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MEMBRANAS BIOLOGICAS
Las membranas biológicas son conjuntos organizados principalmente por lípidos y proteínas. Las funciones llevadas a cabo por éstas, son indispensables para la vida de un organismo. Las membranas confieren a las células su individualidad al separalas de su entorno. Las membranas no son paredes inertes. Son barreras de permeabilidad altamente selectivas. Contienen sistemas de transporte, tales como bombas moleculares específicas y puertas. Los sistemas de transporte regulan la composición iónica y molecular del medio intracelular. Las células eucarióticas, contienen membranas internass que forman límites entre organelos, tales como mitocondrias o condriosomas, cloroplastos y lisosomas. Las membranas controlan el flujo de la información entre las células y su medio ambiente. Contienen receptores específicos para los estímulos externos. Algunas membranas, generan señales químicas o eléctricas y por lo tanto, desempeñan un papel muy importante en las comunicaciones biológicas. Los dos procesos más importantes de conversión de energía, en los sistemas biológicos, son llevados a cabo por entidades membranosas que contienen formaciones altamente ordenadas de enzimas y otras proteínas. Así, la conversión de energía lumínica en energía química ( fotosíntesis ), se produce en las membranas internas de los cloroplastos, y la oxidación de las moléculas combustibles en la que ATP es formada ( fosforilación oxidativa ), se produce en las membranas internas mitocondriales. Características comunes de las membranas biológicas.
Las membranas son muy diversas en estructura y en función, sin embargo, comparten en común un número de atributos importantes.
- Son estructuras laminares, con muy pocas moléculas de espesor; normalmente entre 60 a 100 Å. Forman límites entre compartimentos de composición diferente.
- Están constituídas principalmente por lípidos y proteínas.
- Los lípidos de las membranas biológicas, son moléculas relativamente pequeñas, que a su vez, poseen una parte hidrofóbica y una hidrofílica. En medios acuosos, estos lípidos forman espontáneamente capas bimoleculares. Estas capas bimoleculares son barreras para el flujo de moléculas polares.
- Proteínas específicas son mediadoras de funciones distintas de las membranas. Las proteínas se utilizan como bombas, puertas, receptores, transductores de energía y enzimas, mientras que los lípidos de la membrana, crean un ambiente adecuado para la acción de estas proteínas.
- Las membranas son conjuntos no covalentes. Las moléculas proteícas y lipídicas constituyentes, se mantienen juntas por muchas interacciones no covalentes, de carácter cooperativo.
- Las membranas son asimétricas. Las caras interna y externa son normalmente diferntes. Los fosfolípidos son la clase mayoritaria de lípidos de las membranas. Los lípidos son un grupo de biomoléculas sorprendentemente diferentes a los aminoácidos y proteínas. Por definición los lípidos son moléculas insolubles en agua ( apolares ) que presentan alta solubilidad en solventes orgánicos, tales como el cloroformo. Los lípidos tienen una variedad de papeles biológicos:
- sirven como moléculas combustibles.
- son almacenes de energía altamente concentrada.
- son componentes de las membranas biológicas. Los tres tipos mayoritarios de lípidos de las membranas, son los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol.
se encuentra saturada, por lo contrario, aquella esterificada al C 2 está insaturada. Las vías de biosíntesis para fosfoglicéridos y triacilgliceroles, se divergen en el fosfatidato. En la síntesis de triacilgliceroles, el grupo fosforilo del fosfatidato se hidroliza por medio de una fosfatasa específica, para formar un diacilglicerol. Este intermediario es acetilado a triacilglicerol en una reacción catalizada por diglicérido acil transferasa. Estos enzimas se encuentran asociados en un complejo triacilglicerol sintetasa, ligado a la membrana del retículo endoplasmático. CDP-diacilglicerol es el intermediario activado en la síntesis de novo de algunos fosfoglicéridos. La unidad fosfatidil activada, reacciona con el grupo hidroxilo de un alcohol de la siguiente manera: Fosfoglicéridos también pueden ser sintetizados a partir de un intermediario CDP-alcohol. En mamíferos, la fosfatidil colina se sintetiza por una vía que utiliza colina obtenida de la dieta. La colina es fosforilada por ATP a fosforilcolina, que luego reacciona con CTP para formar CDP-colina. La unidad de fosforilcolina es luego transferida a un diacilglicerol, para la formación de de fosfatidil colina. Síntesis de ceramida (N-acil esfingosina), la estructura básica de los esfingolípidos. La columna vertebral de los esfingolípidos es la esfingosina en vez del glicerol. La esfingomielina es el único fosfolípido de las membranas que no de deriva del glicerol. La esfingomielina se deriva de la esfingosina (aminoalcohol), la cual posee una cadena hidrocarbonada larga e insaturada. En la esfingomielina, el grupo amino del esqueleto de esfingosina, se encuentra ligado a un ácido graso mediante un enlace amida, y el grupo hidroxilo primario de la esfingosina está esterificado a la fosforilcolina. La síntesis de la esfingosina, comienza con la condensación entre palmitoil-CoA (ácido graso insaturado de C 16 ) y serina, para formar dihidroesfingosina, la cual es posteriormente convertida en esfingosina. El enzima que cataliza ésta reacción, requiere de piridoxal fosfato.
En todos los esfingolípidos, el grupo amino de la esfingosina se encuentra acilado a una cadena larga de acil-CoA, que ha reaccionado con esfingosina, para formar ceramida ( N-acil esfingosina ). El grupo hidroxilo terminal también es sustituído. En la esfingomielina, el sustituyente es fosforilcolina que proviene de CDP-colina. Muchas membranas contienen también glucolípidos y colesterol. Los glucolípidos , como su nombre lo implica, son lípidos que contienen azúcares. Al igual que la esfingomielina, los glucolípidos derivan de la esfingosina. El grupo amino de la columna vertebral de esfingosina reacciona con una cadena larga de ácido graso tal como en la esfingomielina. Los glucolípidos difieren de la esfingomielina en la naturaleza de la unidad que va enlazada al grupo hidroxilo primario del esqueleto de esfingosina. En los glucolípidos, uno a más residuos de azúcar van unidos al grupo hidroxilo primario del esqueleto de esfingosina. El glucolípido más simple es el cerebrósido , en el que sólamente un residuo de azúcar, ya sea el carbono 1 de glucosa o galactosa, va unido al grupo hidroxilo primario de la ceramida. UDP-glucosa o UDP- galactosa es el donante del azúcar en la síntesis de cerbrósidos. En un gangliósido , un oligosacárido que contiene una cadena ramificada de hasta siete monosacáridos, se une a la ceramida por medio del carbono 1 de un residuo de glucosa. Un gangliósido contiene, por lo menos, un residuo de azúcar ácido ligado a la ceramida. El azúcar ácido es el N-acetilneuraminato o el N-glicolilneuraminato. Estos azúcares ácidos se denomina ácidos siálicos. Los 9 carbonos se sintetizan a partir del fosfoenolpiruvato (una unidad C 3 ), y del N- acetilmanosamina-6-fosfato (una unidad de C 6 ). Los gangliósidos son sintetizados en orden, por la adición secuencial de residuos individuales de azúcar a la ceramida. Los donantes activados para estos residuos de azúcar son la UDP-glucosa, UDP- galactosa y UDP-N-acetilgalactosamina. El donante de la N- acetilneuraminato es la CMP-N-acetilneuraminato, que se sintetiza a partir de CTP y N-acetilneuraminato. La estructura del gangliósido resultante, es determinada por la especificidad de las glicosil transferasas en la célula. Más de quince gangliósidos diferentes han sido caracterizados. Otro lípido importante en algunas membranas es el colesterol , un lípido neutro que sirve como aislaimiento. Este esteroide se encuentra
Los lípidos de membranas son moléculas amfipáticas. Contienen una parte hidrofóbica y una hidrofílica a la vez. LIPIDO DE MEMBRANA
UNIDAD
HIDROFOBICA
UNIDAD HIDROFILICA
Fosfoglicéridos Cadenas de ácidos grasos Alcohol fosforilado Esfingomielina Cadena de ácido graso y cadena hidrocarbonada de esfingosina Fosforil colina Glucolípidos Cadena de ácido graso y cadena hidrocarbonada de esfingosina Uno o más residuos de azúcar Colesterol Molécula completa excepto el grupo -OH en C 3 Grupo -OH en C 3 TABLA ?. Unidades hidrofóbicas e hidrofílicas de lípidos de membrana. La región de la cola incluye la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos. La región de la cabeza incluye el grupo fosfato cargado negativamente (a pH fisiológico) con su componente estérico (positivo). Ya que se han discutido las unidades hidrofóbicas e hidrofílicas, consideremos la organización de los fosfolípidos y glucolípidos en un medio acuoso. Evidentemente, la cabeza polar tendrá afinidad al agua, mientras que sus colas hidrocarbonadas apolares evitar contacto con el agua. Esto puede conseguirse con la formación de una micela en la que los grupos polares de la cabeza esten en la superficie y las colas hidrocarbonadas queden secuestradas en el interior. Otra ordenación que satisface tanto las preferencias hidrofóbicas como hidrofílicas de estos lípidos de membrana es la de una capa bimolecular , también denominada bicapa lipídica.
Generalmente, la estructura favorable para la mayoría de fosfolípidos y glucolípidos en medios acuosos es la de una capa bimolecular en vez de una micela. Esto, porque una micela posee una estructura limitada, normalmente de un diámetro menor a 200 Å en contraposición a la estrucura extensa de la capa molecular que puede tener dimensiones de hasta 1 mm. Los fosfolípidos y glucolípidos son componentes claves de las membranas porque estos forman, fácilmente, capas bimoleculares extensas. Además, sirven como barreras de permeabilidad altamente selectivas. La formación de las bicapas lipídicas, a partir de los fosfolípidos y glucolípidos, es un proceso rápido y espontáneo en el agua. Las interacciones hidrofóbicas son las fuerzas dirigentes principales para la formación de bicapas lipídicas. Entre las colas existen fuerzas atractivas de Van der Waals, que favorecen el empaquetamiento compacto completo de las colas hidrocarbonadas. Finalmente, se producen interacciones electrostáticas y de enlace de hidrógeno favorables entre los grupos polares en la cabeza y las moléculas de agua. Las bicapas lipídicas son estructuras cooperativas no covalentes. Otro aspecto interesante de las bicapas lipídicas es que son estructuras cooperativas. Estas, se mantienen unidas mediante interacciones reforzantes no covalentes. Los fosfolípidos y glucolípidos, se agrupan en el agua para minimizar el número de cadenas hidrocarbonadas expuestas. Este agrupamiento, se ve favorecido por fuerzas atractivas de Van der Waals, entre cadenas hidrocarbonadas adyacentes.
Las proteínas de las membranas, son las responsables por la mayoría de los procesos dinámicos que se llevan a cabo en las mismas. Esta proteínas específicas hacen de mediadoras de funciones distintas en las membranas, tales como el transporte, las comunicaciones y las transducciones de energía; mientras que los lípidos de las membranas crean el ambiente adecuado para la acción de tales proteínas. Las membranas difieren en su contenído proteíco, por ejemplo, la mielina, una membrana que sirve de aislamiento alrededor de ciertas fibras nerviosas, tiene un bajo contenído de proteína (18%). El bajo contenído proteíco se debe a que estas membranas se necesitan como aislantes y por lo tanto tienen menor actividad. Como contraste, las membranas plasmáticas de la mayoría de otras células son mucho más activas; contiene muchas bombas, puertas, receptores y enzimas. El contenído proteíco de estas membranas plasmáticas es típicamente de un 50%. Las membranas relacionadas con la transducción de energía, tales como las membranas internas de las mitocondrias y cloroplastos, poseen el más alto contenído en proteínas, típicamente el 75%. Obviamente, las membranas que ejercen funciones diferentes tienen proteínas diferentes. Así, la membrana plasmática de los eritocitos, la membrana fotorreceptora de las células cilíndricas retinianas y la membrana del retículo sarcolplasmático del músculo tendrán diferentes tipos y cantidades de proteínas debido a que cada una cumple una función diferente. Estas diferencias y concentraciones de los contenídos proteícos principales de una membrana, pueden ser visualizadas fácilmente mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS. Esta técnica, primero se solubiliza la membrana con SDS al 1%, interrumpiendo así, la mayoría de interacciones proteína-proteína y proteína-lípido. La solución se somete a electroforesis por varias horas y se analiza el patrón de bandas después de una tinción con azul de coomasie. Algunas proteínas de las membranas están profundamente embedidas en la bicapa lipídica. Algunas proteínas de las membranas pueden disociarse del resto por procedimientos relativamente suaves tal como es la extracción con una solución salina de alta fuerza iónica (NaCl 1M). Otras, sin embargo, están ligadas más fuertemente a la membrana y por lo tanto requieren de un tratamiento con detergentes o disolventes orgánicos. Por esta diferencia en disociabilidad, se han clasificado a las proteínas de membrana en proteínas periféricas y proteínas integrales. A) PROTEINAS PERIFERICAS: son aquellas que se encuentran ligadas a
la superficie de la membrana mediante interacciones electroestáticas y de puentes de hidrógeno. Las mayorías de estas proteínas de membrana se encuentran ligadas a la superficie de las proteínas integrales ya sea en el lado extracelular o en el del citosol. Este tipo de proteínas puede ser disociado fácilmente de la membrana por adición de sales o cambio en pH. B) PROTEINAS INTEGRALES: son aquellas que interaccionan, en gran parte, con las cadenas hidrocarbonadas de los lípidos de membrana, generalmente expandiendo la membrana. Estas proteínas pueden ser solubilizadas por detergentes o disolventes orgánicos que compiten por interacciones apolares. FIGURA ?. Estructura de una bicapa lipídica. Las proteínas integrales ( a , b , c ) interaccionan extensivamente con la región hidrocarbonada de la bicapa. Casi todas las proteínas integrales de membrana conocidas, atraviesan la bicapa lipídica. Las proteínas periféricas d y e se ligan a la superficie de las proteínas integrales de la membrana. La microscipía electrónica de fractura por congelación, es una técnica valiosa para determinar, con certeza, la localización interna de las proteínas de membrana. En esta técnica, las células o fragmentos de membrana se someten a congelamiento en nitrógeno líquido y posteriormente se fracturan por el impacto de una navaja de micrótomo. La fractura se produce generalmente a lo largo de un plano en el centro de la bicapa.
FIGURA ?. Asimetría del sistema de transporte del sodio y potasio en las membranas plasmáticas. La distribuición de los residuos de azúcar en las membranas biológicas es también altamente distintiva. Las membranas de las células eucarióticas contienen normalmente entre el 2 y el 10% de carbohidrato, en forma de glucolípidos y glucoproteínas. En las glucoproteínas de las membranas, uno o más residuos de azúcar están unidos a las cadenas laterales de la serina, treonina o asparragina de la proteína, normalmente a través de N-acetilglucosamina o de N- acetilgalactosamina. Los residuos de azúcar de la membrana plasmática de todas las células de los mamíferos estudiados hasta el momento, están localizadas exclusivamente en la superficie externa.
FIGURA ?. Los residuos de azúcar de las glucoproteínas y glucolípidos que conforman la bicapa lipídica en mamíferos, se encuentran localizados normalmente en la superficie exterior de las membranas plasmáticas. Los residuos de azúcares pueden orientar las glucoproteínas en las membranas. Hasta el momento no se conoce con certeza la razón de la existencia de proteínas de membrana que contienen unidos residuos de azúcar. Sin embargo, existe la posibilidad de que los grupos carbohidrato puedan orientar a las glucoproteínas en las membranas. Por ser los azúcares altamente hidrofílicos, los residuos de azúcar de una glucoproteína o de un glucolípido tenderán a estar localizados en la superficie de la membrana y no en el centro hidrocarbonado. Las partes carbohidrato de una proteína de membrana, seguramente le ayudan a establecer y mantener el carácter asimétrico a las membranas biológicas. Los carbohidratos de las superficies celulares pueden también jugar un papel importante en el reconocimiento intercelular. Por ejemplo, la interacción de células diferentes para formar un tejido y la detección de células extrañas por el sistema inmune de organismos superiores. Muchas proteínas y lípidos pueden difundirse rápidamente en las membranas. Las membranas biológicas no son estructuras rígidas; al contrario, muchas proteínas y lípidos constituyentes de estas membranas se encuentran en constante movimiento lateral. El movimiento rápido de las proteínas de membrana ha sido visualizado mediante la microscopía de fluorescencia. Se puede inducir la fusión de células humanas y de ratón en cultivo. La célula híbrida resultante se denomina un heterocarionte. Parte de la membrana plasmática del heterocarionte formado proviene de una célula de ratón, el resto de una célula humana. ¿permanecen segregadas o se mezclan en el heterocarionte las proteínas derivadas de la células humana y de ratón? Esta pregunta fue contestada utilizando anticuerpos fluorescentes como marcadores a los que que podía seguirse mediante el microscopio óptico. Se marcó un anticuerpo específico para las proteínas de la membrana del ratón de tal forma que mostrara una flourescencia verde y un anticuerpo específico para las de los humanos con fluorescencia roja. En un heterocarionte recientemente formado, la mitad de la superficie mostró manchas fluorescentes verdes y la otra mitad rojas. sin embargo, en menos de una hora a 37 °C, las manchas fluorescentes verdes y rojas quedaron completamente entremezcladas.
blanqueo. Si el componente marcado es móvil, las moléculas blanqueadas abandonarán la región iluminada y las moléculas no blanqueadas migrarán dentro de ella, incrementando así la flourescencia. La velocidad de recuperación de la fluorescencia depende estrictamente de la movilidad lateral del componente fluorescente marcado, que puede ser expresado en términos del coeficiente de difusión ( D ). La distancia promedio ( S , en centímetros) recorrida bidimensionalmente en un tiempo t (en segundos), es dependiente de D (cm^2 s-1), de acuerdo a S = (4 D t )1/ FIGURA ?. Técnica de recuperación de la fluorescencia fotoblanqueada. (A) fluorescencia, en una pequeña región iluminada, de un componente de superficie marcado; (B) las moléculas fluorescentes son blanqueadas por un impacto de luz laser; (C) la fluorescencia se recupera al difundir fuera de la región iliminada las
moléculas blanqueadas y al migrar hacia la misma región las moléculas fluorescentes no blanqueadas. El coeficiente de difusión de los lípidos en una variedad de membranas es de aproximadamente 10-8^ cm^2 s-1. Una molécula de fosfolípido difunde una distancia promedio de 2 X 10-4^ cm o 2 μm en 1 segundo, lo que significa que una molécula de lípido puede viajar, en una célula bacteriana, desde un extremo a otro en 1 segundo. La magnitud del coeficiente de difusión observado indica que la viscosidad de la membrana es aproximadamente 100 veces aquella del agua, similar a la del aceite de oliva. En contraste, las proteínas varían marcadamente en su movilidad lateral. Algunas proteínas son tan móviles como los lípidos, mientras que otras son virtualmente inmóviles. Por ejemplo, la proteína fotorreceptora rhodopsina, una proteína muy móvil, tiene un coeficiente de difusión de 4 X 10-9^ cm^2 s-1. El movimiento rápido de la rhodopsina es útil para emitir una señal rápida. Al otro extremo está fibronectina, una glucoproteína periférica, que interacciona con los alrededores de la matriz. Para fibrinectina, D es menor a 10-12^ cm^2 s- (^1). La fibronectina tiene una movilidad muy baja por estar anclada a filamentos de actina al otro lado de la membrana plasmática por intermedio de integrina. Esta proteína transmembrana liga la matriz extracelular al citoesqueleto. Las moléculas de fosfolípidos difunden más rápidamente que las proteínas, en las membranas, debido a su tamaño pequeño. La mayoría de proteínas y lípidos no giran fácilmente a través de las membranas. La rotación de la mayoría de proteínas y lípidos desde un lado al otro de las membranas, es un proceso muy lento, que contrasta con su movimiento paralelo al plano de la bicapa. La transición de una molécula desde una superficie de la membrana hasta la otra se denomina difusión transversal o "flip-flop" , mientras que la difusión en el plano de la membrana se denomina difusión lateral. Como se conoce que las unidades de carbohidrato ligadas a las proteínas y lípidos de membrana se encuentran localizadas normalmente sobre una sola de las superficies de las membranas; esta distribuición asimétrica supone que las glucoproteínas y los glucolípidos o no difunden transversalmente o lo hacen a velocidad muy lenta.
de la membrana. Las cadenas hidrocarbonadas largas interaccionan más fuertemente que las cortas. Específicamente, cada grupo -CH 2 adicional aporta una contribuición favorable de unas 0.5 Kcal/mol a la energía libre de interacción de dos cadenas adyacentes hidrocarbonadas. Entonces, la fluidez de las membranas se ve aumentada por la presencia de dobles enlaces en las cadenas de ácidos grasos y por su corta longitud. En los eucariotes, el colesterol influye en la fluidez de la membrana. Este actúa como estabilizador en la bicapa lipídica, reduce la permeabilidad, controla la movilización de las cadenas hidrocarbonadas y aumenta la fuerza de la membrana. Parece muy probable que la actividad de muchas proteínas de las membranas dependa de su fluidez. El modelo del mosaico fluído de las membranas biológicas. Este modelo muestra la organización fundamental de las membranas biológicas; fue propuesto por S. Jonathan Singer y Garth Nicholson en
- La escencia de este modelo es que las membranas son soluciones bidimensionales de lípidos y proteínas orientadas. Los aspectos fundamentales de este modelo son:
- La mayoría de las moléculas de los fosfolípidos y glucolípidos de las membranas están en forma de bicapa. Esta bicapa lipídica tiene un doble papel: a) es un solvente para las proteínas integrales de las membranas y b) es una barrera de permeabilidad.
- Una pequeña porción de los lípidos de las membranas interaccionan específicamente con proteínas específicas de las mismas y pueden ser escenciales para su función. ( Los lípidos crean un medio adecuado para que las proteínas cumplan sus funciones).
- Las proteínas de las membranas están libres para difundir lateralmente en la matriz lipídica, mientras que no son libres para girar de un lado de la membrana al otro. Transporte a través de las membranas biológicas. Las membranas no son barreras completamente impermeables como tampoco barreras completamente permeables. Ninguno de estos extremos es aplicable a las biomembranas. Las membranas biológicas son estructuras semipermeables, lo que significa que las propiedades
de transporte de las membranas son intermedias; algunas materias pueden pasar a través de ellas, otras no. Se han propuesto 4 mecanismos diferentes para el transporte a través de una membrana. Estos se detallan a continuación.
- Transporte Pasivo. Es aquel en el cual una sustancia cruza una membrana mediante difusión libre, sin que exista ninguna interacción con las moléculas componentes de la membrana; lo que significa que este tipo de movimiento puede existir sólo cuando una sustancia se mueve de una región donde su concentración es alta a otra de menor concentración.
- Transporte Facilitado. Implica la participación de un transportador proteíco específico localizado en la membrana, el cual tiene la propiedad de oscilar entre las dos superficies (interna y externa) de la membrana. Después de combinarse con una sustancia en uno de los dos lados, el complejo soluto-transportador se cambia al otro lado disociándose y liberando así al soluto. Este mecanismo ocurre sin nunguna modificación del soluto y sin ningún aporte de ATP como energía metabólica.
- Transporte Activo. Proceso similar al transporte facilitado, ya que también implica la participación de una molécula de la membrana específica, con la diferencia que en este caso, el movimiento del soluto, de un lado de la membrana al otro, requiere de ATP. El movimiento ocurre en contra de la gradiente de concentración. Uno de los procesos de transporte activo más importantes en células animales, es el responsable de bombear Na+^ y K+^ a través de la membrana celular. Conocido como la bomba del sodio y potasio, el sistema es responsable del mantenimiento del K+^ alto en el interior de la célula y bajo en Na+, mediante el movimiento del K+^ hacia adentro de la célula y de Na+^ hacia afuera. Ambos intercambios con el plasma son contra gradientesde concentración, ya que el nivel plasmático normal de K+^ es más bajo y el de Na+^ más alto que en el citoplasma. Casi el 25 % de la energía total gastada por un animal se utiliza para este propósito. Esto es indicativo de la importancia de las gradientes iónicas para la mantención normal de una célula.
- Translocación de grupo. Implica una modificación covalente de una sustancia, generalmente catalizada por un enzima localizado en la membrana. La molécula se mueve a través de la membrana mediante transporte pasivo o facilitado pero, si la modificación covalente va acompañada por una reacción dependiente de ATP o su equivalente,
