. FOSFOGLICERIDOS: Los + abundantes. Cabeza Glicerol (3C): - 2C se unen a ácidos grasos hidrofóbicos. - 1C unión a un fosfato que une otras moléculas: Fosfatidiletanolamina, Fosfatidilserina, fosfatidilcolina, fosfatidilinositol. 2. ESFINGOLÍPIDOS: Cabeza Esfingosina: larga cadena grasa con un grupo amino y dos hidroxilos en el extremo. OH SPHINGOSINE CH20 -- R NH FATTY ACID O Distintas combinaciones dan distintas moléculas: - Ceramida: unión de cola de ácido graso. - Esfingomielina: En la estructura de la ceramida un -OH queda libre y el otro se une a fosfocolina. + NHI 1 CH2 1 CH: O O=P-OO CH2-CH-CH2 O O C=O.C=0 COLA DE ÁCIDO GRASO COLA DE ÁCIDO GRASO fosfatidiletanolamina CH3 CHI- ICH3 + H-C-COO ℮ CH 1 CH2 CH 1 O O O=P-OO CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 O O O C=O C=0 C=O.C=0 COLA DE ÁCIDO GRASO COLA DE ÁCIDO GRASO- COLA DE ÁCIDO GRASO-Q-O COLA DE ÁCIDO GRASO fosfatidilcolina CH3 CH; CH3 QH QH OH OH CH-CH-CH2 CH NH ǁ OH ÇI -CH-CH2 H CH C=O CADENA GRASA CADENA GRASA COLA DE ÁCIDO GRASO CADENA GRASA -9 9 9 9 COLA DE ÁCIDO GRASO -O-Z-2 esfingosina Ceramida Hz CH O=P-OO CH CH C=O Enlace amida 1 1 -- HC-CH-CH2 T CH NHO 1 fosfatidilserina O NH3 esfingomielina €

Composición química de las biomembranas

LÍPIDOS: Esteroles

2. Composición química de las biomembranas 2.1. LÍPIDOS B. ESTEROLES OH ] polar head group CH3 rigid steroid ring structure CH3 CH3 - CH 1 CH2 CH2 CH2 nonpolar hydrocarbon tail CH / CH3 CH3 (A) (B) (C) 3 polar head groups nm cholesterol- stiffened region 1 more fluid region 0 1. Estructural: soporte y estabilidad (integridad y menor porosidad). 2. Regula la fluidez (fosfolíp. + colesterol): rigidez (tipo de fosfolípidos). Ácidos grasos (FA) largos y mayor saturación > menor fluidez (más fluidez). Incremento Ta (Mb fluida) > colesterol (más Tª misma fluidez). 3. Rafts lipídicos: más colesterol y esfingolípidos (retención de proteínas). Phospholipid Cholesterol COLESTEROL (Anfipática). Anillo rígido esteroídico + un grupo -OH (polar) + una corta cadena hidrocarbonada (hidrofóbica). - Se incrusta en la bicapa con el -OH en proximidad a los grupos polares de los fosfolípidos cercanos. En plantas y bacterias otros esteroles (no colesterol) en las membranas: igual función.

Función del Colesterol en las Membranas

Función del colesterol en las membranas:

Composición química de las biomembranas

LÍPIDOS: Glucolípidos

2. Composición química de las biomembranas 2.1. LÍPIDOS C. GLUCOLÍPIDOS Lípidos (ceramida) con hidratos de carbono (azúcares) asociados: GLUCOESFINGOLÍPIDOS. - Aproximadamente 5% de lípidos de la MP en cél. animales. - Sólo cara externa de la MP y en algunas Mb internas celulares. - Modifican carga eléctrica de la MP y la concentración iónica (Ca2+). - Interaccionan con Lectinas (adhesión y migración celular).

Implicaciones Funcionales de los Glucolípidos

Implicaciones funcionales de los glucolípidos - Células epiteliales polarizadas (borde apical): Protección: bajada de pH y activación de enzimas degradantes. - Puntos de entrada de toxinas: Gangliósido GM1, receptor toxina colérica. (interacción: aumenta AMPc -> salida Na+ y H2O > diarrea + deshidratación). Gal GalNAc NANA Gal Glc OH 0 I CH -CH-CH2 CH NH CH NH CH - FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL (B) GM1 ganglioside CH3 H O=C -I O HN COO R H H -I OH OH H CHOH R = CHOH CH2OH (C) sialic acid (NANA) C=0 1 FATTY CHAIN FATTY ACID TAIL (A) galactocerebroside Gal OH 0 CH -CH-CH2 CH C=0 H