Membrana celular
2.4 Membranas
Items a evaluar:
2.4.1 Dibujar y etiquetar un diagrama para mostrar la estructura de una membrana.
2.4.2 Explicar cómo las propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas de los fosfolípidos ayudan a mantener la estructura de las membranas celulares.
2.4.3 Enumerar las funciones de las proteínas de membrana.
2.4.4 Definir difusión y ósmosis
2.4.5 Explicar el transporte pasivo a través de membranas mediante difusión simple y difusión facilitada.
24.6 Explique el papel de las bombas de proteínas y el ATP en el transporte activo a través de las membranas.
2.4.7 Explicar cómo se utilizan las vesículas para transportar materiales dentro de una célula.
entre el retículo endoplásmico rugoso, el aparato de Golgi y membrana de plasma.
2.4.8 Describir cómo la fluidez de la membrana le permite cambiar de forma, romperse y volverse a formar durante la endocitosis y exocitosis.
Estructura de membrana
Ya en 1915, los científicos sabían que la estructura de las membranas celulares incluía proteínas y lípidos. Investigaciones posteriores establecieron que los lípidos eran fosfolípidos. Las primeras teorías se centraban principalmente en que los fosfolípidos formaban una bicapa y las proteínas formaban capas delgadas en el exterior y el interior de la bicapa. Luego, en 1972, S. J. Singer y G. Nicolson propusieron que las proteínas se insertan en la capa de fosfolípidos en lugar de formar una capa en sus superficies. Creían que las proteínas formaban un mosaico flotando en una capa fluida de fosfolípidos. Desde 1972 se han reunido más pruebas sobre las membranas y sólo se han realizado ligeros cambios en el modelo de Singer y Nicolson.
El modelo actual acordado de membrana celular es el modelo de mosaico fluido. Se muestra en la Figura 2.13. Debes tener en cuenta que todas las membranas celulares, ya sean membranas plasmáticas o membranas de orgánulos, tienen la misma estructura general.
Fosfolípidos
En la figura 2.13, observe que la "columna vertebral" de la membrana es una bicapa producida a partir de una gran cantidad de moléculas llamadas fosfolípidos. Cada fosfolípido está compuesto por un compuesto de 3 carbonos llamado glicerol. Dos de los carbonos de glicerol tienen ácidos grasos unidos. El tercer carbono está unido a un alcohol orgánico altamente polar que incluye un enlace a un grupo fosfato. Los ácidos grasos no son solubles en agua porque no son polares. Por otro lado, debido a que el alcohol orgánico con fosfato es altamente polar, es soluble en agua. Esta estructura significa que las membranas tienen dos áreas distintas en cuanto a polaridad y solubilidad en agua (ver Figura 2.14). Un área es soluble en agua y polar, y se la conoce como hidrófila (amante del agua). Este es el lado del alcohol fosforilado. La otra zona no es soluble en agua y no es polar. Se le conoce como hidrofóbico (teme al agua).
Fig 2.13
Las regiones hidrofóbica e hidrofílica hacen que los fosfolípidos siempre se alineen como una bicapa si hay agua presente y una gran cantidad de moléculas de fosfolípidos (consulte la Figura 2.15). Debido a que las 'colas' de ácidos grasos no se atraen fuertemente entre sí, la membrana tiende a ser fluida o flexible. Esto permite que las células animales tengan una forma variable y también permite el proceso de endocitosis (que se analiza a continuación). Lo que mantiene la estructura general de la membrana es la tendencia que tiene el agua a formar enlaces de hidrógeno.
Colesterol
Las membranas deben ser fluidas para funcionar correctamente. Se parecen un poco al aceite de oliva en su consistencia. En varios lugares de la región hidrofóbica (colas de ácidos grasos) de las células animales se encuentran moléculas de colesterol. Estas moléculas desempeñan un papel en la determinación de la fluidez de la membrana, que cambia con la temperatura. Las moléculas de colesterol permiten el funcionamiento eficaz de la membrana en un rango de temperaturas más amplio que si no estuvieran presentes. Las células vegetales no tienen moléculas de colesterol; Dependen de ácidos grasos saturados o insaturados para mantener la fluidez adecuada de la membrana.
Proteínas
Los últimos componentes importantes de las membranas celulares son las proteínas. Son las proteínas las que crean una diversidad extrema en la función de la membrana. Proteínas de varios tipos están incrustadas en la matriz fluida de la bicapa de fosfolípidos. Esto crea el efecto de mosaico al que se hace referencia en el modelo de mosaico fluido. Generalmente hay dos tipos principales de proteínas. Uno se conoce como proteína integral y el otro tipo se conoce como proteína periférica. Las proteínas integrales tienen regiones hidrofóbicas e hidrofílicas en la misma proteína. La región hidrofóbica, con aminoácidos no polares, se encuentra en la sección media de la membrana de fosfolípidos y mantiene la proteína en su lugar. Su región hidrofílica está expuesta a las soluciones acuosas a ambos lados de la membrana. Las proteínas periféricas, por el contrario, no sobresalen hacia la región hidrofóbica media, sino que permanecen unidas a la superficie de la membrana. A menudo, estas proteínas periféricas están ancladas a una proteína integral. Puedes ver la ubicación de estas proteínas si vuelves a mirar la Figura 2.13.
Funciones de las proteínas de membrana
Como recordará, son las proteínas de membrana las que imparten diferentes funciones a diferentes membranas. Hay muchas proteínas diferentes pero tienden a tener seis funciones generales:
sitios de unión de hormonas;
acción enzimática;
Adhesión celular:
comunicación de célula a célula;
canales para transporte pasivo;
Bombas para transporte activo.
Las proteínas que sirven como sitios de unión de hormonas tienen formas específicas expuestas al exterior que se ajustan a la forma de hormonas específicas. La unión entre la proteína y la hormona provoca un cambio de forma en la proteína y da como resultado que se transmita un mensaje al interior de la célula.
Las células tienen enzimas adheridas a membranas que catalizan muchas reacciones químicas. Las enzimas pueden estar en el interior o en el exterior de la célula. A menudo se agrupan de manera que pueda ocurrir una secuencia de reacciones metabólicas, denominada vía metabólica.
La adhesión celular la proporcionan las proteínas cuando se enganchan de diversas formas para proporcionar conexiones permanentes o temporales. Estas conexiones, denominadas uniones, pueden incluir uniones abiertas o uniones estrechas.
Muchas de las proteínas de comunicación entre células incluyen moléculas de carbohidratos unidas. Proporcionan una etiqueta de identificación que representa células de diferentes tipos o especies.
Algunas proteínas contienen canales que atraviesan la membrana y proporcionan conductos para el paso de sustancias. Cuando este transporte es pasivo, un material se desplaza a través del canal desde una zona de alta concentración a una zona de menor concentración.
En el transporte activo, las proteínas transportan una sustancia de un lado de la membrana a otro cambiando de forma. Este proceso requiere el gasto de energía en forma de ATP. No requiere que se produzca una diferencia de concentración.
Transporte pasivo y activo
Hay dos medios generales de transporte celular:
⚫ transporte pasivo;
⚫ transporte activo.
El transporte pasivo no requiere energía (en forma de ATP), pero el transporte activo sí. El transporte pasivo ocurre en situaciones donde hay áreas de diferente concentración de una sustancia en particular. El movimiento de la sustancia se produce desde un área de alta concentración a un área de menor concentración. Se dice que el movimiento ocurre a lo largo de un gradiente de concentración.
Cuando se produce transporte activo, la sustancia se mueve contra un gradiente de concentración, por lo que debe producirse un gasto de energía.
Transporte pasivo: difusión y ósmosis.
Examine la Figura 2.16; muestra difusión química.
Fig 2.16
Difusión
La difusión es un tipo de transporte pasivo. Las partículas de cierto tipo se mueven de una región de alta concentración a una región de baja concentración. Sin embargo, en un sistema vivo, la difusión suele implicar una membrana. Por ejemplo, el gas oxígeno se mueve desde el exterior de la célula hacia el interior. La célula utiliza el oxígeno cuando sus mitocondrias realizan la respiración, creando así una concentración de oxígeno relativamente menor dentro de la célula que en el exterior. Como resultado, el oxígeno se difunde hacia la célula. El dióxido de carbono se difunde en dirección opuesta al oxígeno porque el dióxido de carbono se produce como resultado de la respiración mitocondrial.
Difusión facilitada
La difusión facilitada es un tipo particular de difusión que involucra una membrana con proteínas transportadoras específicas que son capaces de combinarse con la sustancia para ayudar en su movimiento. El transportador cambia de forma para realizar esta tarea pero no requiere energía. De esta explicación se desprende claramente que la difusión facilitada es muy específica y depende de la proteína transportadora. Debe tener en cuenta que la tasa de difusión facilitada se estabilizará cuando se produzca la saturación total de los portadores disponibles.
Ósmosis
La ósmosis es otro tipo de transporte pasivo, por lo que el movimiento se produce a lo largo de un gradiente de concentración. Sin embargo, la ósmosis implica sólo el movimiento pasivo de moléculas de agua a través de una membrana parcialmente permeable. Una membrana parcialmente permeable es aquella que sólo deja pasar determinadas sustancias (una membrana permeable dejaría pasar todo). El gradiente de concentración de agua que permite que se produzca el movimiento es el resultado de una diferencia entre las concentraciones de soluto a ambos lados de una membrana parcialmente permeable. Una solución hiperosmótica tiene una mayor concentración de solutos totales que una solución hipoosmótica. Por lo tanto, el agua pasa de una solución hipoosmótica a una solución hiperosmótica a través de una membrana parcialmente permeable (ver Figura 2.17). Si se producen soluciones isoosmóticas a ambos lados de una membrana parcialmente permeable, el movimiento neto del agua no es evidente.
El transporte pasivo continúa hasta que hay una concentración igual de la sustancia en ambas áreas involucradas. A esto se le llama equilibrio.
Tamaño y carga
El tamaño y la polaridad de las moléculas determinan la facilidad con la que diversas sustancias pueden atravesar las membranas. Estas características y la capacidad de las moléculas para cruzar membranas están dispuestas a lo largo de un continuo como este.
Las moléculas pequeñas y no polares cruzan las membranas fácilmente.
Las moléculas grandes y polares cruzan las membranas con dificultad.
Las sustancias que pueden moverse pasivamente a través de una membrana están influenciadas por dos factores principales: tamaño y carga. Las sustancias de tamaño pequeño y no polares se mueven a través de las membranas con facilidad. Las sustancias que son polares, de gran tamaño o ambas, no lo hacen. Ejemplos de sustancias pequeñas y no polares son gases como el oxígeno, el dióxido de carbono y el nitrógeno. Los iones como los iones de cloruro, los iones de potasio y los iones de sodio tendrían muchas dificultades para cruzar las membranas de forma pasiva, al igual que las moléculas grandes como la glucosa y la sacarosa. Moléculas como el agua y el glicerol son moléculas polares pequeñas y sin carga que pueden atravesar membranas con bastante facilidad.
El transporte activo y la célula.
Como recordarás, el transporte activo requiere que se realice trabajo. Esto significa que se debe utilizar energía, por lo que se requiere ATP. El transporte activo implica el movimiento de sustancias contra un gradiente de concentración. Este proceso permite a la célula mantener concentraciones interiores de moléculas que son diferentes de las concentraciones exteriores. Las células animales tienen una concentración mucho mayor de iones de potasio que su entorno exterior, mientras que los iones de sodio están más concentrados en el entorno extracelular que en las células. La célula permite el mantenimiento de esta condición bombeando iones de potasio hacia el interior de la célula y bombeando iones de sodio fuera de ella. Junto con la energía, debe intervenir una proteína de membrana para que se produzca este transporte activo. Ahora podemos explicar cómo funciona la bomba de sodio-potasio.
La bomba de sodio-potasio (VER PPT)
Este mecanismo para mover activamente los iones de sodio y potasio tiene cinco etapas.
Endocitosis y exocitosis.
La endocitosis y la exocitosis son procesos que permiten que moléculas más grandes se muevan a través de la membrana plasmática. La endocitosis permite que las macromoléculas entren a la célula, mientras que la exocitosis permite que las moléculas salgan. Ambos procesos dependen de la fluidez de la membrana plasmática. Es importante recordar por qué las membranas celulares tienen una consistencia fluida: las moléculas de fosfolípidos no están muy juntas debido en gran parte a las conexiones más bien "flojas" entre las colas de ácidos grasos. También es importante recordar por qué la membrana es bastante estable: las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de las diferentes regiones de las moléculas de fosfolípidos hacen que formen una bicapa estable en un ambiente acuoso.
La endocitosis ocurre cuando se pellizca una porción de la membrana plasmática para encerrar macromoléculas o partículas. Este pellizco implica un cambio en la forma de la membrana. El resultado es la formación de una vesícula que luego ingresa al citoplasma de la célula. Los extremos de la membrana se vuelven a unir debido a las propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas de los fosfolípidos y a la presencia de agua. Esto no podría ocurrir si no fuera por la naturaleza fluida de la membrana plasmática.
La exocitosis es esencialmente lo contrario de la endocitosis, por lo que la fluidez de la membrana plasmática y las propiedades hidrófobas e hidrófilas de sus moléculas son tan importantes como en la endocitosis. La exocitosis generalmente comienza en los ribosomas del RE rugoso y progresa a través de una serie de cuatro pasos hasta que la sustancia producida se secreta al ambiente fuera de la célula.
1 La proteína producida por los ribosomas del RE rugoso ingresa a la luz del RE.
2 La proteína sale del RE y entra en el lado cis o cara del aparato de Golgi; hay una vesícula involucrada (ver Figura 2.23).
3 A medida que la proteína se mueve a través del aparato de Golgi, se modifica y sale por la cara trans dentro de una vesícula (ver Figura 2.23).
4 La vesícula con la proteína modificada en su interior se mueve hacia la membrana plasmática y se fusiona con ella, lo que da como resultado la secreción del contenido de la célula.
3.6 Enzimas
Items a evaluar
3.61 Defina enzima y sitio activo.
3.6.2 Explicar la especificidad enzima-sustrato.
3.6.3 Explicar los efectos de la temperatura, el pH y la concentración del sustrato sobre la actividad enzimática.
3.6.4 Definir desnaturalización.
3.6.5 Explicar el uso de la lactasa en la producción de leche sin lactosa.
Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores.
Las enzimas son proteínas. Así, las enzimas son largas cadenas de aminoácidos que han adquirido una forma tridimensional muy específica. Piense en un alambre de metal flexible que alguien dobla muchas veces hasta darle lo que se llama una forma globular. Esta forma es compleja y a primera vista parece aleatoria, pero en las enzimas (y otras proteínas) la forma compleja no es aleatoria: es muy específica. En algún lugar de la forma tridimensional de la enzima hay un área diseñada para coincidir con una molécula específica conocida como sustrato de esa enzima. Esta área de la enzima se llama sitio activo. El sitio activo de una enzima coincide con el sustrato de forma similar a como se ajusta un guante a la mano. En esta analogía, el guante representa el sitio activo y la mano representa el sustrato.
Otra analogía que se utiliza muy comúnmente para la actividad del sustrato enzimático es la de un candado y una llave. En esta analogía, el candado representa el sitio activo de la enzima y la llave representa el sustrato. Debido a que la forma tridimensional de la parte interna de la cerradura es compleja y específica, sólo cabe una llave. El mismo principio se aplica generalmente a las enzimas y sus sustratos: son específicos entre sí.
Como catalizadores, las enzimas influyen en la velocidad de las reacciones. Como regla general, un conjunto de reactivos en presencia de una enzima formará productos a un ritmo más rápido que sin la enzima. Las enzimas no pueden forzar que se produzcan reacciones que de otro modo no ocurrirían. El verdadero papel de una enzima en una reacción es reducir el nivel de energía necesario para iniciar la reacción. Esta energía se conoce como energía de activación de la reacción. Por tanto, las enzimas reducen la energía de activación de las reacciones. Las enzimas no se consideran reactivos y no se agotan en la reacción. Una enzima puede funcionar como catalizador muchas, muchas veces.
Factores que afectan las reacciones catalizadas por enzimas.
Estas velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, el pH y la concentración del sustrato.
Efecto de la temperatura
Imagine una enzima y su sustrato flotando libremente en un ambiente fluido. Tanto la enzima como el sustrato están en movimiento y la velocidad de ese movimiento depende de la temperatura del fluido. Los fluidos con temperaturas más altas tendrán moléculas que se mueven más rápido (más energía cinética). Las reacciones dependen de colisiones moleculares y, como regla general, cuanto más rápido se mueven las moléculas, más a menudo chocan y con mayor energía. Las reacciones con o sin enzimas aumentarán su velocidad de reacción a medida que aumenta la temperatura (y por tanto el movimiento molecular). Sin embargo, las reacciones que utilizan enzimas tienen un límite superior (ver Figura 3.18). Ese límite se basa en la temperatura a la que la enzima (como proteína) comienza a perder su forma tridimensional debido a la tensión y rotura de los enlaces intramoleculares. Cuando una enzima pierde su forma, incluida la forma del sitio activo, se dice que está desnaturalizada. La desnaturalización es a veces permanente y a veces sólo temporal hasta que la molécula vuelve a su forma normal.
Efecto del pH
El pH de una solución depende del número relativo de iones de hidrógeno (H) en comparación con los iones de hidróxido (OH) en la misma solución. Cualquier sustancia que desprenda iones de hidrógeno, por ejemplo HCl, es un ácido y da como resultado una solución con un pH inferior a 7. Cualquier sustancia que desprenda iones de hidróxido, por ejemplo NaOH, es una base y da como resultado una solución con un pH superior a 7. que 7. El agua pura tiene un pH neutro de 7 porque cuando el agua se disocia (divide), da como resultado un número igual de iones de hidrógeno e iones de hidróxido.
El sitio activo de una enzima normalmente incluye muchos aminoácidos de esa proteína. Algunos aminoácidos tienen áreas que están cargadas positiva o negativamente. Las áreas negativa y positiva de un sustrato deben coincidir con la carga opuesta cuando el sustrato está en el sitio activo de una enzima para que la enzima tenga acción catalítica. Cuando una solución se vuelve demasiado ácida, la cantidad relativamente grande de iones de hidrógeno (H) puede unirse con las cargas negativas de la enzima o sustrato y no permitir una coincidencia adecuada de carga entre los dos. Un escenario similar ocurre cuando una solución se vuelve demasiado básica; la cantidad relativamente grande de iones hidróxido (OH-) puede unirse con las cargas positivas del sustrato o enzima y, una vez más, no permitir una coincidencia de carga adecuada entre los dos. Cualquiera de estos escenarios dará como resultado que una enzima se vuelva menos eficiente y, a veces, se vuelva completamente inactiva en situaciones extremas. Otra posibilidad es que las numerosas cargas adicionales positivas y negativas de las soluciones ácidas y básicas puedan provocar que la enzima pierda su forma y, por tanto, se desnaturalice.
No existe un pH que sea mejor para todas las enzimas (consulte la Figura 3.19). Muchas de las enzimas activas en el cuerpo humano son más activas cuando se encuentran en un ambiente casi neutro. Existen excepciones para esto; por ejemplo, la pepsina es una enzima activa en el estómago. El ambiente del estómago es muy ácido y la pepsina es más activa en un pH ácido.
Efecto de la concentración del sustrato.
Si hay una cantidad constante de enzima, a medida que aumenta la concentración de un sustrato, la velocidad de reacción también aumentará (consulte la figura 3.20). Esto se explica por la idea de un aumento de las colisiones moleculares. Si tienes más moléculas reactivas, hay más que chocan. Sin embargo, esto tiene un límite. El límite se debe al hecho de que las enzimas tienen una velocidad máxima a la que pueden funcionar. Si cada molécula de enzima trabaja lo más rápido posible, agregar más sustrato a la solución no aumentará aún más la velocidad de reacción (ver Figura 3.20).