Funciones de la membrana plasmática: componentes y transporte de sustancias

MA666 Introducción a la Biología

Unidad 2 - Tema 5

Funciones de la Membrana Plasmática

1. Componentes de la membrana plasmática:
   • Relaciona los componentes de la membrana con sus funciones
2. Transporte de sustancias a través de la membrana:
   • Identifica las características del tipo de transporte a través de la membrana
   • Demuestra cómo las moléculas atraviesan la membrana

MEMBRANA

Componentes de la membrana plasmática

Los fosfolípidos forman la estructura principal de las membranas, pero las proteínas determinan la mayor parte de las funciones específicas de la misma. Cada reino, cada especie, cada tejido o tipo de célula, e inclusive los orgánulos de cada tipo de célula tienen un conjunto característico de lípidos de membrana. Asimismo, diferentes tipos de células contienen diferentes grupos de proteínas de membrana y cada una de las diferentes membranas dentro una célula tiene un conjunto único de proteínas.

TABLE 11-1 Major Components of Plasma Membranes in Various Organisms Components (% by weight) Protein Phospholipid Sterol Sterol type Other lipids Human myelin sheath 30 30 19 Cholesterol Galactolipids, plasmalogens Mouse liver 45 27 25 Cholesterol Maize leaf 47 26 7 Sitosterol Galactolipids Yeast 52 7 4 Ergosterol Triacylglycerols, steryl esters Paramecium (ciliated protist) 56 40 4 Stigmasterol E. coli 75 25 0 Note: Values do not add up to 100% in every case, because there are components other than protein, phospholipids, and sterol; plants, for example, have high levels of glycolipids.

La membrana plasmática presenta permeabilidad selectiva lo cual significa que algunas sustancias cruzan una membrana más fácilmente que otras. Las moléculas pequeñas y no polares atraviesan las bicapas rápidamente. Por el contrario, las moléculas grandes y las sustancias con carga cruzan la membrana lentamente, o no la atraviesan.

Así, por ejemplo, las moléculas pequeñas no polares como el oxígeno (O2) atraviesan selectivamente las membranas permeables más de un billón de veces más rápido que los iones aniones cloruro (CI). Moléculas muy pequeñas sin carga, como el agua (H2O), también pueden cruzar las membranas relativamente rápido, incluso aunque sean polares. Las moléculas pequeñas y polares, como el glicerol y la urea, tienen una permeabilidad intermedia. De esta manera las sustancias iónicas y las moléculas grandes y polares no pueden atravesar las colas hidrófobas y no polares de una bicapa lipídica.

MA666 Introducción a la Biología 2021 1(a) Escala de permeabilidad (cm/s) (b) El tamaño y la carga afectan a la velocidad de difusión a través de una membrana Bicapa de fosfolípidos 100 Alta permeabilidad O2,CO2 10-2 H2O 10-4 Moléculas pequeñas, polares, sin carga H2O, urea, glicerol 10-6 Glicerol, urea Glucosa 10-8 10-10 CI K+ 10-12 Na+ Baja permeabilidad FIGURA 6.8 Permeabilidad selectiva de las bicapas lipidicas. (a) Los números representan «coeficientes de permeabilidad», o la velocidad (cm/s) a la que una molécula o un ion atraviesa una bicapa lipídica. (b) Permeabilidad relativa de distintos iones y moléculas, basada en datos como los presentados en la parte (a).

Los lípidos de la membrana

Los fosfolípidos forman una bicapa en la que las regiones no polares se localizan en el centro de la bicapa y las regiones polares se ubican hacia las regiones acuosas ya sea fuera o dentro de la célula. Los fosfolípidos que presentan abundancia relativa en la membrana son: fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina, esfingomielina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol. Esta variedad de los fosfolípidos genera asimetría en la membrana plasmática. Los fosfolípidos como fosfatidilcolina y esfingomielina abundan en la capa expuesta hacia el exterior de la célula; mientras que fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y fosfatidilinositol predominan en la capa interna hacia el citosol. La localización de la fosfatidilserina, con carga negativa, hacia el lado citosólico genera diferencia de cargas entre las dos caras de la bicapa.

