TEMARIO DE MEMBRANA CELULAR

1. MEMBRANA PLASMÁTICA
1.1 Organización molecular de la membrana
1.1.1 Modelo de membrana
1.1.2 Lípidos y fluidéz de la membrana
1.1.3 Proteínas de membrana
1.1.4 Asimetría del plasmalema
1.1.5 Movilidad de los componentes de las membranas
1.2 Transporte de moléculas a través de las membranas
1.2.1 Transporte pasivo
1.2.2 Transporte activo
2. UNIONES CELULARES Y MATRIZ EXTRACELULAR
2.1 Uniones celulares
2.1.1 Desmosomas
2.1.2 Uniones estrechas
2.1.3 Uniones comunicantes
2.2 Matríz extracelular
2.2.1 Matriz extracelular de tejidos animales
2.2.2 Biosíntesis de colágeno
2.2.3 Glucosaminoglicanos y proteoglicanos
2.2.4 Otras proteínas estructurales de la matriz extracelular

MEMBRANA PLASMÁTICA

ORGANIZACIÓN MOLECULAR DE LA MEMBRANA
MODELO DE MEMBRANA

El modelo de membrana de mosaico fluido, es un modelo de la estructura, propuesto por  Singer y Nicholson en 1972. Demuestra la existencia de una doble capa de fosfolípidos y la presencia de proteínas entre las mismas.  Este modelo fué desarrollado para demostrar la asimetría entre ambas capas , lo que permite explicar el porqué de las diferencias entre lo que entra a la célula y lo que sale de ella.

Fig. 1 Modelo de mosaico fluido de la membrana celular

LÍPIDOS Y FLUIDÉZ DE LA MEMBRANA

Fig.2 Tipos de lípidos presentes en la membrana celular.

La estructura de la membrana, se rige por las características de sus componentes, fundamentalmente por lo lípidos; la longitud y el grado de saturación de los ácidos grasos regulan la fluidéz y el grosor de la membrana, las interacciones moleculares entre ciertos lípidos apoyan a la localización y funcionalidad de ciertas proteínas. Los lípidos constituyen cerca de el 50% del peso de las mambranas.

TIPOS DE LÍPIDOS

Fosfoglicéridos o glicerofosfolípidos

Son los lípidos más abundantes de las membranas celulares y estructuralmente constan de tres partes: dos cadenas de ácidos grasos, glicerol y un ácido fosfórico.  El glicerol hace de puente entre los ácidos grasos y la parte hidrofílica. Este componente hidrofílico puede ser la etonalamina, colina, serina, glicerol, inositol o el inositol 4,5-bifosfato. Estos componentes son los que dan nombre a los distintos tipos de glicerofosfolípidos. Esfingolípidos

Deben su nombre a que poseen una molécula de esfingosina, un alcohol nitrogenado con un cadena carbonada larga, a la cual se le une una cadena de ácido graso, formando la estructura básica denominada ceramida.  Los esfingolípidos son más abundantes en las mebranas plasmáticas que en las de los organelos.

Esteroles

El colesterol es el esterol más importante de las células animales y el tercer tipo de lípido más abundante en la membrana plasmática, mientras que aparece en pequeñas proporciones en las membranas de los orgánulos.

PROTEÍNAS DE MEMBRANA

Hay dos grandes grupos de proteínas relacionadas con las membranas: las integrales y las periféricas.

Las proteínas integrales

Tienen tres dominios en sus secuencias de aminoácidos: uno extracelular, uno intracelular y otro integrado en la membrana. Poseen secuencias de aminoácidos con radicales hidrofóbicos que se sitúan entre las cadenas de ácidos grasos de los lípidos de la membrana, mientras que los dominios intra y extracelular poseen secuencias de aminoácidos con radicales hidrofílicos. Las funciones son muy variadas, pero destacan la adhesión llevadas a cabo por las integrinas, cadherinas, selectinas y otras. Su organización en dominios extracelular e intracelular permite una comunicación entre ambos de la membrana, lo cual hace que una información extracelular.

Fig. 3. Esquema de proteínas transmembranales o integrales presentes en la membrana celular.

Proteínas periféricas

Las proteínas asociadas a las membranas plasmáticas cuyas cadenas de aminoácidos no cruzan completamente la membrana plasmática se denominan periféricas. Hay varias maneras de asociación: a) inserciones que sólo ocupan una monocapa. b) por interacciones eléctricas con proteínas o lípidos gracias a fuerzas de van der Waals. c) por unión covalente de la proteína con lípidos de membrana o con un ácido graso.

Fig. 4 Tipos de proteínas periféricas y sus interacciones.

ASIMETRÍA DEL PLASMALEMA

Las membranas celulares son una bicapa lipídica con dos hemicapas, una orientada hacia el citosol y otra orientada hacia el interior del organelo o al exterior celular, respectivamente.

 La composición en lípidos, glúcidos y proteínas periféricas es distinta en ambas hemicapas. En la membrana plasmática, la hemicapa orientada hacia el exterior contiene una mayoría de los lípidos que poseen colina,como la fosfatidicolina y la esfingomielina, mientras que la fosfatidiletanolamina, fosfatidilinositol y la fosfatidilserina se localizan en la hemicapa interna. Lo que crean una distribución diferente de cargas entre ambas superficies de la membrana, contribuyendo al potencial de membrana.  Los glúcidos se localizan preferentemente en la hemicapa externa de la membrana plasmática. La asimetría en la distribución de moléculas entre ambas hemicapas se produce también en diferentes organelos de la célula.

Fig. 5. Esquema que representa la asimetría presente en la bicapa celular, observése que la capa externa tiene componentes diferentes a los presentes en la cara interna.

 La asimetría que aportan las proteínas se produce durante su síntesis en el retículo endoplasmático, aunque las proteínas asociadas a la cara citosólica se sintetizan en el citosol. La distribución asimétrica de los lípidos se produce principalmente en el aparato de Golgi y en otros compartimentos celulares, excepto el retículo endoplasmático, donde hay una distribución simétrica en las dos hemicapas. Esta asimetría se mantiene por la infrecuencia de los saltos de los lípidos entre hemicapas (movimiento "flip-flop"). La distribución de glúcidos, localizados sobre todo en la hemicapa externa de la membrana plasmática, se produce en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi.

MOVILIDAD DE LOS COMPONENTES
 DE LA MEMBRANA

Para que las moléculas en la membrana tengan una movilidad y aporten funcionalidad y equilibrio se requieren tres tipos de movimientos posibles:

• rotación (sobre su propio eje)
• traslación (o difusión lateral) sobre el plano de la membrana.
• flip-flop

Fig. 6. Direfentes tipos de movimientos realizados por los fosfolípidos de la membrana.

El movimiento de flip-flop es el intercambio de fosfolípidos de una monocapa a la otra; esta sumamente restringido, debido a la dificultad que posee la cabeza polar para atravesar el medio hidrofóbico de la matriz de la membrana. De allí que no sea un movimiento que ocurra de manera espontánea sino que está mediado por enzimas denominadas flipasas.

Tanto los movimientos de difusión lateral como el de rotación se llevan a cabo sobre la misma monocapa de la bicapa lipídica.

TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA

La membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular.

Fig.7. Permeabilidad de la membrana a los diferentes solutos.

Existen diferentes mecanismos de transporte a través de la membrana celular.
Difusión simple.
No requiere de energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose a favor de su gradiente de concentración, fenómeno espontáneo, que moviliza moléculas no polares pequeñas, liposolublas y polares pequeñas pero sin carga neta como el agua.
Difusión Facilitada.
Realizada por proteínas integrales de membrana, como canales iónicos,que son poros o túneles formados por una a varias proteínas transmembranales, altamente selectivos, los canales se abren o cierran en presencia de sustancias inductoras.

