Unidad 04 Biomembranas[1]
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MEMBRANAS BIOLÓGICAS : ESTRUCTURA CARACTERÍSTICAS TRANSPORTE Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial. El presente material de trabajo ha sido diseñado con el propósito de orientar al alumno en el proceso de aprendizaje de la Biología. El alumno podrá alcanzar un óptimo rendimiento en la cursada de esta materia, cuando logre una modificación significativa y estable de sus conocimientos y sus pautas “previas” en lo referente a las Ciencias Biológicas. Con el objeto de ayudar a superar las dificultades que suelen plantearse durante el aprendizaje de esta asignatura, se efectúan algunas sugerencias acerca del uso del material didáctico y de la modalidad de cursada: - Lea atentamente los OBJETIVOS y los CONTENIDOS de cada unidad del programa. Esto le permitirá saber qué se espera que usted pueda lograr mediante el aprendizaje de la unidad (Objetivos) y qué temas serán tratados durante las clases (Contenidos). - Resuelva la totalidad de los ejercicios, problemas y actividades que se proponen en cada unidad. Para hacerlo, recurra al material denominado Marco Teórico de la Unidad, donde encontrará información orientadora, y a la bibliografía recomendada en clase. - No dude en acudir al docente cada vez que lo crea necesario. - Efectúe todas las Autoevaluaciones propuestas. Esto le permitirá hacer una estimación “propia” acerca de la evolución de sus conocimientos. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial OBJETIVOS: - Explicar la importancia biológica de las biomembranas. - Describir la estructura de la membrana celular. - Establecer las características de los mecanismos de transporte a través de la membrana. - Comparar morfológica y fisiológicamente la membrana plasmática con las membranas de las estructuras subcelulares de células eucariontes. - Analizar el mecanismo de acción de los receptores celulares. CONTENIDOS: - Estructura de las BIOMEMBRANAS. - Bicapa lipídica: Modelo de Singer y Nicholson. - Pared Celular. - Pasaje de sustancias a través de la membrana: diferentes mecanismos de transporte. - Soluciones isotónicas, hipertónicas e hipotónicas. - Receptores de membrana. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Lea atentamente y subraye las ideas principales: Dos científicos alemanes, Mathías Schleiden y Theodor Schwann, propusieron en 1830 uno de los conceptos biológicos más importantes y unificadores: la teoría celular. Fueron ellos los primeros en señalar que todos los seres vivos están formados por células. En 1858, el patólogo y estadista Rudolf Virchow subrayó la continuidad de los organismos con la siguiente proposición “ omnis cellula e cellula” – todas las células provienen de otras. preexiste A pesar que el estudio de la célula ha cautivado el interés de innumerables científicos a lo largo de tantos años, todavía estas diminutas estructuras no han revelado todos sus secretos. No obstante, los penetrantes instrumentos utilizados por los investigadores actuales han permitido descubrir la morfología no sólo de la membrana que separa a la célula del medio externo, sino también de su interior. La complementariedad de la estructura y la función es un concepto integrador que se debe perseguir en el estudio de la Biología. Debido a su tamaño, forma, ubicación, las estructuras parecen “diseñadas” para realizar funciones concretas. Para que ocurran las reacciones metabólicas necesarias para el mantenimiento de la vida, las células deben asegurar un medio interno adecuado. Por ello, están rodeadas por una membrana limitante: la membrana plasmática, estructura que le permitirá una interacción dinámica con el medio extracelular. Deténgase un momento!. Antes de continuar recuerde los diferentes tipos celulares y analice las estructuras que limitan el citoplasma de una célula procarionte, de una eucarionte animal y de una eucarionte vegetal. 1- Complete el siguiente cuadro: COMPONENTES FUNCIONES Cubierta de una célula animal. Pared celular de una célula vegetal. Pared celular de una bacteria. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 2-¿Cuáles son las características y funciones de las MEMBRANAS BIOLÓGICAS? ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 3-¿Qué BIOMOLÉCULAS están presentes en ellas? (Relacione con conceptos aprendidos anteriormente). ................................................................................................................................................. 4-El siguiente esquema representa la estructura de la membrana según el Modelo del MOSAICO FLUÍDO de Singer y Nicholson (1972). Señale todos los componentes de la misma. 5-¿Qué relación puede establecer entre la estructura de la membrana y su función? ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. 6-Confeccione un cuadro considerando las biomoléculas presentes en la membrana plasmática y sus respectivas funciones. 7- Discuta las siguientes afirmaciones: “La membrana selecciona la entrada de sustancias beneficiosas para la célula e impide la entrada de sustancias tóxicas”. “ Las distintas membranas biológicas difieren en la proporción en que se encuentran sus componentes”. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 8- ¿Qué características de las moléculas determinan los diferentes mecanismos de transporte a través de la membrana? ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 9- Compare TRANSPORTE PASIVO con TRANSPORTE ACTIVO. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 10- Caracterice los distintos tipos de transporte y ejemplifique. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 11- ¿Porqué requieren energía los mecanismos de transporte activo?.¿De dónde proviene dicha energía? (Relacione con conceptos aprendidos anteriormente). ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 12- ¿Qué es un RECEPTOR?. ¿Qué tipo de receptores conoce?. ☺ Investigue sobre este tema. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Observe con atención: Los mensajeros químicos “reconocen” los diferentes tipos de moléculas que tienen contacto con la membrana celular. La diversidad de mensajeros responde a la multiplicidad de tipos de moléculas que pueden “identificar”. 13Lea el Marco teórico y observe atentamente el esquema de transmisión de un impulso nervioso y relate con sus palabras el fenómeno de SINAPSIS. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. 14- Suponga que la membrana plasmática es una barrera que separa los medios intracelular del extra celular. Explique qué sucederá con esa célula si el medio interno es: - HIPOTÓNICO respecto del exterior............................................................................ - ISOTÓNICO respecto del exterior. ............................................................................ - HIPERTÓNICO respecto del exterior. ....................................................................... Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial - El siguiente esquema se refiere a la respuesta de un eritrocito humano frente a cambios del medio extracelular, indique el tipo de solución en cada caso. CONCLUSIÓN: a) Redacte con sus palabras una síntesis integradora de los temas desarrollados en esta guía. Puede confeccionar un mapa conceptual. b) Construya un GLOSARIO con los términos implicados en este módulo. c) Proponga algunas lecturas complementarias. ¿Conoce algún material audiovisual relacionado con esta temática?. BIBLIOGRAFIA: Alberts, Bruce y col. La Célula. Omega.1996. Blanco, Antonio . Química Biológica. El Ateneo.1997. Curtis H. Biología. Médica Panamericana. 1993. Curtis H.y Barnes N. Invitación a la biología. Médica Panamericana. 1997. De Robertis E.D. y De Robertis E.M. Fundamentos de Biología celular y molecular. El Ateneo. Bs.As. Karp, Gerard. Biología Celular. Interamericana- Mc. Graw Hill. Chile .1998. Lehninger y Nelson- Principles of Biochemistry. N York Worth Publishing. USA. 1994. Smith y Wood, Moléculas Biológicas. Addison-Wesley. Iberoamericana-USA. 1998 Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial INTRODUCCIÓN El nivel de complejidad del conjunto de reacciones químicas necesarias para mantener la vida, requiere que la célula mantenga un medio interno apropiado. En todas las células, la membrana plasmática es literalmente el límite de la vida; constituye una barrera delgada entre la célula viviente y su entorno, y controla el tráfico de moléculas hacia dentro y fuera de la célula. Presenta permeabilidad selectiva, esto es, facilita el pasaje de ciertas sustancias y bloquea el paso de otras. La membrana plasmática incorpora sustancias para la célula e interviene en el descarte de los deshechos celulares. El concepto “membranas biológicas” incluye tanto a la membrana plasmática de toda célula, como al sistema de membranas interno o “ sistema de endomembranas” de las células eucariontes. La complejidad del metabolismo celular es tal que requiere una gran precisión en el accionar coordinado de todas las enzimas que en él intervienen. Para que esta organización funcione correctamente en una célula, las enzimas deben estar presentes en el momento preciso y en el sitio adecuado. Las membranas proveen la base estructural para este ordenamiento metabólico. En las células eucariontes, las membranas forman parte de la mayoría de las organelas de la célula, y la dividen en compartimientos que contienen a las enzimas en solución. Debido a que las membranas poseen unas pocas moléculas de espesor, cuando se observa una célula con microscopio óptico no se advierte la presencia de la membrana plasmática. Recién en la década de 1950 las técnicas de preparación y tinción de tejidos permitieron observar esta membrana mediante el uso del microscopio electrónico (ver métodos de estudio celulares). J. D. Robertson obtuvo las primeras micrografías electrónicas, en las cuales se observa a la membrana plasmática como una estructura trilaminar compuesta por dos bandas oscuras y en medio una banda clara. Citoplasma Membrana (estructura trilaminar) Espacio intercelular Citoplasma Micrografía de membranas plasmáticas de células intestinales separadas por un espacio intercelular de 20 nm. Las membranas se observan como una estructura trilaminar. A partir de estas micrografías se desató el debate sobre la composición molecular de las diferentes capas. Los primeros modelos, dentro de los cuales podemos mencionar el Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial de Danielli y Davson, propusieron que las bandas oscuras correspondían a proteínas de membrana, dispuestas a ambos lados de una bicapa de lípidos ubicados en la banda clara. Numerosos experimentos condujeron a alcanzar el consenso sobre un nuevo modelo denominado “modelo del mosaico fluido” postulado por S.J. Singer y G. Nicolson, en 1972, que representa la estructura actualmente aceptada de las membranas biológicas. La bicapa de lípidos es el núcleo base de la membrana, las proteínas se disponen como un mosaico de partículas que pueden penetrar hacia el interior e incluso atravesar por completo la bicapa lipídica, y pueden presentar diversos glúcidos asociados. Además destaca la que las membranas son fluidas, dinámicas, cuyos componentes son móviles, característica muy importante que permite la existencia de interacciones transitorias, y la disposición asimétrica de sus componentes. Modelo del Mosaico Fluido. Las proteínas se ubican entre la bicapa de fosfolípidos. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 10 Generalidades sobre las membranas biológicas: Todas las membranas, independientemente de la célula de la cual provengan, sean plasmáticas, nucleares o citoplasmáticas, tiene componentes semejantes y una organización estructural común. Como se explicó anteriormente, las membranas son estructuras lipoproteicas, en las que las proteínas y los lípidos se mantienen unidos por interacciones débiles, no por uniones covalentes. La integración de estos componentes en una estructura laminar determina propiedades únicas. Todas las membranas tienen la capacidad de regular la composición del espacio que rodean, tanto al impedir el pasaje de ciertas sustancias por su propia estructura, como al permitir el transporte de otras al presentar sistemas de transporte selectivos. Las membranas plasmáticas de las células eucariontes tienen también un papel importante en el reconocimiento célula-célula, en el mantenimiento de la forma celular, en la locomoción celular, y también es el punto de acción de muchas hormonas y reguladores metabólicos. Dentro de la estructura de las membranas también pueden ocurrir reacciones específicas, como en el caso de la membrana interna mitocondrial durante la respiración celular, o la membrana tilacoidal de los cloroplastos. En la siguiente sección ampliaremos las funciones de las membranas. Funciones de las membranas: - Las membranas son barreras selectivamente permeables. Se dice que poseen permeabilidad selectiva. Impiden el pasaje libre de materiales entre compartimientos celulares, en el caso de las endomembranas, o entre la célula y el medio que la rodea, en el caso de la membrana plasmática. Pero a su vez median la comunicación entre espacios. La regulación del intercambio depende del tamaño, la polaridad y la concentración de las partículas que atraviesan la membrana. - Compartimentalización. La membrana plasmática delimita todo el contenido de la célula, en cambio la membrana nuclear y citoplasmáticas determinan la formación de compartimientos dentro de la célula. En estos espacios ocurren reacciones químicas especificas, lo que determina funciones especializadas, con una división del trabajo celular. - Transporte de partículas. Las membranas poseen mecanismos para transportar sustancias de un lado al otro de las mismas, permitiendo a la célula acumular nutrientes, azúcares y aminoácidos, necesarios como fuente de energía para su metabolismo y como materia prima para sus macromoléculas. También las membranas son importantes en la separación de iones y en establecer gradientes iónicos (ampliaremos este concepto mas adelante). - Interacción entre células: La membrana plasmática media las interacciones que ocurren entre las células de un organismo multicelular. Por ejemplo, en ella existen receptores que se unen transitoriamente a moléculas especificas o ligandos, provocando una determinada respuesta celular. También permite a las células reconocerse entre sí. - Soporte de enzimas: La estructura de las membranas permite mantener ordenados los sistemas multienzimáticos, aumentando la eficiencia de las reacciones. Esto es Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial. 11 particularmente importante en los mecanismos de conversión energética que ocurren a nivel de membrana. - Anclaje del citoesqueleto: Los componentes del mismo se unen a la membrana, participando del mantenimiento de la forma y la motilidad celular. COMPOSICION QUIMICA DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS Se ha estudiado la composición molecular de las membranas plasmáticas de muchas células, así como también las membranas de organelas intracelulares. Todas contienen lípidos anfipáticos, que, según el tipo de membrana, constituyen entre el 20% y el 80% de la masa de la misma; El resto está constituido, principalmente, por proteínas y, una baja proporción de glúcidos. Las membranas intracelulares tienen un alto porcentaje de proteínas posiblemente por una mayor actividad enzimática de esas membranas. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Mielina Mitocondrial externa Mitocondrial interna Interna de Cloroplasto Plasmática de Hepatocito Plasmática de eritrocito Bacteriana % LÍPIDOS 79 50 76 70 44 49 75 % PROTEÍNAS 18 50 24 30 52 43 25 % GLÚCIDOS 7 0 0 0 4 8 0 Composición química de algunas membranas biológicas. COMPONENTES I -LIPIDOS - Fosfolípidos - Colesterol - Glucolípidos II -PROTEINAS - Integrales o intrínsecas - Periféricas o extrínsecas III -GLUCIDOS - Glucoproteínas - Glucolípidos Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 12 A continuación estudiaremos estos componentes: su función, además de su contribución a la asimetría y fluidez de la membrana. I - Lípidos de Membrana La función de los lípidos de membrana es estructural, ya que establecen un límite y una barrera de permeabilidad. En el esquema se representa la estructura de una molécula de fosfolipídos. En las membranas biológicas pueden encontrarse distintos tipos de fosfolípidos que difieren entre sí solamente en la estructura química de sus grupos de cabeza (que aparecen esquematizados en círculos) Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 13 Los tres componentes lipídicos mayoritarios de las membranas son los fosfolípidos, el colesterol y los glucolípidos. El porcentaje de cada uno de estos tipos de lípidos varía en las distintas membranas y está relacionado con las funciones específicas de estas membranas. Los tres grupos de moléculas lipídicas son anfipáticas: un extremo de la molécula es polar (hidrofílico) y otro extremo es no polar (hidrofóbico). Debido a esta característica, cuando se encuentran en un medio acuoso las moléculas se organizan espontáneamente escondiendo hacia el interior sus zonas no polares y sumergiendo en el medio su extremo polar. Los fosfolípidos tienen una cabeza polar constituida por un grupo fosfato unido un residuo de colina, etanolamina, serina o inositol y a un glicerol. Unida a esta cabeza, hay dos colas hidrofóbicas, que son, cada una de ellas, un ácido graso. Las colas varían en su longitud y en su grado de saturación (presencia de dobles enlaces), estas diferencias afectan la fluidez de la membrana. Los fosfolípidos forman, en un medio acuoso, bicapas (capas bimoleculares) que tienden a cerrarse sobre sí mismas, eliminando de esta forma los extremos libres, en los cuales las colas hidrofóbicas podrían entrar en contacto con el agua. Las bicapas lipídicas también pueden constituir, por autoensamblado, vesículas esféricas y cerradas, aislando así su interior del fluído externo. Estas vesículas, denominadas liposomas, al romperse, pueden autosellarse nuevamente (ver Fosfolípidos, Unidad 2). Debido a todas estas características -fluidez, autoensamblado y autosellado o reparación- una bicapa lipídica es la estructura base ideal para las membranas celulares. Es importante destacar que la bicapa lipídica, al tener el interior hidrocarbonado, impide el pasaje de la mayoría de las moléculas biológicas polares (azúcares, aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos) y de iones; esto le permite a la bicapa actuar como una barrera. Los lípidos de la bicapa tienen la fluidez de un aceite, permitiendo la existencia de movimientos propios de la fase líquida. Por ende, los fosfolípidos vecinos pueden intercambiar sus sitios dentro de una monocapa, produciéndose una rápida difusión lateral (aproximadamente 10- por segundo). Puede existir intercambio de moléculas lipídicas entre monocapas opuestas, proceso denominado "flip-flop" o difusión transversal, el cual se produce con baja frecuencia (menos de una vez por semana). El movimiento de los fosfolípidos en la bicapa puede ser en flip-flop (arriba) o, simplemente, un movimiento lateral sobre la misma cara de la bicapa (abajo). Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 14 Por otra parte, la fluidez de la bicapa lipídica depende del largo y grado de saturación de las cadenas hidrocarbonadas (cantidad de enlaces simples y dobles entre carbonos). Cuanto más cortas son las cadenas, menor es la interacción entre ellas, y los dobles enlaces producen inclinaciones en las mismas, dificultando su empaquetamiento. La estabilidad de las bicapas lipídicas esta dada por: 1) uniones débiles, no covalentes, como las interacciones hidrofóbicas y las fuerzas de Van der Waals (ambas entre cadenas de los ácidos grasos). 2) fuerzas electrostáticas y puentes de hidrógeno entre las cabezas polares de los fosfolípidos y el medio acuoso. La asimetría en la organización de todos los componentes químicos de la membrana se traduce en la existencia de varios tipos de moléculas fosfolipídicas con distribución asimétrica. Es decir, que la composición de la mezcla de fosfolípidos de una bicapa difiere de la otra. Por ejemplo, en los eritrocitos humanos, en la capa interna predominan los fosfolípidos fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina, mientras que la capa externa es rica en fosfatidilcolina y esfingomielina. Es posible que la asimetría lipídica tenga como función mantener la correcta orientación de las proteínas de membrana. colesterol Asimetría de la bicapa lipídica dada por la presencia de distintas moléculas fosfolipídicas en ambas caras de la bicapa, la posición del colesterol y la de enlaces dobles en las cadenas hidrocarbonadas. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 15 El colesterol es una molécula grande, constituida por cuatro anillos de carbono unidos entre sí, más un grupo hidroxilo. (Ver su estructura en la Unidad 2). El colesterol solo esta presente en las membranas de las células eucariontes animales. Se orienta con su extremo hidrofílico pequeño hacia la superficie externa de la bicapa y todo el resto de su estructura empacada entre las colas de los ácidos grasos de los fosfolípidos. El colesterol regula la fluidez y aumenta la estabilidad mecánica de la bicapa. Las membranas que contienen colesterol presentan mayor fluidez en el interior que en las zonas cercanas al medio acuoso, impidiendo a las cadenas hidrocabonadas juntarse y cristalizar. De esta forma, inhibe las transiciones de fase producidas por la temperatura y mantiene la bicapa en estado líquido. Por otra parte, la importancia del colesterol en el mantenimiento de la estabilidad queda al descubierto en células animales que poseen una alteración genética que impide la síntesis del mismo. Estas células se lisan rápidamente, pero si se añade colesterol al medio de cultivo, éste se incorpore a la bicapa y la estabiliza permitiendo, así, la supervivencia de estas líneas celulares. El colesterol se distribuye asimétricamente al no estar uniformemente distribuido en ambas bicapas. Los glucolípidos tienen una estructura similar a un fosfolípido en el cual la cabeza polar esta constituída por uno o más residuos de glúcidos. Colaboran en la asimetría de la membrana al encontrarse sólo en la mitad externa de la bicapa, con sus residuos glucosídicos expuestos en la superficie celular. Si bien su función no se ha comprobado, se supone que juegan un papel fundamental en la comunicación celular (receptores de señal entre células). Los glucolípidos constituyen una fracción muy pequeña de las membranas de las células animales, aproximadamente un 5% de las moléculas lipídicas de la monocapa exterior. Es importante destacar que los glucolípidos difieren entre individuos de distintas especies y. aún, entre los tejidos de organismos de una misma especie. En las bacterias y plantas casi todos los glucolípidos derivan del glicerol. En cambio, en las células animales, derivan casi siempre de la esfingosina (un amino alcohol), constituyendo glucoesfingolípidos (un residuo de azúcar, una cola derivada de la esfingosina, y otra cola de ácido graso).Poseen una apariencia similar a la de los fosfolípidos, con una cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas. En las membranas celulares encontramos glucolípidos neutros, como por ejemplo el galactocerebrósido. Es uno de los glucolípidos más simples y posee solamente galactosa en su grupo polar de cabeza. Se encuentra en grandes cantidades en la mielina que rodea al axón de la neurona. Los gangliósidos, glucolípidos más complejos, contienen un oligosacaridos como cabeza polar y se localizan principalmente en las membranas plasmáticas de las neuronas, aunque también se encuentran en otros tipos celulares en menor proporción. II - Proteínas de Membrana Así como los lípidos se encargan de formar la matriz, las proteínas desempeñan la mayoría de las funciones específicas de las membranas biológicas. Por ende, la cantidad y tipo de proteínas de una membrana reflejan su función: en la vaina de mielina menos de un 25% de la masa de la membrana es proteica, en cambio en las membranas transductoras Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 16 de energía, como las membranas internas de las mitocondrias y cloroplastos, encontramos alrededor de un 75% de proteínas. Las proteínas de membrana pueden cumplir funciones estructurales, de reconocimiento, de transporte o enzimáticas. Su localización está estrechamente ligada a estas funciones. Según la naturaleza de su asociación con la membrana, pueden distinguirse dos clases de proteínas: a) integrales o intrínsecas b) periféricas o extrínsecas Interacción de las proteínas integrales y periféricas con la bicapa lipídica. a) Las integrales se encuentran insertadas dentro de la bicapa lipídica. Son de carácter anfipático, ya que poseen regiones hidrofóbicas que interaccionan con las colas de los fosfolípidos, y regiones hidrofílicas que se conectan con el medio acuoso en uno o ambos lados de la bicapa. Estas últimas se denominan proteínas transmembrana. Para ser extraídas de la bicapa deben utilizarse métodos drásticos como detergentes o disolventes orgánicos, que desensamblen los componentes de la membrana. Algunas proteínas integrales, unidas en dímeros o tetrámeros, forman canales o pequeños orificios que atraviesan la membrana. Éstos permiten el transporte de moléculas polares, para las cuales la bicapa lipídica es impermeable. Otro grupo de proteínas integrales actúan como receptores, fijando ciertas moléculas. También pueden cambiar de conformación y transmitir, a proteínas vecinas, modificaciones químicas que activan ciertas funciones celulares. Existen algunas proteínas integrales formadas, generalmente, por seis subunidades agrupadas en hexágonos, llamadas GAP JUNCTION (uniones comunicantes), que permiten a dos células comunicarse entre sí e intercambiar metabolitos. Las proteínas transmembrana están dispuestas de manera asimétrica porque los Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 17 polipéptidos que emergen a cada lado de la bicapa son diferentes. Las proteínas colaboran en la fluidez de la membrana debido a que presentan movimientos de difusión lateral y rotación. Como ejemplos podemos nombrar a las glucoforinas y la proteína denominada Banda III presente en la membrana del eritrocito. Glucoforina de la membrana externa de eritrocito, que sirve de soporte a una serie de antígenos (polisacáridos) de los grupos sanguíneos. b) Las periféricas se hallan expuestas sólo al medio acuoso en un lado de la bicapa (disposición asimétrica) y pueden estar ancladas a la membrana mediante interacciones no covalentes con proteínas transmembrana. Además pueden ser extraídas fácilmente usando métodos suaves como tratamiento con soluciones salinas. Como ejemplo de este tipo de proteínas, podemos citar a la actina, una proteína que interviene en la motilidad celular y en la contracción muscular. En conclusión, las proteínas de membrana pueden estar asociadas a la bicapa lipídica de cuatro maneras diferentes: - atravesando totalmente la bicapa Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 18 - atravesando parcialmente la bicapa - fijadas por interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana - unidas covalentemente a fosfolípidos de una de las monocapas Proteínas de membrana. 1: atravesando totalmente la bicapa; 2: atravesando parcialmente la bicapa; 3: fijadas por interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana; 4: unidas covalentemente a fosfolípidos de una de las monocapas III- GLÚCIDOS DE MEMBRANA Se encuentran en la superficie de todas las células eucariontes. La mayor parte de los carbohidratos forman cadenas de oligosacáridos unidos covalentemente a proteínas de membrana (glucoproteínas) o en menor proporción a lípidos, formando glucolípidos (cerebrósidos y gangliósidos). Mientras que la mayoría de las proteínas expuestas en la membrana presentan más de una cadena de oligosacáridos, sólo una de cada diez moléculas de lípidos posee oligosacáridos y presentan una única cadena. Ambos tipos de carbohidratos se localizan, asimétricamente, solamente en las superficies no citoplasmáticas, por lo tanto en la membrana plasmática se exponen mirando hacia el exterior celular y, en las membranas internas, se presentan mirando hacia el lumen (cavidad) del compartimiento rodeado por la membrana. La superficie celular, rica en carbohidratos, se denomina glucocalix. Por ejemplo, la membrana del eritrocito tiene en su monocapa externa más de doce tipos diferentes de glicolípidos, algunos de estos constituyen los antígenos de los grupos sanguíneos. La glucoforina es una glucoproteína presente en la membrana de los eritrocitos humanos que posee hasta 16 cadenas de oligosacáridos, con extremos cargados negativamente. Debido a estas cargas, los eritrocitos se repelen entre sí, evitando la formación de grumos cuando estos circulan a través de los vasos sanguíneos de bajo calibre. Los oligosacáridos se unen a los aminoácidos de la porción extramembrana de la proteína según se observa Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 19 en el siguiente esquema: La función que cumplen los glúcidos en la membrana es la de intervenir en el reconocimiento intercelular, como consecuencia de su gran diversidad estructural. Recuérdese el ejemplo anterior de los antígenos de grupo sanguíneo. Al estar presentes sólo en una de las caras de la bicapa contribuyen al carácter asimétrico de las membranas biológicas. Glucoforina Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 20 En resumen, el modelo aceptado actualmente, basado en la integración de los datos de análisis químicos y de la aplicación de varias técnicas biofísicas, considera a la membrana como una estructura en mosaico y fluido. Los lípidos y las proteínas están organizadas en mosaico (disposición de distintas moléculas todas asociadas en un gran complejo). Por otra parte, las membranas son estructuras casi fluidas, los lípidos y las proteínas tienen movimientos de traslación dentro de la bicapa, como ya vimos anteriormente, manteniéndose la estructura de la membrana por uniones no covalentes. Este movimiento es muy importante para las funciones celulares. Recordemos que la fluidez de la membrana depende, en gran parte, de la naturaleza de los fosfolípidos que la constituyen, y, además, del carácter regulador del colesterol. En conclusión, el carácter fluido de la membrana está relacionado con las siguientes características: A mayor número de ligaduras dobles (cadenas hidrocarbonadas insaturadas), mayor es la fluidez de la membrana y menor la temperatura de fusión. A mayor longitud de las cadenas hidrocarbonadas saturadas (cadenas de enlaces simples entre carbonos), mayor será el empaquetamiento, por lo tanto, más baja la fluidez y más alta la temperatura de fusión de la membrana. El colesterol, al impedir la interacción entre las cadenas de ácidos grasos, regula la fluidez de la membrana. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 21 TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Al describir las funciones de las membranas biológicas se destacó su carácter de barrera de permeabilidad selectiva, es decir no es igualmente permeable a todo tipo de sustancias. Esta selección se basa, fundamentalmente, en la polaridad de las sustancias que atraviesan la membrana, así como también en su tamaño y grado de concentración. La presencia de un interior hidrofóbico en la bicapa lipídica la hace impermeable a la mayoría de las moléculas polares, impidiendo, tanto la entrada de éstas, como la pérdida de la mayoría del contenido hidrosoluble de la célula. La permeabilidad selectiva permite mantener un medio intracelular diferente al extracelular. La célula debe absorber nutrientes y excretar los productos residuales. Para ello, posee sistemas especiales de transporte a través de la membrana, que le permiten regular la entrada o salida de las mismas. Podemos clasificar los mecanismos de la siguiente forma: Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 22 Transporte Pasivo Se llama transporte pasivo al movimiento de partículas desde un lugar en que se encuentran más concentradas hacia donde se hallan menos concentradas, es decir, a favor de un gradiente de concentración. Este desplazamiento es una difusión. El movimiento es espontáneo, por lo cual no requiere aporte de energía, y se realiza hasta que las partículas queden uniformemente distribuídas. Cuanto mayor es la diferencia de concentraciones, mayor será la velocidad de difusión. Esta velocidad también está condicionada por el tamaño de las partículas, difundiendo más rápidamente las partículas más pequeñas. DIFUSIÓN SIMPLE Si la molécula transportada es no polar, su diferencia de concentración a ambos lados de la membrana será el determinante principal de la dirección de transporte. El O2 , CO2 , y pequeñas moléculas hidrófobas atraviesan la bicapa lipídica, es decir difunden entre los fosfolípidos de la membrana. Este es un mecanismo que se caracteriza por: - El pasaje de los solutos es a favor del gradiente de concentración a través de los fosfolípidos de la bicapa. - La molécula que atraviesa la membrana no tiene carga eléctrica. - Es no saturable, es decir no existe límite en la cantidad de moléculas que pueden ser transportadas. - La velocidad del pasaje depende de la solubilidad en lípidos de las moléculas transportadas. Moléculas liposolubles y gases Exterior celular Citoplasma Esquematización difusión simple. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial de la 23 OSMOSIS El concepto de ósmosis es sólo aplicable al pasaje de agua desde un compartimiento a otro, separados por una membrana que sólo permite el pasaje de solvente pero no de solutos. El pasaje de agua se va a realizar desde el compartimiento que tenga la solución mas diluida (mayor proporción de agua, pero menos solutos), hacia el compartimiento que posea la solución más concentrada (menor proporción de agua, pero más solutos). Las partículas en solución acuosa, ya sean moléculas polares o iones, interactúan con el agua. Las primeras forman puentes de hidrógeno, y las partículas iónicas se rodean de moléculas de solvente. Esto significa que se ejerce una presión extra sobre las paredes celulares: la presión osmótica. La presión ejercida por las moléculas de agua que rodean al soluto es mayor que la ejercida por el solvente solo. Cuanto mayor número de partículas haya en una solución, mayor presión osmótica se ejercerá. El pasaje de agua desde las soluciones mas diluidas, llamadas hipotónicas, hacia las más concentradas, denominadas hipertónicas, tiene como fin reducir la presión osmótica en el compartimiento donde existe mayor número de partículas. Como consecuencia de esto, aumenta el volumen en uno de los compartimientos, lo cual puede llegar a ser peligroso para la célula. Por lo tanto, este mecanismo de pasaje es fundamental para mantener presiones osmóticas aproximadamente iguales a uno y otro lado de la membrana, lo que determina la existencia de dos soluciones isotónicas, entre las cuales no hay un pasaje neto de agua. Así, podemos decir que el pasaje de agua se produce siempre desde el compartimiento de menor presión osmótica, al de mayor presión osmótica, hasta que las presiones se igualen. DIFUSIÓN FACILITADA La difusión facilitada es un mecanismo de transporte que no requiere aporte de energía e involucra a proteínas de membrana. Estas pueden ser proteínas canal o proteínas transportadoras, tambien llamadas carrier. En el primer caso el transporte es a favor del gradiente electroquímico y en el segundo caso a favor del gradiente de concentración, operando en ambas direcciones. Si la partícula transportada tiene carga neta, como por ejemplo los iones, su pasaje se ve influenciado tanto por el gradiente de concentración como por la diferencia de cargas existente a ambos lados de la membrana, o sea, gradiente eléctrico. Ambos gradientes constituyen el gradiente electroquímico. La membrana plasmática presenta una diferencia en la distribución de cargas a ambos lados de la misma. La cara interior es negativa respecto de la exterior. Por esta razón, los iones cargados positivamente entrarán más fácilmente que los que posean carga negativa. El transporte de estos solutos, pequeños y cargados, se realiza a través de proteínas denominadas canal. Éstas son proteínas integrales transmembrana que poseen un canal hidrofílico. La mayor parte de los canales iónicos son selectivos, y solo permiten el paso de un tipo particular de ion. Además son bidireccionales, permiten el paso de iones en ambas direcciones y el flujo neto del ion depende del gradiente electroquímico. La mayor parte de los canales iónicos pueden tener conformación abierta o cerrada, a modo de compuerta. La Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Esquematización de la difusión facilitada. abertura de la compuerta puede ser inducida por distintos factores, que dependen del canal en particular. Existen dos categorías principales: a) canales regulados por voltaje, en la que su conformacion abierta o cerrada depende del gradiente electrico a traves de la membrana. b)canales regulados por ligandos, cuyo estado de conformación depende de la unión de una sustancia química particular. Algunos autores incluyen este tipo de transporte por canal iónico dentro de difusión facilitada, argumentando que esta facilitado por una proteína que media en transporte. Otros autores incluyen a los que se encuentran la mayor parte del tiempo abiertos como difusión simple. Las partículas de mayor tamaño y polares, por ejemplo moléculas de glucosa, sacarosa, aminoácidos y nucleótidos, requieren para poder difundir a través la membrana primero unirse selectivamente a una proteína que atraviesa la membrana. Esta proteína transportadora (carrier) une y transfiere específicamente una molécula de soluto a través de la bicapa lipídica. La unión del soluto a un carrier sobre un lado de la membrana desencadena un cambio de conformación de la proteína transportadora que libera el soluto del otro lado de la membrana siguiendo su gradiente de concentración. Resumiendo la difusión facilitada mediada por carrier tiene las siguientes características: • • • • • • • • Los solutos atraviesan la membrana utilizando proteínas integrales transmembrana. Los solutos transportables son sustancias polares sin carga eléctrica neta, como por ejemplo la glucosa, o sustancias polares con carga eléctrica. Las moléculas difunden a favor del gradiente de concentración. No hay gasto de energía. La molécula, al ponerse en contacto con el carrier, induce en éste un cambio conformacional que permite el pasaje de la molécula. Cada proteína transportadora tiene un sitio de unión especifico para un soluto determinado. La unión carrier-molécula es de alta afinidad, específica y reversible. Es saturable, ya que existe un número limitado de transportadores en cada Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial • • • membrana. Esto no ocurre en el caso de la difusión simple. El transporte alcanza su velocidad máxima cuando la proteína transportadora está saturada, esto ocurre cuando todos los sitios de unión están ocupados. Esta velocidad máxima es específica para cada carrier Puede producirse la inhibición competitiva, ya que dos moléculas de estructura similar, pueden competir por la unión al mismo carrier. Puede producirse inhibición no competitiva cuando una molécula se une al carrier, en un sitio distinto del sitio de unión, y le cambia la conformación al transportador, interfiriendo con el transporte. TRANSPORTE ACTIVO Es una forma de transporte que se caracteriza por el pasaje de solutos desde el medio en que encuentran menos concentrados hacia donde su concentración es mayor, es decir que el movimiento de partículas se produce en contra del gradiente de concentración. Para llevar a cabo este movimiento, la célula debe efectuar un trabajo, por lo tanto gasta energía; la misma proviene de la reacción química acoplada al transporte. Sistemas Primarios: Bombas Son sistemas de transporte activo a través de proteínas asociadas a funciones enzimáticas. Son, en general, ATPasas. Adenosín-trifosfatasas o ATPasas: Son enzimas de membrana que acoplan la hidrólisis de ATP a la transferencia de cationes. Translocan cationes inorgánicos. Son proteínas de membrana integrales, con porciones intracelulares, extracelulares o también intramembranosas. Sistema de transporte activo por bombas, en contra de un gradiente de concentración, con gasto de ATP. ATPasas E1-E2: Todas ellas son proteínas enzimáticas que contienen ácido aspártico en su sitio activo. Pueden adquirir dos conformaciones en su funcionamiento: E1 y E2. Durante el bombeo de iones la hidrólisis de ATP transfiere un grupo fosfato a uno de los aminoacidos de la proteina de transporte, provocando el cambio de conformacion de la bomba. Se encuentran en las células eucariontes. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 26 EJEMPLOS: Na+-K+ ATPasas: Se encuentran en la membrana plasmática de las células eucariontes. La reacción que catalizan es el bombeo de tres iones de Na+ hacia el exterior y dos iones de potasio hacia el interior celular por cada ATP hidrolizado por la proteina bomba. Las células consumen en esta reacción el 10% de su energía metabólica. La bomba genera un gradiente de potencial eléctrico debido al desigual número de cationes transportados a través de la membrana celular. De esta forma quedan más cargas positivas en el exterior, contribuyendo al mantenimiento del volumen celular y a la generacion de impulsos nerviosos en las celulas nerviosas. La siguiente figura es una representación esquemática del funcionamiento de la Na+K+ ATPasa: Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 27 Ca2+-ATPasas: Se encuentran tanto en el retículo endoplásmico como en la membrana plasmática. En condiciones fisiológicas, por cada molécula de ATP hidrolizada, trasloca uno a dos cationes hacia el exterior del citoplasma. H+-K+ ATPasas: Se encuentran en la membrana apical de las células parietales de la mucosa gástrica. La bomba toma K+ de la luz estomacal y lo intercambia por H+ que son segregados a la luz gástrica. Debido al aumento de concentración de K+ en el interior celular, éste sale pasivamente a la luz, acompañado por el cloro (Cl-), para mantener la electroneutralidad. El resultado final es la secreción, hacia la cavidad estomacal, de ácido clorhídrico (HCl), responsable del carácter ácido de los jugos gástricos. ATPasas F0-F1: Son enzimas que trabajan en sentido inverso a las anteriores, ya que, en este caso la síntesis de ATP está impulsada por la diferencia de concentración de H+ a ambos lados de la membrana. EJEMPLO: H+-ATP sintetasa mitocondrial: Son enzimas muy similares a las ATPasas de transporte descriptas anteriormente. Se encuentran en las membranas plasmáticas de las bacterias aeróbicas y en las membranas mitocondriales y cloroplásticas internas de las células eucariontes. Sistemas Secundarios: Cotransporte La energía para este mecanismo de transporte es la energía potencial almacenada en forma de un gradiente electroquímico (por ejemplo gradiente de Na+, K+, H+). Consiste en el transporte activo de una sustancia desde una región de baja concentración hacia otra de alta, con acoplamiento del transporte de otra sustancia que se traslada a favor de su gradiente de concentración. Por esta razón se considera que estos sistemas funcionan como un cotransporte. Las características generales del mismo son: • La trasferencia de solutos a través de la membrana se realiza mediante proteínas de transporte que atraviesan la membrana. • La transferencia de un soluto depende de la transferencia simultánea o secuencial de otro soluto. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Esquematización de los sistemas de cotransporte. Según la dirección de transferencia de ambos solutos se diferencian en Simporte o transporte unidireccional y Antiporte o Contratransporte. Simporte o transporte unidireccional: Es un sistema en el cual ambos solutos se transportan en el mismo sentido. Una de las moléculas lo hace a favor del gradiente de concentración y la otra lo hace en contra. No hay gasto directo de energía, aunque implica un gasto energético en otra parte de la célula. Para ejemplificar citaremos el transporte de glucosa y aminoácidos desde la cavidad intestinal hacia el interior de los eritrocitos de los capilares sanguíneos que rodean el intestino: el Na+ se encuentra en mayor concentración extracelularmente (luz intestinal). Cuando éste se transporta a favor de su gradiente, la glucosa o aminoácidos se acoplan a este transporte, de manera tal que una molécula de glucosa es arrastrada en contra de su propio gradiente de concentración. Antiporte o contratransporte: Es un sistema de transporte por el cual dos moléculas atraviesan la membrana simultáneamente en diferente sentido. Una de las moléculas se mueve a favor del gradiente de concentración y la otra en contra. Por ejemplo, en el intercambio Na+ / Ca+, el Na+ entra a la célula a favor de gradiente, ya que se encuentra en mayor concentración en el compartimiento extracelular. Por cada Na+ traslocado, un Ca+ es arrastrado simultáneamente, en contra de su gradiente hacia el medio extracelular. TRANSPORTE EN MASA Es un mecanismo que la célula utiliza para transportar partículas de gran tamaño. Implica la formación de vacuolas constituídas por porciones de la membrana plasmática. Es un proceso endergónico, es decir que necesita un aporte contínuo de energía Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 29 química, en forma de nucleótidos trifosfato, como GTP y ATP. Existen evidencias de que el citoesqueleto -estructura de fibras proteicas que da armazón y forma a las células animales- participa activamente en este tipo de transporte. De acuerdo a la dirección del movimiento de partículas, existen dos tipos básicos de transporte en masa: exocitosis, consistente en la expulsión de sustancias hacia el medio extracelular, y endocitosis, que implica la incorporación de elementos hacia el interior de la célula. Endocitosis Ocurre cuando las sustancias se contactan con ciertas regiones de la membrana plasmática, ésta se invagina y se estrangula formando una vesícula, que engloba a la partícula para transportarla al interior celular. Este proceso provoca la perdida de membrana plasmática que pasa a formar parte de la membrana de la vesícula. Según el tamaño de la partícula a incorporar se pueden diferenciar distintos tipos de endocitosis. Si se trata de grandes partículas, microorganismos o residuos celulares que son ingeridos mediante vesículas de gran tamaño, el proceso se denomina fagocitosis o “comida de la célula”. En la fagocitosis la célula emite pliegues de la membrana plasmática rodeando a la partícula, que previamente se a unido a la superficie de la célula. Los pliegues se fusionan para formar una vacuola, fagosoma, que se desprende de la membrana plasmática hacia el interior de la célula. La fagocitosis es llevada a cabo por células fagocíticas especializadas como por ejemplo, los macrófagos y los leucocitos Líquido extracelular polimorfo nucleares que viajan por la sangre y los tejidos fagocitando vesículas organismos invasores, células pinocíticas dañadas, sustancias de desecho y eritrocitos envejecidos. Además algunos protozoarios emplean este Citoplasma mecanismo para su alimentación, ingiriendo partículas de nutrientes y organismos celulares más Partícula sólida pequeños. vesícula Cuando la endocitosis fagocítica comprende la incorporación de líquidos o solutos pequeños en fase acuosa, que son ingeridos mediante pequeñas vesículas, se denomina pinocitosis o “bebida de la célula”. Por este mecanismo, invaginaciones de la membrana plasmática atrapan diminutas microgotas de líquidos, que se liberan en el citoplasma como pequeñas vesículas, luego el contenido de estas se transfiere lentamente al citoplasma a través de la membrana de las propias vesículas. En la mayoría de los tejidos este es un proceso continuo. En un tercer tipo, la endocitosis mediada por receptor, proteínas o partículas extracelulares especificas se unen a proteínas receptoras incluidas en la membrana plasmática. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Una vez producida la unión, comienza la formación de la vesícula. Un ejemplo de este mecanismo es la endocitosis, mediada por receptor, para la incorporación de proteínas LDL, que desarrollaremos más adelante en esta unidad. Exocitosis: Es un proceso de secreción. Las sustancias que se liberan, como por ejemplo en el sistema de Golgi, son transportadas por pequeñas vesículas que se fusionan con la membrana plasmática para verter su producto en el medio externo. Un ejemplo de este mecanismo es la liberación de proteínas como la insulina. Es un proceso exactamente inverso al de endocitosis. Secuencia de fases de la exocitosis. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 31 RECEPTORES CELULARES Para expresar sus efectos biológicos, ciertas sustancias como las hormonas (moléculas mensajeras), los factores de crecimiento, la histamina, las prostaglandinas, etc., necesitan unirse a proteínas de la membrana llamadas receptores específicos. La molécula que se une al receptor se llama ligando. Los receptores, en su gran mayoría, son glucoproteínas complejas de alta afinidad y especificidad, que, al unirse a su ligando especifico, provocan respuestas fisiológicas celulares de diversa índole. Las características generales que presenta un receptor son las siguientes: • • • Especificidad: significa que el receptor puede unirse en forma efectiva a uno y solo un ligando. Afinidad: significa avidez química por el ligando en cuestión. Reversibilidad: la unión entre la hormona y el receptor debe ser "reversible" para terminar el efecto del ligando, y permitir una nueva estimulación. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS RECEPTORES DE MEMBRANA Los receptores de membrana son sitios de la superficie celular especializados en fijar sustancias específicas. Existen también receptores citoplasmáticos y nucleares, de hormonas esteroideas y hormonas tiroideas, las que al ser pequeñas y liposolubles pueden atravesar la membrana. Nos referiremos a los receptores de membrana, que se clasifican en tipos. TIPO 1: Son generalmente glicoproteínas de elevado peso molecular, que corresponden a proteínas integrales de membrana y poseen varias subunidades. El ligando, al unirse al receptor, produce un cambio en la conformación de este último, que de esta manera queda activado. Los receptores activados transmiten el mensaje del ligando a un sistema de membrana que genera una molécula mensajera intracelular llamada segundo mensajero (el primer mensajero sería la hormona o cualquier otro ligando). Al proceso de liberar un segundo mensajero se lo llama amplificación del mensaje, debido a que permite que aún habiendo pequeñas cantidades de ligando , la respuesta celular sea altamente efectiva, porque dentro de la célula se produce una cascada enzimática, que multiplica el efecto de la molécula ligando. Ni el receptor ni el ligando penetran en el interior celular. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Receptor de Tipo 1. Cuando el ligando se une al receptor, desencadena una reacción dentro de la célula. TIPO 2: A diferencia de los anteriores, en estos receptores -una vez unido el ligando- se activan mecanismos que provocan la internalización del complejo hormona-receptor al interior celular, para cumplir allí sus funciones. No generan segundos mensajeros, es decir no hay amplificación. Por ende, la función de estos receptores estaría relacionada con la endocitosis del complejo hormonareceptor, lo cual se realiza en las siguiente etapas: 1) Interacción de la hormona con el receptor de membrana. 2) Desplazamiento y agrupamiento invaginaciones de la membrana. de estos receptores específicos 3) Formación de vesícula endocítica con el complejo dentro. 4) La vesícula se dirige al Sistema de Golgi y se produce la disociación del complejo en su interior. 5) La vesícula original se dividiría en dos, una con los receptores que se dirigiría a la superficie celular y otra que se fusionaría con vesículas Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial en 33 lisosómicas produciéndose la degradación de la hormona. Receptor de Tipo 2. Esquema de la endocitosis mediada por receptor para la incorporación de proteínas LDL y el reciclado de la molécula receptora. Para ambos tipos, podemos distinguir varios receptores o fijadores según la clase de ligando al que se unen: 1) Fijadores de hormonas polipeptídicas o que derivan de aminoácidos. 2) Fijadores de factores de crecimiento o factores mitogénicos. 3) Fijadores de sustancias varias, como proteínas plasmáticas: lipoproteínas de baja densidad (LDL), alfa 2 macroglobulina, transferrina, etc. Receptores que fijan Factores de Crecimiento o Factores Mitogénicos Los factores de crecimiento o factores mitogénicos, son sustancias de origen glicoproteico de bajo peso molecular, que inducen en las células respuestas biológicas diversas. Las más características son la estimulación del crecimiento y la diferenciación celular. Se ha comprobado que la proliferación y diferenciación, tanto de células normales como tumorales, están reguladas por señales derivadas de la unión de factores mitogénicos 34 a receptores de la superficie celular. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Dos de los factores de crecimiento mejor identificados, son el PDGF (factor de crecimiento derivado de las plaquetas), y el EGF (factor de crecimiento epidérmico). El PDGF estimula el crecimiento del tejido conjuntivo (fibroblastos) y células musculares lisas. Por otra parte, el EGF es necesario para el crecimiento óptimo de los tejidos epiteliales. Los receptores para el PDGF y el EGF poseen una proteína quinasa de tirosina, que se activa por la unión del ligando. de esta manera estimulan varias vías metabólicas celulares, así como la activación de la síntesis de ADN (replicación) y ARNm (transcripción). La mayor parte de los receptores mitogénicos actúan a través de un segundo mensajero (receptores de clase 1), pero otros se internalizan y cumplen su función dentro de las células (receptores de clase 2). Además de todos los tipos de receptores mencionados, existen receptores fijadores de sustancias varias. La ubicación de estos receptores es muy diversa, ya que pueden hallarse, en el saco vitelino, placenta o en el tubo digestivo. En cuanto a los ligandos, son proteínas plasmáticas o de otro tipo. Estructura de la porstaglandina PGE2α . Esta sustancia induce la sínttesis de ADN y la división celular de la célula sobre la actúa. Es un agente “mitogénico”, es decir induce la mitosis. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 35 HORMONAS Y SUPERFICIE CELULAR El término hormona fue usado por primera vez en 1905 y deriva de la palabra griega que significa estimular o excitar. Las hormonas son compuestos que se sintetizan en ciertas células del organismo y actúan sobre otro tejido u órgano. Por ejemplo, la progesterona es una hormona esteroide producida en el ovario y que cumple su función en el útero. Las hormonas son compuestos de naturaleza química variada, que se encuentran en vertebrados superiores, en algunos invertebrados y también en plantas vasculares. A pesar de esta diversidad, las hormonas se han agrupado en dos clases: a) aquellas que no pueden atravesar la membrana plasmática, como la insulina y la adrenalina, ambas de estructura peptídica. b) aquellas que atraviesan libremente la membrana plasmática, como las hormonas esteroides, la tri-yodotironina y la tiroxina; estas dos últimas derivadas de aminoácidos. La capacidad de una hormona para actuar sobre un tejido, depende de la presencia de una proteína receptora específica a la cual pueda unirse la hormona. Aquellas que no pueden entrar a la célula, se unen a receptores de la superficie de la membrana celular, mientras que las hormonas que se difunden libremente a través de la membrana se unen a receptores intracelulares. Las hormonas que interactúan con los receptores en la membrana celular deben transmitir de algún modo una señal al interior de la célula. Esto lo logran estimulando la producción de un segundo mensajero, o mensajero secundario (el más común es el AMPcíclico), siendo la hormona el primer mensajero. Muchos receptores hormonales utilizan una proteína transductora que atraviesa la membrana, para llevar la información del receptor activado a la enzima que cataliza la formación del segundo mensajero. Este actúa sobre los sistemas del interior de la célula para producir los efectos de la hormona. Hormona Exterior de la Célula Receptor ↓ Proteína Transductora ↓ Generador del Segundo Mensajero ↓ Segundo Mensajero ↓ Sistema Intracelular Efector Membrana Plasmática Interior de la Célula 36 Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Formación del AMPcíclico a partir de ATP, catalizada por la enzima adenilato ciclasa. Neurotransmisores y Membrana Neuronal La estructura que posibilita las conexiones entre dos neuronas, entre una célula sensorial y una neurona, o entre una neurona y una célula motora, se denomina sinapsis. El impulso nervioso pasa de una neurona a otra mediante el proceso conocido como transmisión sináptica. Este es un fenómeno mediado químicamente, en el que los mediadores son moléculas pequeñas, especializadas, llamadas neurotransmisores. En la sinapsis se pueden distinguir tres componentes: 1) el extremo presináptico, que está limitado por la membrana de la neurona. En el interior de esta célula se encuentran las vesículas con el neurotransmisor. 2) el espacio intersináptico o intercelular. 3) la membrana postsináptica, donde se localizan los receptores del neurotransmisor. Las vesículas que contienen el neurotransmisor, se fusionan con la membrana presináptica y liberan el neurotransmisor al espacio intersináptico por un proceso de exocitosis. Las moléculas del neurotransmisor se difunden a través del espacio intersinaptico hasta la membrana postsinaptica. Allí se unen a receptores específicos de la membrana. La unión del neurotransmisor al receptor desencadena la transmisión del impulso nervioso de una neurona a la otra. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 37 Transmisión sináptica de un impulso nervioso. PARED CELULAR Las principales diferencias entre una célula animal y una vegetal son la capacidad de fijar dióxido de carbono mediante la fotosíntesis, y la producción de una pared celular rigida. Esta pared está formada por fibras de celulosa englobadas en una matriz, compuesta predominantemente por dos clases de polisacáridos, hemicelulosa y pectina, junto con glucoproteinas estructurales. Las fibras y las moléculas de la matriz estan unidas entrecruzadamente por enlaces covalentes y fuerzas no covalentes, formando una compleja estructura. La pared celular vegetal tiene funciones de protección, esqueléticas, y de transporte. Es importante destacar que no existen sistemas de transportes mediados como en las membranas biológicas. Cada célula está rodeada por una pared celular, pero permanecen conectadas entre sí por puentes citoplasmáticos, revestidos de membrana plasmática, denominados "plasmodesmos". Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 38 Estos permiten el tránsito de pequeñas moléculas de una célula a otra. A B La pared celular de los vegetales consta de múltiples capas de celulosa. Las células en crecimiento fabrican primero una pared primaria delgada y flexible. Cuando la célula deja de crecer, se depositan capas más gruesas que forman la pared secundaria. Además los fluídos se infiltran a lo largo y a través de las paredes vegetales. En las células vegetales, los nutrientes, los productos de desecho y las señales químicas deben atravesar la pared. Debido a que su matriz es un gel polisacárido, el agua, los gases y las pequeñas moléculas solubles difunden rápidamente a través de la pared. Esta contribuye poco a la resistencia del flujo acuoso entre el citoplasma y el medio externo (alrededor del 10%), a comparación de la membrana plasmática (aproximadamente 90%). La estructura entrecruzada de la pared prácticamente impide el pasaje de cualquier macromolécula globular de elevado peso molecular. Por tanto las paredes celulares 38 restringen el intercambio de macromoléculas entre las células vegetales y su medio debido a su limitada porosidad. Por otra parte, la resistencia mecánica a la extensión de la pared permite a las células vegetales sobrevivir en un medio hipotónico con respecto al interior celular puesto que la célula podrá hincharse solo hasta los límites de la pared. Esta presión que ejerce la célula contra la pared mantiene a la célula turgente y en equilibrio osmótico, lo cual impide la entrada adicional de agua. Esta presión de turgencia proporciona gran parte de la rigidez mecánica de los tejidos vegetales vivos y es la principal fuerza conductora para la expansión celular durante el crecimiento. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial PROBLEMAS DE APLICACIÓN 1. Indique a cuál de las siguientes situaciones corresponde: a. glóbulos rojos en una solución que contiene 25 g de NaCl en un litro de agua b. glóbulos rojos en una solución acuosa de NaCl al 0.9 % c. glóbulos rojos en una solución que contiene 0.3 g de NaCl en 100 ml de agua. 2. Discuta la siguiente afirmación: “ La membrana plasmática selecciona la entrada de sustancias beneficiosas para la célula e impide la entrada de sustancias tóxicas”. 3. En un experimento se determinaron las velocidades de incorporación a los glóbulos rojos humanos de dos sustancias: A y B. Los datos obtenidos se representan en el siguiente gráfico. Proponga una explicación para la diferencia entre las dos curvas y dé ejemplos de dos moléculas que pudieran comportarse como las sustancias A y B. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial Los “ Receptores de lipoproteína de baja densidad” (RLDL) determinan la capacidad de las células para captar LDL de la sangre, evitando altos niveles de colesterol en la circulación sanguínea. Estos receptores se reciclan en la membrana celular. Considerando lo expuesto, indique, en el siguiente esquema, qué sucede en A, B, C, D y E. 4. 5. Explique cómo variaría la velocidad de transporte de cada una de las siguientes sustancias ante un aumento gradual de temperatura: glucosa - oxígeno - aminoácidos esenciales 6. Compare los mecanismos de transporte esquematizados en A y B. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial 7. Complete el siguiente cuadro con los porcentajes correspondientes a los distintos componentes de algunas membranas biológicas: 8. En el siguiente esquema indique: a) Tipo de célula que representa. b) Funciones de las biomem branas que se realizan en los sitios numerados del 1 al 7. Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial AUTOEVALUACIÓN 1. El transporte pasivo: a. no incluye a la difusión facilitada b. incluye ósmosis, difusión simple y simporte c. se realiza mediante hidrólisis de ATP d. es independiente de la concentración celular de ATP 2. El transporte activo por bombas se realiza: a. contra el gradiente de concentración, con gasto de energía y a través de proteínas integrales b. a favor del gradiente de concentración, con gasto de energía y a través de proteínas integrales c. contra el gradiente de concentración, sin gasto de energía e interviene toda la membrana d. con gasto de energía, interviene toda la membrana y a favor del gradiente de concentración 3. Cuál de las siguientes sustancias requiere gasto de energía metabólica para ingresar a la célula? a. agua c. oxígeno b. amilosa d. CO2 4. Tanto una molécula de glucosa como un ión podrán atravesar la membrana plasmática a través de: a. la bicapa lipídica. b. bombas c. proteínas integrales de membrana. d. proteínas canal específicas. 5. Si un organismo Protista, de vida libre en agua dulce, es colocado en agua salada: a. estallará debido a la entrada de agua por ósmosis b. se deshidratará debido a la entrada de agua por ósmosis c. gastará ATP para “bombear” agua hacia el citoplasma d. aumentará la concentración en su medio interno 6. El transporte en masa: a. se refiere solo al ingreso de macromoléculas b. implica siempre formación de vesículas c. implica simporte y antiporte d. no incluye la exocitosis 7. Las ATPasas: a. se encuentran en células eucariontes b. son exclusivos de neurona c. catalizan la formación de ATP a partir de ADP + Pi solo en procariontes d. son sistemas secundarios de transporte 8. Los receptores de membrana: a. se llaman también ligandos b. siempre son endocitados y reciclados c. se unen irreversiblemente a hormonas d. son altamente específicos. 9. Señale la opción correcta: a. Los neurotransmisores se liberan por exocitosis b. La pared primaria restringe el paso de iones c. El segundo mensajero se une al ligando para generar reacciones d. Las prostaglandinas son receptores de tipo 1 10. Si en una neurona de felino ingresa Na+ a favor de un gradiente, mientras que sale Ca++ simultáneamente: a. la célula no requerirá energía para el proceso b. se produce el fenómeno de simporte c. el transporte de Na+ generará un gradiente electroquímico d. el mecanismo involucrado es el de transporte en masa Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial GRILLA DE RESPUESTAS PARA LA AUTOEVALUACIÓN ALUMNO: INSTRUCTIVO Nº: COMISIÓN: FECHA: Coloque una cruz en el casillero correspondiente a la opción correcta: PREGUNTA OPCIÓN A B C 1 2 X X 3 X 4 X 5 X 6 7 X X 8 9 10 D X X X FIRMA DEL ALUMNO: Queda hecho el depósito que marca la ley Nº 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial
