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Membrana Plasmática
Tipo: Apuntes
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Tema 04
Membrana plasmática
También se le denomina plasmalema, limita a la célula de su entorno, es difícil
de detectar mediante microscopia óptica, sin embargo, a menudo una línea
oscura marca el límite celular y tiene la propiedad de presentar permeabilidad
selectiva. Su presencia se demostró mediante técnicas de micromanipulación.
Con microscopia electrónica se visualiza como una línea densa de alrededor 8
nm de espesor que, con mayor aumento aparece compuesta por dos capas
densas de unos 2.5nm de espesor, separadas por una capa más clara de alrededor 3nm de ancho. Esta estructura trilaminar se vuelve a encontrar en las membranas que rodean las organelas citoplasmáticas. Actúa para:
Composición molecular
Es una estructura dinámica que participa activamente en muchos procesos bioquímicos y fisiológicos de la célula; su organización molecular consiste en el llamado modelo del mosaico fluido modificado; está compuesta en su mayor parte por moléculas de fosfolípidos, colesterol y proteínas. Sus moléculas de lípidos forman un estrato doble (bicapa lipídica) de carácter anfipático, es decir, que tiene una parte hidrófoba (que no absorbe agua, parte interna de la membrana), y otra parte hidrófila (que absorbe agua, parte externa de la membrana).
La doble capa lipídica es relativamente impermeable a la mayoría de las moléculas hidrosolubles y representan la estructura básica de la membrana. Las moléculas de proteínas llevan a cabo las funciones mas especializadas de la membrana y se consideran disueltas en la bicapa lipídica.
Alrededor de la mitad de los lípidos de la membrana celular son fosfolipidos (los
más importantes son fosfatidilcolina como lecitina, fosfatidiletanolamina,
fosfatidilserina y esfingomielina). Son anfipáticas con un extremo hidrófilo muy
polar (la cabeza) y un extremo hidrófobo no polar, compuesto por dos largas
cadenas de ácidos grasos (la cola). La doble capa es fluida, tiene
características de líquido, y las moléculas de lípidos de cada monocapa se
encuentran en constante movimiento, donde se intercambian los lugares con
las moléculas vecinas.
La viscosidad de la capa depende en parte, a la composición lipídica, donde
una de las colas de las moléculas de fofolipidos contiene por lo general uno o
más dobles enlaces, es decir no son saturados. Por lo que la cola presenta un
cambio de dirección, un empequetamiento menos denso y la capa es más
denominado glucocáliz y cumplen importantes funciones en los procesos de señalamiento y de reconocimiento entre las células.
En conclusión, las dos hojuelas, que componen una bicapa lipídica en la cual se suspenden proteínas, integran la estructura básica de todas las membranas celulares. Cada molécula fosfolipídica de la bicapa lipídica está compuesta por una cabeza polar, localizada en la superficie de la membrana, y dos colas aciloadiposas largas no polares que se proyectan hacia el centro del plasmalema. Las colas aciloadiposas no polares de las dos capas se encuentran una frente a la otra dentro de la membrana y forman uniones no covalentes débiles entre sí, que sostienen junta la bicapa. Debido a que la molécula fosfolipídica se conforma con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica, se dice que la molécula es anfipática. Las cabezas polares están integradas por glicerol, al cual están unidos grupos nitrogenados de carga positiva por un grupo fosfato de carga negativa. Las dos colas aciloadiposas, de las que sólo una suele estar saturada, están unidas de manera covalente al glicerol. En la membrana celular también se encuentran otras moléculas anfipáticas, como glucolípidos y colesterol. Las moléculas aciloadiposas no saturadas incrementan la fluidez de la membrana, en tanto que el colesterol la atenúa.
Proteínas de la membrana
Se encuentran incluidas o disueltas en la doble capa lipídica, y protruyen en diverso grado sobre las superficies interna o externa. Mediante la técnica de congelación y fractura se han obtenido importantes evidencias respecto a la presencia de proteínas como un mosaico incluido dentro de la membrana. En los sitios donde la superficie de la membrana transcurre paralela al plano de fractura, gran parte de la membrana se escinde (rompe) a lo largo de la mitad de la doble capa lipídica, por lo que es posible estudiar la estructura interna de las membranas mediante microscopía electrónica.
