Membrana celular amanzo_2011 (pp_tminimizer)

Biología Celular y Molecular

Membrana Celular

César Amanzo López

Membrana Celular 2

Temario1.Membrana celular:

ComposiciónEstructuraFunción

2.Transporte pasivo: Difusión simpleÓsmosisDifusión facilitada

3.Transporte activo

USMP-BCM Amanzo

Membrana Celular 3USMP-BCM Amanzo

Las células están separadas del exterior por una estructura denominada MEMBRANA CELULAR.

Membrana Celular 4

Membrana celular

• Es decisiva para la vida de la célula.

• Es una barrera selectiva para átomos, iones y moléculas, determinando la composición celular.

• Todas las células tienen membranas.

• Las membranas celulares constituyen un complejo lipoproteico.

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Membrana Celular 5

La estructura de la membrana celular se logró deducir a partir de las imágenes de microscopía

electrónica y el análisis de su composición.

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Membrana Celular 6

5 a 10 m

Membrana plasmática

Citoplasma

Extracelular

El espesor es semejante en células procariotas y eucariotas

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1 m = 0.000000001 m = 10-9 m


• La membrana plasmática, está compuesta por:

– Proteínas – Lípidos– Carbohidratos

• Hacia ambos lados de la membrana se encuentran moléculas de agua:

La membrana expone sus regiones hidrosolubles.

La bicapa fosfolipídica es la estructura base de la membrana celular

Membrana Celular 8

Lípidos de membrana• Los lípidos constituyen aproximadamente el 50 %

del peso de las membranas, con unos 5 millones de moléculas por µm2.

• Las membranas celulares de una célula eucariota contienen más de mil tipos de lípidos que aparecen en distinta proporción según el tipo de membrana que estemos considerando.

• Aproximadamente el 5 % de los genes de una célula están dedicados a producir sus lípidos.

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USMP-BCM Amanzo Membrana Celular 9

Bicapa lipídica

Fosfolípidos Glicolípidos Esteroles

Glicerofosfolípidos Esfingolípidos Colesterol

Líp

idos d

e m

em

bra

na

Membrana Celular 10

Membrana celularLípidos de membranaMembrana celularLípidos de membrana

• La mayor de parte de lípidos de membrana contienen un grupo fosfato, excepto: – colesterol y glucolípidos

(cerebrósidos y gangliósidos)

• Debido a que la mayor parte de fosfolípidos poseen un esqueleto de glicerol, se les denomina fosfoglicéridos.

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Membrana Celular 12

• La bicapa de lípidos en realidad es una estructura compuesta de dos monocapas:– Independientes.– Más o menos

estables.– Con diferentes

propiedades físicas y químicas.

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Membrana Celular 13

• La bicapa de lípidos consta de dos hojas distintas.• La monocapa extracelular consta de:

– Una concentración desproporcionadamente alta de fosfatidilcolina ( y de esfingomielina).

– Una baja concentración de fosfatidiletanolamina y de fosfatidilserina.

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Dis

trib

ució

n a

sim

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e los

líp

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1. Las membranas lipídicas son sintetizadas en el retículo endoplásmico liso, en la monocapa citosólica

2. Las membranas formadas se incorporan a la membrana plasmática mediante fusión (exocitosis).

3. Con la formación de nuevas vesículas (endocitosis) se pierde material de membrana.

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• Los fosfolípidos de membrana tienen movimientos:– Laterales: en la misma monocapa (1x10-6 seg).– Rotación.– Movimientos de flexión de las cadenas laterales

(1x10-9 seg).– Movimiento “Flip flop” (1x10-5 seg).

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Lúmen R.E.

Membrana Celular 16

• Los TRANSLOCADORES (“Flipasas”) mueven los lípidos sintetizados desde la monocapa citosólica hacia la monocapa luminal del retículo Endoplásmico Liso.

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Movim

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Flip

flo

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• La composición lipídica de la membrana es asimétrica por los movimientos de “flip flop”.

• Los movimientos de “flip flop” ocurren menos de una vez/mes para cualquier molécula individual; excepto: colesterol.

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Dis

trib

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SM: Esfigomielina,PC: Fosfatidilcolina, PS: Fosfatidilserina, PE: Fosfatidiletanolamina,PI: Fosfatidilinositol,Cl: colesterol

Membrana Celular 19

Composición de los lípidos de algunas membranas biológicas

Composición de los lípidos de algunas membranas biológicas

Lípido Eritrocito humano

Milelina humana

Mitocondrias de corazón de

ternera

E. Coli

Acido fosfatídicoFosfatidilcolinaFosfatidiletanolaminaFosfatidilglicerolFosfatidilserinaCardiolipinaEsfingomielinaGlucolípidosColesterol

1,519180

8,5-

17,51025

0,510200

8,5-

8,52626

-39270

0,522,5

--3

--

65180

12---

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Los valores expresados son porcentajes en peso de los lípidos totales.Fuente: C. Tanford, The Hydrophobic Effect, p. 109, Wiley, 1980.

Membrana Celular 20

Balsas de lípidos o "lipid rafts"• Las interacciones moleculares entre ciertos

lípidos producen la segregación de dominios espaciales y funcionales en áreas restringidas de la membrana que afectan también a la localización de las proteínas y a sus funciones.

• Los esfingolípidos son más abundantes en las membranas plasmáticas que en las de las organelas y junto con el colesterol, condicionan la segregación de la membrana en dominios moleculares (balsas de lípidos).

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Fluidez de la membrana

• Los lípidos y proteínas tiene libertad de movimiento lateral en la bicapa.

• El movimiento de una bicapa a otra es muy limitado.

• Los lípidos son fluidos a temperatura corporal.

• Los ácidos grasos no saturados tiene un punto de fusión inferior a los ácidos grasos saturados.

Membrana Celular 23

• Existen lípidos insaturados en cantidad suficiente en las membranas para mantener el punto de fusión de la bicapa lipídica por debajo de la temperatura corporal: Temperatura de transición.

• El doble enlace cis incrementa la fluidez de la membrana

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Membrana Celular 24


• El colesterol:– Da rigidez a la membrana.– Tiende a aumentar la fluidez cuando disminuye la

temperatura.– Evita temperaturas de transición bruscas.– Incrementa la estabilidad y disminuye la

permeabilidad de la membrana.

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Membrana Celular 25

Estructura en mosaico fluido

• La bicapa lipídica es la matriz en la cual las moléculas proteicas son como islas.

• Esta estructura recibe el nombre de mosaico fluido, pues la matriz posee baja viscosidad y las proteínas pueden ser consideradas semejantes a trozos de piedras dispersos en un mosaico.

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Membrana Celular 26


• Proteínas intrínsecas o integrales: Las proteínas se encuentran más o menos inmersas en la matriz lipídica.

• Proteínas extrínsecas o periféricas: Las proteínas se encuentran apoyadas sobre las cabezas de los fosfolípidos [son mantenidas por interacciones electrostáticas], a ambos lados de la membrana.USMP-BCM Amanzo

Membrana Celular 28


• La posición que ocupa una proteína determinada en la matriz depende siempre de interacciones de los grupos laterales de ciertos restos de aminoácidos con las moléculas lipídicas.

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Membrana Celular 30

Proteínas de membrana

• Según el tipo de célula y organela una membrana puede contener desde 12 a más de 50 proteínas diferentes.

• No están dispuestas al azar.• Se localizan y orientan en posiciones

particulares respecto a la bicapa.

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1. Primaria: secuencia de aminoácidos.2. Secundaria: hélice , Lámina 3. Terciaria: conformación tridimensional4. Cuaternaria: subunidades polipeptídicas

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Estructuras de una proteína

Las hélices alfa constituyen dominios transmembrana.

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Membrana Celular 35

La estructura funcional de una proteínaes alterada por:

La estructura funcional de una proteínaes alterada por:

desnaturalizada normal

Calor, métodos químicos, agitación excesiva de soluciones de proteínas, ácidos, alcalis.

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Membrana Celular 36

1. Proteínas integrales, penetran la bicapa.

Dominio citosólicoDominio transmembranaDominio extracelular

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Pro

teín

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em

bra

na

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2. Proteínas periféricas, se localizan fuera de la bicapa lipídica, orientados hacia el extracelular en cuyo caso pueden estar formando glicoproteínas o hacia el citoplasma.

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Pro

teín

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bra

na

Membrana Celular 39

3. Proteínas ancladas a lípidos, localizadas fuera de la bicapa y unidas mediante enlaces covalentes a lípidos (modificación lipídica de las proteínas).

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Pro

teín

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em

bra

na

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Membrana Celular 41

• Unidos a proteínas o lípidos mediante enlaces covalentes.

• Cumplen un rol importante como receptores.• Sirven de barrera de protección (Ej. Lisosomas,

glicocálix de los enterocitos).

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Carb

oh

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tos d

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mem

bra

na

Membrana Celular 44

Grupo sanguíneo ABO:

Son glicolípidos de membrana los que hacen la diferencia.

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Membrana Celular 46

1. Compartimentalización.

2. Barreras selectivas permeables.

3. Transporte de solutos:– Difusión simple.– Difusión facilitada.– Transporte activo.

4. Respuesta a señales externas: transducción de señales.

5. Interacción celular.

6. Sitios para actividades bioquímicas.

7. Transducción de energía.

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Fu

ncio

nes d

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mem

bra

na p

lasm

áti

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• Las membranas biológicas son bicapas lipídicas.

• La estructura es común para todas las membranas celulares.

• La célula eucariote tiene un sistema de endomembranas determinando compartimentos dentro de ella que posibilitan importantes eventos y procesos celulares.S

iste

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Membrana Celular 48

• La membrana plasmática es una barrera de permeabilidad selectiva entre la célula y el medio extracelular.

• La membrana celular es selectivamente permeable a las moléculas pequeñas.

• Es esencialmente impermeable a las moléculas hidrosolubles (ej. Glucosa, aminoácidos e iones).

• La mayoría de moléculas biológicas no difunden a través de la membrana.

Extracelular

Intracelular

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Sele

cti

vid

ad

de la

mem

bra

na p

lasm

áti

ca

Membrana Celular 49

• Sus propiedades de permeabilidad aseguran que:– Las sustancias esenciales (glucosa,

aminoácidos y lípidos) entren a la célula con facilidad.

– Los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula

– Los compuestos de desecho la abandonen.

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Perm

eab

ilid

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bra

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Membrana Celular 50

• La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática permite que la célula mantenga un medio interno constante.

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Membrana Celular 52

1. Transporte pasivo: ósmosis, difusión simple y difusión facilitada.

2. Transporte activo: bomba iónica, endocitosis y exocitosis.

3. Fagocitosis y pinocitosis.

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Transporte celular

Membrana Celular 53

• El primer paso es el movimiento de la molécula desde la solución acuosa hacia el interior hidrófobo de la bicapa fosfolipídica.

• La molécula se disuelve en la bicapa fosfolipídica y difunde a través de ella.

• Después se disuelve en la solución acuosa al otro lado de la membrana.

La velocidad de difusión relativa es proporcional a su gradiente de concentración a través de la membrana y a su grado de hidrofobicidad.

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Difusi

ón s

imple

Membrana Celular 54

• No se consume energía metabólica porque el movimiento es a favor de la gradiente de concentración.

• Es un proceso no selectivo.

• No se utiliza energía del ATP.

Muy pocas son las moléculas que ingresan o salen de las células, o atraviesan las membranas de las organelas, sin la ayuda de proteínas transportadoras.

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Difusi

ón s

imple

Membrana Celular 55

Pequeñas moléculas hidrofóbicas:

O2 CO2 N2 benceno

Pequeñas moléculas polares no cargadas:

H2O etanol glicerol

Difusión simple

no hay gasto de ATP

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Importancia del transporte de Na+ y K+

Concentración de iones en el espacio extracelular

Crenado Normal Hinchado Lisado

Solución isotónica

Solución hipertónica

Solución hipotónica

Solución muy

hipotónica

USMP-BCM Amanzo 56Membrana Celular

ósmosis

Glóbulo rojo

Membrana Celular 57

• El transporte de moléculas es mediante proteínas transportadoras asociadas con la bicapa.

• Existen proteínas de transporte específico:– Transportadores (carriers):

transporte facilitado.

– Canales iónicos: a favor de la gradiente electroquímica.

– Bombas iónicas: en contra de la gradiente electroquímica.

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Pro

teín

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Membrana Celular 58

• El agua y la urea que pueden difundir a través de las bicapas fosfolipídicas puras aceleran su transporte mediante proteínas transportadoras.

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Membrana Celular 59

• La dirección del transporte es a favor de la gradiente electroquímica.

• No utiliza energía del ATP.

• Interviene una proteína de membrana:

1.Proteína transportadora (carriers).2.Proteína canal: canales iónicos, aquaporinas, porinas.

• Es un proceso selectivo.

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Difusi

ón f

aci

litada

Membrana Celular 61

Moléculas grandes polares no cargadas

Iones

Moléculas pequeñas polares

no cargadas

Moléculas pequeñas

hidrofóbicas

Bicapa lipídica sintética

Requieren proteínas transportadoras

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Membrana Celular 62

1. Proteínas transportadoras (carriers)

– Se unen a la molécula específica en un lado de la membrana.

– Sufren un cambio conformacional.– Liberan a la molécula al otro lado de

la membrana.– No utiliza energía del ATP.

Se transportan : azúcares, aminoácidos y nucleósidos

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Difusi

ón f

aci

litada

Transportadores (carriers)

Uniporte Simporte Antiporte

Citosol

Líquido extracelular

Transporte acoplado

Cotransporte

USMP-BCM Amanzo 63Membrana Celular

Membrana Celular 64

2. Proteínas canal– Forman “poros” en la membrana,

permitiendo a las moléculas de pequeño tamaño y con carga apropiada pasar libremente a través de la bicapa.

– No utilizan energía del ATP.– Se saturan.– Tipos:

• Canales iónicos• Aquaporinas• Porinas

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Difusi

ón f

aci

litada

Membrana Celular 65

Canales iónicos• Son altamente selectivos debido al

estrecho poro del canal que restringe el paso sólo a iones de carga y tamaño específico.

• Se abren en respuesta a estímulos específicos.

• No se encuentran permanentemente abiertos.

• No utilizan energía del ATP.

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Difusi

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Membrana Celular 66

Canales iónicos• El flujo de los iones a través de la

membrana depende de que se forme un gradiente iónico a través de los canales de membrana plasmática.

• El transporte es extremadamente rápido.

– Más de un millón de iones por segundo puede fluir a través de ellos (107-108 iones/seg).

– Es una velocidad de flujo aproximadamente 1000 veces mayor que una proteína transportadora (carrier).USMP-BCM Amanzo

Difusi

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litada

Membrana Celular 67

Los canales iónicos son proteínas transmembrana.

Son específicos para cada ión.

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Membrana Celular 68

Los iones pasan a través de un filtro en fila individual.

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Mecanismos de control

Abiertos:• Voltaje• Tiempo• Agonistas directos• Proteina G• Calcio

Modulados:• Incremento de la

fosforilación• Oxido-reducción• Citoesqueleto• Calcio• ATP

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Membrana Celular 70

Canales iónicos

1. Regulados por ligando:• Se abren en respuesta a la unión con

neurotransmisores u otras moléculas señal.

2. Regulados por cambios de voltaje (Voltaje-gated ion channel):

• Se abren en respuesta a variaciones en el potencial eléctrico a través de la membrana celular.

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Difusi

ón f

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Membrana Celular 71

1. Canales iónicos regulados por ligando:

– La unión ligando-receptor genera un cambio conformacional en la molécula canal.

– Se abre el poro acuoso.– Ocurre un flujo de iones específicos

siguiendo la gradiente del ión a través de la membrana.

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ón f

aci

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Membrana Celular 73

2. Canales iónicos abiertos por cambio de voltaje (voltaje-gated ion channel).

– Los canales de K+, Na+ y Ca++ regulados por voltaje pertenecen a una gran familia de proteínas relacionadas.

– Los canales están formados por subunidades que contienen hélices-alfa transmembrana.

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Difusi

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Membrana Celular 74


– La hélice-alfa transmembrana S4 tiene varios aminoácidos cargados positivamente y actúa como el sensor de voltaje que interviene en la apertura del canal en respuesta a las variaciones en el potencial de membrana.

– Los cationes pasan a través del poro acuoso hacia la célula.

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Membrana Celular 75

Estructura de un típico Canal iónico abierto por cambio de voltaje

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Membrana Celular 76


– El canal de K+ está formado por la asociación de 4 subunidades idénticas.

– El canal de Na+ está formada por una única cadena polipeptídica que contiene 4 dominios repetidos, cada una de la cuales es similar a una subunidad del canal de K+.

– El canal de Ca++ es similar al canal de Na+.

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Cada dominio o subunidad está hecho de 6 hélices alfa transmembrana.

Difusi

ón f

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litada

Membrana Celular 79

1. El flujo neto de las moléculas por difusión facilitada, por proteínas transportadoras y canales iónicos siempre es energéticamente favorable al gradiente electroquímico.

2. La célula requiere transportar moléculas contra gradiente para mantener su medio interno.

3. El transporte activo utiliza la energía liberada por hidrólisis del ATP acoplada a bombas iónicas.

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Transp

ort

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ctiv

o

Membrana Celular 80

Bombas iónicas:

• ATPasa de Na+/K+

– Membrana celular.

• ATPasa de Ca++

– Membrana del retículo sarcoplásmático (músculo).– Membrana del retículo endoplásmático liso.– Membrana celular.

• ATPasa de H+

– Membrana lisosomal.– Endosomas.– Vacuolas vegetales.

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Transp

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Membrana Celular 81

ATPasa Na+/ K+ATPasa Na+/ K+

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Endocitosis.

• El material que se va a introducir es rodeado por una porción de membrana plasmática.

• Esta porción luego se invagina para formar una vesícula que contiene el material ingerido.

• Participa el citoesqueleto de la célula.

• Hay gasto de ATP.

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Transp

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Membrana Celular 83

Endocitosis- tipos:

1. Fagocitosis2. Pinocitosis3. Endocitosis mediada por receptor

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Membrana Celular 84

Rizo

MacropinosomaFagosoma

Receptosoma

Endocitosis mediada por

receptor

Hoyo cubierto

por clatrina

PinocitosisFagocitosis

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Transporte activo

Membrana Celular 86

Endocitosis

• Fagocitosis:– Las células engullen

partículas grandes como bacterias, desechos celulares, o incluso células intactas.

– La unión de las partículas a unos receptores sobre la superficie de la célula fagocítica dispara la extensión de pseudópodos.

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Membrana Celular 87

Endocitosis

Fagocitosis:• Los pseudópodos rodean la partícula

y sus membranas se funden para formar una vesícula intracelular (> 0,25 m de diámetro) llamada fagosoma.

• Los fagosomas se fusionan con los lisosomas: fagolisosomas, donde el material es digerido.

• Es un proceso especializado de las células fagocíticas.

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Transp

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Membrana Celular 88

Endocitosis

• Pinocitosis:– Las células pueden ingresar fluidos

mediante este mecanismo.– Se forma una proyección de la

membrana conocida como “rizo” incorporando un volumen de líquido extracelular.

– La proyección de membrana se fusiona con la membrana celular.

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Membrana Celular 89

Endocitosis.

• Pinocitosis:

– Se forma la vesícula pinocítica.

– Diámetro 0,15 - 5,0 m.

– Es un proceso común entre las células eucariotes.

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Membrana Celular 90

Endocitosis Mediada por receptor

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ctiv

o

Membrana Celular 91

Endocitosis mediada por receptor.– Es un mecanismo selectivo de

ingreso de moléculas a la célula.– Las macromoléculas a

introducirse se unen a receptores específicos de la superficie celular.

– Estos receptores se acumulan en regiones especializadas con la participación del citoesqueleto celular.

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Transp

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Membrana Celular 92

Endocitosis mediada por receptor:– Se forman los Hoyos cubiertos de

clatrina por invaginación de la membrana.

– Se liberan vesículas revestidas por clatrina que contiene los receptores y sus macromoléculas unidas.

– Las vesículas revestidas por clatrina se fusionan con endosomas tempranos y el contenido es distribuido:

• Hacia los lisosomas o• Son reciclados a la membrana

plasmática.

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Membrana Celular 94

Exocitosis

• Mecanismo opuesto a la endocitosis.• Una vesícula exocítica se fusiona con

la membrana celular.• Se libera el contenido al extracelular.• La membrana de la vesícula es

incorporada a la membrana celular.• Participa en este proceso el

citoesqueleto.• Se requiere energía del ATP.

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Transp

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Membrana Celular 95

El transporte de moléculas intracelulares de una organela a otra es mediante vesículas.

Gemación: formación de la vesícula.

Transporte vesicular: participa el citoesqueleto.

Fusión: de la vesícula a la membrana blanco.

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Transp

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Membrana Celular 96

Transcitosis:Una molécula puede ser transportada a través de una célula sin sufrir mayores modificaciones y liberada al extracelular.

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Transp

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Membrana Celular 98

Transporte a través de membrana celular

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