Fig. 7 Tipos de canales en la membrana
Permeasas o Carriers. Proteínas transmembrana multipaso, pasan iones, moléculas polares sin carga como glucosa.
Este tipo de transporte es sin gasto energético y a favor de gradiente electroquímico, con velocidad inferior a la de los canales iónicos.

Fig. 7 Transporte facilitado por medio de una permeasa.

Exiten tres tipos de movilidad realizada por permeasas
UNIPORTE: Un solo tipo de soluto de un lado a otro de la membrana.
SIMPORTE: Dos tipos de solutos, en el mismo sentido.
ANTIPORTE: Dos distintos solutos en sentido contrario.

Fig. 8 Tipos de transporte mediado por proteínas transportadoras.

Transporte pasivo: Ionóforos y acuaporinas.
Ionóforos: Permiten aumentar la permeabilidad a ciertos iones, en general se fabrican por bacterias como mecanismos de defensa.

Fig. 9 Paso de iones a través de la membrana por ionóforos

Acuaporinas. Canales especiales que permiten el paso selectivo de agua, no son canales iónicos.

Transporte Activo:En contra del gradiente de concentración, por lo que requiere de gasto de energía en forma de ATP, realizado por medio de bombas que suelen denominarse ATPasas de transporte.

Fig. 10 Mecanismo de acción de la ATPasa en la bomba Sodio/Potasio.

 BIBLIOGRAFÍA:

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McNeil PL, Steinhardt RA. Plasma membrane disruption: repair, prevention, adaptation. 2003. Annual review in cell and development biology. 19:697-731.

Lodish, H.; (2001). Biología Molecular de la Célula. 4º Edición. Ed. Panamericana. Bs.As.
Alberts, B et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th edition..



UNIONES CELULARES Y MATRIZ EXTRACELULAR

UNIONES CELULARES

DESMOSOMAS.
Estructuras celulares que adhieren una célula con otra, unión mediada por proteínas (cadherinas). En el interior de la célula permiten el anclaje con filamentos intermedios. mediante esto, los filamentos intermedios de las células adyacentes se conectan formando una red a lo largo de todo el tejido.
 Los desmosomas son responsables de la unión de componentes del citoesqueleto a proteínas de unión transmembranales.

Fig. 1 Desmosoma, se observa la comunicación con filamentos intermedios y las cadherinas que son las proteínas de adherencia.

UNIONES ESTRECHAS
Principalmente encontradas en epitelios y músculo cardiaco, son uniones muy fuertes que limitan la difusión de sustancias. Se forman de ocludina y por una familia de proteínas transmembranales encargadas del contacto célula con célula (claudinas), interactúan con los filamentos de actina del citoesqueleto.

Fig. 2. Esquema de uniones estrechas presentes en epitelio digestivo.

UNIONES COMUNICANTES O UNIONES GAP
Son conexiones celulares, formada por dos hemicanales o conexonas que consiste en 6 proteínas conexinas transmembrana, en cada membrana contigua, permiten el paso de citoplasma, iones y biomoléculas, asi como la sinapsis eléctrica. Son estructuras con alto control pues se abren y se cierran regulado por estimulos en concentraciones de factores de crecimiento principalmente.

Fig. 3. Uniones comunicantes celulares, se observa la formación de el conexón a partir de la organización de las conexonas.

PLASMODESMOS.
Son los tipos de uniones celulares que presentan los vegetales, son uniones de tipo comunicante y se forma de unidades continuas de citoplasma que pueden comunicar a las paredes celulares,formado por una elongación del retículo endoplásmico, llamado desmotúbulo y que permite una interconexión entre las células, permite la circulación de sustancias del citoplasma y este movimiento recibe el nombre de transporte simplástico.

Fig. 4 Tipo de unión celular en vegetales: plasmodesmo.


MATRIZ EXTRACELULAR

MATRIZ EXTRACELULAR DE TEJIDOS ANIMALES
Consiste en un desarreglado conjunto de moléculas, proteínas y carbohidratos, sintetizados y secretados por las células, brinda propiedades mecánicas a la célula, permite adhesión de células para formar tejidos, modula la diferenciación celular y secuestra factores de crecimiento. Su abundancia dependerá del tipo de célula que la elabora, por ejemplo el epitelio tiene muy poca mientras que el tejido conectivo tiene abundante matriz extracelular.

BIOGÉNESIS DE COLÁGENO

El colágeno es una molécula proteica que forma fibras. Son secretadas por las células del tejido conjuntivo como los fibroblastos.

El colágeno se origina por una proteína precursora llamada tropocolágeno, formado por tres cadenas alfa. Gracias a su estructura anular rígida, la prolina estabiliza la conformación helicoidal en cada una de sus cadenas alfa; La glicina, sin embargo, se sitúa ocupando un lugar cada tres residuos localizándose a lo largo de la región central, favoreciendo al denso empaquetamiento de las tres cadenas alfa, de configuración levógira, necesario para la formación de la superhélice de colágeno. Las tres cadenas se enrollan y se fijan mediante enlaces transversales para formar una triple hélice dextrógira.

Fig. 6 Esquema general de la síntesis de colágeno.

Cada una de las cadenas polipeptídicas es sintetizada por los ribosomas.Tras su secreción, los propéptidos de las moléculas de procolágeno son degradados mediante proteasas convirtiéndolas en moléculas de tropocolágeno asociándose en el espacio extracelular formando las fibrillas de colágeno.

Las células interactúan con la matriz extracelular tanto mecánica como químicamente, lo que produce notables efectos sobre la arquitectura tisular. Así, distintas fuerzas actúan sobre las fibrillas de colágeno que se han secretado, ejerciendo tracciones y desplazamientos sobre ellas, lo que provoca su compactación y su estiramiento.

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GLUCOSAMINOGLICANOS Y PROTEOGLICANOS

Glucosaminoglicanos, son los heteropolisacáridos mas abundantes del cuerpo, son moléculas cargadas negativamente con conformación altamente viscosa, se ubican principalmente en la matriz extracelular, al mismo tiempo provee vías entre las células, lo que permite la migración.  Los glucosaminoglicanos específicos de significancia fisiológica son el ácido hialurónico, dermatan sulfato, condroitin sulfato, heparina, heparan sulfato y queratan sulfato.

Proteoglicanos, son glucosaminoglicanos unidos a proteínas, lo que involucra un trisacárido específico, que acopla a la proteína rica en residuos de serina y treonina lo que permite que se adhieran múltiples glucosaminoglicanos, ambos componentes tienen funciones esenciales para la célula como estructuración o en casos mas específicos, como la heparina que evita la coagulación.

Fig. 7 Se muestra una organización correcta de las fibras de colágeno con la asociación a proteoglicanos, en comparación a la desorganización ocurrida en pacientes con osteoartritis.

OTRAS PROTEÍNAS ESTRUCTURALES DE LA MATRIZ EXTRACELULAR

Fibronectinas. Poseen dominios en su estructura que permiten unirse al colágeno, a ciertos proteoglicanos, a glucosaminoglicanos,fibrina,heparina y a proteínas de la membrana plasmática celular como las integrinas. Por tanto establecen uniones entre moléculas de la matriz extracelular.

Tenascinas.  Son capaces de unirse a las integrinas, a los proteoglicanos y a los receptores del tipo de las inmunoglobulinas.

Integrinas. Moléculas de adhesión mas importantes, proteínas transmembranales, capáz de unirse a colágeno, fibronectinas y lamininas.

Cadherinas. Se encuentran en la superficie de la mayoria de las células animales y forman uniones, especialmente importantes durante el desarrollo embrionario.

Selectinas. Son también proteínas de adhesión entre células, pero forman uniones heterofílicas, es decir, se unen a glúcidos presentes en la célula vecina. Son importantes en la unión de los glóbulos blancos a las paredes del endotelio cuando abandonan el torrente sanguíneo para adentrarse en los tejidos.

Integrinas. Algunas integrinas pueden formar uniones con algunas moléculas transmembrana del tipo de las inmunoglobulinas.

Metaloproteinasas. Son enzimas que se asocian a la cara externa de la membrana plasmática o forman parte integral de ella, siempre con su centro activo localizado extracelularmente. Existen múltiples tipos de metoloproteinasas, cada una de las cuales tiene apetencia por distintos componentes de la matriz extracelular.

Fig. 8 Proteínas transmembranales de matriz extracelular que permiten el contacto célula-célula.

BIBLIOGRAFÍA

Hahn B-S, Labouesse M. Tissue integrity: Hemidesmosomes and resistance to stress.2001. Current biology 11:R858-R861.
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Niessen CM. Tight junctions/adherens junctions: basic structure and function. 2007. Journal of investigative dermatology. 127:2525-2532.
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Hynes RO. Cell adhesion: old and new questions. Trends in cell biology. 1999. 9:M33-M37.
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Pankov R, Yamada KM. Fibronectin at a glance. Journal of cell science. 2002. 115:3861-3863

REVISIÓN DE ALGUNOS ARTÍCULOS RELACIONADOS CON EL TEMA

David, JBC Papers, Phospholipid Flippases, 2006.

En las células eucariotas existen varios tipos de fosfolípidos que, según la ubicación y la función a realizar,todos son sintetizados en el retículo endóplásmico y después de su pasaje por Golgi estos fosfolípidos comienzan a condensarse en la parte intracelular de la membrana, lo que ocasiona un desbalance en la misma y origina la necesidad de mover a los fosfolípidos de forma transbilateral, esto se lleva a cabo gracias a la interacción  con compuestos anfipáticos que acomodan a los lípidos en la parte externa de la membrana,  este tranpostador de lípidos recibe el nombre de flipasa y brinda un equilibrio entre la síntesis y la biogénesis de la membrana, existen 3 diferentes tipos de flipasas.

Flipasa- Transportador que mueve a los lípidos de el citoplasma hacia la cara interna de la membrana celular.

Flopasa- Transportador que mueve a los lípidos hacia la superficie externa de la membrana celular.

Escramblasas- Transportador que mueve a los lípidos en ambas direcciones.

Transportadores ABC.Forman una súper familia de transportadores y tienen la particularidad de ser dependientes de ATP, transporta compuestos anfipáticos, xenobióticos, iones y péptidos.

Esquema genaral de de la función y localización intracelular de los transportadores de lípidos en una célula eucariota.


M.Saidijam., Active membrane transport and receptor proteins from bacteria;Biochemical society, 2005.

En la membrana de las bacterias se contienen diversos transportadores, cuyo tipo de transporte es activo dependiente de ATP. A lo largo de todo el artículo se refiere a los diversos mecanismos empleados para estudiar el tipo de transporte que ocurre en la membrana de las bacterias, apartir del estudio con plasmidos, deleción de la proteína de transporte en la membrana de E. Coli, por el estudio con solubilidad y purificacion de proteínas transportadoras, además de la confirmación de la estructura y la actividad de los transportadores a partir de la espectroscópía.

Ejemplo de los mecanismos de transporte y sensores a cinasas en la bacteria, se muestran mecanismos de transporta antiporte, simporte,fosfato transferasa, transportadores ABC y TCS que consiste en un sistema sensor respuesta de dos componentes.

De manera general es objetivo del artículo experimental es el análisis de la expresión de transportadores para lo que utilizan plásmidos con  E. Coli además de antibióticos que tienen la particularidad de no salir facilmente de la membrana y que requieren de diversos mecanismos complejos para lograrlo.

Jussi Koivunen. Protein Kinase C a/B Inhibitor Go6976 Promotores formation of cell junctions and inhibits invasion of urinary bladder carcinoma cells.2004.

Las proteín cinasas consisten en una familia de cinasas serina/treonina, las proteín cinasas se clasifican en tres grupos: el clasico,cuya activación depende de el calcio. El nuevo en donde las enzimas son activadas diretamente por los fosfolípidos y El atípico activa a las enzimas de manera independiente a calcio o a fosfolípidos.
Las proteín cinasas están involucradas en varios procesos celulares como en la regulación de la expresión de genes, proliferación, apoptosis y migración celular. Por tanto las protein cinasas están relacionadas a la progresión del cáncer.
Cambios en la activación y el balance de diversas proteín cinasas se relacionan con el desarrollo del cáncer.

Debido a que Go6977 que es una isoenzima específica inhibidora que induce a la formación de desmosomas y de uniones adherentes, se observó el efecto de diferentes inhibidores de proteín cinasas en la formación de desmosomas, en la figura se observan algunos de estos inhibidores y su efecto sobre laformación de el tejido y su soporte a partir de los desmosomas.

El objetivo del artículo es el de analizar la actividad que tienen las proteín cinasas en el desarrollo del cáncer, en donde se investigó el efecto de diferentes inhibidores de proteín cinasas en celulas de carcinoma de vejiga urinaria.

GENERALIDADES DE LA MEMBRANA CELULAR DE LAS NEURONAS

PRESENTACIÓN

La siguiente presentación se realizó con base a las generalidades de la membrana celular de las neuronas y sus primordiales acciones biológicas.

Como el resto de las membranas celulares, la membrana de las neuronas esta costituída por una bicapa de fosfolípidos, proteínas y azúcares principalmente, presenta importante canales iónicos y tiene la particularidad de estar polarizada eléctricamente.

El potencial de membrana de las grandes fibras nerviosas  cuando no se encuentran transmitiendo señales nerviosas es de al rededor de -90 milivoltios, recordemos que todas las membranas celulares  poseen una bomba sidio-potasio que bombea sodio al exterior de la fibra y potasio al interior, se trata de una bomba electrógena, porque bombea mas cargas positivas al exterior, lo que deja un deficit neto de iones positivos en el interior

Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción, que son cambios rápidos en el potencial de membrana, cada potencial de acción comienza con un cambio brusco del potencial negativo normal de reposo a un potencial de membrana positivo, para conducir una señal nerviosa, el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta llegar al extremo opuesto.

Fase de reposo: potencial de reposo de la membrana antes que se produzca el potencial de acción; membrana polarizada por su potencial negativo.

Fase de despolarización: La membrana se hace permeable al sodio, lo que permite que iones sodio cargados positivamente pasen al axon , asi el potencial se eleva en dirección positiva, llamado despolarización.

Fase de repolarización: Los canales de sodio comienzan a cerrarse y los de potasio se abren, lo que difunde iones potasio al exterior y reestablece el potencial de reposo negativo normal de la membrana.

Las señales nerviosas que se transfieren de una neurona a otra a través de las uniones interneuronales son llamadas sinapsis, y pueden ser de dos tipos:

Químicas: en donde la primera neurona secreta una sustancia química llamada neurotransmisor, que actua sobre el receptor de membrana de la siguiente neurona para exitarla, inhibirla o modificarla.

Eléctrica: Son canales directos que transmiten impulsos eléctricos de una célula a la siguiente a partir de uniones intercelulares GAP.

El sistema nervioso central transmite la información por potenciales de acción, cada impulso puede ser bloqueado al transmitirse desde una neurona a otra, convertirse en impulsos repetidos, e integrarse con impulsos de otras neuronas, a esto se le llama funciones sinápticas de las neuronas.

La bomba de calcio, que es similar a la de sodio, apoya en la formación de potencial de acción, bombea iones calcio del interior al exterior de la membrana, en este caso existe un bombeo de iones calcio al interior de uno o mas organelos vesiculares internos de la célula, importante para la sinapsis química.