Membrane phospholipid Percent of total membrane phospholipid Distribution in membrane Inner 100 monolayer monolayer 100 Phosphatidyl- ethanolamine 30 Phosphatidylcholine 27 Sphingomyelin 23 Phosphatidylserine 15 Phosphatidylinositol Phosphatidylinositol 4-phosphate 5 Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate Phosphatidic acid FIGURE 11-5 Asymmetric distribution of phospholipids between the inner and outer monolayers of the erythrocyte plasma membrane. The distribution of a specific phospholipid is determined by treating the intact cell with phospholipase C, which cannot reach lipids in the inner monolayer (leaflet) but removes the head groups of lipids in the outer monolayer. The proportion of each head group released provides an estimate of the fraction of each lipid in the outer monolayer.

En las plaquetas, cuando la fosfatidilserina se mueve hacia la capa exterior, se produce la coagulación. En otras células, este movimiento conduce a una muerte celular programada.

2 MA666 Introducción a la Biología 2021 Moléculas grandes, polares, sin carga Glucosa, sacarosa CI-, K+, Na+ lones Moléculas hidrófobas O2, CO2, N2 OuterLos fosfolípidos de la bicapa lipídica presentan un comportamiento que depende del número de dobles enlaces y de la longitud del ácido graso que lo constituye. Los fosfolípidos con colas largas y saturadas forman membranas mucho menos permeables que aquellas compuestas por fosfolípidos con colas insaturadas y más cortas.

Bicapa lipídica sin ácidos grasos insaturados Menor permeabilidad Bicapa lipídica con muchos ácidos grasos insaturados Mayor permeabilidad FIGURA 6.10 La estructura de los ácidos grasos cambia la permeabilidad de las membranas. Las bicapas lipídicas que contienen muchos ácidos grasos insaturados tienen más hendiduras y deberían ser más permeables que las bicapas con pocos ácidos grasos insaturados.

Los dobles enlaces producen giros en las colas de fosfolípidos CH2 1 HỌC CH2 / HỌC C-H H HỌC-C 1 H H2C-CH2 H2C-CH2 1 CH2 Ácido graso insaturado Ácido graso saturado FIGURA 6.9 Los hidrocarburos insaturados contienen dobles enlaces carbono-carbono. Un doble enlace en una cadena de hidrocarburo produce un «giro». La imagen de la derecha indica que una de las colas de hidrocarburo de un fosfolipido es insaturada y, por lo tanto, está «doblada».

Las grasas muy saturadas son sólidas a temperatura ambiente. Los lípidos que contienen colas de hidrocarburo extremadamente largas, como las ceras, forman sólidos rígidos a temperatura ambiente por las masivas interacciones hidrófobas que se producen. Las aves, las nutrias marinas y muchos otros organismos sintetizan cera y la extienden por su superficie externa para aislarse del agua; las células de las plantas segregan una capa cérea que cubre la superficie de hojas y tallos e impide la evaporación del agua. Por el contrario, las grasas muy insaturadas son líquidas a temperatura ambiente.

Por otro lado, la presencia del colesterol y derivados en las membranas de células animales incrementa la densidad de la sección hidrófoba y por tanto disminuye la permeabilidad de ciertas sustancias.

Las proteínas de la membrana

Extracellular matrix Peripheral 3 Integral Exterior Lipid anchored Integral Cytosol Peripheral Peripheral Cytoskeleton

Las proteínas periféricas no están embebidas en la bicapa lipídica; son apéndices unidos débilmente a la superficie de la membrana. Estas uniones pueden ser electrostáticas o mediante puentes de hidrógeno con la parte polar de la membrana. Se pueden extraer de manera relativamente fácil utilizando carbonatos a pH alto.

