Membrana Plasmática - Resumen Completo

Membrana Plasmática

Introducción

• La membrana plasmática no era visible con microscopios ópticos convencionales.
• A finales de la década de 1950, las técnicas de tinción y preparación de tejidos permitieron el estudio detallado de la membrana plasmática con microscopios electrónicos.
• Las micrografías electrónicas tempranas mostraban una estructura trilaminar: dos capas oscuras (interna y externa) y una capa intermedia más clara.
• Esta ultraestructura era común en todas las membranas examinadas (plasmáticas, nucleares, citoplasmáticas) de plantas, animales y microorganismos.

Funciones de la Membrana

1. Compartimentación

   • Las membranas forman compartimentos cerrados y continuos.

2. Plataforma para Actividades Bioquímicas

   • Son un compartimento en sí mismas, que permite y facilita las reacciones químicas.

3. Barrera Selectiva

   • Regulan el intercambio de moléculas entre compartimentos.
   • Permiten la comunicación entre los compartimentos.

4. Transporte de Solutos

   • Contienen mecanismos para transportar sustancias a través de la membrana, incluso contra gradientes de concentración.

5. Respuesta a Estímulos Externos

   • Participan en la transducción de señales.

6. Interacción Intercelular

   • Median las interacciones entre células vecinas en organismos multicelulares.

7. Transformación de Energía

   • Involucradas en la conversión de un tipo de energía en otra.

Composición Lipídica

• Las membranas son ensambles de lípidos y proteínas.
• Los componentes se mantienen unidos mediante enlaces no covalentes.
• La bicapa lipídica proporciona la estructura básica y actúa como barrera contra el movimiento aleatorio de sustancias hidrosolubles.
• Las proteínas de membrana realizan la mayoría de las funciones específicas.

Lípidos de Membrana

• Son anfipáticos (tienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas).
• Tres tipos principales: fosfoglicéridos, esfingolípidos y colesterol.

Fosfoglicéridos

• Son fosfolípidos con un esqueleto de glicerol.
• Ejemplos: fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina.
• Estructura: cabeza hidrofílica (grupo fosfato) y colas hidrofóbicas (ácidos grasos).

Esfingolípidos

• Derivados de la esfingosina (aminoalcohol con una cadena de hidrocarburos larga).
• La esfingosina se une a un ácido graso mediante su grupo amino, formando una ceramida.

Colesterol

• Esterol presente en membranas de células animales (hasta 50% de los lípidos en la membrana plasmática).
• Células vegetales contienen esteroles similares.
• Orientación: grupo hidroxilo hidrofílico hacia la superficie de la membrana, el resto de la molécula incrustada en la bicapa lipídica.
• El colesterol interfiere con la flexibilidad de las cadenas de hidrocarburos lipídicos, endureciendo la bicapa mientras mantiene su fluidez general.

Naturaleza e Importancia de la Bicapa Lipídica

• Cada tipo de membrana celular tiene una composición lipídica característica (tipos de lípidos, grupos cabeza, cadenas de acilo graso).
• Se estiman cientos de especies químicas diferentes de fosfolípidos en las membranas biológicas (catalogadas por espectrometría de masas).
• Las cadenas hidrocarbonadas de la bicapa lipídica nunca se exponen al entorno acuoso circundante.
• Las membranas son siempre estructuras continuas e ininterrumpidas, sin bordes libres.
• La bicapa tiene la capacidad de autoensamblarse.
• Ejemplo: fosfatidilcolina dispersa en solución acuosa forma liposomas (vesículas esféricas llenas de líquido).

Asimetría de los Lípidos

• Las dos hojas de la bicapa lipídica tienen composiciones lipídicas diferentes.
• Enzimas que digieren lípidos solo pueden acceder a la capa externa de la bicapa.
• En glóbulos rojos humanos:
  • 80% de la fosfatidilcolina (PC) en la capa externa se hidroliza.
  • Solo 20% de la fosfatidiletanolamina (PE) y menos de 10% de la fosfatidilserina (PS) son atacados.
• La capa externa tiene una concentración relativamente alta de PC (y esfingomielina) y baja de PE y PS.

Proteínas de Membrana

• Cada membrana puede contener cientos de proteínas diferentes (dependiendo del tipo de célula y del orgánulo).
• Cada proteína tiene una orientación definida con respecto al citoplasma (asimetría conocida como "lateralidad").

Proteínas Integrales de Membrana

• Penetran la bicapa lipídica (proteínas transmembrana).
• Tienen dominios que sobresalen a ambos lados de la membrana (extracelular y citoplasmático).
• Funciones:
  • Receptores que se unen a sustancias específicas en la superficie de la membrana.
  • Canales o transportadores para el movimiento de iones y solutos.
  • Agentes que transfieren electrones (fotosíntesis, respiración).
• Son anfipáticas (porciones hidrofílicas e hidrofóbicas).

Proteínas Periféricas de Membrana

• Se localizan fuera de la bicapa lipídica (ya sea en el lado citoplasmático o extracelular).
• Asociadas a la superficie de la membrana por enlaces no covalentes.
• Unidas por enlaces electrostáticos débiles.
• Solubilización: se pueden extraer con soluciones salinas de alta concentración.
• La distinción entre proteínas integrales y periféricas es a veces difusa (proteínas integrales pueden tener polipéptidos que penetran la bicapa y otros que permanecen en la periferia).

Proteínas Ancladas a Lípidos

• Se localizan fuera de la bicapa lipídica (en la superficie extracelular o citoplasmática).
• Unidas covalentemente a una molécula de lípido dentro de la bicapa.
• Ejemplo: proteínas en la cara externa de la membrana plasmática unidas a un oligosacárido complejo, unido a una molécula de fosfatidilinositol incrustada en la capa externa de la bicapa lipídica.

Transporte de Membrana

• Las células intercambian moléculas con el entorno.
• La membrana plasmática actúa como barrera y controla el tráfico molecular.
• La bicapa lipídica bloquea el paso de la mayoría de las moléculas hidrosolubles debido a su interior hidrofóbico.
• Necesidad de transporte de moléculas hidrosolubles (azúcares, aminoácidos, eliminación de desechos como $CO_2$, regulación de iones).
• Algunas moléculas pequeñas ( $CO<em>2$ y $O</em>2$ ) difunden a través de la bicapa.
• La mayoría requiere proteínas transportadoras de membrana que forman canales a través de la bicapa.

Tipos de Transporte

• Difusión Simple:
  • Movimiento directo a través de la membrana
• Transporte Pasivo:
  • Movimiento a favor del gradiente de concentración (no requiere energía).
  • Difusión Facilitada: Mediada por proteínas de canal o transportadoras.
• Transporte Activo:
  • Movimiento en contra del gradiente de concentración (requiere energía, generalmente ATP).

Principios del Transporte de Membrana

Concentraciones Iónicas

• Las células mantienen composiciones iónicas internas diferentes a las del exterior.
• Iones inorgánicos ( $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^−$, $H^+$ ) son los solutos más abundantes.
• Sus movimientos a través de las membranas son cruciales para funciones como la actividad nerviosa y la producción de ATP.

Comparación de Concentraciones Iónicas (Célula de Mamífero Típica)

• Las células deben ser eléctricamente neutras (misma cantidad de cargas positivas y negativas).
• La mayoría de los componentes celulares tienen carga negativa (HCO3-, PO3-, proteínas, ácidos nucleicos, metabolitos con grupos fosfato y carboxilo).
• Las concentraciones de $Ca^{2+}$ y $Mg^{2+}$ mencionadas corresponden a los iones libres (la mayor parte está unida a proteínas y otras sustancias).

Impermeabilidad a Solutos e Iones

• El interior hidrofóbico de la bicapa lipídica crea una barrera para moléculas hidrofílicas e iones.
• La velocidad de difusión depende del tamaño y solubilidad de la molécula.

Factores que Afectan la Difusión

1. Moléculas no Polares Pequeñas:

   • Ej: $O<em>2$ (32 daltons), $CO</em>2$ (44 daltons).
   • Se disuelven rápidamente y difunden con facilidad (esencial para la respiración celular).

2. Moléculas Polares sin Carga:

   • Si son pequeñas, también difunden rápidamente.
   • Ej: agua (18 daltons), etanol (46 daltons) atraviesan la membrana con relativa facilidad, glicerol (92 daltons) difunde con menor facilidad y glucosa (180 daltons) lo hace muy lentamente o no puede hacerlo.

3. Iones y Moléculas Cargadas:

   • Las bicapas lipídicas son muy impermeables a iones y moléculas cargadas (aun siendo pequeñas).
   • La carga y la atracción eléctrica a las moléculas de agua impiden el ingreso a la fase hidrocarbonada.
   • Las bicapas sintéticas son mil millones ( $10^9$ ) de veces más permeables al agua que a los iones (como $Na^+$ o $K^+$ ).

Proteínas de Transporte de Membrana

• Dos clases principales: proteínas transportadoras y proteínas de canal.
• Cada proteína proporciona una vía de paso selectiva para una clase de molécula (iones, azúcares, aminoácidos).
• Algunas son aún más selectivas (ej: algunas vías permiten el paso de $Na^+$ pero no de $K^+$ ).
• El conjunto de proteínas de transporte determina qué solutos pueden entrar o salir.
• Cada tipo de membrana tiene un conjunto característico.

Diferencia entre Proteínas Transportadoras y de Canal

• Radica en la forma en que discriminan los solutos.
• Proteínas Transportadoras: experimentan cambios conformacionales para transferir moléculas (más lentas).
• Proteínas de Canal: forman un poro hidrofílico a través de la bicapa para la difusión de iones (rápidas).
• Los canales iónicos pueden estar abiertos o cerrados (regulados por estímulos externos o condiciones intracelulares).

Transporte Pasivo vs. Transporte Activo

• Transporte Pasivo (Difusión Facilitada):
  • Moléculas fluyen "cuesta abajo" (de alta a baja concentración).
  • No requiere energía.
• Transporte Activo:
  • Requiere energía para mover solutos "cuesta arriba" (de baja a alta concentración).
  • Mediado solo por proteínas transportadoras.

Proteínas Transportadoras y sus Funciones

• Necesarias para el transporte de la mayoría de las moléculas orgánicas pequeñas (excepto las liposolubles y pequeñas sin carga).
• Cada proteína es muy selectiva (transporta un solo tipo de molécula).
• Cada membrana celular tiene un conjunto distinto de proteínas transportadoras.
  • Ejemplos:
    • Membrana plasmática: transportadores de nutrientes.
    • Membrana del lisosoma: transportador de $H^+$ (acidificación).
    • Membrana interna de la mitocondria: transportadores de piruvato (sustrato para la producción de ATP) y ATP.

Transporte Pasivo Impulsado por Gradientes

• Las proteínas transportadoras pueden facilitar tanto el transporte pasivo como el activo.
• Proteína transportadora de glucosa (células hepáticas y otros tipos celulares):
  • Proteína con 12 pasos transmembrana.
  • Adopta dos conformaciones:
    • Sitios de unión de glucosa expuestos al exterior.
    • Sitios de unión expuestos al interior.
  • En presencia de alta glucosa externa, la glucosa se une y la proteína cambia de conformación e introduce el azúcar al interior cuando está en una concentración menor.
  • En presencia de una reducción de glucosa externa, la glucosa se une y la proteína cambia de conformación y expulsa el azúcar fuera de la célula.

Transporte Activo contra Gradientes Electroquímicos

• Esencial para mantener la composición iónica y para importar solutos en baja concentración externa.

Mecanismos Principales de Transporte Activo

1. Transportadores Acoplados:

   • Acoplan el transporte "cuesta arriba" de un soluto con el transporte "cuesta abajo" de otro.

2. Bombas Impulsadas por ATP:

   • Acoplan el transporte "cuesta arriba" con la hidrólisis de ATP.

3. Bombas Impulsadas por la Luz:

   • En células bacterianas, acoplan el transporte "cuesta arriba" con la energía luminosa.

Bomba de $Na^+-K^+$

• Central en el transporte de membrana en células animales.
• Utiliza la energía de la hidrólisis de ATP para bombear $Na^+$ hacia el exterior y $K^+$ hacia el interior (contra sus gradientes).
• El gradiente electroquímico del $K^+$ es cercano a cero.
• Compuesta por subunidades α y β.
• Puede ser reversible (producir ATP).
• Controla el volumen celular.
• Establece un voltaje eléctrico negativo en el interior de las células.

Pasos de la Bomba $Na^+-K^+$

1. Tres iones de $Na^+$ se unen a la proteína. La ATPasa los moviliza.
2. La ATPasa hidroliza el ATP y fosforila la proteína (ADP).
3. La energía cambia la conformación de la proteína, liberando 3 iones de $Na^+$ al exterior.
4. Se unen 2 iones de $K^+$, se libera el grupo fosfato.
5. La desfosforilación libera los 2 iones de $K^+$ al interior.

Bomba $Na^+-K^+$ e Impulso Fosfato

• Ciclo:
  • $Na^+$ se une a la bomba en el interior (activa la ATPasa).
  • Hidrólisis de ATP (libera ADP y transfiere un grupo fosfato a la bomba; autofosforilación).
  • La fosforilación cambia la conformación de la bomba, libera $Na^+$ y expone un sitio fijador de $K^+$ en el exterior.
  • La fijación del $K^+$ desencadena la eliminación del grupo fosfato (desfosforilación).
  • La bomba recupera su conformación inicial y descarga el $K^+$ en el interior.

Equilibrio Osmótico

• La membrana plasmática es permeable al agua.
• Si la concentración de solutos es diferente a ambos lados, el agua tiende a moverse para equilibrar las concentraciones (ósmosis).
• El agua se desplaza desde regiones con baja concentración de soluto (alta concentración de agua) hacia regiones con alta concentración de soluto (baja concentración de agua).
• Canales de agua especializados (acuaporinas).
• La fuerza que impulsa el movimiento del agua es la presión osmótica.
• El desplazamiento osmótico puede causar la dilatación de la célula.

Mecanismos para Evitar la Dilatación Osmótica

• Células animales: mantienen baja la concentración intracelular de solutos (bombeo de iones hacia el exterior).
• Células vegetales: pared celular gruesa.
• Protozoos: expulsión periódica del agua.

Concentraciones de $Ca^{2+}$

• Se mantienen bajas en el citosol.
• El pasaje de $Ca^{2+}$ a través de las membranas es fundamental.
  • Ej: la entrada de $Ca^{2+}$ al citosol actúa como señal para otros procesos (secreción, contracción muscular).

Gradientes y Transportadores Acoplados

• El gradiente de cualquier soluto puede impulsar el transporte activo de otra molécula.
• Proteínas transportadoras que realizan esta tarea: transportadores acoplados.

Tipos de Transportadores Acoplados

• Simportador: transporta ambos solutos en la misma dirección.
• Antiportador: transporta los solutos en direcciones opuestas.
• Uniportador: transporta un solo tipo de soluto (no es un transportador acoplado).

Transporte en Vegetales, Hongos y Bacterias

• No tienen bombas de $Na^+-K^+$
• Utilizan gradientes electroquímicos de $H^+$ creado por bombas de $H^+$ en la membrana plasmática.
• La captación de azúcares y aminoácidos depende de simportadores de $H^+$.