Biological Membranes structure

Tema 2. Estructura de las membranas biológicas

2.1. Bicapas lipídicas, fosfolípidos, micelas y liposomas

• Las membranas biológicas son bicapas lipídicas autosellables y flexibles que constituyen una matriz en la que se incorporan proteínas.
• Ubicación:
  • Membrana plasmática
  • Mitocondria
  • Cloroplasto
  • Núcleo/RE (Retículo Endoplasmático)
  • Aparato de Golgi
  • Endosomas

Funciones de las membranas biológicas

• Compartimentalización
• Protección de la célula frente a posibles agresiones externas.
• Mantenimiento de la presión osmótica.
• Control del intercambio de moléculas entre interior y exterior celular mediante su permeabilidad selectiva.
• Reconocimiento y transducción de señales externas.
• Establecimiento de interacciones intercelulares o con componentes de la matriz extracelular.
• Catálisis de ciertas reacciones llevadas a cabo por proteínas de membrana especializadas.
• Determinantes de la forma celular y condicionantes de la motilidad y los procesos de secreción y endocitosis.

Componentes de la membrana

• Hemimembrana externa
• Cara externa
• Cadena lateral de azúcar
• Cabeza hidrofílica (polar) de fosfolípidos
• Cola de ácido graso hidrofóbica (no polar) de fosfolípidos
• Cara interna
• Hemimembrana interna
• Colesterol
• Proteínas integrales (intrínsecas)
• Proteína periférica (extrínseca)
• Lípidos
• Proteínas
• Carbohidratos

Componentes de fosfolípidos

• Cabeza polar (hidrófila)

  • Colina
  • Fosfato

• Colas no polares (hidrófobas)

  • Glicerol
  • Cola hidrocarbonada

  $CH₂-N(CH3)3$

  $CH₂$

  $O=P-O$

  $CH2-CH-CH2$

  $C=O C=O$

  $2$

  $CH2 CH2$

  $CH2 CH2$

  $CH2 CH2$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH₂$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH2$

• Doble enlace

  $CH2$

  $CH$

  $CH2$

  $CH$

  • Cola hidrocarbonada

  $CH₂$

  $CH₂$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH2$

  $CH₂$

  $CH₂$

  $CH2$

  $1$

  $CH2$

  $CH2$

  $H2 CH2 CH2 CH2 CH3$

  $CH3$

Ácido graso

• Grupo carboxilato
  • Polar
  • Soluble en agua (hidrófila)
  • A pH fisiológico, las cabezas polares pierden un hidrógeno y están en forma de anión.
  • Tiene polos
• Cadena hidrocarbonada
  • Apolar
  • Insoluble en agua (hidrófoba)
  • No tiene polos
• Molécula polar
  • Soluble en disolventes polares
  • Insoluble en disolventes apolares
• Molécula apolar
  • Insoluble en disolventes polares
  • Soluble en disolventes apolares (Éter, benceno…)

Agua (H₂O)

• Molécula de agua (Polar)
• Compuesto soluble en agua (Hidrófilo)
  • Molécula Polar
  • Disolvente Polar
  • Fuerzas intermoleculares
  • Mezcla homogénea
• Compuesto insoluble en agua (Hidrófobo)
  • Molécula Apolar
  • Disolvente Polar
  • Fuerzas intermoleculares
  • Mezcla heterogénea
• Molécula Polar (Distribución interna asimétrica de las cargas)
• Molécula de agua (Polar)
  • Molécula con carga
• Moléculas sin carga
• Moléculas apolares

Movilidad de las cadenas hidrocarbonadas

• Difusión lateral
• Difusión rotacional
• Flip-flop (poco frecuente)

Micelas

• Estructuras esféricas formadas por una monocapa de moléculas anfipáticas (ácidos grasos, jabones, fosfolípidos con una sola cadena de ácidos grasos).
• Estructura cuneiforme.
• Se forman para reducir la exposición de sus colas hidrofóbicas al medio acuoso.
• Su interior es completamente hidrofóbico.
• Transporte de moléculas apolares.
• Encapsulado y arrastre de la suciedad

Liposomas

• Vesícula esférica compuesta por una bicapa fosfolipídica.
• Parte exterior e interior hidrosoluble
• Parte interna de la membrana es liposoluble
• Interior acuoso que permite la incorporación de otras moléculas – Farmacología
• Transportador

Lípidos de мембрана

• Fosfolípidos
• Esteroles
• Glicolípidos
  • Glicerofosfolípidos
  • Esfingofosfolípidos
  • Glicosilglicerolípidos
  • Esfingoglicolípidos

Fosfolípidos

• Estructura principal de la membrana
• Su forma cilíndrica da pie a una membrana formada por dos capas
• Contienen ácido fosfórico
• Glicerolfosfolípidos y Esfingofosfolípidos

Glicerolfosfolípidos

• Aminoalcohol + ácido fosfórico + glicerina + 1 ácido graso saturado + 1 ácido graso insaturado

• Fosfatidilcolina (Lecitina)

  • Colina
  • Ácido fosfórico
  • Acido graso saturado
  • Glicerina
  • Ácido graso insaturado
  • Más abundante

• Fosfatidilserina

  • Serina
  • Ácido fosfórico
  • Acido graso saturado
  • Glicerina
  • Ácido graso insaturado

• Fosfatidiletanolamina (Cefalino)

  • Etanolamina
  • Ácido fosfórico
  • Acido graso saturado
  • Glicerina
  • Ácido graso insaturado

• Fosfatidilinositol

  • Inositol
  • Ácido fosfórico
  • Acido graso saturado
  • Glicerina
  • Ácido graso insaturado

Esfingo-fosfolípidos

• Esfingofosfolípidos

  • Esfingosina: alcohol nitrogenado con una cadena carbonada
  • Esfingosina + ácido graso = ceramida

• Aminoalcohol

• Ácido. fosfórico

• Esfingosina

  • Polar
  • 1 Ácido graso
  • Esfingosina
  • Ceramida

• Esfingomielina

  • Apolar
  • Colina

Esfingomielinas

• Colina

• Fosfo-colina

• Ácido. fosfórico

• Esfingosina

• 1 Ácido graso

• Ceramida

• Etanolamina

• Ácido. fosfórico

• Fosfoe-talona-mina

• Esfingosina

• 1 Ácido graso

• Ceramida

• Se encuentran en:

  • Dendrita
  • Terminal del Axon
  • Cuerpo celular
  • Nodo de Ranvier
  • Axon
  • Mielina
  • Núcleo
  • Célula de Schwann

Glucolípidos

• Carbohidratos unidos a lípidos en la superficie extracelular de la membrana
• No contiene ácido fosfórico.
• Carbohidrato + ceramida

Glicosilglicerolípidos

• Son glicerolípidos con restos glucídicos unidos, propios de vegetales.
• Son componentes importantes de las membranas de cloroplastos.
• Son los lípidos más abundantes en las estructuras fotosintéticas.
• monogalactosildiacilglicerol [1,2 di-(9Z,12Z,15Z-octadecatrienoil)-3-O- β-D-galactosil-sn-glicerol]

Glucoesfingolípidos

• Cerebrósidos
  • Monosacárido + ceramida
    • Glucosa o galactosa
  • Células musculares y nerviosas – Protección
  • 12% de la materia blanca
• Gangliósidos
  • Oligosacáridos + (ácido siálido o N-acetilneuramínico)+ ceramida
  • Células ganglionares y nerviosas – Protección y desarrollo
  • 6% de los lípidos de membrana en la materia gris

Esteroles

• Núcleo esteroideo (esterano) + cadena de 8 o más carbonos + grupo hidroxilo

Colesterol

• Incrustado entre las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos de la membrana
• Influye en la fluidez de la membrana
  • ↑Concentración = ↓ Fluidez
  • Previene la cristalización
  • Disminuye la permeabilidad de la membrana
• Sólo se presenta en algunas células eucariotas. No hay en mitocondrias

Asimetría de la membrana celular

• Los fosfolípidos con colina abundan en la monocapa externa.

• Fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y distintos fosfatidilinositoles predominan en la monocapa citosólica

• Diferencia de carga entre las dos caras de la bicapa.

• Los glicolípidos presentan mayor asimetría ya que son propios de la monocapa externa, aunque también se encuentran en algunas membranas intracelulares.

  • Contribuyen al aislamiento eléctrico, a la protección de la membrana y al reconocimiento.

• El colesterol se distribuye de forma más o menos equilibrada en las dos monocapas.

• PC: Fosfatidilcolina

• PE: Fosfatidiletanolamina

• PI: Fosfatidilinositol

• PS: Fosfatidilserina

• CL: Cardiolipina

• SM: Esfingomielina

2.2 Proteínas integrales y periféricas

Proteínas en la membrana celular

• Integrales/Intrínsecas

  • Se insertan en la bicapa lipídica.
  • Pueden atravesarla, incluirse en una hemicapa o enlazarse a los lípidos
  • Son permanentes.
  • En su mayoría son glicoproteínas.
  • 80% de las proteínas de membrana
  • Fx: Transporte

• Periféricas/Extrínsecas

  • Están unidas a la superficie interna o externa.
  • Se pueden separar con facilidad.
  • 20% de las proteínas de membrana.
  • Fx: señalización

• Proteínas integrales

  • Proteína integral de paso único con un segmento transmembrana en hélice α.

  • Proteína integral de paso múltiple con varios segmentos transmembrana en hélice α.

  • Proteína integral de paso múltiple con varias hebras β enrolladas (barril β).

Canales

• Glicoproteínas integrales que actúan como poros para permitir la entrada y salida de sustancias

Proteínas transportadoras

• Son proteínas que cambian de forma para permitir el ingreso o salida de moléculas de manera selectiva
• Gradiente electroquímico
• GLUT

Receptores

• Proteínas integrales que reconocen moléculas específicas a las que se unen o fijan.
• Pueden identificar una hormona, neurotransmisor o nutriente que sea importante para la función celular.
• Es específico para su ligando.
• Desencadenan la señalización celular
• La mayoría están acopladas a Proteínas intracelulares (ej. GP)

Enzimas

• Proteínas integrales o periféricas que sirven para catalizar reacciones en la superficie de la membrana.
• Incluyen las enzimas que sintetizan las proteínas y carbohidratos de la matriz extracelular (red de fibras de proteínas que llena los espacios entra las células animales).

Proteínas de anclaje al citoesqueleto

• Proteínas que se encuentran en la parte del citosol de la membrana y que sirven para fijar los filamentos del citoesqueleto
• Glicoforina - Eritrocitos

Marcadores de identidad

• Glicoproteínas y glicolípidos característicos de cada individuo que permiten identificar el tipo de células, de qué organismo provienen etc.
  • MHC
  • ABO
  • Cluster of differentiation - CDs
• Sus cadenas de carbohidratos forman una cubierta denominada glicocalix – Protección e identidad