3 MA666 Introducción a la Biología 2021Las proteínas integrales penetran en la región hidrofóbica central de la bicapa lipídica. Muchas son proteínas transmembrana, que atraviesan la membrana por completo. Las regiones hidrófobas de una proteína integral son una o más bandas de aminoácidos no polares generalmente enrolladas en alfa hélice. Las partes hidrófilas de las moléculas están expuestas a las soluciones acuosas en una de las caras de la membrana. Las proteínas integrales están fuertemente asociadas a la membrana y no son fáciles de remover a menos que se añada detergente, solventes orgánicos o desnaturalizantes.

Las proteínas integrales pueden presentarse en los siguientes patrones: alfa hélices de un solo paso, alfa hélices de varios pasos y beta plegada (barril).

Integral Proteins a- helix Recognition, Receptors Helical bundle Enzymes, Transporters, Receptors ß- barrel Transporters (channel proteins)

Los carbohidratos de la membrana

El reconocimiento intercelular, la capacidad de una célula de diferenciar entre un tipo de célula vecina de otra, es esencial para el funcionamiento de un organismo. Es importante, por ejemplo, en la distribución de las células en los tejidos y los órganos en un embrión animal. Es también fundamental para el rechazo de células extrañas (como es el caso de los órganos trasplantados) por el sistema inmunitario, una importante línea de defensa en los animales vertebrados. La manera que las células reconocen otras células es uniéndose a moléculas de superficie, generalmente carbohidratos de la membrana plasmática.

Los carbohidratos de la membrana habitualmente son cadenas ramificadas cortas con menos de 15 unidades de monosacáridos. Algunos de ellos están unidos por enlaces covalentes a los lípidos para formar moléculas que se denominan glucolípidos. La mayoría, sin embargo, está unido por enlaces covalentes a las proteínas, glucoproteínas. Los carbohidratos en la cara externa de la membrana plasmática varían de especie a especie, entre individuos de la misma especie y aún entre un tipo celular y otro de un mismo individuo. La diversidad molecular y la ubicación de los carbohidratos permite ser utilizados como marcadores que distinguen una célula de otra. Por ejemplo, los cuatro grupos sanguíneos A, B, AB y O, reflejan las variaciones de carbohidratos en la superficie de los glóbulos rojos.

MA666 Introducción a la Biología 2021 4O Type N-acetylgalactosamine N-acetylglucosamine A Antigen Galactose Fucose B Antigen Figure 1. ABO antigen specificity. The ABO antigens differ by just one sugar at the antigen terminus. Only the carbohydrate portion of the antigen is illustrated. https://www.icr.org/article/abo-blood-human-origins/

TABLE 5-2 ABO Blood Groups Blood-Group Type Antigens on RBCs Serum Antibodies Can Receive Blood Types A A Anti-A A and O B B Anti-B B and O AB A and B None All O O Anti-A and anti-B O *See Figure 5-16 for antigen structures.

Relaciona los componentes de la membrana con sus funciones

Ejemplo resuelto: ¿ Cómo se diferencian las distintas membranas de una célula eucarionte?

a. Los fosfolípidos se encuentran únicamente en ciertas membranas b. Ciertas proteínas son exclusivas de cada membrana c. Algunas membranas hidrófobas están expuestas al citoplasma, mientras que otras tienen superficies hidrofilas que miran al citoplasma d. Algunas membranas están constituidas por moléculas anfipáticas Explicación: la leta "a" es incorrecta porque los fosfolípidos están presentes en todas las membranas. La letra "c" es incorrecta porque la parte hidrofílica de las membranas está expuesta hacia el citoplasma o hacia la parte exterior mientras que la parte hidrófoba forma la parte interna de la bicapa. La letra "d" es inconrrecta porque todas las membranas están constituidas por moléculas anfipáticas, es decir, fosfolípidos. La lectra "c" es correcta porque cada membrana o tipo de membrana presenta su propio tipo de proteínas según sus funciones.

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