Se observan entonces partículas de alrededor de 8 nm de diámetro, que están compuestas por proteína. Mientras que la cantidad y el tipo de proteínas es muy variable en los distintos tipos de membrana, lo cual les confiere sus identidades funcionales especiales. Se han demostrado cientos de distintas proteínas de membrana, como proteínas de transporte, receptores, sitios de anclaje para componentes extracelulares o intracelulares, o catalizadores (enzimas). Alrededor del 50% del plasmalema se compone de proteína (el resto está formado por lípidos). Por su parte, la cantidad de proteínas presenta notables variaciones, precisamente debido a que estos compuestos están relacionados con las funciones especiales de cada membrana en particular.
En general, las proteínas de membrana se clasifican en proteínas integrales de membrana, proteínas de membrana periféricas y proteínas unidas a lípidos.
Debido a que la mayor parte de las proteínas integrales pasa a través del grosor de la membrana, también se denominan proteínas transmembranales. Son moléculas anfipáticas con zonas hidrófobas no cargadas, que se extienden a través de la totalidad de la doble capa lipídica, y zonas hidrófilas con carga, localizadas en las superficies externa e interna de la membrana, donde se encuentran en un medio acuoso. Las regiones de proteínas transmembranales que se proyectan al citoplasma o el espacio extracelular están compuestas de aminoácidos hidrofílicos, mientras que
la región intramembranal se forma con aminoácidos hidrofóbicos. Las proteínas integrales están ancladas a la membrana a través de los aminoácidos de la porción hidrófoba, que se encuentran en estrecho contacto con las cadenas hidrófobas de los ácidos grasos de la bicapa lipídica. En consecuencia, se les considera integrales en el sentido de
Habitualmente están localizadas en la superficie citoplásmica de la membrana celular, en ocasiones pueden estar en la superficie extracelular. Estas proteínas pueden formar uniones, sea con las moléculas fosfolipídicas o con las proteínas transmembranales. Con frecuencia se vinculan con el sistema mensajero secundario de la célula o con el aparato citosquelético.
Se pueden caracterizar como intermedias entre las proteínas integrales y periféricas. Al igual que estas últimas se localizan por fuera de la doble capa lipídica sobre las superficies externa o interna de la membrana, pero presentan enlaces covalentes con las moléculas lipídicas de la bicapa. Los enlaces se producen entre una cadena lateral de un aminoácido, en el extremo N-terminal de la proteína, y un grupo de anclaje, que puede ser una cadena de ácido graso o un fosfolípido. Por ejemplo, algunas proteínas quedan ancladas sobre la superficie externa de célula a través del denominado anclaje glucosilfosfatidilinositul (GPI). Muchas de las moléculas proteicas de la membrana celular presentan uniones con cadenas hidrocarbonadas, tales como oligosacáridos, sobre la superficie externa, para formar glucoproteínas. Junto con las moléculas hidrocarbonadas de los glucolípidos de la membrana, las glucoproteínas constituyen parte del glucocáliz. También contribuye otro tipo de hidrato de carbono de membrana, los proteoglucanos de la membrana, moléculas compuestas por una columna vertebral proteica a la que se unen largas cadenas de polisacáridos. Los proteoglucanos de la membrana celular son moléculas integrales de membrana, y la columna vertebral proteica se puede extender a través de la doble capa lipidica o estar adosada a la superficie externa, mediante anclaje GPI.
No obstante, muchas proteínas de membrana sólo presentan difusión lateral dentro de una zona limitada de la membrana celular, que parece estar compuesta por dominios de membrana separados. Así, se pueden mantener estos dominios cuando las células forman barreras proteicas debido a contactos celulares, lo cual ocurre en ciertas células epiteliales, como es el caso del intestino delgado. Las proteínas de la porción apical
de las células epiteliales no se pueden desplazar hacia la parte basolatoral del plasmalema, debido a la presencia de las denominadas zonulae occludentes anulares, que crean estrechas uniones entre las membranas de células vecinas. Este contacto forma una bien definida barrera a la difusión entre los dos dominios. En este caso, las moléculas lipidicas de la membrana tampoco pueden atravesar los complejos de contacto, en lo que respecta a la mitad externa de la membrana.
Las proteínas también se pueden unir a determinados sitios de la membrana, por anclaje de las proteínas de membrana a ciertos elementos del citoesqueleto del citoplasma o a estructuras extracelulares.
En conclusión, en la superficie extracelulár de la membrana plasmática se pueden unir carbohidratos a las proteínas, para formar glucoproteínas, o a los lípidos de la bicapa, para formar glucolípidos. Estas moléculas asociadas forman una capa en la superficie de la célula que se conoce como cubierta celular o glucocáliz y contribuyen a establecer microambientes extracelulares en la superficie de la membrana que tienen funciones específicas en el metabolismo, el reconocimiento celular y la asociación de las células y sirven como sitios receptores para hormonas.
En la membrana plasmática hay microrregiones conocidas como almadías lipídicas que controlan el movimiento y la distribución de las proteínas dentro de la bicapa lipídica.
Criofractura
Las proteínas integrales de la membrana pueden verse mediante el uso de la
criofractura. Una técnica de preparación histológica especial.
La existencia de proteínas en el interior de la sustancia de la membrana plasmática, o sea de proteínas integrales, se confirmó con una técnica llamada congelación- fractura o criofractura Cuando se prepara el tejido para la microscopía electrónica con el procedimiento de crio- fractura es típico que las membranas se partan o dividan a lo largo del plano hidrófobo (es decir, entre las dos capas lipídicas) para dejar expuestas dos caras internas, una cara E y una cara P. La cara E tiene por detrás el espacio extracelular mientras que detrás de la cara P se encuentra el citoplasma (protoplasma). Las numerosas partículas que se ven en las caras E y P con el MET son las proteínas integrales de la membrana. En general la cara P muestra más partículas, y por lo tanto más proteínas, que la cara E.
Glucocáliz
Todas las células eucariotas poseen una delgada cubierta externa de material rico en hidratos de carbono, la denominada "cubierta celular” o glucocáliz. Se puede demostrar su existencia mediante el método de PAS o por la unión con moléculas de lectina marcadas. Las moléculas de hidratos de carbono que intervienen son parte de los glucolípidos de la membrana y especialmente glucoproteínas y proteoglucanos, por lo que el glucocáliz es una parte integrada de la membrana celular, que desempeña un papel importante en distintas formas de interacción celular, como los procesos de adhesión celular, circulación de linfocitos y otros procesos de señalamiento o de reconocimiento, dado que a menudo el glucocáliz interviene en la formación de receptores sobre la superficie celular.
acetilcolina en las células musculares) o fuerza mecánica (los canales activados por fuerzas mecánicas en el oído interno).
Algunas sustancias entran en las células o salen de ellas mediante transporte vesicular, un proceso que comprende cambios de la configuración de la membrana plasmática en sitios específicos y la ulterior formación de vesículas desde la membrana o la fusión de vesículas con ella. El mecanismo por el cual las moléculas grandes entran, salen o se mueven dentro de la célula se denomina brotación vesicular. Las vesículas formadas por brotación se fusionan con la membrana de otro compartimiento. Dentro de la célula este proceso asegura la transferencia del contenido vesicular entre los compartimientos.El transporte vesicular en el que participa la membrana celular también puede designarse con términos más específicos:
Endocitosis: es la denominación general de los procesos de transporte vesicular en los cuales las sustancias entran en la célula y depende de tres mecanismos diferentes. La proteína que interacciona con la membrana plasmática en la formación de vesículas (la que se conoce mejor) es la clatrina. En consecuencia, la endocitosis también puede clasificarse en clatrina- dependiente y clatrina-independiente. Por lo general se reconocen tres mecanismos de endocitosis en la célula:
repolimerización de los filamentos de actina. En consecuencia , la fagocitosis es una endocitosis clatrina-independiente pero actina- dependiente.
La endocitosis mediada por receptores, permite la entrada de moléculas
específicas en la célula. En este mecanismo los receptores de carga se
acumulan en regiones bien definidas de la membrana celular. Estas regiones,
que corresponden a las almadías lipídicas de la membrana plasmática, al final
se convierten en fositas cubiertas que aparecen como una acumulación de
material electrondenso que representa la aglomeración de moléculas de
clatrina en la superficie citoplasmática de la membrana. Los receptores de
carga reconocen y fijan moléculas específicas que entran en contacto con la
membrana plasmática. Luego las moléculas de clatrina se agrupan y forman
una jaula similar a un cesto que contribuye a cambiar la forma de la membrana
plasmática para que se produzca una invaginación. La clatrina interacciona con
el receptor de carga a través de la adaptina, que desempeña un papel decisivo
en la selección de las moléculas de carga adecuadas para ser transportadas
hacia el interior de la célula. Así, las proteínas de carga seleccionadas y sus
receptores son transportados desde el espacio extracelular hacia la luz de una
vesícula en formación. La GTPasa llamada dinamina, una mecanoenzima
grande (100 kDa), media la liberación de las vesículas con cubierta de clatrina
en formación desde la membrana plasmática durante la endocitosis mediada
por receptores. El tipo de vesícula que se forma se conoce como vesícula
cubierta y el proceso en sí recibe el nombre de endocitosis clatrina-
dependiente. Las vesículas con cubierta de clatrina también participan en el
movimiento del material de carga desde la membrana plasmática hacia los
endosomas tempranos y desde el aparato de Golgi hacia los endosomas
tempranos y tardíos.
Exocitosis: Es el proceso por el cual una vesícula se mueve desde el citoplasma hacia la membrana plasmática, desde donde vierte su contenido en el espacio extracelular. Una gran variedad de moléculas producidas por la célula para su exportación son
de una gran ciudad que lleva con
éxito a un pasajero a la dirección
correcta. En la célula la dirección correcta es reconocida por una Rab-GTPasa
unida a la membrana de la vesícula migrante. La Rab-GTPasa interacciona con
proteínas de amarre ubicadas en la membrana diana.
Esta interacción inicial permite el reconocimiento de la vesícula y recluta la cantidad necesaria de proteínas de amarre para el acoplamiento de la vesícula que llega. El complejo de acoplamiento entre la Rab-GTPasa y su receptor inmoviliza la vesícula cerca de la membrana diana. Para asegurar la orientación precisa cada vesícula contiene una proteína de membrana específica de vesícula llamada v-SNARE. La membrana diana contiene una proteína de membrana específica, la t-SNARE que interacciona con la v-SNARE para formar el complejo cis-SNARE. Las proteínas SNARE conforman una familia de proteínas transmembrana cuyos miembros fueron agrupados originalmente según que estuvieran ubicados en la membrana de la vesícula (v-SNARE) o en la membrana diana (t-SNARE). Estas proteínas garantizan la especificidad de la interacción entre una vesícula particular y su membrana diana y también promueven la fusión de las membranas que sigue inmediatamente a la formación de los complejos cis-SNARE. Luego de la fusión los complejos SNARE se desarman con la ayuda del complejo proteico NSF/α-SNAP y se reciclan para su uso en otra ronda de fusión vesicular.
Función del plasmalema
El transporte a través del plasmalema es fundamental para que la célula lleve a cabo el intercambio de sustancias con el medio circundante. La capacidad de las moléculas de atravesar el plasmalema depende de la bicapa lipídica y en parte de las proteínas de membrana, que facilitan el pasaje de moléculas de mayor tamaño.
Para que una molécula atraviese la bicapa lipídica tienen importancia el tamaño y la liposolubilidad (es decir, si es hidrófoba o no polar); a menor tamaño y mayor solubilidad mayor facilidad de pasaje. Así, pequeñas moléculas no polares como el oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono atraviesan con facilidad la membrana celular por difusión simple, es decir por gradiente de concentración (de mayor a menor concentración) sin ningún tipo de asistencia , dado que se disuelven con facilidad en la doble capa lipídica. Las moléculas polares muy pequeñas y sin carga como el agua y el etanol también pasan con rapidez por difusión simple; por su tamaño se pueden deslizar entre las moléculas lipídicas. A medida que aumenta el peso molecular de estas moléculas polares no cargadas disminuye la velocidad de pasaje por difusión simple; lo mismo vale para todas las moléculas cargadas (es decir, iones), sin importar el tamaño (incluso para iones tan pequeños como Na y K). Estas moléculas, que atraviesan con gran dificultad la doble capa lipídica, o que no la atraviesan en absoluto, son transportadas a través del plasmalema con proteínas de transporte de membrana. Son todas proteínas integrales de
transmembrana del tipo de pasaje múltiple, por lo cual les permite facilitar el pasaje de sustancias hídrófilas a través del plasmalema, sin que éstas entren en contacto directo con el interior hidrófobo de la doble capa lipídica.
Las proteínas de transporte de membrana se clasifican en proteínas de canal y transportadoras. Mientras que la difusión simple sólo presenta cierta selectividad gruesa frente a las sustancias que la atraviesan, las proteínas de transporte de membrana son muy específicas respecto a las moléculas, cuyo pasaje facilitan. Las proteínas de canal forman poros o canales hidrófilos a través de la doble capa lipídica, que permiten el pasaje de determinadas sustancias disueltas, cuando están abiertos. El pasaje siempre es pasivo (a favor del gradiente de concentración) y se denomina difusión facilitada. La diferencia entre la difusión simple y la difusión facilitada radica en que esta última se lleva a cabo mediante la asistencia de la molécula de proteína de canal, por lo que la velocidad de difusión para la sustancia en cuestión será mucho mayor que en el caso de la difusión simple.
Los canales iónicos no so deben considerar como simples orificios de la membrana, dado que en parte pueden discriminar entre los distintos iones (son selectivos), y suelen poseer pórtales que se cierran y se abren en respuesta a estímulos adecuados. Éstos pueden ser variaciones de los potenciales de membrana, denominados canales dirigidos por potenciales, o la unión de una molécula señal (un neurotransmisor) a la proteína de canal, en cuyo caso se denominan canales dirigidos por transmisores.
