capitulo vii membranas estructura química y funcíon
TRANSCRIPT
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8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
1/41
Membranas:
estructura,
2
o
f
. , 2
qurmlca
y tunclon
Unu característicaundamental e odasascélulas s a
presencia e
membranas
que
definen
os
ímites de Ia
cé-
lula
y
de sus
diversos ompartimentos
nternos.Es
proba-
ble
que
incluso
el observador
casional
e
micrografías
electrónicas
e
quede
mpactado
por la
prominenciade
membranas
odeando as células
dentro
ellas,
special-
mente
asde os organismos
ucarióticos
Figura
7.1)'De
manera ntroductoria,
noshemosencontrado
on asmem-
Plasma
membranes
Nuclear
Nuc leus
Rnr rnh t rR
Mitochondria
branas los orgánulosodeados or membrana n el C
pítulo 4; ahoraestamos
reparados
ara
ratar en ma
detalle
a estructura
funciónde
a membrana. n este
pítulo,examinaremos
a
estructura
molecular e asme
branas
exploraremos
osmúltiples
papeles ue as
me
branas esempeñan
n
a vida de a célula.
n el Capítu
trataremos
l ransporte
e solutos
través e
a memb
na
poniendomás énfasis n
los mecanismos
mplica
FI
n'
Chloroplast
Plasma
membrane
Vacuole
Nuclear
envelope
Nucleus
Mitochondria
(a)
Rat
pancreas
cells
F
5;m
------l
(b)
Plant eafcell
FigwaT.L
La mportancia
de las membranas
ue
rodean están
en el
intedor de las
célulaseucariotas,
Las
estructurasde as células
eucariotas
que están elacionadas
on membranas
son
ademásde
la membrana
plasmática,el núcleo,
os cloroplastos,
asmitocondrias, e
retículo endoplasmático
RE),
os
gránulos secretores
las vacuolas.
Estas
estructuras
se muestran
aquí en
(a)
porciones de tres células
de
páncreasde rata
y
(b)
una célula de
una hoja de
una
planta
(MET).
c
/¿m
Membranas:structura,
uímica
unción
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8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
2/41
Las
funciones
de las
membranas
Comenzamos
uestra
discusión
ijándonos
en
que
las
membranas
iológicas,
omo
se lustra
en Ia Figura
7.2,
desempeñan
inco
papeles
elacionados
ntre
sí,
pero
distintos.
e
definen
os límites
de la
célula
y
limitan
sus
compartimentos.
@
sirve
como
sitio concreto
donde
se
realizan
unciones
específicas
@
poseen
proteínas
de
transporte que
facilitan y
regulan
el
movimiento
de sus-
tanciashacia
el interior
y
haciael
exterior
de a
célulay
de
suscompartimentos. demás,as membranas
@
contie-
nen os
receptores
ecesariosara
detectar
eñales
xternas
y
@
proporcionan
os mecanismos
ara
a comunicación
intercelular.
ada
nade
estas
unciones
edescribe
reve-
mente
en as
siguientes
inco
secciones.
e
Las
membranas
efinen
ímites
y
s¡rven
omo
barerasde
permeabilidad
Una de as
unciones
más
obvias
de asmembranas
s
defi-
nir los
ímites
de a
célula
suscompartimentos
servir
como
barreras
e
permeabilidad.
l
interior
de la
célula
debe star eparadoísicamenteelmedioambiente ue e
rodeano
sólo
para
mantener
as
sustancias
eseadas
n
a
célula ino
para
mantener
uerade
ellaa as
sustancias
o
deseadas.as
membranas
irven
bien para
estepropósito
porque
el nterior
hidrofóbico
de a membrana
suna
ba-
rrera
de
permeabilidad
fectiva ara
asmoléculas
idroff-
licas
e ones.
a barrera
e permeabilidad
e
una célula
n
su conjunto
es a membrana lasmática
o
celular),
una
I
Barrera
e
permeabilidad
y
limite
I
Organización
y
localización
de a unción
membranaque
rodea
a la
célula
y
regula
el
paso
de mate-
rialeshacia
dentro y
hacia
uera
de as
células.
demás
de
la
membrana
plasmática,
arias
membranas
ntracelula-
res sirven para
compartimentalizar
unciones
dentro
de
las células
ucarióticas.
@
fn las
membranas
e
s¡túan
proteÍnas
especÍficas
y por
anto son os
ugares
onde
e real¡zan
unciones
específ¡cas
Lasmembranas ienen funcionesespecíficassociadas
ellas
a que
as moléculas
estructuras
esponsables
e
es-
tas
unciones
proteínas
en a
mayorparte
de os
casos-
están
ncluidas
localizadas
n as
membranas.
e
hecho,
una
de asmaneras
más
útiles
para
caracterizar
na
mem-
branaespecífica,
s
describir
asenzimas
oncretas,
aspro-
teínas
e ransporte,
os
receptores
otrasmoléculas
so-
ciadas
ellas.
Porejemplo,
muchas
nzimas
aracterísticas
stán re-
sentes
n as
membranas,
sobre
ellas,
e orgánulos
ales
como
a mitocondria,
l cloroplasto,
l retículo
endoplas-
mático
RE),
el
complejo
de Golgi,
os isosomas
los pe-
roxisomas,omoaprenderemosn osCapítulos 0, l y
12.A
menudo,
ales
enzimas,esultan
tiles
como
marca-
doresdurante
el aislamiento
de
orgánulos
a
partir
de
sus-
pensiones
e
células
esorganizadas.
or
ejemplo,
a gJuco-
sa
osfatasa
s una
enzima
igada
a Ia
membranaque
se
encuentra
en
el retículo
endoplasmático.
uando
las
membranas
elRE
seaíslan
se
purifican como
pequeñas
vesículas
enominadas
icrosomas),
a
glucosa
osfatasa
e
Figwa
7 2
Función
e as membranas,
Las
membranas
O
definen los
ímites
de
la
célula y
de sus
orgánulos,
@
sirven
como
sitio
donde
se ocalizan protelnas
especÍfi
as,
specialmente
nzimas
receptores,
@
proporcionan
y regulan
procesos
de
transporte,
@
contienen
os
receptores
necesarios ara
detectar
señales
externasy
@
proporcionan
mecanismos
de
contacto,
comunicación
y
adhesión
intercelular.
Na+
{ o
ó a
"'7'K
P ro" . ro ,
/
t '
de transporte
]
Nutrientes
or¡
Comunicación
intercelular
O
Detección
e señales
170 Capítulo
l\4embranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
3/41
puedeutilizar
como
enzima
marcadora,
ue
e
permite
al
investigador
eterminar
a distribución
de os
microsomas
entre
as diferentes
racciones.
asenzimas
marcadoras
e
otros
orgánulos
e
utilizan
para
evaluar
aputezade
a
pre-
paración inal de
microsomas,
s
decir,el
grado
al
que
está
libre de
contaminación
or
estos
tros
marcadores.
@ Las
proteÍnas
e membrana
egulan
ltransporte
de solutos
Otra
función
de las
proteínas
de
membrana
esrealizary
regular
el
transporte
de sustancias
acia
dentro
y
hacia
fuerade
a célula
y
de sus
orgánulos.
Nutrientes'
ones,
ga-
ses,
gua
otrassustancias
ecaptan
en
diversos
omparti-
mentos
y
varios
productos
y
desechos
e etiran.
Como
veremos
en el Capltulo
8,
las modalidades
e
transporte
de as distintas
sustancias
ifieren'
Muchas
sus-
tancias
emueven
a través
de
a membrana
en a dirección
dictada
por
su
gradiente
e concentración.Por
tro lado,
el
movimiento
de un
ion está
determinado
por
str
potencial
electroquímico,
ue es
a suma de
su
gradiente
de concen-
tración
y el
gradiente e
carga
ravés e
a
membrana'
Este
proceso, ueno requiere nergla orqueel movimientoesa
favor del
gradiente, curre
de
dos
ormasdiferentes'
lgu-
nas
moléculas
omo
agua,
úgeno
y
etanol
puedenatrave-
sar
as membranas
or
difusión
simple.
as
moléculas
más
grandes ales
como azicares
aminoácidos
e
mueYen
a
través
de
a membrana
a¡rdadas
por
proteínas e ranspor-
fe específicas,
n
procesodenominado
difusión
acilitada.
De
manera
alternativa,
una
sustancia
e
puede rans-
portar encontra
esu
gradiente
econcentración
i
no está
cargada
en contra
de su
potencialelectroquímico,
n
el
caso
de un
ion.
Ésteesun
procesodenominado
ransporte
activo
que
equiere
energía.
Solutos
ales
como
azícates
aminoácidos
stán
a menudo
presentes
n bajas
oncen-
traciones uerade a célulay se ransportanhaciael inte-
rior
en contra
de
sus espectivos
radientes
e concentra-
ción
y
electroquímico.
a energía
ecesaria
ara
guiareste
transporte
en contra
de
gradiente
viene
proporcionada
por
la
hidrólisis
de
ATP o de
un compuesto
imilar
de
alta
energla,y
l
proceso edenomina
ransporte
ctitto
directo.
De manera
lternativa,
a energía
uede er
proporcionada
acoplando
el transporte
en
contra
de
gradientedel
soluto
al
ransporte
a
favor de
gradiente
de os
ones
de sodio
o de
protonesa través
de a
misma
membrana,
un
procesode-
nominado
transp
rte
activ
indirecto.
a fuerza
mpulsora
para
el
movimiento
e os
onesde
sodio
o de
los protoneses su potencialelectroquímico, ue depende
del
gradiente
de cargay
del
gradiente
de concentración
el
ion a través
de
a membrana.
Incluso
se
pueden ransportar
a
través
de membranas
moléculas
an
grandes omo
as
proteínas'
En algunos
ca-
sos,
esículas
ntracelulares
acilitan
el movimiento
de ales
moléculas
hacia
a céhsla
endocitosis)
hacia uera
de
la
céhia
(exocifosis).
n otros casos,
as
proteínas intetizadas
en
el retículo
endoplasmático
en el citosol
se
pueden
m
portar
por orgánulos
específicos
odeados
or
membran
como
isosomas,
eroxisomas
mitocondrias.
Tratarem
cada
no de
estos
rocesos n capítulos
osteriores.
@
Las
ploteÍnas
de
membrana
etectan
y
tlansmiten
señales
léctricas
quÍmicas
Normalmente,
as células
eciben
nformación
de su e
torno en forma de señales léctricas químicasqueafe
tan
a la superficie
externa
de
la célula.
Los mpulsos
ne
viosos
enviados
esde us
ojosa su
cerebro
medida
qu
Iee
estas
alabras on
ejemplos
e talesseñales'
omo
son
asdiferentes
ormonas
resentes
n su
sistema irc
latorio.
El término
utilizado
para
describir
anto
a
dete
ción
de señales
specíficas
n
la
superficie
xterna e
células
como
los
mecanismos
specíficos
sados
pa
transmitir
talesseñales
l
interior
celular es
a transdu
ción
de
señales.
En el
caso
de a transducción
de
señales
uímicas,
lg
nas
moléculas
señal
entran
directamente
n
las célula
actúan
en su
nterior.
Los
estrógenos
on
un ejemplo.
estrógenosonesteroidestéase igura3,30a), o sonp
lares
y además
uedenatravesar
a
membrana
ácilmen
El resultado
s
que
os
estrógenos
ntran
en sus élulas i
na
e nteractúan
on
proteínas
eguladoras
el nterior
la célula.
in
embargo,
n
a mayoría
e oscasos,
asmo
culas
eñalizadoras,
ue
afectan
una
membrana,
o
e
tran
en a célula,
nyez
eeso
eunen
a
proteínas spec
cas
de la superficie
externa
de
la membrana
plasmát
denominadas
eceptores.
a unión
de estas
ustancias
nominadas
igandos,se
ontinúa
n
a superficie
nterna
la membrana,
con
acontecimientos
ulmicos
específ
generando
e
esemodo
señales
nternas
enominada
gundosmensajeros.or eso, os
receptores e
membra
permitena
ascélulas
econocer,
ransmitir
y respond
una
granvariedad
e
señales
uímicas specíficas,
n te
que
exploraremos
n el Capítulo
14.
@ Las
ploteínas
e
membtana
median
n a adhesión
celular
la comun¡cación
élula+élula
Las
proteínas
e membrana
ambién
medianen
a
ad
sión
y la comunicación
entre células
adyacentes.
unq
con frecuencia,
os
ibros de
exto
representan
as célu
como
entidades
isladas,
eparadas,
a
mayoríade as cé
las de
os organismos
multicelulares
stánen
contactoc
otrascélulas, travésdeconexiones itoplasmáticasir
tas,
quepermiten,
l menos,
l ntercambio
e
algúnco
ponente celular.
Esta
comunicación
intercelular vie
proporcionada
or
las uniones
apen ascélulas
nimal
por los
plasmodesmose
ascélulas
egetales.
Todas
las
funciones
que acabamos
de conside
-compartimentalización,
localización
de función'
tra
porte,detección
e
señales
comunicación
ntercelula
Lasunciones
e as
membranas 1
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
4/41
dependen
e
a
composición
uímica
de as
característi_
cas
estructurales
e
as
membranas.
olveremos
estos
e_
mas
cuando
onsideremos
ómo
seha
elaborado
l
cono_
cimiento
actual
e a
estructura
e a
membrana.
Modelos
de la
estructura
de
la
membrana:
una
perspectiva
experimental
Hastaqueno seaplicó a microscopía lectrónicaarael
estudio
e a
estructura
elular,
principios
e a
deáda
de
1950,
adie
había
visto
nunca
una
membrana.
Hasta
ese
momento,
as
evidencias
ndirectas
abían
onducido
os
biólogos
postular
a
existencia
emembranas
ucho
an_
tes
de que
se
hubieran
podido
ver
en
realidad.
De
hecho,
los
nvestigadores
abían
ratado
de
entender,
urante
más
de un
siglo,
a
organización
molecular
de
as
membranas.
Las
células
ontienen
muchos
ipos
de
membranas
ife_
rentes,
or
esta
azón,
ha
supuesto
n gran
esfuerzo
n_
contrar
as
características
structurales
omunes
a todas
ellas.
Sin embargo,
alió
Ia pena
el ntenso
esfuerzo
ealiza_
do en nvestigaciónaquecondujoal modelode a estruc_
tura
de
membrana
el
mosaico
luido.Estemodelo,
elque
ahora
sepiensa
ue
sirve
para
describir
todas
as
mem_
branas
iológicas,
magina
a
membrana
omo
doscapas
de ípidos
bastante
luidas,
on proteínas
ocalizadas
en_
tro y
sobre
as
capas
ipídicas
orientadas
e
orma
especí_
fica
con
respecto
as
dos
superficies
e
membranu.
ro_
bablemente
n
el
futuro,
el
modelo
del
mosaico
luido
se
redefinirá
ya
que
as
capas
e ípidos
se
están
onvirtiendo
en
algo
mucho
más
complejo
de
lo que
inicialmente
e
pensó.
Sin
embargo,
l
modelo
básico
al y
como
se magi_
na
hoy
en
día
es,casi
con
cerfeza,
orrecto.
Antes
de mirar
el
modelo
en
detalle,
escribiremos
l_
gunode os experimentosrincipales uehanconducido
hasta
esta
visión
de la
función y
de
li
estructura
de
la
membrana.
medida
que
o
hacemos,
uede
rofu
ndizar
sobre
cómo
se han
realizado
sos
deicubrimientos,
sí
como
conocer
odos
os
aspectos
e
a
diversidad
e
enfo_
ques
y
técnicas
ue
son
necesarios
ara
el
avance
el
en_
tendimiento
de
un fenómeno
biológico.
La
Figura
7.3
muestra
a
cronología
b os
estudios
obre
a
estructura
e
la
membrana,
que
comenzó
aproximadamente
ace
un
si_
glo
con
el entendimiento
e que
as
capas
e
ípidos
or_
man parte
de
a
estructura
e
a
membrana
finalmente
nos
levan
al conocimiento
ctual
en
el
que
se
considera
lasmembranas omomosaicosluidos.Consultea Figura
7.3
cuando
ea
a
siguiente
ección.
Overton
Langmu¡r:
os
ípidos
on
componentes
importantes
e
a
membrana
Un
buenpunto
de partida
para
esta
evisión
experimental
esel
trabajo
pionero
de
Charles
Overton
hacia
1g90.
ia_
Figura
.3
Cronograma
el
desanollo
el
modelo
e
mosaico
luido,
El
modelo
de
mosaico
luido
de
estructura
de
membrana
propuesto
por
Singer
y
Nicholson
en 1972
ue la
culminación
de
unos
estudios ue se emontana 1890 quehabíansido redefinidos e
manera
muy
significativa
por
estudios
posteriores.
bajando
con
células
de
raíces
aéreas
de
plantas,
observó
que
as
sustancias
olubles
n
lípidos
perritrun
fácilmente
en as
células,
nientras
ue
as
solubleJen
gua,
o.
En
rea_
lidad
él encontró
una
buena
correlación
enire
a
naturale_
za
lipofílica
de
una
sustancia )
y
la
(a)
Naturaleza
t i ^ í ¡ ; ^ ^ ¡ ^ ¡ ^
¡ t P t u r u a
u g t d
membrana
(b)
Monocapa
Iipídica
(c)
Bicapa
l i n í ¡ ; ^ ^
(d)
Bicapa
ípida
cpn lámrnas
protercas
(e)
Unidad
e
memDrana
(f)
Modelo
e
mosatco
f lu ído
(s)
Estructura
e
as
prote¡nas
e
membrana
Hél ice
^t+^
Overton
Langmuir
Gn r io r r¿
Grendel
Davson
Daniell i
Robertson
Singer
Nicolson
Unwin
Henderson
1 80
2000
17 2
Capítulo
Membranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
5/41
facilidad
con a quepuede
entrar
en ascélulas.De
estos s-
tudios
Overtonconcluyóque
os ípidos
presentes
n a su-
perficie
celular
son una especie
de
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
6/41
piedades idrofóbicas
de a membranay los
componentes
proteicos
explicansus
propiedades
idrofílicas.
La mportancia
ealdel modelo
de
Davson-Danielli,
in
embargo,
ue el
reconocimiento
de la importancia
de la
presencia
e
proteínas
en la estructura
de
la membrana.
Estacaracterística, ás
que
cualquierotra, hizo
que
el mo-
delo de sándwichde Davson-Danielli
uera a base
parala
mayoríade a nvestigación
osterior
sobre a estructura
de
la membrana.
Robertson:odas as membranasompatten
na
estructura ubyacente omún
Todos os modelos
de membrana ratados
hastael mo-
mento sedesarrollaronmucho
antesde
que
nadie
hubiera
visto una membranabiológica
y
cadauno de ellosse
pen-
só específicamenteomo un mode lo
de membrana
las-
mática.Con la llegada
de
a microscopía
lectrónica
en
a
década e 1950,Ios
iólogos elulares
udieron
inalmen-
te verificar a
presencia
e
una
membranaplasmática
lre-
dedor de cadacélula.Además,
bservaron
ue
a mayoría
de os orgánulos
ubcelularesstabanimitados por
mem-
branas similares.Además,cuando las membranasse ti-
ñeron con osmio,un metalpesado,
se
examinaron on
detallea
gran
aumento,se
observó
que
había egiones
x-
tensas on aspecto e
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
7/41
Tabla7.7- Gontenido
n
lÍpidos,
proteÍnas
carbohidratos e las membranas iológicas
Porcentaje aproximadoen
peso
Membrana
Proteína
LÍpido
Garbohidratos Índice
proteÍn
a lipido
Membrana plasmática
Eritrocito humano
Célula hepática
de
mamífero
Ameba
Vaina de mielina del axón
nervioso
Envoltu¡a nuclea¡
Retículo endoplasmático
Aparato de Golgi
Tilacoides del
cloroplasto
Membrana mitocondrial
externa
Membrana mitocondrial
interna
Bacterias Gram-positivas
49
54
54
18
oo
63
o4
70
55
78
75
43
36
42
79
JZ
27
LO
30
45
22
25
8
10
4
3
2
1 0
1 0
0
0
0
0
1 1 L
1,50
l ) q
2,06
2,46
1 ) )
3,00
las
mitocondrias difieren de manera
significativa: a pro-
porción
proteína/lípido
es de alrededor
de 1,2
para
Ia
membrana externay
de cercade 3,5 para la
membrana in-
terna, que contiene todas as enzimas y proteínasrelacio-
nadas
con el transporte
de electrones la síntesis
de ATP.
Sin embargo,
todas estas membranas parecen
Ia misma
cuando sevisualizan
al microscopio electrónico
con la téc-
nica de tinción
con osmio de Robertson
y
colaboradores.
medida
que
se estudiaban más
membranas se hacía
cada
vez más difícil conciliar a
enorme
yariación
existente
en el
contenido
de
proteína
con el modelo
de unidad de mem-
brana, ya
que
la anchura y
apariencia de los
uraíles,
sim-
plemente no variaba
en la misma proporción.
EI
modelo de Davson-Danielli
también se
puso
en
cuestión
por
estudios en los
que
las membranas
se expo-
nían
a
fosfolipasas,
enzimas
que
degradan los fosfolípidos
retirando los grupos de las cabezas.De acuerdo con este
modelo,los grupos
hidrofilicos
de ascabezas e os ípidos
de
as
membranasdeberíanestar
cubiertos
por
una capa
de
proteínasy por
tanto
protegidos
de Ia digestión
por
las os-
folipasas. ncluso
una
proporción
significativa
(por
enci-
ma
del 75o/odependiendo del tipo
celular) de los fosfolípi-
dos de Ia membrana
de las células
se degrada cuando la
membrana
se expone
a
las fosfolipasas.
Esta
susceptibili-
dad a la
digestión enzimátíca
sugirió
que
muchos
de
los
grupos
de as cabezas
e
os fosfolípidos
estarían
expuestos
en la membrana,
en vez de estarcubiertos
por
una capa de
proteína.
Además,
a localización
superficial de las
proteí-
nas de membrana especificada or el modelo de Davson-
Danielli no estaba
basadaen los experimentos
de los
cien-
tíficos
que
intentaron
aislar
esas
proteínas.
La mayoría
de
las proteínas
de membrana
resultaron
ser bastante nsolu-
bles en agua
y
sólo
podían
extraerse
on el uso de solventes
orgánicos
o detergentes.Estas
observaciones ndicaban
que
muchas
proteínas
de membrana
son
hidrofobicas
(o
por
lo menos anfipáticas)y
sugería
que
se ocalizaban,
al
menos en
parte,
en el interior
hidrofóbico de a
membran
más que
en cualquierade
sussuperficies.
El modelo
de
Davson-Danielli
fue posteriormente
de
acreditadopor la evidencia experimental, se tratará má
tarde, indicando
que
las membranas
son
estructuras
lu
das en
las
que
la mayoría
de los lípidos y
muchas
de l
proteínas
semueven ibremente
en el
plano
de a membr
na. La movilidad de lípidos y proteínas
no
se ajusta
ác
mente
a un
modelo que
imagina
láminas de
proteínas
su
perficiales
unidas
por puentes
ónicos a la
bicapa ipídic
subyacente.
Singel Nicholson:na
membranaonsiste
nun
mosa¡coe
proteínas
entro euna
bicapaipidica
luid
Los
problemasrevios
ue
surgieron
on el modelo
Davson-Daniellistimularonl interés aradesarro
nuevas deas especto
a la organización
de las membrana
culminando en 1972
con el modelo de mosaico
fluid
propuesto por
S.
Jonathan
Singer y
Garth Nicolson.
Es
modelo, que
ahora domina nuestra visión
de \a
organiz
ción de Ia membrana,
iene dos características rincipale
las dos aparecenen el nombre.
Dicho simplemente,
el mo
delo imagina
una membrana como
un mosaico
e
prote
nas ncluidas,o
por
Io menos
unidas,de forma
discontinu
a una bicapa lipídica
fluida
(Fígura
7.3f). En
otras
pal
bras, el modelo de Singer-Nicholson
mantuvo la
estruct
ra de bicapa ipídica básica
de modelos
previos,
pero
veía
lasproteínasde a membrana de una forma completame
te diferente,no como capas inas
de
proteínas
sobre
a s
perficie
de
la membrana,
sino como
entidadesglobular
discretas
que
se asocian a la membrana
basándose
en s
afinidad relativa
por
el interior
hidrofóbico
de la bicapa
l
píd ica
Figura7.5a).
Singer
y
Nicholson fueron
unos revolucionarios
cua
do
propusieron por primera
vez esta orma
de
pensar
e
Modelose aestructurae amembrana:
na
perspectiva
xperlmental
17
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
8/41
R i n c n a
fosfolipídica
Cadenas e
carbohidratos
Proteína
Proteína
integrale
periférjca
e
* ^ * L - ^ - ^
i l rv i l rurdrd
memDrana
Glicoproteínas
ProteÍna e
membrana
anclada lípidos
Región
hidrofóbica
Región
hidrofí l ica
Membrana
plásmica
Polipéptido
(cadena
e
aminoácidos)
^ ^ i ^ ^ ^ ¡ ^
carbohidratos
(de
a
glicoproteína)
Bicapa
de
fosfolípidos
(7-8
nm)
Cadenas
e
carbohidratos
o
\
I
ll
Fosforíeido
UPERFICIE
INTERNA E LA
MEMBRANA
-o tc
t ransmembrana
en o,-hélice
(b)
Proteínantegral e membrana
las
proteínas
de la membrana,
pero
resultó
que
todos los
datos cuadraban
bastantebien. Basándose
n el diferente
anclajea
la
bicapa,
se econocen res
clases e
proteínas
de
membrana. Las
proteínas
ntegralesde rnembranaestán em-
bebidas
en la bicapa ipídica y
se
mantienen
en su sitio
por
la
afinidad de
los segmentos hidrofóbicos
de
la
proteína
(c)
Un segmentoransmembrana
(20-30
minoácidos)
n a-hélice,
ampliado
por
el
interior hidrofóbicode a bicapa ipídica.Por
otro
lado,
proteínas erifericas, ue
son mucho máshidrofilicas
y por
tanto están ocalizadas n la superficiede la mem-
brana. donde están
ancladas e forma no
covalente los
grupos polares
de
as
cabezas e
los fosfolípidosy/o
a las
partes
hidrofílicas de otras
proteínas
de membrana.Pro-
(a)
Modelo
e
mosaicoluido
¡ ^ l ^ ^ ^ + , , , ^ + , . , ^ ¡ ^ l ^
u E t d E J i l u u L u t d u E t a
membrana
NHá
¿
Figura7.5 El modelode mosaico luido de estructurade la membrana.
(a)
Singer
y Nicolson imaginaron la membrana como una bicapa
de
lípidos fluida con un mosaico de
proteínas
asociadas bien
integrales
o bien
periféricas.Las
proteínas
ntegralesde membrana están
ancladasal interior hidrofóbico de la membrana
por
uno o más segmentos
idrofóbicos transmembrana
que
normalmente tienen
conformación en a-hélice
(púrpura
claro).
Los
segmentos
hidrofílicos
(prlrpura
oscuro) se extienden
hacia el
exterior,
hacia
uno o ambos
lados de
a membrana. Las
proteínasperiféricas
de membrana se asociancon la superficie de
a membrana
por
fuerzaselectrostáticas
ébiles
que as
unen
a regioneshidrofílicas
de otras
proteínas ntegralesde membrana adyacentes a
grupos polares
de
las cabezas
e
os
fosfolípidos.
(b)
Una proteína integral de membrana con multiples segmentos ransmembrana en
a-hélice como se eveló en los trabajos
posterioresde
Unwin
y Henderson.Muchas
proteínas
ntegralá de a membrana
plasmática ienen
orientadas
hacia a
superficie externa de
la membrana, cadenas ateralesde carbohidratos unidas a sus segmentos idrofílicos.
(c)
Un
segmento ransmembrana en a-hélice
con
aminoácidos representados
or
círculos dentro de a hélice.
176
Capitulo
Membranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
9/41
teínas ncladas
lípidos, unqueno
son
parte
del modelo
de
mosaico
luido original,
ahora se reconoce,
omo una
terceraclase
de
proteínas
de membrana.
Estas
proteínas
son esencialmenteidrofflicasy por
esto
esiden
en a su-
perficie
de a membrana, ero
están
unidascovalentemen-
te a
moléculas
de lípido
que
están ncluidas en la
bicapa.
La naturaleza luida
de Ia membrana
es a segunda
a-
racterística
ríticadel modelo
de Singer-Nicholson. a
ma-
yoría
de los componentes
ipídicos
de una
membrana
es-
tán en
constante movimiento,
son capacesde
tenermoviiidad ateral es
decir,
movimiento paralelo
a
a
super-
ficie de a membrana)
más
que
de estar
bloqueados igida-
mente
en su sitio. Muchasproteínas
de a membrana
son
también
capaces e moverse
ateralmentedentro
de
la
membrana,
unquealgunas
stán
ancladas
elementos
s-
tructurales e
uno u otro lado de a membrana
por
esto
tienen una movilidad restringida.
La fierza
del modelo de mosaico luido
está en
que
proporciona
una explicación ácil para
a mayoría
de
las
críticas ealizadas
l modelode Davson-Danielli.
or ejem-
plo,
el concepto e proteínas arcialmente
mbebidas
n a
bicapa ipídica concuerda on la
naturaleza idrofobicay
la estructuraglobularde a mayoríade asproteínasde a
membrana elimina
a necesidad
e acomodaras
proteí-
nas
de membrana n finas
capas uperficiales
e espesor
invariable.Además,
a
variabilidad
de la
proporción
de
proteínas/lípidos
e membranas
diferentes, implemente
significa
que
algunas
membranas
ienen relativamente
o-
cas
roteínas
mbebidas
n a
bicapaipldica,mientras ue
otrasmembranasienen
más
proteínas
e este ipo. La ex-
posición
de
as
cabezas
e
os
ípidosen a superficie
e a
membranaesobviamente
ompatible
con su susceptibili-
dada a digestión or
las osfolipasas,
ientras
úe
a flui-
dezde
as
capasipídicas lamezcla
de ípidos
y proteínas
dentro
de
a membrana
acemás ácil
maginar a movili-
dad antode ípidoscomodeproteínas.
Unwin Hendersonl
a mayoÍade as
proteínas
de membrana
ontienen
egmentoslansmemblana
La lustración
inal en el
cronograma
Figura
7.3g) epre-
senta na
propiedad
mportante
e
asproteínas
ntegrales
de membranaque
os
biólogoscelulares mpezaron
en-
tenderen a
década e 1970:a mayoría
e as
proteínas
ie-
nen en
su
estructura rimaria
una o mássecuencias
idro-
fóbicas
que
abarcana
bicapa ipídica
(Figura
7.5b
y
c).
Estossegmentos
ransmembrana
nclan as
proteínas
a
la
membranay lassostienen lineadas orrectamente entro
de
a
bicapaipídica.
El ejemplo
de a Figura
7.3ges dela bacteriorodopsina,
primera
proteína
e membrana ue
sedemostró
que po-
seía sta aracterística
structural. a
bacteriorodopsinas
una
proteína
de la membranaplasmática
encontradaen
una
arqueobacteria
el
género
Halobacterium,
onde su
presencia
e
permite
a lascélulas btener
energía irecta-
mente
de
la luz
del sol. Para
captar estaenergía
solar
bacteriorodopsinaiene,
omo
parte
de
su estructura,
molécula
e retinal,lamismamolécula
on
capacidada
absorberuz,
que
utiliza el ojo humano para
detectar
a
u
Ademásde absorber a
energíauminosa,
el retinal prov
caun cambioconformacional
n a bacteriorodopsina
causa
ue
a
proteína
bombee
protones
uera
de a célu
El gradiente
de
protones
esultante
través
de a membr
na
puede
erutilizado
como uentede
energía.
Nigel
Unwin
y
Richard Hendersonutilizaron la m
croscopía lectrónica
ara
determinar a
estructura
rid
mensional e a bacteriorodopsina
su orientación
n
membrana.
u extraordinario
escubrimiento,ublica
en
1975,
ue
que
a bacteriorodopsina
onstaba
e
un
únicacadena
eptídica
ue
se
pliega
na
y
otravez
atrav
de a bicapa ipídicahasta
n total
de siete eces.
ada
un
de
los
sietesegmentosransmembrana
e la
proteína
una r-hé lice empaquetada
strechamente
compue
principalmente
or
aminoácidos idrofóbicos.
os
se
mentos ransmembrana
ucesivos stán
anclados
no
otro
por pequeños
ucles
e aminoácidos
idrofílicos
seextienden sobresalen
esdeassuperficies olares
e
membrana.Para er endetallea estructuraridimens
nal
de
a
bacteriorodopsina,
onsultea Figura
8.14
del c
pítulo
siguiente.)Basándose
n los trabajosposterio
realizados
or
muchos
aboratorios,
os biólogos
de
membrana
hora reen
ue
odas as
proteínas
ransme
brana estánancladas
la bicapa ipídicapor
uno
o m
segmentos
ransmembrana,
n
tema al
que
volverem
más arde en este apítulo.
Descubrimientosecientes
mejoran uesttos
conoc¡m¡entosobre a estructura
e a memblana
Casidesde l momento
en
que
Singer
Nicolson o
prop
sieron, l modelodel mosaicoluido revolucionóa man
ra
en a
que
os científicos
ensaban
cercade
a estructu
de as membranas.
l modelo anzaba
na nueva
era
en
investigacióne a membrana ue
no sóloha
confirma
el modelo
básico, ino
que
o ha aumentado
extendi
Además,
uestros onocimientos
obre a
estructura
e
membrana
continúan expandiéndose
medida que
nu
vos
descubrimientos ientíficosmejoran y
modifican
modelo
básico.
Descubrimientosecientes
nfatizan
l concepto
e
qu
las membranas o
son estructuras omogéneas
n as
qu
suscomponentes emezclan
e
orma
ibre,
sino
que
an
los ípidoscomo asproteínasiendenaordenarse,stan
sus
movimientos
con recuenciaestringidos
or
mecan
mos difícilesde evidenciar
a
partir
de a
estructura
bás
mostrada
n
a Figura
7.5.Dehecho,a
mayoría
e os
pr
cesos elulares
ue
mplican
a
asmembranas,
ependen
los complejosestructurales
specíficos
e ípidos y
prote
nas La
señalización elulat un
temadel
que
rataremos
el Capítulo
14,
esun ejemplo
de este ipo de
procesos.
Modelose a
estructurae
a
membrana:na
erspectiva
xperimental
L
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
10/41
Hastaahora,
para
entender
os
procesos
sociados
as
membranas,hemos necesitado lgo más
que
el modelo
original de mosaico
luido,
con
ípidos y proteínas lotan-
do alrededor implemente
l azar.No obstante, l modelo
de
mosaico luido es
básico
para
entender a estructurade
la membrana, e manera
ue
es mportante
ara
nosotros
examinaren detallesuscaracterísticassenciales.
stas a-
racterísticasncluyen, a
química,
a distribución asimétri-
ca
y
la fluidezde os ípidosdemembrana,laselacionese
las
proteínas
e membranacon
a
bicapa la movilidad de
lasproteínas n a bicapa.Comentaremosadauna de es-
tas características
or
orden, centrándonos n
las eviden-
cias
que
o apoyan en as mplicaciones e cadacaracte-
rísticaen a función de a membrana.
Los
lípidos
de membrana: la
parte
"fluida"
del
modelo
Empezaremos l estudiodetalladode asmembranas on-
siderandoos
ípidos,
que
son componentes
mportantes
de
a parte
el
modelode mosaicoluido.
Lasmemblanas ontienen ariasde as
plincipales
lases
de
ípidos
Una
propiedad
evidentedel modelo de
Singer
Nicholson
es
que
mantiene a bicapa ipídica
propuesta
nicialmente
por
Gorter
y Grendel,aunquecon una mayor diversidad
fluidez de os componentes
ipídicos
de a
que
os investi-
gadores
nteriores
econocieron.asprincipales lases
e
lípidos de membrana on assiguientes:
o
sfolípidos,
licolí-
pidosy
esteroles.
a Figura7.6hace n listadode os
prínci-
pales
ípidosdecada na deestas ategoríasrepresentaa
estructura
de
algunosde ellos.
Fosfolipidos. omo
ya
sabemos esde l Capítulo3,los í-
pidos que
se encuentranen mayor abundancia n las
membranas on os fosfollpidos
Figura
7.6a).
as
mem-
branas
contienenmuchasclases e fosfolípidosdistintos,
incluyendo
tanto a
fosfoglicéridos
basadosen
glicerol
como
a os esfingolípidos
basados n esfingosina.
os os-
foglicéridosmáscomune son
o
sfatidilcolina,
osfatidileta-
nolamina,
osfatidilserina fo
sfatidilino itol.
El
esfi
golípi-
do
más
común
es la
esfingomielina, u estructura se
muestra n a Figura7.6a.Las lases,rlgenes
proporcio-
nes relativasde os fosfolípidos
presentes
n
las membra-
nas varían significativamente ependiendodel origen de
éstas
Figura
7).Porejemplo,a esfingomielinasuno
de
los
principales osfolípidos
de
as membranas lasmáticas
animales,
ero
está
ausente n as membranas
lasmáticas
de
plantas
bacterias también
de
asmembranasnternas
de mitocondrias
y
cloroplastos.
Glicolipidos. omo su
nombre ndica,los
glicolípidos
se
forman al añadira os ípidos
grupos
carbohidrato.Algo-
nos
glicolípidos ienen como base
glicerol,pero
a mayoría
derivan de a esfingosina por tanto, se laman glicoesfin-
golípidos.
os ejemplosmáscomunes on os cerebrósidos
y los gangliósidos.Los cerebrósidos edenominanglicolí-
pidos
neutros
a que
cada
molécula
iene
¡n
azicar no car-
gado
como
grupo principal
-galactosa-,
en
el casodel
galactocerebrósidoue
se muestraen la
Figura
7.6b.Por
otro lado,un
gangliósido,
iempre ieneun
grupo princi-
pal
oligosacárido
ue
contiene
uno o
más esiduos
e áci-
do siiílico cargados
egativamente,
ue
e
proporcionan
a
la molécula arganetanegativa. oscerebrósidos los gan-
gliósidos redominan
especialmenten asmembranas
e-
rebrales en
as
células
erviosas. osgangliósidos
xpues-
tos en la superficiede la membranaplasmáticaambién
funcionan como
antígenos
ue
son
reconocidos or
anti-
cuerposen as eaccionesnmunes, ncluyendo as eaccio-
nes esponsablese
as nteraccionesntre
grupos
anguí-
neos.Por ejemplo,os
grupos
sanguíneos
umanos
ABO,
implicana
os
glicoesfingolípidosue
sirven omomarca-
dores e
a
superficie
elular e os glóbulos ojos.
Algunas de las enfermedades umanasmás
graves
e
producen
omo
consecuenciae daños
n
el metabolismo
de osglicoesfingolípidos.l ejemplomejor conocido
s a
enfermedad
e Tay-Sachs,
ue
seorigina
por
la ausencia
e
una enzima isosomal,
a
B-N-acetilhexosaminidasa
, res-
ponsable
e uno
de os
pasos
e a degradación
e os
gan-
gliósidos.Como resultadodel defectogenético,os gan-
gliósidos
se
acumulanen el cerebro
y
en otros
tejidos
nerviosos, añandoosnervios afectando a unción
ce-
rebral,
provocando
inalmente
parálisis,
deterioro mental
severo muerre.
Esteroles.
Además e osfolípidos glicolípidos,las
em-
branas
de a mayoríade ascélulas ucariotasambién
con-
tienen cantidades ignificativas e esteroles
Figura
7.6c).
El
principal
esterol e asmembranas elulares nimales
s
el colesterol,
mientras
que
las membranas
de
las
células
vegetales ontienen
pequeñas
antidadesde colesterol
y
Figura7.6
(Página
opuesta)Tres clases
pÍncipales
de
lipidos
de
membrana.
Cada
clasede íp ido es lustrado mediante un diagrama
esquemático
en
a izquierda), su estructura química
(en
el medio) y mediante modelos de ocupación espacial
en
la
derecha).
(a)
Los fosfolípidos consistenen una cabeza on un grupo
polar pequeño
(del
tipo colina, etanolamina,serina o
inositol)
unido a un
esqueleto ipídico, formando fosfoglicéridos
(basados
n
glicerol)
o esfingolípidos
(basados
en esfingosina) .Para conocer a estructura
de
colina, etanolamina,serina e nositol, úaseFigura 3.29 en la
p.
69).
(b)
Los
glicolípidos
están ambién basadosen
glicerol
o en esfingosina,
estosúltimos son
os más
habituales.Un cerebrósido iene un azúcar neutro, como
grupo principal, mientras que
un
gangliósido
iene una
cadenade oligosacárido
que
contiene uno o más residuosde ácido siálico
y
además iene
carganegativa.
c)
Los esterolesmás
comunes de a
membrana
son el
colesterol
en animales
y
varios fitoesterolesen las
plantas.
178
Capítulo Membranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
11/41
Reconstrucciónspacial
|
\^/ ̂ /
:..
cH3
F, E-"'3
Estructura
ulmica
H.C CH"
N
CH,
,/ \,/ \^
H"C H.C Y
I
O : P - o -
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:":il:
Diagrama squemático
' fcdrr--- ]
---t--,
I
Fosfato
I
--t---
__l_
I
Glicerol
rr-
r - l -
t o t t o lt a t t a l
t s l t s l
l o , l l o l
t o t t o l
t c t t o l
l ( ) l l o l
tft lfj
fcd*-l
T,
I
Fosfato
I
--T--*
I
I
Esfingosina
I
-f-*-l
I
. l l l
tEt | |
L I
¡ I
l('.)l
r_r
t o l
t l
l o l
l
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
12/41
Membrana
plasmática
(E.
coli)
o ^ ^
o b u
:é
o
a
6 ¿ o
c
(Ú
p
c)
d'
2n
C
c)
O
L
I
ffi
T
Fosfatadletanolamia
Fosfat idlcolina
Fosf t idrlserina
Esf ingomie l ina
I
Fosfat idil inositol
t
Fosfat idilglicero
1,f f i
Difosfat idilglicerol
cardiolipina)
Figura 7 Varias lasesde membranas
su composición e fosfolípidos. La abundancia elativa
de distintas lases e fosfolípidos
e as
membranas iológicas aríaenormemente
ependiendo e a membranade origen.
grandes
cantidadesde fitoesteroles,
entre os
que
se nclu-
yen
el campesterol, itosteroly
estigmasterol.Hasta donde
sesabe,asmembranasde hongosy protistas ambién con-
tienen esteroles imilares
en su estructura al
colesterol.
No se han encontrado esteroles
en las membranas de
las células
procariotas
y
también están ausentes
de las
membranas
internas de mitocondrias y
cloroplastos,
que
secree
que
derivan evolutivamente
de membranas
plasmá-
ticas de células procariotas.
Sin embargo,
la
membrana
plasmática
de
por
lo menos
algunos
procariotas,
ncluyen-
do tanto
bacterias omo cianobacterias
ontienen molécu-
las similaresa los esteroles,
enominadashopanoides, que
sustituyena los esteroles
n la estructura de la membrana.
La molécula
de
hopanoide
es ígida y fuertemente
hidrofó-
bica, con una cadena ateral
corta e hidrofílica
que
se ex-
tiende desdeuno de os ados (Figura 7.8). Los hopanoides
son abundantes en los depósitos
de
petróleo,
sugiriendo
que
podrían
haber sido componentes
de as membranas
de
los antiguos
procariotas
que
contribuyeron,
presumible-
mente,
a
la formación
de los combustibles
ósiles.
La
cromatografíancapa ina
esuna écnicamportante
para
l análisis
e
os
ípidos
¿Cómo
sabemos
anto acercade os
componentes ipídicos
de
las membranas?
La respuesta,
or
supuesto,es
que
los
biólogos
y
bioquímicos
han aislado,separadoy
estudiado
los ípidos de asmembranasdurante más de un siglo.Una
técnica mportante
para
el
análisisde los lípidos
es
a
cro-
matograffa en capa fina
(TLC)
(del
inglés,
thin layer chro-
matography),
epresentada squemáticamente
n la Figura
7.9.Esta técnica separadiferentes
clases e lípidos
basán-
dose en sus afinidádes
elativas
or
una
fasi
estacionaria
hidrofílica y
una
fase
móvil hidrofóbica.
Normalmente
la
fase
estacionariaes una capa fina
de ácido
silícico sobre
una
placa
de vidrio o
placa
metálica, mientras que
Ia fase
mór'il
esuna mezclade solventes
propiados.
En el experimento, o primero es extraer os lípidos de
la
preparación
de membrana usando
una mezcla
de sol-
l,entes
orgánicos.Después,
e aplica una
gota
de la mezcla
del extracto
en un extremo de a
placa
ratada con ácido
si -
lícico, concretamenteen un área
pequeña
denominada
el
origen
(Figura7.9a).Unavez
el solvente
se ha evaporado,
se
mete
el extremo de la
placa
en un
sistemasolvente
que
normalmente consiste
en cloroformo, metanol y
ugr.tu.
medida
que
el solventese mueve, pasapor
el
origen
y
as-
ciende por la placa por
capilaridad, os lípidos
se
separan
at-.t ^t-.1
(a)
Un hopanoide
(b)
Colesterol
Figura .8 Estructuta
e
os
hopanoides.
(a)
Un
hopanoide,
n
tipo
de
molécula
similar al colesterolque parece
uncionar
en las
membranas plasmáticas
de algunos procariotas,como
lo hacen
os
esteroles n asmembranas
e
as
célu1asucariotas.
b)
La
estructura del colesterol.
Una cadena ateral débilmente
hidrofflica
(-CHTOH
o
-OH)
sobresale e cada
molécula.
H O
r80
Capitulo Membranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
13/41
(a) (b)
Figura .9 Usode a clomatografia n capa ina
para
el análisis
e
fos fipidos e membrana. La
cromatografia n capa ina
(TLC')
es
una
técnica
útil para ana\zar
os lípidos de membrana. Los ípidos
seextraen
a partir de una preparación
e membranas on una
mezcla de solventes rgánicosy
(a)
se aplica una gota de a muestra
en un área
pequeña
de a placa de vidrio
o de
a placa
de
metal
tratada con una capa ina de ácido
silícico.Cuando la
mezcla
se
ha
secado n el
punto
de origen, a placa
sesumerge n un sistema
soivente
que
normalmente
estácompuesto
por
una mezcla de
cloroformo, metanol y
agua.A medida
que
el solventeasciendepor
la placapor
capilaridad,os ípidos seseparan n función de su
polaridad:
os ípidos no polares
omo el colesterol o seadhieren
con fuerza al ácido silícicoy asciendenpor la placa,mientras que la
mayoría de ípidos
polares
se mantienen
cercadel origen
(b)
cuando el frente del solventese acercaalazona
superior
de a placa,
se etira la
placa
del sistemasolvente y cadauno de los lípidos
separados e ecupera se dentifica.El
patrón
que
se
muestra
correspondea Ia membrana
plasmática
del eritrocito.
Los
componentes
principales
son el colesterol , a
fosfatidiletanolamina
(PE),la
osfatidilcolina
PC)
v
la fosfatidilserina
PS).
basándosen su
polaridad
es
decir,
por
susafinidades
relativas
or
las ases stacionaria móvil-. Los ípidos
no
polares,
omoel colesterol,
ienen
pocaafinidadpor
el
ácidosilícico
la
faseestacionaria)
por
tanto ascienden
por la placa on el sistema olventela fasemóvil). Los í-
pidos
más
polares,
omo os osfolípidos,nteractúan
uer-
temente on el ácido
silícico,
ue
alentiza umovimiento.
De esta orma, ípidos diferentes
e separan
rogresiva-
mente a medida
que
el
frente
de avancede la fasemóvil
continúaascendiendo
or
la
placa.
Cuando
el frentede
avance
frente
delsolvente
e
acerca
a superficie,a
placa
se etiradel sistema olvente seseca, entoncesos
ípi-
dos
separadose
ecuperan
e a
placa
disolviendo
ada
gota
ndividualizadao cadabandaen un solvente
omo
el
cloroformo)
para
su
posterior
dentificación
estudio.
La Figura
7.9 muestrael
patrón
de TLC visto en la
membrana lasmática
el eritrocito.El
componente
rin-
cipalde estamembrana sel colesterol25o/o)los fosfolí-
pidos
(
55%),con fosfatidiletanolamina
PE),
osfatidilco-
lina
(PC)
y
fosfatidilserina
PS)
como
os osfolípidos
más
importantes. a membrana lasmática
el eritrocito am-
bién contieneosfatidilinositol
esfingolípidos,
ero
estos
componentes stán
resentes
n menores
antidades
menos
robable ue
sedetecten
or
TLC.
No obstante,
tos últimos ípidos son componentesmportantes
de
membrana,
ue
abundanen otros tipos de membran
Los esfingolípidos,
or
ejemplo,son especialmente
re
cuentes
n
el ejidonervioso,
omo
ya
seha comentado
Los
ácidos
grasos
on
esenc¡ales
n a estructura
y
función e a membrana
Losácidos rasos oncomponentese odos os ípidosd
la membrana xcepto e os esteroles.on
esenciales
a
la estructura e a membrana
ebidoa
que
sus argas
ol
hidrocarbonadasorman
una barrera
idrofóbica
fect
para
a difusiónde os
solutos
olares.
a mayoría
de o
ácidos rasos e asmembranasienenentre
12
y
20
át
mos de carbonode
longitud,
siendoespecialmente
re
cuentesos ácidos
grasos
e 16
y
18 átomosde
carbon
Este angode amaños
arece
er
el
óptimo
para
a orm
ción de a bicapa, ebidoa
que
ascadenas on
menos
d
12 o con másde
20
átomosde carbonoson ncapaces
formar una bicapa stable. e esta orma,
el espesor
e a
membranasalrededor e 6-8 nm,dependiendoe su or
gen)
vendría
ictado
principalmente
or la longitud
de
cadena eácidos
rasos
ecesaria
araque
a
bicapa ea
table.
Losácidos
rasos
ncontrados n os ípidos
de mem
branano sólo
presentan
iferencias n ongitud,
sino
qu
también arían onsiderablemente
n
a
presencia
núm
ro de doblesenlaces. a Tábla7.2 muestra as
estructu
de diferentes cidos
rasos
specialmenterecuentes
n o
Iípidosde membrana.El cido
almíticoy
el ácido steá
son ácidos
rasos aturados on 16y 18
átomosde carb
no respectivamente.l ácidooleico el ácido
inoleico
ácidos
grasos nsaturados
on uno o dos dobles
enla
respectivamente.trosácidos rasosnsaturadosabitu
lesen asmembranas onel ácido inolénico
on 18carb
nos
y
tresdobles nlaces el ácido raquidónicoon
20 ca
bonos
y
cuatro
dobles nlaces
véaseTabla
.6).Todos
o
ácidos
grasos
nsaturados e las membranas stán
en
configuración ls
provocando
na orsión
brusca, n riz
de a cadena idrocarbonadan cada oble
enlace. ebid
a
que
suscadenas
aterales
o son ineales,os ácidos
r
sos on dobles
nlaces o
se
empaquetan
ien en a
mem
brana,característicastacon considerablesmplicacion
parala
luidezde a misma,
omo
veremos
n breve.
AsimetÍa de membrana:a mayoria e os Ípidos e
distribuyen e maneta esigual ntre as dos monocap
Puesto
ue
asmembranas ontienenmuchas
lases e
pidosdiferentes,a
pregunta ue
surgeessi os diferen
lípidossedistribuyen no, al azar, n tre as
dosmonoc
pas
de
lípidos
que
constituyen
una bicapa ipídica.
Est
dios
químicosque ncluyen
membranas erivadas
e un
Frente
delsolvente
\
6
Origen
I
o
Colesterol
I
v r t
¡
lec
O P S
l o
'
N. del T.: TLC de Thin Layer
Cromatography
Losípidosemembranas:a
parte fluida,
elmodelo
1
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
14/41
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Gapítulo Membranas:
structura,
uímica
unción
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8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
15/41
ampliavariedad
de ipos celulares
iferentes
evelaron
ue
la mayoúa
de os
ípidos sedistribuyen
de forma desigual
entre
as dos
monocapas. staasimetría
de
a membrana
incluye diferencias
anto en
las clases e
ípidos
presentes
como en el
grado
de instauración
de los ácidos
grasos
de
las moléculas
e
fosfolípidos. or ejemplo,la
mayoríade
los
glicolípidos
presentes
n
la membrana
plasmática
de
una célula
animal
-y
también a
mayoríade as
glicopro-
teínas- se
estringea
la más externade
las dos monoca-
pas.
El resultado
es,
que
sus
gruposcarbohidratosobresa-
len de la superficiede la membranaexterna,en donde
están
mplicados
en una
granvariedadde acontecimientos
relacionados
on
la
señalizacíón
el
reconocimiento.
Por
otro
lado, a fosfatidiletanolamina,
l
fosfatidilinositol
y
la
fosfatidilserina
on
más mportantes
en la monocapa
n-
terna,donde
están mplicados
en a transmisión
de varios
tipos
de senales esde
a membrana
plasmática aciael n-
terior de
a célula.Nos esperan
másdetalles obre
a detec-
ción
de señales
la transducción n el Capítulo
14.
La asimetría
de la membrana
se establece
urante
su
biogénesis
or
la
inserciónde diferentes
ípidos
o por
la
existencia
e
proporcionesdiferentes
e
varios ípidos
en
cada nade asdos
monocapas. navez
establecida,
a asi-
metrla iendea
mantenerse ebido
a
que
el
movimientode
los ípidos
deuna monocapa
a otra
equiere
ue os
gru-
pos
hidrofílicos
e suscabezas
asen
través
el nterior
hidrofóbico
de
la membrana, n
acontecimiento
ue
es
desfavorable
ermodinámicamente.
unque
ocurrede
ma-
nera ocasional,
ste
nflip-flopr,
o difusión
transversade
los ípidos
de membrana,
s elativamente
aro.De hecho,
una
moléculade
osfolípido ípica
experimenta
l flip-flop
menosde una
vez ala semana n
una bicapa
osfolipídica
pura.
Estocontrasta
otablemente
on a rotación
de as
moléculas
e fosfolípido
alrededorde su
eje
y
con a difu-
sión ateral de
os osfolípidos
n el
plano
de
a membrana,
movimientosqueocurren ibremente, e ormarápiday al
azar.LaFigura
.10 lustra
estosres ipos
de movimientos
lipídicos.
Difusión
ransversal
(" f l ipJ lop"¡
Mientras
que el flip-flop fosfolipídico
es elativame
raro, su frecuencia
es mayor en
las membranasnatura
que
en
las bicapas
ipídicas artificiales
ya que
algu
membranas
la
del retículo endoplasmático
iso
(ER),
particular- tienen
proteínas
denominadas
ransloca
res ipídicos,
o flipasas,
que
catalizan
l flip-flop de os
pidos
de
membrana
e una monocapa
a
otra.
Estas
teínasactúansólo
sobreclases specíficas
e lípidos. P
ejemplo,
una de estas
roteínas
n
a membranadel retí
lo endoplasmático
iso, catalizaa translocación e fosf
dilcolina de un lado de a membranaal otro perono re
noce a otros
fosfolípidos.
Esta capacidad
para
mo
moléculas
ipídicasselectivamente
e un
lado
de a bica
al otro
esuna contribución
mása a distribución asimé
ca de
os osfolípidosa
travésde a
membrana.El papel
retículo endoplasmático
iso en
a síntesis flip-flop
se
tivo de
os fosfolípidosde
a membranaesun tema al
q
volveremos n el Capítulo
12.
La bicapa ipídica
s fluida
Una
de las
propiedadesmás
lamativasde los lípidos
membranaes
que más
que
tener
un sitio fijo en la me
brana, orman una bicapa luida que permite la difus
lateral tanto
de los
lípidos como de Ias
proteínas
en
membrana.
Las moléculas ipídicas
se mueven espe
mente
ápido debido a
que
son mucho
más
pequeñas
las
proteínas.Por ejemplo,
una molécula osfolipídica l
ca,
iene un
peso
molecularde
alrededor e 800
y pu
viajarla
longitud de
una célulabacteriana
en
a mayo
de
os casos, nas
pocas
micras)
en un segundo men
Las
proteínas emueven
mucho más entamente
ue
os
pidos,en
parte
porque
onmoléculas
uchomayores
pesosmoleculares
ariasveces uperiores
os de os
os
lípidos,
pero principalmente
ebido
a sus nteracci
con asproteínas el citoesqueleto el nterior de a cél
La difusión
ateral de os
ípidos de membranase
p
de demostrar
experimentalmente
or
una écnicadeno
Figura.10
Movimientose
asmoléculase osfolipidon as
memblanas,
Una molécula
de fosfofpido
es
capaz
de realizar
r
clases e movimientos
en
la membrana; rotación alrededor de su
eje mayor;
difusión
lateral al azar ¡tercambiando
sitios con
moléculas
vecinas
de a misma monocapa;
difusión transversal
o
,
de una
monocapa ala otra.
A37
oC
en una monocap
de
fosfolípidos
pura, una molécula ipídica
típica intercambia
su
sitio
con moléculas
vecinas,unos diez
millones de veces
por
segundo
y
semueve
ateralmente a una
velocidad de varias
micra
por segundo.
Por el contrario, la
frecuencia con la
que
una
molécula de fosfolípido individual difunde por flip-flop de una
capa
ala otra, oscila,
entre menos de una
vez a a
semana
en
una
bicapa
fosfoüpídica
pura, aunavez cada
pocashoras
en algunas
membranas
naturales.
Esta ultima diferencia,
se debe,a a
prese
en
algunasmembranas,
de enzimasdenominadas
ranslocadore
fosfolipídicos,o
flipasas,
que
catalizan
a difusión transversal
de
moléculas
de
fosfolípido de una monocapa
a a otra.
Difusión
ateral
Losípidose
membranas:a
partefluidao
el
modelo
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
16/41
nada
recuperación
de la fluorescencia
despuésde
foto-
blanqueamiento
Figura
7.11).El nvestigador tiqueta,
marca,las oléculasipídicas e a membrana
eunacélu-
la
viva
uniéndolas ovalentemente moléculas e un mar-
cador luorescente. eutiliza entonces
n
rayo áser
de alta
intensidad
ue
blanquea
l colorante n un
punto peque-
ño
(unas
pocas
micrascuadradas)
e
a
superficie elular.
Si
seexamina a
superficie elular
nmediatamente
espués
con un
microscopio
e fluorescencia ,e observará n la
membrana, n
punto
oscuro, o fluorescente.
in
embar-
go,unossegundos espuésosextremos elpuntosemel-
ven luorescentes,a que
moléculasipídicas lanqueadas
difunden fuera del áreatratada
on el
ásery moléculas
i-
pídicas
luorescentes,
rocedentes
e
regiones
dyacentes
de a membrana,
enetran
n ella.
Finalmente,
l
punto
es
indistinguible
el estode a superficie elular. sta écnica
no sólodemuestra
ue
os ípidosde membrana
stán n
un estado
luido más
que
en un estado stático, ino
que
proporciona
na maneradirectade medir el movimiento
Iateral e moléculas specíficas.
Lasmemblanasuncionan
orrectamenteóloen estado
fluido
Como
puede
suponet a fluidezde a membrana ambia
con a emperatura, isminuyendo medidaque
a empe-
ratura decae aumentando medidaque
a temperatura
crece.
e
hecho,
partir
deestudiosealizados
onbicapas
Iipídicas rtificiales,esabe
ue
cada
bicapa ipídica iene
una emperatura e ransicióncaracterística
T-)
para
a
cual se
gelifica
) uandosecalienta. ste
am-
bio en el estado e a membrana e
denomina ransición
de ase esen ciertamedida
imilaral cambio
que
experi-
mentan la mantequilla
o
la
margarina al calentarlas
o en-
friarlas. Para
que
una membrana
funcione correctamente
debe
mantenerse
en el estado fluido
-es
decir,
a una tem-
peratura por
encima
de
su
valor
d. 7.-.A una tempera-
tura
por
debajo del
valor
de
7-,
todas las funciones que
de-
penden
de la movilidad o del cambio
conformacional
de
las
proteínas
de
membranas
se verán dañadas o interrum-
pidas,
incluyendo
procesos
vitales tales como
el transporte
de solutosa travésde a membrana, a
detección
y
la trans-
misión de señales, la
comunicación intercelular
(consul-
te a Figura7.2).
La
técnica de calorimetría diferencial de
barrido
per-
mite determinar
la
temperatura
de transición de
una
membrana dada.Este
procedimiento
monitoriza la
absor-
ción de calor
que
se
produce
durante la
transición desde
un estado fsico a otro
-la
transición
del estadode
gel
al
estado luido- en el casode las membranas.La
membra-
na de nterés se sitúa en una cámarasellada,
l calorímetro,
y
la absorciónde calor semide a medida
que
seva aumen-
tando lentamente a temperatura.El
punto
de máxima
ab-
sorción de calor corresponde a Ia temperatura
de transi-
ción
(Figura
7 I2a).
Losefectosde a composición e ácidosgrasosen a fluidez e
la membtana. La fluidez de la membrana
depende
princi-
palmente
de
las clasesde lípidos que
contiene. Hay
dos
propiedades
del componente lipídico
de una membrana
que
resultan especialmente mportantes
para
determinar
su
fluidez: a longitud
de
as
cadenas aterales e los ácidos
grasosy
su
grado
de instauración
(es
decir, el número
de
dobles
enlaces
presentes).
Los ácidos
grasos
de
cadena
larga
tienen temperaturas de transición más elevadas ue
los
ácidos
grasosde cadenas
cortas, o
que
indica que
las
membranas ricas en ácidos
qrasos
de cadena area
ienden
Superf icie elular
no
marcaoa
Moléculas
e
la
Un rayo áser Moléculas arcadas
superf icie elular
blanquea n áreade con el compuesto
marcadas on un la superf icie elular f luorescenteifunden
coloranteluorescente
haciael área
blanqueada
Medida
de la velocidad
de
difusión
e
la luorescencia
haciael áreablanqueada
con respecto
l iempo
Figura .11
Medida e a movilidadipídica
n a membrana
or
ecuperacióne a fluorescencia
espués e otoblan queamiento. os
ípidos
de membrana semarcan con un
compuesto luorescente, en una zonalocalizada de a membrana
esa
luorescencia
seblanquea
rradiando
Ia célula con un rayo áser.La fluidez
de a membrana semide
determinando
la velocidad
a
a que
difunden moléculas luorescentes
esde
zonascercanas l áreablanqueada,provocando
así a reaparición de a fluorescenciaen el punto
blanqueado
por
el láser.Sehan realizado
experimentos similarescon
proteínas
de membrana;
yéaseIa
Figtra 7.28.
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.(Ú
O
c
c)
O
a
q)
f
G
(s
c)
(d
p
a
c
c)
E
Tiempo
1 84 Capítulo Membranas:
structura,
uímica
unción
-
8/17/2019 Capitulo VII Membranas Estructura Química y Funcíon
17/41
t
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70
60
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ó ' "
60
0
(a)
Membranaormal
40
Temperatura
'C )
0 2 0 4 0 6 0 8 0
Temperatura
"C )
(b)
lVembrana
nriquecida on ácido
oleico con ácido
esteárico
Figwa7 12 Determinación
e a tempenturc
de ransición e a
membrana
ol
calorimetrÍa iferencial
e barrido.
(a)
Cuando a
temperatura
e una
preparación
e
membranaseaumenta
lentamente
n una cámarade calorimetría,
a temperatura e
transición T.)
del estado el al estado luido
vienemarcada or
un
pico
de absorción
e calor.
b)
Lasmembranas
elulares ue crecen
en un medio enriquecido on ácido oleico,un ácidograso
insaturado,
on más luidasque asmembranas
ormales por
tanto
tienenuna menor temDeratura
e transición.Las
membranas
de ascélulas ue crecen
n
medios
enriquecidos on ácido
esteárico, n ácidograso
aturado, on menos
luidas
que
as
membranas ormales por
tanto tienenuna
temperatura e
transición más alta.
a
ser
menos
fluidas. Por ejemplo,
a medida
que
la longitud
de la
cadena de los ácidos grasos
saturados aumenta
de 10
a 20 átomos
de carbono, os
puntos
de fusión aumentan
de
32"C a76"Cy por
tanto, de maneraprogresiva,
a
mem-
brana se vuelve menos
fluida
(Figura7.l3a).
La
presencia
de nstauraciones
fectaconsiderablemente
l
punto
de fu-
sión. Para ácidos grasos
con 18 átomos
de -arbono, los
puntos
de fusión
son 70, 16,5y
-11
"C
para
cero,uno,
do s
y
tres dobles
enlaces, espectivamente
Figura
7.13b). En
consecuencia,as membranas que
contienen muchos
áci-
dos
grasos
nsaturados
tienden a tener
temperaturas de
transición
más
bajas
y
además son más fluidas que
las
membranas
con muchos
ácidos
qrasos
aturados.
La Fieu-
Número e átomos
oe carDono
0 1 2 3
Número e átomos
de carbono
(a)
Efecto e la ongitud e la
(b)
Efecto
e la nstaura
cadena
n el
punto
de fusión
en el
punto
de fusión
Figura
.13 Efecto e a longitud
e a cadena el número
e
dobl
enlaces n a
temperatufa e usió nde os ácidos
rasos.
El punto
de fusión de os ácidosgrasos
a)
aumentacon
a ongitud
de a
cadena ara os
ácidos
grasos
aturados
(b)
disminuye
dramáticamente
on el número de doblesenlaces
ara
ácidos
grasos
on una ongitud de cadena ija. La parte
(b)
muestra
datos
para
os ácidos
grasos
e 18 carbonos, cidosesteárico,
oleico,
inoleicoy linolénico
con 0, 1,2
y
3
dobles
enlaces,
respectlvamente.
ra
7
l2b ilustra
esteaumento de fluidez
en membranas
r
casen ácido oleico
(18
carbonos
y
un doble
enlace) ren
a membranas enriquecidas
con ácido esteárico
18
carb
nos saturados).
El efecto
de
la instauración
en la fluidez
de la
mem
brana es an drástico debido a que
los
giros que
os dobl
enlaces ntroducen
en
los
ácidos grasos
evitan
que
las
c
denas hidrocarbonadas encajen.
Los lípidos
de membra
na con ácidos grasossaturados
están bien
empaquetad
(Figura
7.I4a),
mientras que
los lípidos
con ácidos gras
insaturados, no
(Figura
7
l4b). Los lípidos
de
la
mayor
de las membranas
plasmáticas
contienen ácidos gras
que
varían tanto en la longitud
de la cadena
como
en
grado
de instauración.
De hecho, a variabilidad
es a me
nudo intramolecular, ya que
los lípidos
de membran
contienen normalmente
un ácido
graso
saturado
y
u
ácido
graso
insaturado.
Esta
propiedad
ayuda a asegur
que
las membranas
estén en estado luido
a te