Comunicaciones Químicas Intracelulares y Extracelulares, Presentación

Capítulo IV. COMUNICACIONES QUÍMICAS INTRACELULARES Y EXTRACELULARES.

12 .- Organización química de las membranas biológicas. Mecanismos de transporte a través de membrana.

Objetivos de las membranas

Describir los principales tipos de lípidos y proteínas que constituyen las membranas. Conocer como interaccionan los lípidos y las proteínas para formar la membrana de acuerdo con el modelo del mosaico fluido. Establecer la naturaleza de los distintos mecanismos de transporte a través de las membranas.COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

LÍPIDOS

PROTEÍNAS GLÚCIDOS Exterior Peripheral protein Oligosaccharide Glycoprotein Glycolipid 8000 Integral protein 9,00 8 Leaflets Hydrophobic core Cytosol Hydrophilic Protein Fatty acyl tails Integral protein Peripheral proteins Hydrophilic polar head Phospholipid bilayer Phospholipid

• Las membranas biológicas están constituidas por una bicapa lipídica en la que se encuentran embebidas las proteínas.
• Las cabezas polares de los lípidos de la bicapa se orienta hacia el exterior de la bicapa: los fosfo- y gluco- lípidos exponen sus grupos polares.
• La parte apolar se orienta hacia el interior de la bicapa
• En el caso del colesterol presentaría el grupo OH hacia el exterior Membrana plasmática Micela Bicapa

LÍPIDOS DE LAS MEMBRANAS

Glicoproteínas Proteínas periféricas Esfingolípidos Fosfatidil colina Proteínas de poros Proteínas integrales Colesterol Lípidos insaturados Fosfatidil serina Fosfatidil etanolamina

Hay 3 tipos principales: Fosfolípidos: Fosfoglicéridos y esfingolípidos Glucolípidos: Cerebrósidos y gangliósidos Colesterol Todos son moléculas anfipáticas La bicapa se forma por asociación entre los distintos lípidos, como consecuencia de:

• Interacciones hidrofóbicas
• Fuerzas de Van der Waals que compactan las cadenas de ácidos grasos en el interior
• Interacciones electrostáticas favorables entre las moléculas de agua y las cabezas polares

LÍPIDOS DE MEMBRANA

FOSFOLÍPIDOS GLUCOLÍPIDOS Glicerofosfolipido Esfingolipido Alcohol Colina P P Glúcido L MEDICA panamericana Glicerol Esfingosina Esfingosina Colesterol Ác. graso Ác. graso Ác. graso Ác. graso

• Enlace éster
• Enlace amida
• Enlace glucosídico

PROTEÍNAS DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

En función de su disposición en la bicapa existen dos tipos de proteínas:

• Proteínas periféricas: (dy e) -Se disponen a un lado u otro de la bicapa lipídica, - Unidas débilmente por enlaces no covalentes (interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno). - Fácilmente separables de la bicapa, sin provocar su ruptura.
• Proteínas integrales: (a, b yc) -Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana). - Unidas a la membrana por interacciones hidrofóbicas. Pueden asociarse mediante enlaces covalentes con un lípidos o un glúcido de la membrana. - Su aislamiento de la membrana requiere la ruptura de la bicapa. Las partes de las proteínas integrales que atraviesan la membrana se denominan dominios de transmembrana En general los aminoácidos hidrofóbicos interaccionarán con la zona no polar de la membrana d D b C e Outside Inside

Funcionalidad de las proteínas de membrana

La funcionalidad de las membranas biológicas reside en su mayor parte en sus proteínas. Éstas se pueden clasificar según su función en:

• Proteínas transportadoras. Se encargan del transporte de iones, pequeñas moléculas y macromoléculas.
• Receptores. Se encargan de la recepción y transducción de señales químicas.
• Enzimas
• Proteínas estructurales o de anclaje. Se unen al citoesqueleto y a la matriz extracelular.
• Proteínas de adhesión celular
• Marcadores celulares Functions of Plasma Membrane Proteins Outside Plasma membrane Inside 0 Selective transport channel Enzyme Call surface receptor Cell surface identity marker Cell adhesion Attachment to the cytoskeleton

PROPIEDADES DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Las membranas biológicas:

• Son asimétricas
• Poseen permeabilidad selectiva
• Sus componentes tienen capacidad de movimiento (rotación, difusión lateral y difusión transversal)
• Son estructuras fluidas. Se puede decir que las proteínas están inmersas en un mar de lípidos. Plasma Membrane Structure Glycoprotein Carbohydrate Side Chain- Protein Hydrophilic Regions Hydrophobic Regions https://www.youtube.com/watch?v=Qqsf UJcfBcDemostración del movimiento lateral en la membrana plasmática Célula híbrida Célula humana Tiempo Célula de ratón Anticuerpos fluorescentes frente a proteínas de membrana

MODELO DEL MOSAICO FLUÍDO

Lípidos y proteínas difunden lateralmente en la bicapa

MOVIMIENTO EN LA MEMBRANA

De hecho los lípidos tienen capacidad de difundir rápidamente en el plano de la membrana y pueden también tener movimientos de flip- flop. Las membranas biológicas están constituidas por una bicapa lipídica en la que se encuentran embebidas las proteínas. La membrana celular se comporta más como un fluído (líquido) en el que SUS componentes pueden difundir más o menos fácilmente. Rapid Lateral diffusion Very slow Tranverse diffusion (flip-flop) 9

COLESTEROL

21 CH3 26 CH3 I / 20 CH 22CH2 -23 CH2 -24CH2 -CH 18 CH3 27 12 17 11 13 16 C D CH3 9 14 15 1 10 8 A B 5 7 4 6 HO Phospholipid head group Fatty acid tail Cholesterol Plasma membrane CH3 19 2 3

Fluidez de la membrana

La fluidez de la membrana depende de: La longitud de los lípidos El grado de saturación de los lípidos El colesterol Ácidos grasos saturados Mezcla de ácidos grasos saturados e insaturados

• A mayor longitud y saturación de los ácidos grasos menor fluidez ya que aumenta el empaquetamiento.
• La instauración depende del tipo de grasa ingerida en la dieta, a mayor ingesta de grasa saturada, los lípidos serán mas saturados y al contrario
• Los peces y algunas bacterias, se puede controlar la saturación lipídica internamente, de manera que si ingieren mucha grasa poco insaturada o bien se encuentran en aguas frías donde requieren mayor fluidez de membrana, el pez activa un sistema de desaturación.
• En humanos no existe esta capacidad de regulación de la saturación de la membrana, no obstante, la fluidez se controla principalmente por el contenido de COLESTEROL. El colesterol ayuda regular la fluidez de la membrana: - Por una parte se inserta entre los ácidos grasos insaturados disminuyendo la fluidez al establecer interacciones con lo ácidos grasos de la membrana inmovilizandolos. Proporciona estabilidad mecánica. - Por otra parte, en altas concentraciones (como las que se encuentran en las membranas humanas) se inserta entre los ácidos grasos saturados evitando la cristalización de los fosfolípidos (la crsitalización se produce por exceso de empaquetamiento, orden)

TIPOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS

DIFUSIÓN Difusión simple Poros Canales iónicos Pasivo o Difusión facilitada TRANSPORTE MEDIADO Primario Activar Secundario

• DIFUSIÓN
• TRANSPORTE MEDIADO POR PROTEÍNAS (poro, canal o transportador) - Según las moléculas transportadas y el sentido en que se transportan:

· Uniporte (se transporta una sola molécula) · Cotransporte - Simporte (se transporta 2 moléculas en el mismo sentido) - Antiporte (se transporta 2 moléculas, pero en sentidos opuestos) - Según el gasto de E: · Transporte pasivo (sin gasto de E) · Transporte activo (con gasto de E) - Primario: Uso directo de la E de hidrólisis de ATP - Secundario: Uso indirecto de la E de hidrólisis de ATP

Tipos de transporte de moléculas

Uniporte Simporte Antiporte Difusión Cotransporte Sánchez de Medina y Vargas Bioquímica Estructural y Metabólica Avicam, 2015

TIPOS DE PROCESOS TRANSPORTADORES

Soluto hidratado (a)

• DIFUSIÓN SIMPLE a través de la bicapa: - La capacidad de una sustancia de difundir por la bicapa lipídica está relacionada con su tamaño (pequeña), su polaridad (hidrófoba) y su carga (no cargadas). Ej: gases, urea, etanol, ácidos orgánicos - Estás sustancias atraviesan la membrana por difusión simple, a favor de gradiente. Sin gasto de E. OTRANSPORTE mediado por proteínas de membrana (b) Transportador PASIVO (o Difusión facilitada): sin gasto de E a favor de gradien Ej: glucosa-GLUT ACTIVO: con gasto de E contra gradiente Ej: bomba Na+/ K+ https://www.youtube.com/watch?v=lQLZAMWqSdk

TRANSPORTE PASIVO

POROS Y CANALES FepA OmpLA Maltoporin a-Hemolysin toxin TolC Top view

• Llevan a cabo procesos de difusión facilitada (a favor de gradiente, sin gasto de E)
• Las proteínas crean un conducto hidrofílico que atraviesa la membrana y puede ser atravesado por solutos polares o iónicos
• El grado de selectividad variable

• Las proteínas que forman los canales o poros pueden o no cambiar de conformación. Si cambian de conformación, pueden abrirse o cerrarse, pero una vez abiertos los solutos transportados atraviesan el canal por un proceso de difusión, como si estuviesen libres en disolución
• En general, canales son poros para iones orgánicos (Na+, CI-)

TIPOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS

• DIFUSIÓN
• TRANSPORTE MEDIADO POR PROTEÍNAS (poro, canal o transportador) - Según las moléculas transportadas y el sentido en que se transportan:

· Uniporte (se transporta una sola molécula) · Cotransporte - Simporte (se transporta varias moléculas en el mismo sentido) - Antiporte (se transporta varias moléculas, pero en sentidos opuestos) - Según el gasto de E: · Transporte pasivo (sin gasto de E) · Transporte activo (con gasto de E) - Primario: Uso directo de la E de hidrólisis de ATP - Secundario: Uso indirecto de la E de hidrólisis de ATP

Transporte mediado por proteínas

S S1 S2 S Uniporte Simporte Antiporte Cotransporte El transporte mediado por proteínas puede ser de tres tipos: Uniporte: sólo una molécula es transportada Cotransporte: varias moléculas son transportadas simultáneamente

• Simporte: las moléculas cotransportadas lo hacen en el mismo sentido
• Antiporte: las moléculas contransportadas lo hacen en sentidos opuestos

Mecanismo general de transporte mediado

Transporte pasivo de Glucosa (transportador GLUT) D-Glucose T1 X 1 T1 N T. 4 XXXC € T1 Inside Outside €

TIPOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS

• DIFUSIÓN
• TRANSPORTE MEDIADO POR PROTEÍNAS (poro, canal o transportador) - Según las moléculas transportadas y el sentido en que se transportan:

· Uniporte (se transporta una sola molécula) · Cotransporte - Simporte (se transporta 2 moléculas en el mismo sentido) - Antiporte (se transporta 2 moléculas, pero en sentidos opuestos) - Según el gasto de E: · Transporte pasivo (sin gasto de E) · Transporte activo (con gasto de E) - Primario: Uso directo de la E de hidrólisis de ATP - Secundario: Uso indirecto de la E de hidrólisis de ATP