Membranas celulares (página 2)

Enviado por MVZ LEONCIO CALLE CHARAJA

Partes: 1, 2

3.- Organización de la membrana.

Modelo de Bicapa sencilla.- de su observaciones Gorte y Grenel, concluyeron que los lípidos de la membrana están dispuestos en una bicapa, compuesta de dos capas monomoleculares de moléculas, orientadas de manera que ambas se oponen la una a la otra, con los terminales de hidrocarburo hidrofobica de la moléculas orientadas, mirando hacia el interior o cada una hacia la otra, y los grupos polares mirando hacia fuera, o hacia las fases acuosas adyacentes a las superficies de la doble capa. Fig. 1. esta disposición es la esencia del modelo de hoja bimolecular p bicapa lipidica, de la estructura de la membrana, pero estudios posteriores mostraron que el contenido de los lípidos no era único sino también existían proteínas.

Fig. 1 colesterol en la membrana

Fig. 2 cabeza hidrofilita y cola hidrófoba

Fig. 3 Modelo de bicapa sencilla

Modelos de Mosaico Fluido.- Aquí se conforma que las proteínas son un componente importante de las membranas pues estas tienen la propiedad enzimática manifestada en el transporte activo y otras funciones metabólicas que requieren la participación de proteínas.

Los estudios ópticos confirmaron la naturaleza de las proteínas son globulares, o tienen grupos activos que son globulares, también se observa que algunas proteínas podrían difundirse con facilidad lateralmente por la membrana que se da probablemente debido a la fluidez e la matriz lipidica.

Singer y Nicholson (1972) propusieron el método de mozaico fluido de la membrana, donde:

Las proteínas globulares están integradas en la bicapa lipidica. Con algunas moléculas de proteína penetrando por completo en la bicapa y otras haciéndolo solo parcialmente. Se cree que estas proteínas integradas son anfipaticas con sus porciones apolares enterradas en el núcleo de hidrocarburo de la bicapa y sus porciones polares haciendo protusion desde el núcleo para formar una superficie hidrofilita con los grupos laterales cargados de los aminoácidos en la fase acuosa.
Por otro lado, los grupos laterales hidrofobitos, no cargados, están asociados con la bicapa de hidrocarburos.
La naturaleza hidrofobica de estos grupos laterales es importante puesto que evita que las proteínas integrales abandonen la bicapa lipidica.

La microfotografía electrónica de la superficie de una membrana, puede verse la evidencia morfológica de la distribución en mozaico de las proteínas globulares en la bicapa lipidica. Las unidades de proteínas globulares son eliminados de la membrana por una digestión proteolitica progresiva. La especificidad de la enzima usada en el experimento indica que son proteínas.

El modelo de bicapa de mozaico fluido, ofrece la imagen estructural mas aceptable de la membrana externa y de muchos membranas intracelulares, se tiene grandes áreas de bicapa fosfolipidica, y las proteínas integrales halladas en la membrana plasmática desempeñan funciones como:

a.- los canales inionico.

b.- transportaciones.

c.- Bombas de membrana.

d.- moléculas receptoras.

E.-moléculas de reconocimiento.

www.puc.cl/sw_educ/neurociencias/ html/047.html Fig.4 Modelo de Mosaico Fluido.

1.-Bicapa de fosfolípidos)

2.-Lado externo de la membrana

3.-Lado interno de la membrana

4.-Proteína intrínseca de la membrana

5.-Proteína canal iónico de la membrana

6.-Glicoproteína

7.- Moléculas de fosfolípidos organizadas en bicapa

8.-Moléculas de colesterol

9.-Cadenas de carbohidratos

10.-Glicolípidos

11.-Región polar (hidrofílica) de la molécula de fosfolípido

12.-Región hidrofóbica de la molécula de fosfolípido

Fig 5 Estructura de la membrana plasmática según el modelo de mosaico fluido.

4.- Estructura y composición de la membrana Plasmático.

El citoplasma de las células animales se encuentra envuelto por la membrana plasmática. Tiene espesor aproximada de 8-10 nm. La identificación de la morfología fue dada en la década de los 50 donde SjÖstrand lo visualizado con el microscopio electrónico como una zona clara separando dos bandas densas que rodeaba a la célula.

