TEMA 4.2.Estructura de las membranas biológicas

MEMBRANAS BIOLÓGICAS: 1. Funciones de las Membranas biológicas 2. Micelas, Liposomas y Bicapas lipídicas 3. Estructura y Composición de las membranas 3.1. Modelo del Mosaico Fluido -Movimientos de los fosfolípidos de membrana 3.2. Proteínas Integrales y Periféricas 3.3. Distribución asimétrica de los lípidos en las bicapas 3.4. Esfingolípidos/Colesterol: Balsas o Raft de membrana 3.5. Dinámica de membranas 3.6. Proteínas en Interacciones Intercelulares y Adhesión

1.-Barrera Separadora entre compartimentos, o con el exterior celular, dependiendo de Sistemas Transportadores para asegurar el intercambio de materia entre el interior de la célula y su ambiente externo. 2.-Asegurar el Reconocimiento y Comunicación Celular mediante moléculas situadas en la parte externa de la membrana, que actúan como Receptores de sustancias.

Funciones de las Membranas biológicas Son flexibles, autosellantes y selectivamente permeables a solutos polares

La composición lipídica de las membranas plasmáticas y de los orgánulos subcelulares es distinta: reflejo de la diversidad de papeles biológicos

Lípidos más comunes en membranas biológicas: Fosfoglicéridos, Esfingolípidos, Colesterol y algunos Glicolípidos La composición proteica difiere aún más ampliamente Lehninger

(hepatocito rata)

Distribución asimétrica de lípidos en la bicapa

Membrana eritrocito

Las proporciones relativas de proteína y lípidos (sus movimientos están limitados y son lentos) varían en cada monocapa de la membrana

Glicerofosfolípidos y Esfingolípidos son semejantes estructuralmente

LIPIDOS DE MEMBRANA

Micelas , Liposomas y Bicapas

Constante Micelar Crítica (C.M.C.): concentración mínima necesaria del compuesto anfipático (p.ej. lípido), para poder formarse micelas. Depende de Tª, tipo lípido o mezcla de lípidos, etc

Las cadenas hidrofóbicas de los ác grasos se hayan secuestradas en el interior (libre de agua) Forma transporte sales biliares Digestión de lípidos de dieta

Hoja bimolecular con 2 hemicapas Extremos en contacto con agua: relativamente inestables Estructura básica de todas las membranas biológicas

Bicapa cerrada: Compartimiento acuoso separado Membranas artificiales en modelos de estudio sobre propiedades bicapa y proteínas anfifílicas

Estructura y Composición de las membranas: Modelo del mosaico fluido (Singer y Nicholson, 1970)

Los fosfolípidos y esteroles forman una bicapa lipídica con las regiones polares hacia fuera y las apolares orientadas hacia el interior (región hidrofóbica fluida). Las proteínas se incrustan en la membrana de modo asimétrico interaccionando con las zonas hidrofóbicas, o se unen débilmente a la superficie de la bicapa. Todos los componentes forman un mosaico que se halla en estado fluido, pues están cambiando continuamente de posición (movimiento de una capa a otra restringido)

MODELO BICAPA Dawson & Danielli, 1935

Robertson, 1959 UNIDAD Mbr.

5-8 nm espesor

1-Rotación 4-Flip-Flop translocación

2-Difusión lateral 3-Flexión colas

Movimientos de los fosfolípidos de membrana

FLIPASAS

Proteínas Integrales y Periféricas

-La topología de las proteínas de membrana es fija (difusión lateral) ya que no poseen movilidad Flip-Flop (translocación): la distribución de la proteínas es asimétrica.

Proteínas Integrales

Proteínas Periféricas

Proteínas Periféricas

Se unen débilmente a la bicapa, pueden liberarse con tratamientos suaves* (tb. Interacc covalentes) Son reguladoras de enzimas unidas a membranas y/o limitan la movilidad de proteínas integrales

* -Unión débil electrostática a lípidos (ciertos aa con cabezas polares de signo opuesto de la membrana) (*) -Unión débil a proteínas integrales: interacc electrostática, ptes. H o fuerzas Van der Waals (*)

Proteínas Periféricas

-Unión por enlace a ácido graso Palmitilo / Miristilo -Unión por enlace a lípido de tipo isoprenoide CARA INTERNA

-Unión a glucolípidos por Glucosil-fosfatidilinositol (GPI) CARA EXTERNA

Con Interacciones covalentes

Lípido de tipo isoprenoide

Proteínas Integrales Firmemente unidas a membrana, sólo pueden liberarse por la acción de agentes que interfieren en las interacciones hidrofóbicas: detergentes, disolventes orgánicos o agentes desnaturalizantes

Pueden atravesar la membrana 1 o varias veces, o poseer un fragmento hidrofóbico insertado (Type V) -Residuos hidrofóbicos (20-23 aa ) atraviesan la membrana en forma de hélice α -se pueden suceder segmentos transmembrana en forma hélice-giro-hélice de un único polipéptido (Type III) o unión de varios segmentos transmembrana de varios polipéptidos (Type IV). Estructuras tubulares que pueden formar poros o canales iónicos

Puede predecirse la topología a partir de su secuencia Glicoforina

eritrocito

Proteínas Integrales No todas las proteínas integrales están formadas por hélices-α transmembrana Otro motivos estructural es el barril β, en el que 20 o más segmentos transmembrana organizados (estructura β-hoja plegada) atraviesan la membrana Más extendida, entre 7-9 aa son suficientes para atravesar la membrana

E. coli

Staphilococcus aureus

Esfingolípidos/Colesterol: balsas o raft de membrana Esfingolípidos, comunmente glucoesfingolípidos, forman agrupaciones transitorias (hoja externa), que ‘excluyen’ a fosfolípidos, y se asocian a colesterol: crean microdominios o

balsas Lipid raft

Balsas con enlaces covalentes a lípidos y proteínas integrales de membrana: i) unidas por GPI (en CARA EXTERNA) ii) ancladas mediante enlace a 2 palmitilos o 1 palmitilo y 1 miristilo (no en cara externa, SI en CARA INTERNA)

Caveolinas: caveolas como Subtipo específico de raft de membrana Caveolina: prot integral con 2 dominios globulares conectados por un dominio hidrofóbico en forma de horquilla (+ 3 uniones a palmitilo). Une colesterol.

Dominios ricos en caveolinas fuerzan a la membrana a doblarse para dentro (regulado por dimerización). Intervienen en: tráfico a través de membrana dentro de las células y transducciones de señales externas

Receptores de insulina y otros factores de crecimiento, ciertas proteínas de unión a GTP y prot quinasas, señalizacion de neurotrasmisores…

Dinámica de membranas Membranas biológicas flexibles: con capacidad de cambiar de forma sin perder integridad ni dejar salir su contenido. Las moléculas individuales de fosfolípidos y esteroles tienen gran libertad de movimiento

Estructura y flexibilidad dependen de: Temperatura: Tª fisiológica: ácidos grasos saturados de cadena larga en estado líquido ordenado, pero los giros de los insaturados favorecen estado desordenado. Contenido esteroles

Tª baja: lípidos en fase gel semisólido: estado paracristalino

Tª alta: cadenas ácidos grasos en continuo movimiento, estado líquido desordenado

Factores que perturban la movilidad o fluidez de la membrana

-La Tm de un lípido depende de la longitud de las colas hidrocarbonadas de los ácidos grasos y de su grado de insaturación:

1.-A igualdad de grado de insaturación (número de dobles enlaces), la Tm será mayor (menor movilidad o fluidez), cuanto más larga (nº de C) contenga (mayor empaquetamiento). 2.-A igualdad de longitud de cadena (nº de C), la Tm será mayor (menor movilidad o fluidez), cuanto menor sea el grado de insaturación (número de dobles enlaces, mejor empaquetamiento).

Efecto de la composición lipídica: temperatura de cambio de fase (Tm)

Efecto del colesterol

Efecto ‘buffer’:

-Estructura plana-rígida del núcleo esteroideo: Reduce fluidez

-Interfiere en el fuerte empaquetamiento cadenas saturadas de ac grasos: mayor fluidez

Factores que perturban la movilidad o fluidez de la membrana: Efecto de las proteínas

Proteínas tienen libertad difusión lateral, pero -algunas proteínas se asocian formando ‘parches’, donde las proteínas no se mueven unas respecto a otras -otras están ‘ancladas’ a estructuras internas (a proteínas del citoesqueleto) Vallas que definen el movimiento lipídico

Proteínas en interacciones intercelulares y adhesión Ciertas proteínas integrales de membrana proporcionan puntos específicos de anclaje cel-cel o cel-proteína matriz extracel

Integrinas: prot de adhesión que también actua como receptor y transductor de señal (agregación plaquetaria en heridas, reparación tisular, actividad cels inmunitarias, invasión de un tejido por tumor) Caderinas: interacciones homofílicas con cels adyacentes Prot tipo inmunoglobulinas: intercc homofílicas con otras inmunoglobulinas o heterofílicas con integrinas Selectinas: dominios extracel (en presencia Ca2+) unen polisacáridos específicos cels vecinas

No hablamos de estructuras de comunicación intercelular tipo DESMOSOMAS, etc

Fusión de membranas Fusión de membranas sin perder su continuidad: reorganización constante compartimentos membranosos subcel y membrana plasmática, exocitosis, endocitosis, división cel, fusión huevo y espermatozoide, entrada de virus…

Pasos: 1) Reconocimiento 2) Eliminación moléculas agua asociadas a cabezas polares fosfolípidos 3) Rotura y fusión local hemicapa externa 4) Fusión bicapa 5) En endocitosis mediada por receptor, en secreción regulada también requieren un control del momento específico

Proteínas fusión favorecen reconocimiento específico y distorsión local transitoria de la bicapa

Neurotransmisores se liberan en sinapsis por fusión vesículas intracel cargadas del neurotransmisor. Proceso mediado por (v- y t-) SNARES