Membranas Biológicas y Su Dinámica: Definición, Propiedades y Composición

Endocrinología y Regulación Metabólica

Álvaro Martín Fernández

TEMA 2 - MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y SU DINÁMICA

Definición, propiedades físicas y composición química de las membranas biológicas

Las membranas biológicas son estructuras dinámicas que definen los límites entre células o entre orgánulos dentro de la célula, en las que las proteínas flotan en un mar de lípidos.

Propiedades físicas de las membranas biológicas

Las membranas biológicas, tanto de células eucariotas como de las procariotas poseen una serie de propiedades físicas notables.

• Son estructuras laminares de 6 a 10 nm de espesor, muy extensas.
• Están compuestas por sólo dos capas de moléculas, formando una bicapa, con hoja citosólica y hoja externa.
• Son flexibles, permiten cambios de forma, crecimiento y movimientos celulares.
• Son las encargadas de separar la célula del medio extracelular, formando compartimentos cerrados y diferenciando espacios.
• Tienen propiedades autosellantes. Además permiten la fusión entre membranas (endocitosis, exocitosis, división celular).
• Son selectivamente permeables a los solutos polares, ya que retienen ciertos compuestos e iones dentro y otros los excluyen. Sin embargo, no son totalmente impermeables ni totalmente permeables, son semipermeables.
• No son barreras pasivas, promueven y catalizan procesos celulares como transportes específicos de solutos, rutas metabólicas, transducción de señales exteriores a la célula, transducción de energía (como el transporte de protones asociado a la síntesis de ATP).
• La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente (potencial transmembrana). Esto es muy Importante en procesos de contracción muscular e impulso nervioso.
• Son modelos fluidos (mosaico fluido).

Composición química de las membranas

Las membranas biológicas están compuestas por:

Lípidos

Entre los cuales destacan:

• Fosfolípidos: Principalmente esfingolípidos y fosfoglicéridos.
• Colesterol: Aporta rigidez a la propia membrana.

Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

Proteínas

Las cuales pueden ser:

• Integrales: Están total o parcialmente englobadas en la bicapa. Si atraviesa totalmente la membrana plasmática, se les denomina transmembranales.
• Periféricas: Están adosadas a la bicapa, y están unidas a los radicales polares de los lípidos y otras proteínas integrales.

Glúcidos

Es un componente minoritario, se encuentran unidos a los lípidos o a las proteínas de la membrana. Pueden ser:

• Glicolípidos: Son glúcidos unidos a los lípidos de la membrana.
• Glicoproteínas: Son glúcidos unidos a las proteínas de la membrana.

Vamos a ver cada uno de estos componentes en profundidad:

Fosfolípidos

Son los principales componentes de la membrana celular. En solución acuosa forman una bicapa. Están compuestos por una molécula de glicerina esterificada por 2 ácidos grasos, y el tercer grupo -OH está unido a un grupo fosfato.

• El grupo fosfato constituye la zona hidrófila.
• Los ácidos grasos forman la zona hidrófoba.

Si el ácido graso posee un doble enlace en la cadena carbonada se produce un cambio en su estructura, que tiene gran importancia en la fluidez de la membrana, debido a que a mayor grado de insaturación se consigue una menor fluidez en la membrana. Entre los principales fosfolípidos encontramos esfingolípidos y fosfoglicéridos: Fosfatidilcolina, Fosfatidilserina, Fosfatidiletanolamina, Esfingomielina, Fosfatidilinositol (uno de los menos comunes).

Hidrofilico (soluble) Choline Phosphate Glycerol or serine backbone Straight = saturated Hidrofóbico (no soluble = lipofílico) Fatty acid tails Kink from cis double bonds = unsaturated

Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

Colesterol

Es un lipido muy predominante en las células animales, llegando incluso al 40% de las membranas plasmáticas.

• Su pequeña cabeza polar le confiere un carácter ligeramente anfipático.
• Es muy poco flexible debido al anillo del ciclopentanofenantreno lo que le confiere rigidez a él y con ello a la membrana. Sus 4 anillos fusionados le dan más rigidez que la de otros lípidos de membrana.

Esta molécula está presente en las membranas de las células eucariotas, pero no en las de procariotas.

• Es mucho más abundante en la membrana plasmática que en la de los orgánulos.
• Se inserta perpendicularmente al plano de la membrana mediante un puente de H (débiles) entre su OH y el O del carbonilo de la cabeza del fosfolípido.

El grupo hidroxilo constituye una cabeza polar muy pequeña El anillo esteroide es una estructura rígida No polar (hydrofóbica) Cadena Hidrocarbonada flexible Además de formar parte de las membranas biológicas es un precursor de las hormonas esteroideas y sexuales, y forma parte de las lipoproteínas.

Glucolípidos

Están formados por una parte glucídica y una parte lipídica.

• Los glucolípidos están compuestos por una ceramida y un glúcido.
• Forman parte de la membrana plasmática, pero sólo en células animales. Siempre se sitúan en el lado externo de la membrana celular y en el interno de los orgánulos.
• Presentan carácter anfipático.

Por ejemplo: Cerebrósidos y gangliósidos.

• Cerebrósidos: Contienen un solo residuo de azúcar (abundantes en el cerebro).
• Gangliósidos: Contienen azúcares complejos que se orientan hacia el exterior de la membrana plasmática (o hacia el citoplasma en los orgánulos).
• Son receptores específicos para hormonas, e incluso de toxinas bacterianas.
• Determinan el reconocimiento intercelular de forma específica. Son importantes formando parte de los receptores para hormonas, toxinas e incluso el reconocimiento entre células.

Por todo, juegan un importante papel en el crecimiento y diferenciación de los tejidos y en el cáncer.

Organización estructural de los lípidos en soluciones acuosas: micelas, liposomas y bicapas lipídicas

Cuando los lípidos anfipáticos se mezclan con agua, espontáneamente se forman agregados lipídicos microscópicos. Estos agregados son estructuras cooperativas no covalentes que se mantienen gracias a las interacciones hidrofóbicas entre los lípidos. Las principales interacciones hidrofóbicas son las micelas, las bicapas y los liposomas.

Micelas

Son partículas esféricas, compuestas por entre 10 - 1000 lípidos.

• Están formadas por ácidos grasos libres.
• Actúan como detergentes, posibilitando el secuestro de moléculas grasas en el interior de la micela. En un medio acuoso, permiten un pequeño medio interior hidrofóbico.

Micelas digestivas. Low ácidos grasos sales biliares triglicéridos

Bicapas

Aparecen cuando la proporción de lípidos anfipáticos en un medio acuoso aumenta. Forman la base estructural de las membranas biológicas.

• Compuestas por 2 monocapas con sus ácidos grasos enfrentados creando un ambiente hidrofóbico.
• Es la forma estructural más favorable para los fosfolípidos y glucolípidos, pues las cadenas de ácidos grasos son demasiado voluminosas como para acomodarse en el interior de una micela.
• Fuerzas que estabilizan la bicapa: La formación de bicapas a partir de fosfolípidos y glicolípidos es un proceso cooperativo, rápido y espontáneo. Son interacciones débiles, no covalentes:
• Las Interacciones Hidrofóbicas son las principales fuerzas que determinan su formación.
• Las fuerzas de van der Waals favorecen el empaquetamiento compacto de las cadenas hidrocarbonadas.
• Las Interacciones electrostaticas y puentes de H entre las cabezas polares y el agua.

Propiedades de la bicapa

Las bicapas lipídicas se estabilizan por interacciones no covalentes cooperativas, lo que tiene como consecuencia que:

• Son extensas.
• Se cierran sobre sí mismas formando espacios cerrados, debido a que los extremos de los ácidos grasos están obligados a estar en contacto en el agua.
• Se autorreparan cuando sufren cualquier daño.

Bicapa lipídica

Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica

Liposomas

Son un tipo de bicapa cerrada sobre sí misma.

• Tienen forma esférica.
• Aportan estabilidad máxima en un entorno acuoso, debido a la pérdida de los extremos hidrofóbicos de la bicapa.

Las soluciones de fosfolípidos sometidas a ultrasonido (sonicación) producen liposomas pequeños, de 20 - 50 nm. - Las mismas soluciones, evaporado el solvente y agitados los fosfolípidos con soluciones acuosas, producen liposomas grandes, de 100 - 1000 nm.

Liposoma unilamelar Aqueous cavity Liposoma multilamelar

Liposomas con forma farmaceutica

Los liposomas proveen un volumen hidrofílico en cerrado en una o varias bicapas lipídicas.

• La función de los liposomas en la farmacología es dirigir los fármacos hasta las células dianas evitando la degradación del medicamento y su acción sobre el resto de células.
• Los liposomas se fusionan con membranas celulares y permiten liberar el contenido hacia el interior celular. Gracias al reconocimiento de los antígenos de la membrana.
• Además favorece el transporte de fármacos hidrofóbicos.

1 2 3 SOD W interior celular Protective layer of polyethylene glycol Antibody Drug crystalized in aqueous fluid -Lipid-soluble drug in bilayer Lipid bilayer (b) Liposomas como forma farmaceutica

Álvaro Martín Fernández Endocrinología y Regulación Metabólica La permeabilidad de la bicapa lipídica depende de las propiedades físico-químicas de la sustancia que pretende atravesarla.

• Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la bicapa lipídica.
• Tamaño: La mayor parte de las moléculas de gran tamaño no atraviesan la bicapa. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesarla.
• Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora. Por lo tanto las membranas son parcialmente permeables.
• Una importante propiedad de las bicapas es su baja permeabilidad para los iones y moléculas polares.
• El agua es una excepción por su pequeño tamaño, ausencia de carga y elevada concentración.
• Coeficiente de permeabilidad de algunos compuestos: claramente los coeficientes de permeabilidad de las moléculas pequeñas dependen de su hidrofobicidad.
• Los iones tienen muy poca permeabilidad porque desprenderse de su esfera de solvatación acuosa para entrar en el medio hidrófobo de la bicapa es un proceso desfavorable energéticamente.

Fluidez de las membranas plasmáticas

La fluidez de las membranas plasmáticas viene dada por el grado de cohesión entre las moléculas que integran una sustancia, a mayor cohesión menor fluidez. El grado de fluidez es un equilibrio entre las fuerzas de atracción intermolecular (que tienden a mantener un estado rígido y ordenado) y la agitación térmica de las moléculas (que tienden a mantener un estado desordenado y fluido).

Transición de fase Estado Gel o Sólido-Cristalino Altamente ordenada y compacta Estado Cristal-Liquido Más desordenado, más fluído Tm es la Tª (o rango de Tª) en la que se produce la Transición de Fases

Factores que influyen en la fluidez de la bicapa

La Fluidez de la bicapa depende de:

• La temperatura:
• A temperatura alta disminuye la interacción entre cadenas de ácidos grasos (fase cristal líquido), por lo que aumenta la fluidez.
• A temperatura baja, aumenta la cohesión entre las moléculas. (Fase de gel), por lo que disminuye la fluidez.
• Cada membrana tiene una temperatura propia para alcanzar la transición de fase.

A mayor temperatura mayor fluidez