–Singer y Nicolson (1972) propusieron el Modelo de Mosaico Fluido, describen la estructura de la membrana plasmática como una doble capa o bicapa lipidica en la que encuentra incrustadas moléculas de proteína (Fig. 2).

– La bicapa lipidica, es relativamente impermeable a la mayoría de las moléculas solubles en agua y constituye el soporte de la membrana.

Sus lipidos constituyentes son en su mayoría fosfolipidos como la: fosfatidilcolina, fosfatidilinositol y la fosfatidiletanolamina . Estos son moléculas anfipaticas es decir presentan un extremo polar (cabeza) que contiene la porción fosfato y uno apolar (cola) compuesto por cadenas de ácidos grasos hidrocarbonados.

La porción cefálica, polar (cabeza) interacciona con moléculas de agua del exterior y del interior de la célula, por eso se dice que es hidrofilita.

Las colas apolares, se encuentran enfrentadas unas a otras orientadas hacia la parte mas interna de la membrana, pero de forma asimétrica, estos extremos son hidrófobicas ya que evitan la interacción con moléculas de agua y partículas cargadas y solo lo hacen con otras sustancias apolares .

Aproximadamente el 10 por 100 (10%) de las moléculas de lípidos situadas en la parte externa se unen a grupos de Hidratos de carbono, y se denominan glucolipidos.

La membrana también contiene cantidades de colesterol (fig, 1) que son esteroles se cree que el colesterol estabiliza la membrana lipidica al enlazar sus anillos hidrocarbonatos entre las colas de los fosfolipidos inmovilizándolos. Además este hecho evita que los fosfolipidos formen agregados, por lo que se piensa que el colesterol ayuda a mantener la fluidez de la membrana, de hecho el cociente colesterol, fosfolipidos es inversamente proporcional a la fluidez de la membrana.

Existe algo similar en la porción lipidica de la membrana de los diversos tipos de células que en la porción proteica.

Lo que hace a una membrana celular diferente de otra son en las diversas proteínas específicas que están asociadas con ella.

Hay muchas proteínas diferentes incluidas en la membrana a decir:

1.- Unas aparecen como unidades globulares, adheridas bien a la superficie interna o externa de la membrana.

2.- otras la atraviesan completamente.

5.- Funciones de las Proteínas en la Membrana.

Las proteínas son los responsables de una gran parte de las funciones especializadas de la membrana plasmática. Existen diverso tipos de Proteínas que pueden actuar como:

1.- Elementos estructurales de la membrana

2.- Receptores para hormonas y otros mensajeros químicos.

3.- Transportadores de nutrientes e iones a través de la membrana.

4.- Enzimas catalizadores de reacciones en al superficie de la membrana.

5.- Marcadores celulares que pueden ser conocidos por el sistema inmunitario.

Algunas de ellas pueden llevar a cabo mas de una de estas funciones funciones, es decir pueden ser a la vez receptor, enzima y bomba iónica. La mayoría de e las también poseen regiones hidrófobas e hidrófilas, lo cual les permite interaccionar con las partes apolares de las moléculas lipidicas dentro de la misma membrana, pero también con las moléculas de agua del interior y del exterior de la célula.

Según su asociación con la bicapa lipidica las proteínas pueden ser.

1.- Proteínas integrales e intrínsecas.- Se encuentra firmemente adosadas en la bicapa lipidica embebidas parcial o totalmente en ella, estas ultimas se denominan proteínas transmembrana pues se extiende de un lado a otro de la membrana haciendo profusión por ambas caras y son las mas numerosas. Las proteínas transmenbrana están implicadas en los procesos d transporte, algunos se agregan para formar canales o poros a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua y los iones pueden cruzar la membrana, de esta forma son una vía de paso para aquellas moléculas incapaces de traspasar la porción lipidica de la membrana. Otras actúan como transportadores uniéndose a una determinada sustancia, haciendo que se mueve de un lado a otro de la membrana.

Fig. 6 Proteínas periféricas o Extrínsecas

Fig 7 Proteína Integrales o Intrínsecas

2.- Proteínas Periféricas o Extrínsecas.- No se encuentran embebidas (unidas en contacto)en la capa lipidica si no que son como apéndices en la superficie externa o interna y estar unidas débilmente con los fosfolipidos o con proteína integrales ligadas íntimamente con la membrana.Este tipo de proteínas son los que desarrollan funciones enzimáticos, mientras que otras se encuentran implicadas en funciones mecánicas como por ejemplo, cambios en la morfología celular, que suceden durante los procesos de división celular, o en la contracción de las células musculares.

De la mayoría de las proteínas de las proteínas, como de algunos lipidos emergen carbohidratos que están en contacto con el espacio extracelular, de ahí la denominación de Glucocalix para descubrir una zona borrosa, un tanto viscosa y rica en carbohidratos de la superficie celular.

Por tanto las principales funciones son:

a.- Difusión simple.

Las sustancias que son apolares y liposolubles como oxigeno y nitrógeno, remueven fácilmente al poder atravesar directamente las bicapa lipidica de la membrana plasmática , las moléculas polares pequeñas no cargadas eléctricamente como el C02 y la urea también se difunde con rapidez a través de la membrana.

El oxigeno al estar siempre en mayor concentración en la sangre que en las células, se mueve continuamente hacia el interior de las mismas. Mientras que el dióxido de carbono ( CO2) con una mayor concentración intracelular se mueve desde las células hacia la sangre.

Las moléculas polares grandes y sin carga como la glucosa, se difunden con mucha lentitud. Las partículas polares y cargadas eléctricamente como los iones, que son insolubles en al bicapa lipidica, pueden difundirse a traves de la membrana si tienen el tamaño adecuado para pasar por los poros acuosos o hidrofilitos de los canales proteicos. Existen 2 canales iónicos:

1.- Canales iónicos Pasivos.- Que siempre se encuentran abiertos, son elementales en la determinación del potencial de membrana en reposo y en la interacción sináptica.

2.- Canales Iónicos Activos.- Poseen compuestos que se abren o cierran en respuesta a señales químicas como los neurotransmisores sinápticas (canales dependientes de un ligando) con señales eléctricas con variación en el potencial de membrana (canales dependientes de potencial), o incluso a estímulos físicos, como es el caso de los situados en células receptoras. Los canales activos son los responsables de iniciar el potencial de acción, potenciales sinápticos y de receptor. La mayoría de canales activos están cerrados cuando la membrana esta en reposo.

Los canales activos iónicos ya sean activos o pasivos también caracterizan por su selectividad, esto por el tamaño ( no pueden ser mayores de 0.8 nm), forma y carga eléctrica de la partícula que atravesara la membrana, pues este ultimo se comporta como si tuviera filtro selectivo que permite a las partículas iónicas atravesar la membrana como por ejemplo el Na+,K+,Cl-, o Ca+.

También puede ser que exista mas de un canal especifico para un mismo ion por ejemplo exista un tipo e canal de K+ que es pasivo responsable del flujo de este ion en condiciones de reposo y un segundo tipo de canal de K+ que es activo que contribuye la repolarizacion del potencial de acción.

El Principio de neutralidad eléctrica.- Para esto se requiere que la suma de los aniones (partículas cargadas negativamente) sea igual a la suma de los cationes (partículas cargadas positivamente) en cada lado de la membrana Además cuando existe un ion difusible a un lado de la membrana los iones difusibles se distribuyen de modo que al alcanzar el estado de equilibrio sus relaciones de concentración en el interior y en el exterior de la célula sean iguales (equilibrio de Donnan).

El proceso de difusión de un solvente, como el agua a través de la membrana selectivamente permeable. Como es la membrana plasmática, se denomina Osmosis. El agua es una molécula altamente polar, por lo tanto su paso a través de la bicapa lipidica estaría muy restringido si no fuera por que el tamaño de las moléculas de agua es lo suficientemente pequeño como para poder atravesar con facilidad los poros de la membrana.Los procesos de Osmosis tienen lugar cuando existe una diferencia de concentración de un soluto a ambos lados de la membrana, al cual es impermeable la membrana.

Las moléculas de agua se moverán hacia la zona de mayor concentración de soluto. La moléculas individuales de lípidos se mueven con libertad lateralmente dentro de la membrana, aunque su interacción polar-apolar evita que se trasladen de una capa lipidica a la otra.

Las Proteínas pueden seguir un movimiento lateral parecido, el cual no es aleatorio si no que esta regulado por mecanismos intracelulares relacionados con los microfilamentos y microtubulos. Sin embargo en algunos casos, las Proteínas están firmemente sujetas a ciertas estructuras intracelulares y sus movimientos se encuentran mucho mas restringidos.

La membrana plasmática es una estructura fluida y dinámica que ante todo actúa como una formidable barrera que permite el establecimiento de grandes diferencias entre la concentración de sustancias en el interior de la célula y su concentración en el liquido extracelular. La existencia de tales gradientes de concentración conduce a pensar que la membrana participa activamente en el transporte de sustancias desde el interior hacia el exterior celular y viceversa, de este modo regula rigurosamente el medio intracelular al que conduce a una actividad sintética y metabólica, celular altamente equilibrada.

Mecanismos de Transporte de la Membrana Celular.

La célula se encuentra bañada constantemente por un liquido denominado intersticial (LEC) que procede de la sangre y esta compuesto por aminoácidos, azucares, ácidos grasos vitaminas, sustancias reguladoras, como hormonas y neurotransmisores, sales y productos de desecho. La célula debe ser capaz de extraer las cantidades específicas de todas aquellas sustancias que necesite en el momento adecuado y rechazar el resto.

La membrana celular es una barrer selectiva, es decir muestra una permeabilidad diferencial, por lo que permite el paso de algunas sustancias mientras que excluye el de otras.

Procesos Pasivos.-

Cuando las sustancias atraviesan la membrana plasmática sin ningún gasto de energía por parte de la célula, se dice que han seguido un proceso de transporte Pasivo. La mayoría de los procesos de transporte Pasivos dependen del proceso de difusión que supone la tendencia de una molécula o ion para distribuirse uniformemente por todo el volumen. Recordemos que todas las moléculas poseen energía cinética y están en constante movimiento. El efecto general de este movimiento es que las moléculas se mueven desde las zonas de una mayor concentración hacia zonas donde la concentración es menor. Por ellos decimos que las moléculas difunden a favor de gradientes de concentración o gradiente químico (C1 – C2). A mayor diferencia de gradientes de concentración entre dos zonas más rápida será la difusión neta de las partículas.

Según la ley de Fick, la magnitud de difusión (J) de la mayor parte de los solutos a través de una barrera, depende además del coeficiente de permeabilidad (P) y del área a través de la que sucede la difusión (A).

I = P.A. (C1 – C2).

Como la fuerza responsable de la difusión es la energía cinética de las propias moléculas, el tamaño influye en el grado de difusión y también por la temperatura.

La membrana plasmática representa una barrera física de modo que una molécula podría difundirse pasivamente a través de ella siempre que sea liposoluble y no este cargado eléctricamente y sea pequeña, mecanismo conocido como difusión simple y cuando es ayudado por una molécula transportadora se le llama difusión facilitada.

Difusión Facilitada.- Las moléculas como la glucosa son insolubles en lípidos y además son demasiado grandes para cruzar la membrana plasmática a través de sus poros. Sin embargo son capaces de moverse de un lado a otro de la membrana rápidamente gracias a un proceso de transporte pasivo denominado difusión facilitada que consiste básicamente e su combinación con proteínas liposolubles, as cuales actúan como transportadoras localizados en la membrana plasmática y liberan estas partículas en el citoplasma de la célula, es decir el transportador facilita la difusión de la sustancia al otro lado de la membrana (fig. 2.49

Como se dijo antes la difusión simple se da gracias a la selectividad del tamaño y la solubilidad lipidica de la partícula y no de una estructura determinada.

Sin embargo la difusión facilitada es altamente selectiva, demo tal que por ejemplo el transportador de la glucosa se combina específicamente con ella, como se une una enzima a su substrato especifico, tras la unión con su transportador es conducida a favor de su gradiente de concentración. Aclarando que la glucosa generalmente se encuentra en mayor concentración en la sangre que en la célula, donde es utilizada rápidamente por el ATP, por tanto, el transporte de glucosa es Unidireccional.

Este tipo de mecanismo de transporte se encuentra limitado por el número de transportadores presentes en la membrana y no solo lo utiliza la glucosa, si no tambien lo hacen la mayor parte de los aminoácidos. Si tenemos en cuenta la necesidad vital de oxigeno agua, y glucosa para mantener la homeostasis celular. Podemos deducir la importancia de los transportes pasivos.

Fig. 9 Difusión A.-simple y B.- facilitada

Fig. 8 Difusión Facilitada

Procesos Activos.-

Cuando la célula debe suministrar la energía metabólica (ATP), necesaria para que las sustancias sean conducidas al otro lado de la membrana: el proceso seguido se denomina transporte activo. La sustancia que se mueven a través de la membrana por un medio activo es por que son capaces de pasar en la dirección necesaria por ningún tipo de proceso pasivo la razón fundamental es su tamaño excesivo para atravesar los poros, y la incapacidad de disolverse en el medio bilipidico de la membrana. O también puede ser que sean obligadas a moverse en contra de gradiente de concentración. Entre las sustancias que se transporte activamente, están los iones de sodio, potasio, calcio, cloro, hidrogeno, yodo, y algunos carbohidratos y aminoácidos.

Existen varios tipos de transporte activo a decir:

1.- Transporte activo Primario.

2.- Transporte activo secundario

3.- Transporte en masa.

1.- Transporte activo Primario.- es parecido a la difusión facilitada en el sentido de que ambos procesos requieren proteínas transportadoras de membrana que se combinan espeficicamente y reversiblemente con la sustancia transportadora.

Se realiza por transportadores proteicos o bombas de soluto, lo hacen en contra de los gradientes de concentración de los solutos. ( a comparación de la difusión facilitada esta se desarrolla a favor de los gradientes de concentración y la fuerza responsable es la energía cinética).

El transporte activo Primario requiere realizar este transporte la energía del ATP por parte de las células, que se genera por el metabolismo celular.

Se piensa que el transportador proteico una vez energizado cambia su conformación de modo que mueve el soluto unido a el cruzando la membrana.

El transporte activo primario permite que las células capten nutrientes que son incapaces de pasar por otros medios. Por ejemplo los aminoácidos que son insolubles en la bicapa lipidica como las células acumulan aminoácidos activamente, estas deben ser transportadas al interior de la célula en ocasiones en contra del gradiente de concentración.

La capacidad de las células para almacenar internamente iones diferentes al del liquido Extracelular (LEC) SEAT dad por la bombas de membrana .la célula contiene concentraciones altas de Potasio y bajas de sodio, si se cumple con el LEC (fig.10)

los iones de sodio y potasio se difunden lentamente a través de la membrana cuando sus canales específicos se encuentran abiertos.una vez en el, (LIC) interior de la célula el sodio muestra poca tendencia para difundirse en dirección contraria (LEC), ya que su concentración en el interior celular (LIC) es baja que en el LEC (intersticial), lo mismo pero al contrario ocurre con el potasio (K), una que se encuentra fuera de la célula (LEC) con una tendencia a permanecer mas allí que regresar a la célula (LIC) donde su concentración es mayor. La proteína transportadora de la bomba sodio es en realidad un complejo formado por dos proteínas globulares, una de mayor peso molecular que presenta tres lugares de unión, para los iones de sodio, uno en la parte de la proteína que invade el interior de la célula LIC) y en la parte que se prolonga hacia el exterior (LEC) de la célula posee dos lugares de unión para los iones de potasio (K).

Además la zona interna de esta proteína cerca de los receptores para el sodio, tiene actividad ATP-asa, de modo que cuando los iones de NA y K se unen en sus lugares específicos se activa la acción de la ATP-asa, degradando el ATP en ADP, liberando un enlace fosfato de alta energía.

La energía alta produce un cambio de conformación de la proteína transportadora que impulsa tres iones de sodio (Na+) hacia el exterior (LEC) y dos de potasio K-) hacia el interior. Por lo que existe un movimiento neto de una carga positiva hacia el exterior de la célula con cada ciclo de la bomba, creándose axial positividad afuera de la célula y natividad al interior. La bomba es electrógena, ya que induce una corriente eléctrica a través de la membrana, hacia fuera de la célula, que hace en 10 mv. más negativo el potencial de membrana.

Fig. 10 Transporte de Na+ y K+ (En proporcion 3:2) por la bomba de sodio.

Fig 11. La bomba de Na+ y K+. mantiene la elevada concentración de K+ que las células requieren en su interior para funcionar adecuadamente

2.- Transporte activo secundario.- Son incluidos los procesos de:

a.- Co transporte.

b.- Contratransporte.

Estos mecanismos necesitan del establecimientos previo de un gradiente de concentración.

Cotransporte.- En caso del sodio con glucosa la energía de difusión que supone la separación de dos medios con diferentes concentraciones de Na+ es aprovechado para mover la glucosa junto con el Na+ hacia el interior de la célula. Para ello es necesario la participación de una proteína transportadora que se encuentra en la membrana con un lugar de unión para el Na+ y otro para la glucosa.Una vez que se fija ambos se produce un cambio de conformación de la proteína y la energía del movimiento del Na+ produce el desplazamiento de la glucosa hacia el interior. Existen otros contratransportadores importantes como el:

sodio con aminoácidos
Sodio –Potasio- cloro.
Potasio -Cloro

Contra transporte.- Se caracteriza por la sustancia a transportar es intracelular por ejemplo un contratransporte de sodio por calcio, siendo el calcio la molécula a contratarnsportar, el sodio se une a una proteína transportadora en la superficie externa d la membrana mientras que el calcio lo hace a su lugar de unión de la proteína pero en el lado interno de la membrana (LIC). Una vez fijado ambas sustancias se produce un cambio de conformación y la energía derivada del gradiente del concentración para el sodio produce al desplazamiento del sodio hacia el interior y del calcio hacia el exterior.

3.- Transporte en Masa.- Es el mecanismo empleado por las grandes partículas y macromoléculas para atravesar la membrana plasmática y como las bombas necesitan también de energía que provienen del ATP y se conocen a diferentes tipos a decir:

a.-Exocitosis: Proceso por el cual las sustancias son trasladadas desde el interior de la célula al espacio extracelular LEC). La sustancia es envuelta dentro de un saco o vesícula membranosa, la cual emigra hacia la membrana plasmática y se une con ella, entonces la zona de fusión se rompe, vaciando su contenido hacia el exterior de la célula, de este modo se produce la secreción de hormonas, liberación de neurotransmisiones, secreción de moco, y algunas veces expulsión del material de desecho.

Fig. 12 exocitos

b.-Endocitosis. Donde las sustancias son trasladadas desde el exterior hacia el interior de la célula: Para ello la membrana envuelve la sustancia progresivamente hasta formar un saco membranoso que a continuación se desprende de la membrana quedando en el interior de la célula (LIC) donde es digerido existen varios tipos de endocitosis como la:

– Fagocitosis

– Pinocitosis

– Endocitosis mediada por receptor

Fagocitosis.- Parte de la membrana plasmática y del citoplasma se expanden y rodean la partícula hasta formar el fagosoma que luego se desprende de la membrana y pasa a unirse con los lisosomas citoplasmáticas (LIC), en cuyo interior existe enzimas que digieren el contenido fagocítico.

Pinocitosis.- Se efectúa por invaginación de la membrana plasmática y luego se unen los extremos, dando lugar a una vesícula pinocitica que encierra una pequeña porción de líquido intersticial con los correspondientes solutos disueltos.

Fig. 13 Pinocitosis.

Endocitosis mediada por receptor.- es similar al de pinocitosis pero en este caso es muy selectivo, cuenta con receptores que activan el proceso, estos receptores son proteinas de la membrana plasmática que se unen solo a determinadas moléculas. Tanto los receptores como las sustancias unidas a ellos pasan al interior formando una pequeña vesícula.