Los transportadores fijan la sustancia que se debe transportar a un sitio de unión específico o receptor. Esto produce variaciones de conformación alostéricas (cambio de forma) en la proteína de transporte, que favorecen el desplazamiento de la sustancia a través de la membrana. Muchos transportadores funcionan por difusión facilitada, es decir, transporte pasivo "a favor" del gradiente electroquímico, pero otras, poseen capacidad para bombear las sustancias a través de la membrana contra el gradiente electroquímico, proceso denominado transporte activo. Este tipo de transportadores también se denomina bombas: el proceso tiene una dirección determinada y debe estar cerca de una fuente de energía, ya sea ATP o un gradiente iónico. La bomba Na-K transporta en forma activa el Na hacia el exterior de la célula y el K hacia el interior; en ambos casos, el proceso se lleva a cabo en contra del gradiente de concentración electroquímico; la energía es provista por la escisión de ATP dentro de la célula, catalizado por la bomba (es decir, la ATPasa). Por cada molécula de ATP que se degrada salen, por proceso activo. 3 Na e ingresan 2 K. Esto ocurre porque se fijan 3 Na a los sitios de unión de la bomba Na-K, que se encuentran en la cara citoplasmática del plasmalema. La unión de los 3 Na causa la fosforilación de la bomba Na-K, con degradación simultánea del ATP; a continuación, esta fosforilación produce una modificación de la conformación, que traslada los sitios de unión para el sodio hacia la superficie exterior de la célula y hace que pierdan la tendencia a unirse con el Na. En cambio, ahora se fijan 2 K a los sitios de unión, orientados hacia la superficie externa de la membrana celular; esta unión produce la desfósforilación de la bomba Na-K que causa una modificación de la
Resumen Lo de las diapositivas
Constituida esencialmente por lípidos y proteínas, cuya proporción proteína/
lípido varía ampliamente, dependiendo del tipo de célula y del organoide. A
pesar de la composición variable de las membranas biológicas, la unidad
estructural básica de todas las biomembranas es la bicapa fosfolípidica
Los lípidos : Se disponen formando una doble capa lipídica fluida. Los lípidos
que forman parte de la membrana plasmática son fundamentalmente
fosfolípidos, colesterol y glucolípidos. La composición lipídica de las
monocapas interna y externa varía, reflejando las funciones diferentes de las
dos caras de la membrana.
Propiedades de las moléculas lipídicas: Ser moléculas anfipáticas. Formar
espontáneamente monocapas, bicapas, micelas y liposomas en solución
acuosa. Poder desplazarse y rotar sobre sí mismas.
Los polos hidrófilos están constituidos por una molécula de glicerol y otra de
fosfato, las cuales están unidas a un segundo alcohol (colina, etanolamina,
inusitol o serina) formando fosfogliceridos. Además los esfingolipidos
(esfingomielina).
Los polos hidrófobos no polares son dos cadenas de ácidos grasos (14-
átomos de carbono), una saturada y otra insaturada (fluidez).
El colesterol: Es una molécula anfipática que se ubica intercalado entre los
fosfolípidos; contribuye a la estabilidad mecánica de las membranas y aumenta
la impermeabilidad de la bicapa lipídica. Imparte rigidez, pues disminuye la
movilidad de los ácidos grasos adyacentes y disminuye la permeabilidad de la
misma a las moléculas pequeñas hidrosolubles. En la molécula de colesterol
se puede distinguir una cabeza polar constituida por el grupo hidroxilo unido
al grupo rígido esteroide y una cola o porción apolar formada por una cadena
hidrocarbonada. Concentración variable 17% hepatocito 23% en eritrocito.
Los Glucolípidos: Representan aproximadamente un 5% de las moléculas
lipídicas, se localizan exclusivamente en la cara extracelular de la membrana
plasmática y juegan un rol importante en las interacciones de la célula con el
medio que la rodea.
Las proteínas : Son responsables de la mayoría de las funciones de la
membrana y se comportan como receptores específicos, enzimas o proteínas
de transporte. Al igual que los lípidos, la cantidad y tipo de proteínas varían
dependiendo del tipo celular y de la localización dentro de la misma. (50% en
eritrocitos y hepatocitos, 20% mielina)
Las Proteínas pueden ser de dos tipos: Proteínas Integrales y proteínas
Periféricas.
Proteínas integrales o intrínsecas: