"BIOLOGIA FUNCIONAL DE LOS ANIMALES

1. Una fisiología comparada metabólica y ambiental

editoras

MARÍA LUISA FANJUL DE MOLESMARCIA HIRIART URDANIVIA

por

MARÍA LUISA FANJUL DE MOLES

KARLA HERNÁNDEZ-FONSECA

LOURDES MASSIEU • LETICIA VERDUGO DÍAZ

MARCIA HIRIART URDANIVIA

BEATRIZ FUENTES. ENRIQUE MORENO

MARGARITA MARTÍNEZ • ROBYN HUDSON

sigloveintiunoeditores

MÉXICO

ARGENTINAESPAÑA

CAPÍTULO 2. TRANSPORTE TRANSMEMBRANAL

KARLA HERNÁNDEZ-FONSECA

y LOURDES MASSIEU

INTRODUCCIÓN

Los animales realizan diversas funciones a través de una compleja cadena de reac­ciones químicas, las cuales proceden de manera coordinada en condiciones esta­bles. ~~bilidad a nivel celular se logra en gran medida gracias a la presen­cia de una membrana plasmática semipermeable, que permite el paso de ciertoscompuestos hacia dentro o hacia fuera de la célula. En el mantenimiento de lacomposición del medio intracelular participan una serie de sistemas de transpor­te que permiten el movimiento de agua, iones y otros compuestos a través de lamembrana celular. A su vez, las respuestas celulares a los estímulos externos e in­ternos dependen de la activación de receptores y canales iónicos. A lo largo de estecapítulo revisaremos la composición y características dinámicas de las membranascelulares, y describiremos los principales sistemas de transporte de iones, solutos yagua. En el capítulo 8 se revisarán los mecanismos de regulación osmótica a nivelcelular responsables del mantenimiento del volumen celular, así como algunas delas estrategias que permiten a los animales mantenerse en equilibrio de sales yaguacon su medio ambiente.

1. COMPOSICIÓN Y ORGANIZACIÓN DE LA MEMBRANA CELULAR

Todas las membranas celulares, tanto la plasmática como la de los organelos inter­nos, S011 estructuras muy delgadas (del orden de nanómetros) formadas por ensam­blajes de lípidos y proteínas unidos principalmente por enlaces no covalentes. Elcontenido de lípidos representa el 50% de la masa membranal y existen tres tipos:1] los fosfolípidos o fosfoglicéridos, que contienen un esqueleto de glicerol. Éstosson los más abundantes, y entre ellos están la fosfatidilcolina, la fosfatidiletanolami­na y la fosfatidilserina; 2] los glucolípidos o esfingolípidos que contienen un esque­leto de esfingosina; y 3] los esteroles, como el colesterol. Los dos primeros tipos sonmoléculas anfipáticas, es decir, tienen un extremo o cabeza polar hidrofílico (so­luble en agua) y una cola hidrofóbica (insoluble en agua). Los fosfolípidos típicosde la membrana como la fosfatidilcolina, tienen dos colas apolares, una saturaday una no-saturada. En los esfingolípidos la cabeza polar está compuesta de uno omás azúcares (fig. 2.1). La naturaleza anfipática de los fosfolípidosle confiere a la

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membrana celular una organización característica. Las cabezas de los fosfolípidos seorientan hacia la fase acuosa, líquido extracelular y citoplasma, mientras que las co­las apolares son repelidas del agua, tal como el aceite, y se orientan hacia sus homó­logas estabilizándose por interacciones de van der Waals (fig. 2.1). De esta manera seforma una bicapa lipídica entre dos ambientes acuosos, separando a la célula de sumedio extracelular, sirviendo como barrera relativamente impermeable a compues­tos solubles en agua como iones inorgánicos y moléculas polares. Los esteroles comoel colesterol son moléculas apolares muy poco solubles en agua, con un pequeñoextremo polar, que se insertan entre las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos y losglucolípidos, aumentando la hidrofobicidad de la membrana (fig. 2.1).

Modelo del mosaiCIJfluido membranal -

Las bicapas liPíCqUe forman las 'membranas celulares son sistemas fluidos quepermiten el desplazamiento de los distintos componentes membranales. Los lípi­-dos se mueven lateralmente a lo largo de cada una de las monocapas con mucharapidez (coeficiente de difusión de 10-8 cm2j seg), rotan sobre su eje vertical y suscadenas de hidrocarburos son flexibles. El grado de fluidez, o sea la habilidad de loscomponentes membranales de desplazarse, depende de su composición. Un con­tenido alto de colesterol disminuye la fluidez ya que el colesterol se inserta fuerte­mente entre los fosfolípidos y glucolípidos membranales inmovilizando sus cadenashidrofóbicas. El contenido de colesterol es muy variable en los distintos tipos celu­lares por lo que la fluidez membranal también varía de acuerdo al tipo celular. Lasmoléculas de colesterol pueden desplazarse de una mono capa a otra, movimientoque se conoce como flip-flop, ya que el extremo polar es muy pequeño (un grupohidroxilo), y puede desplazarse dentro de la bicapa. La acumulación de colesterolocasiona enfermedades cardiovasculares en el humano como consecuencia de la

rigidez que adquieren las células endoteliales de las arterias.La bicapa lipídica es asimétrica ya que la orientación de los lípidos es desigual.

La fosfatidi1colina y la esfingomielina se localizan en la monocapa externa, mien­tras que los fosfolípidos que contienen un grupo amino como la fosfatidilserinay la fosfatidiletanolamina se ubican en la monocapa interna. Además, dado quelas colas de éstas dos últimas están menos -saturadas que las de las dos primeras,la mitad interna es más fluida. También existe una diferencia de carga entre losextremos externo e interno, ya que la fosfatidilserina que contiene una carga netan'egativa, se ubica en elladó interno. Los glucolípidos también se distribuyen asi­métricamente en la membrana, ya que se encuentran sólo en la monocapa externacon sus azúcares orientados hacia la superficie extracelular. El contenido de gluco­lípidos es sólo el 5% de los lípidos totales de la monocapa externa y este porcen­taje puede ser variable entre las distintas especies animales. La proporción de losdistintos lípidos en la membrana, la naturaleza química de sus cabezas polares, asícomo la longitud de sus cadenas hidrofóbicas determina no sólo la fluidez mem­branal, sino la interacción con proteínas, algunas de las cuales requieren que la

2. TRANSPORTETRANSMEMBRANAL

ESPACIO EXTRACELULAR

COOH

NH,

Proteína SH/perifériea

""AC'O '''''''''WCAR lGcabeza Polar, .. Segmentos no polales,

hidrofóbicos

Oligosacáridos

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FIGURA2.1. MODELODEMEMBRANA.La membrana plasmática está constituida por una bicapalipídica compuesta de tres tipos diferentes de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esterolescomo el colesterol. Los glucolípidos se encuentran en la monocapa externa con sus azúcaresorientados hacia la superficie. Las proteínas integrales de membrana contienen regiones dea-hélice que cruzan la bicapa lipídica. Los extremos amino y carboxilo terminal se localizanen las regiones acuosas intra y extracelulares. Las cadenas de oligosacáridos se orientan en lasuperficie extracelular y los grupos sulfidrilos (SH) se encuentran del lado intracelular comocisteínas reducidas, o bien del lado extracelular formando puentes disulfuro (SB) entre lascadenas de una misma proteína o de proteínas distintas. Entre las proteínas integrales demembrana se encuentran receptores, transportadores, canales iónicos y ATPasas.

membrana tenga una composición lipídica determinada para su funcionamiento.Además de los lípidos, las membranas celulares contienen proteínas. Mientras que

en la membrana plasmática las proteínas representan aproximadamente el 50% dela masa membranal, en las mitocondrias, donde se concentran las proteínas que

participan en la traducción de energía, el contenido de pr«teínas alcanza el 75%.En 1972 fue propuesto por Singer y Nicolson el modelo del mosaico fluido de la

membrana, de acuerdo con el cual proteínas globulares están integradas en la bi­capa lipídica, algunas penetrándola completamente y otras sólo parcialmente. Laspro~eínas membranales también son moléculas anfipáticas con una región hidro­filica asociada con los extremos acuosos citoplásmico y extracelular, y una regiónhidrofóbica que puede cruzar la bicapa lipídica e insertarse en ésta.' Se fijan a lamembrana mediante enlaces covalentes con las cadenas de ácidos grasos, o con oli­

gosacáridos asociados con fosfolípidos, como el fosfatidilinositol. Algunas proteínasde membrana pueden desplazarse lateralmente a lo largo de ésta. AdicionalmenteexÍste el movimiento flip-flop, aunque es más limitado. Hay proteínas con regionesde a-hélice que cruzan completamente la membrana celular (fig. 2.1) y típicamen­te los extremos amino y carboxilo terminales quedan expuestos a los ambientesacuosos citoplásmico y extracelular. Pueden contener varias regiones de a-hélice

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y cruzar varias veces la membrana celular. Casos típicos son muchos receptores dehormonas y deneurotransmisores. Las cadenas de oligosacáridos se orientan haciael extremo extracelular, mientras que los grupos sulfídricos (SH) permanecen dellado citoplásmico (fig. 2.1). También pueden encontrarse enlaces disulfuro (S-S),que participan en la interacción entre las cadenas de la misma proteína o de pro­

teínas vecinas. Entre las proteínas de membrana s~_-ncuentraI?-rec~ptores, canales

iónicos, acarreadores y moléculas de reconocimie to. Son generalmente-proteínasmuy grandes que cruzan varias veces la membran . Otras proteínas embebidas enla membrana tienen actividad enzimática como la _ATpasasy la adenilato cic1asa.Las proteínas que.se insertan en la membrana se conocen como integrales. Existenproteínas que n<:>se embeben en la membrana pero que están asociadas con ésta através de interacciones covalentes con otras proteínas embebidas en la membrana,y reciben el nombre de proteínas periféricas (fig. 2.1). Una de ellas es la espectrina,que forma parte del citoesqueleto.

Las membranas contienen también carbohidratos, tanto cadenas de oligosacári­dos como polisacáridos unidos covalentemente a proteínas y lípidos. El contenidode carbohidratos representa entre el 2 y el 10% de la masa membranal y su dis­tribución es también asimétrica, ya que se orientan hacia el extremo extracelular(fig. 2.1). En el caso de las membranas de los organelos internos, los carbohidratosse orientan hacia ellumen.

2. MOVIMIENTO DE SOLUTOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS

La estructura de las membranas celulares les confiere selectividad al paso de losdiversos solutos. El interior hidrofóbico de la bicapa la hace altamente impermea­ble a moléculas polares, por lo que la movilización de agua y solutos en respuestaa los cambios en el medio externo ocurre a través de proteínaS de membrana qpeforman canales o acarreadores especializados en el transporte de especies molecu­lares diversas. La acción de estas proteínas está funcionalmente ligada a gradien­tes electroquímicos transmembranales o a reacciones enzimáticas dependientes deATP.Existe también movilización de solutos por vías difusionales que responden agradientes de concentración, que no requieren de proteínas transportadoras es­pecializadas. En la siguiente sección se describen distintos sistemas de transportepresentes en las membranas celulares y se revisan algunos ejemplos de proteínasacarreadoras de iones y otros solutos.

Difusión simple o pasiva

La difusión es un proceso espontáneo en el que partículas de una sustancia se mue­ven desde una región de alta concentración a una de baja concentración por mediode energía cinética hasta alcanzar el equilibrio. El tiempo de difusión de los solutos