Módulo 5.MEMBRANAS BIOLÓGICAS Resulta difícil explicar la estructura y función de células y organelos celulares sin considerar el papel que desempeña la membrana celular. Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el mantenimiento de la vida, la célula necesita mantener un medio interno apropiado. Esto es posible porque las células se encuentran separadas del mundo exterior por una membrana limitante: la membrana plasmática. Además, la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporciona compartimientos adicionales que limitan ambientes únicos en los que se llevan al cabo funciones altamente específicas, necesarias para la supervivencia celular. Sin la existencia de las membranas habría sido imposible que la vida en la tierra evolucionara hasta alcanzar su estado actual. Las membranas celulares no son paredes rígidas, sino estructuras complejas y dinámicas compuestas por moléculas que poseen características especiales. Tales características hacen posible la existencia de interacciones selectivas entre los sistemas de membrana internos en la célula, y de la célula con el medio que la rodea. Entre otras funciones de la membrana celular, se destacan la regulación del transporte de moléculas hacia adentro y afuera de la célula, la transmisión de señales e información entre el medio y el interior de la célula , la capacidad de actuar como sistema de transferencia y almacenamiento de energía y el reconocimiento de la célula con su entorno. Con el fin de entender los mecanismos mediante los cuales las membranas celulares realizan dichas funciones, es necesario hacer una revisión de los conocimientos acerca de la estructura y composición de las membranas en general. Aunque este tema se centra principalmente en la estructura y función de la membrana plasmática, gran parte de los conceptos que se vierten también se aplican al sistema de membranas interno. Organización de las membranas biológicas. Una de las cosas más sorprendentes que se descubren al observar una micrografía electrónica para comparar los tamaños de las distintas estructuras celulares, es el hecho de que la membrana plasmática parece ser excesivamente delgada. Efectivamente, la membrana plasmática tiene un grosor no mayor de 5 nm. Mucho antes de que se inventara el microscopio electrónico ya se sabía que las membranas estaban compuestas de proteínas y lípidos. Ya entre 1920 y 1930 se aceptaba que la parte central de la membrana plasmática estaba formada de lípidos, principalmente fosfolípidos. Además, el estudio de la membrana de los eritrocitos (que sólo tienen membrana plasmática) y la comparación del área de superficie de membrana con el número total de moléculas de lípidos por célula permitió a los investigadores arribar a la conclusión de que la membrana se compone de fosfolípidos, y que su grosor no es mayor que el de dos moléculas de éstos. Debido a que la mayor parte de las proteínas tiene un diámetro mayor a 10 nm, uno de los principales problemas para comprender la estructura básica de las membranas consistía en determinar la forma en que las moléculas se disponían en un espacio tan pequeño. En 1972, S.T. Singer y G.L. Nicholson propusieron un modelo de estructura de membranas que sintetizaba las propiedades conocidas de las membranas biológicas. Según este modelo del mosaico fluido, que ha tenido gran aceptación, las membranas constan de una bicapa lipídica (esencialmente una doble capa de fosfolípidos) en la cual están inmersas diversas proteínas. BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 2 Esta bicapa lipídica constituye la estructura básica de la membrana y actúa de barrera relativamente impermeable al paso de la mayoría de las moléculas hidrosolubles. Las moléculas proteicas, que normalmente se hallan “disueltas” en la bicapa lipídica, actúan como mediadores o facilitadores de casi todas las funciones de la membrana, ya sea transportando moléculas específicas a través de ella o catalizando reacciones asociadas a la membrana, como la síntesis de ATP. Algunas proteínas actúan como eslabones estructurales que relacionan la membrana plasmática al citoesqueleto y/o con la matriz extracelular de las células adyacentes, mientras que otras proteínas actúan como receptores que reciben y transducen las señales químicas procedentes del entorno celular. En la actualidad se sabe que los lípidos de membrana tienen propiedades especiales que les permiten formar estructuras de doble capa, y que estas estructuras permiten la integración de membranas biológicas. Pero, ¿cómo es posible que los lípidos se comporten en esa forma? Bicapa lipídica Los lípidos son insolubles en agua pero se disuelven fácilmente en disolventes orgánicos. Constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas plasmáticas de las células animales, siendo casi todo el resto proteínas. Existen 109 moléculas lipídicas en la membrana plasmática de una célula animal pequeña. Las propiedades físicas de los fosfolípidos, en particular la forma en que dichas moléculas se asocian en el agua, son las que permiten la formación de capas dobles. Ya se ha mencionado que los fosfolípidos están formados por dos cadenas de ácidos grasos unidas a dos de los tres carbonos de la molécula del glicerol. Las dos cadenas de ácidos grasos de la molécula son hidrófobas (no afines al agua) y pueden tener diferente longitud (usualmente contienen de 14 a 24 átomos de carbono). Normalmente una de estas cadenas presenta uno o más dobles enlaces cis (es decir, es insaturada) mientras que la otra normalmente no tiene dobles enlaces (es saturada). Las diferencias en longitud y grado de instauración entre las colas hidrocarbonadas son importantes porque afectan la capacidad de las moléculas de fosfolípidos para empaquetarse, modificando su fluidez (como veremos más adelante). El tercer carbono del glicerol está unido por intermedio de un grupo fosfato a una molécula orgánica hidrofílica (afín al agua), que generalmente contiene un átomo de nitrógeno o un hidrato de carbono. Las moléculas de este tipo, con una región hidrofóbica y otra hidrofílica, se denominan moléculas anfipáticas. Todas las moléculas que conforman el centro de la membrana tienen características anfipáticas. Debido a que las moléculas del tipo de los fosfolípidos tienen un extremo que se asocia libremente con el agua y otro que no lo hace, cuando se encuentran dispersas en agua adoptan, por lo general, una conformación de capa doble. La estructura en bicapa permite que los grupos del extremo hidrofílico se asocien libremente con el medio acuoso, y que las cadenas hidrofóbicas de ácidos grasos permanezcan en el interior de la estructura, lejos de las moléculas de agua. No todos los lípidos son capaces de formar bicapas: algunos forman micelas con las colas hidrocarbonadas hacia el interior, como es el caso de los ácidos grasos libres. Los triglicéridos, por ejemplo, son hidrófobos, de manera que forman gotas de aceite levaduras y otros organismos cuyas temperaturas varían con la de su entorno controlan la composición de ácidos grasos de sus lípidos de membrana para mantener una fluidez relativamente constante. exhibiendo un polo hidrofóbico y otro hidrofílico. porque a pesar de la ordenada disposición de sus moléculas los grupos hidrocarbonados están en movimiento constante. la composición de la membrana celular de la mayoría de las células eucarióticas es más variada conteniendo además algún esterol (colesterol en las células animales) y glicolípidos. hasta una proporción de más de una molécula de colesterol por 1 Ocurren entre dipolos inducidos no permanentes de enlaces covalentes poco polares. eliminando así los bordes libres en los que las colas hidrofóbicas podrían estar en contacto con el agua. La bicapa lipídica como un líquido bidimensional Una característica importante de las bicapas de fosfolípidos es que en determinadas condiciones se comportan como cristales líquidos. Por lo tanto. Cuando los orbitales moleculares de dos enlaces apolares se ponen en contacto. Bacterias. crucial para muchas funciones. Las membranas plasmáticas de algunas células animales contienen cantidades especialmente elevadas de colesterol. fosfatidiletanolamina. que únicamente podrían funcionar en presencia de grupos polares específicos. de forma que las membranas permanecen fluidas a temperaturas más bajas. En condiciones normales. sin embargo. La fluidez de la bicapa depende tanto de su composición como de la temperatura. esto significa que una molécula de fosfolípido puede atravesar la superficie de una célula eucariota en pocos segundos. Algunos fosfolípidos como el fosfatidilinositol. Algunos procesos de transporte y actividades enzimáticas pueden detenerse cuando la viscosidad de la membrana (parámetro inversamente relacionado con la fluidez) se incrementa mas allá de un nivel crítico umbral. Las bicapas tienen propiedades semejantes a los cristales. Estas bicapas lipídicas tienden a cerrarse sobre si mismas formando compartimientos herméticos. fosfatidilserina y esfingomielina. como en algunas conexiones intercelulares). Este movimiento confiere a la bicapa la propiedad de un fluido bidimensional'. son funcionalmente importantes pero se hallan en cantidades relativamente pequeñas A menudo las membranas plasmáticas bacterianas están compuestas por un único tipo de fosfolípido y no contienen colesterol. Una menor longitud de las cadenas reduce la tendencia de las colas a interaccionar entre sí y los dobles enlaces cis producen pliegues en las cadenas hidrocarbonadas que dificultan su empaquetamiento. Si la temperatura disminuye sintetizan ácidos grasos insaturados.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 3 dentro de la célula. una molécula se desplaza rápidamente de un punto al otro en un mismo lado de la estructura. lo que establece una fuerza de atracción débil. los dipolos desaparecen y se pierde la fuerza de van der Waals . como C H. Los principales fosfolípidos que se encuentran en las membranas son la fosfatidilcolina. Contrariamente. Las características más importantes de los lípidos que forman bicapas son. entonces: a) ser claramente dipolares. las fuerzas de van der Waals 1 entre las cadenas de hidrocarburos dispuestas una cerca de otra convierten las bicapas de fosfolípidos en un gel sólido. las nubes de electrones se rechazan mutuamente y se inducen dipolos. de las cuales una de las más importantes es su fluidez. a temperaturas bajas. Las propiedades de líquido de la bicapa lipídica también permiten el desplazamiento de las moléculas que se encuentran insertas en ella sobre el plano de la membrana (siempre que no estén ancladas mediante algún otro mecanismo. La fluidez de las membranas celulares es biológicamente importante. Además una bicapa lipídica tiene otras características que hacen de ella una estructura ideal para constituir membranas celulares. lo que hace que sus moléculas sean fuertemente anfipáticas. de manera de evitar la pérdida de fluidez de sus membranas por efecto de la disminución de la temperatura. Por esta misma razón los compartimientos formados por bicapas lipídicas tienden a cerrarse de nuevo después de haber sido rotos. La mayor parte de las membranas biológicas se encuentran en un estado cristalino líquido. y b) su forma les permite asociarse con el agua en forma de una estructura de doble capa. propiedades denominadas de autoensamblaje y autosellado. pero también tienen propiedades semejantes a los líquidos. Conforme los átomos se alejan. como los que brinda la cabeza polar de los distintos tipos de fosfolípidos. La razón por la cual hay tal variedad de fosfolípidos quizás se deba a que serían necesarios para los distintos tipos de proteínas que se hallan asociadas a la membrana. la endocitosis permite la incorporación de grandes moléculas del exterior mediante la formación de vesículas en alguna porción de la membrana. sólo la fosfatidilcolina pasa a la cara interna de la membrana del retículo gracias a un traslocador fosfolipídico espec ífico (una “flipasa”). Debido a que los azúcares se añaden en la cara luminal del aparato de Golgi. Por otro lado. los grupos azúcares quedan al descubierto en la superficie de la célula. hecho que tiene una obvia relación funcional y se refiere a la diferente composición lipídica de cada una de sus monocapas.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 4 cada molécula de fosfolípido. De modo similar. Ambos fragmentos de la molécula actúan dentro de la célula como mensajeros solubles que permiten la difusión de la señal hacia el interior de la célula. La pérdida de la asimetría de la membrana es una señal de muerte celular. Por último. como el fosfatidilinositol. ya que la exposición de fosfatidilserina en la monocapa externa es un índice de apoptosis o muerte celular programada que favorece la fagocitosis de estas células por macrófagos. A bajas temperaturas las moléculas de colesterol se interponen entre las cadenas de hidrocarburos. queda hacia el exterior de la . las bicapas son capaces de fusionarse con otras. la porción glicosilada. Otro aspecto importante es que la bicapa lipídica es asimétrica. las moléculas de colesterol restringen el movimiento excesivo de las cadenas de ácidos grasos disminuyendo la fluidez de la membrana. ambas bicapas y sus compartimientos forman una continuidad. Esto permite tanto la transferencia de material de un compartimiento a otro. Se presentan probablemente en las membranas plasmáticas de todas las células animales. actúan como intermediarios en el proceso de señalización celular: ante estímulos extracelulares. o el movimiento de una vesícula secretora hacia afuera de la célula. sobre todo las que se encuentran en estado de cristal líquido. Las moléculas de colesterol se acomodan entre los fosfolípidos y actúan como "amortiguadores de fluidez". aunque inverso. Las bicapas tienden a resistir la formación de extremos libres: como resultado tienden a autosellarse y casi en cualquier circunstancia forman vesículas cerradas espontáneamente. pero cuando ésta se fusiona con la membrana plasmática. Cuando una vesícula se fusiona con otra membrana. constituyendo el 5% de las moléculas de lípido de la monocapa externa y son las moléculas que presentan una asimetría mas marcada en cuanto a su distribución en las membranas celulares. También existen glicolípidos en la membrana. Los fosfolípidos son sintetizados en la cara externa (citosólica). Las bicapas lipídicas. tienen también otras propiedades biológicas importantes. el fosfatidilinositol ubicado en el interior de la membrana es primero fosforilado en dos oportunidades y luego hidrolizado en trifosfato de inositol y diacilglicerol. La fusión de membranas es un fenómeno celular muy importante y que requiere de membranas en estado fluido para producirse. mediante un proceso Ilamado exocitosis. al formarse la vesícula de transporte el residuo glicosídico queda hacia el interior de la misma. la síntesis de fosfolípidos ocurre en el Retículo Endoplásmico Liso y es allí donde se genera la asimetría por traslocadores que trasladan específicamente moléculas de fosfolípidos de una capa a la otra. que es hidrófila. en condiciones apropiadas. Como ya se ha mencionado. lo que sugiere que deben desempeñar una función en las interacciones de la célula con su entorno. Si bien se sintetizan tanto fosfatidilcolina como el resto de los fosfolípidos. Estas moléculas se encuentran exclusivamente en la mitad no citoplasmática de la membrana plasmática. la mayoría de las moléculas lipídicas que tienen colina en su grupo cabeza (fosfatidilcolina y esfingomielina) se encuentran en la mitad exterior de la bicapa. En los glóbulos rojos. a temperaturas elevadas. con lo cual evitan que se acerquen y formen interacciones de van der Waals. Algunos fosfolípidos. mientras que la mayoría de las moléculas de fosfolípido que contienen un grupo amino (fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina) se hallan en la mitad interior. los cuales provocarían la cristalización de la membrana. En la membrana plasmática. por tanto. pasar una sola vez a través de la misma (1) o muchas veces (2). en tanto que en las membranas donde hay transducción energética (mitocondrias y cloroplastos) el porcentaje alcanza al 75%. la mayoría de las funciones específicas de la membrana son llevadas a cabo por proteínas. en contacto con el medio acuoso 2. en el cual gran parte de éstas son móviles y se extienden dentro o a ambos lados de la bicapa lipídica. ésta generalmente se encuentra en protrusión por fuera de la superficie de la membrana. los investigadores encontraban difícil pensar que las proteínas se asociaran en otro sitio que no fuese la superficie exterior de las membranas. sino en que en aquéllas los aminoácidos hidrófobos se encuentran en el interior de la molécula. hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas. De acuerdo con ello. Las proteínas integrales de membrana son capaces de insertarse en la bicapa lipídica debido a que las porciones que lo hacen son hidrófobas y. tapizada totalmente por glicolípidos en la cara externa. pero como las proteínas son mucho más grandes. También las proteínas transmembránicas pueden estar unidas por una cadena de ácido graso a la cara interna de la membrana. Algunas otras proteínas integrales poseen solo una pequeña porción dentro de la bicapa que sirve como ancla y el resto de la molécula en el citoplasma o hacia la superficie celular. En promedio. o haber sido 2 La diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas no consiste en que una contenga aminoácidos hidrófobos y la otra no. protegerían la integridad de las propias proteínas de membrana. Sin embargo en estudios fisicoquímicos de las proteínas de membrana se mostró que gran parte de éstas son del tipo globular. La función de los glicolípidos puede ser variada: en las células epiteliales tapizan la cara que da al epitelio. estar solubles en el citosol pero ancladas a la cara interna por un resto acilo o prenilo (3). Proteínas de membrana Aunque la estructura básica de las membranas biológicas es provista por los fosfolípidos. Otras están casi por completo insertas en la región hidrófoba y poseen cadenas polipeptídicas que atraviesan una y otra vez (incluso hasta doce veces) la bicapa lipídica. que sirve de aislación eléctrica al axón de la neurona. en tanto que en éstas las porciones hidrófobas de los aminoácidos se presentan en la superficie de la molécula. Las proteínas integrales de membrana poseen algunas regiones insertadas en las regiones hidrófobas de la bicapa lipídica. lejos del medio acuoso. las cantidades y tipos de proteínas de membrana son muy variables: en la membrana mielínica. Hay variados tipos de glicolípidos: los más complejos contienen oligosacáridos con uno o más residuos de ácido siálico que les proporciona carga negativa. de manera que gran parte de ellas se encuentra en alguno de los lados de la membrana. ayudando a su vez a las células a unirse a la matriz extracelular y a otras células. menos del 25% son proteínas. enzimas degradativas). Estos lípidos son más abundantes en la membrana plasmática de células nerviosas. son compatibles con el interior de la membrana. Cuando alguna proteína de membrana contiene una porción hidrofílica. Por lo tanto. La presencia de carga eléctrica negativa en su molécula es responsable también de la concentración de iones. la relación numérica es de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína. el modelo de la estructura de membrana más razonable es aquél en el que se forma un mosaico de proteínas.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 5 célula. esto significa que son demasiado voluminosas como para asociarse sólo a la superficie de las membranas. Además desempeñan una importante función en procesos de reconocimiento celular. Algunas atraviesan toda la membrana. también cumplen funciones aislantes. estas proteínas integrales se llaman también proteínas transmembrana. especialmente Ca +2 en la superficie externa. Por último. Al principio. como ocurre en la membrana que rodea el axón de las células nerviosas. donde las condiciones son extremas (bajos o altos valores de pH. en contacto con las cadenas de ácidos grasos de la bicapa lipídica . se obtuvieron pruebas por las cuales puede afirmarse que algunas proteínas se asocian con las membranas de tal manera que una región (o dominio) de ellas se encuentra de un lado de la membrana y otra en el lado opuesto. Hoy se sabe que existen dos tipos de proteínas de membrana: proteínas integrales y proteínas periféricas. del resto de la cabeza y de la cola forman tres dominios perfectamente individualizables con anticuerpos fluorescentes. las proteínas que miran hacia la luz del tubo no pueden pasar hacia las paredes laterales o hacia la cara opuesta de la célula debido a la existencia de uniones estrechas (se verán más adelante) que les impiden el paso. el cual prácticamente permite a los investigadores observar las membranas de "adentro hacia afuera". se muestra que en una de estas superficies hay gran cantidad de partículas. que las ancla a la cara externa de la membrana (4).BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 6 sintetizadas como proteínas transmembrana en el retículo endoplásmico rugoso y unidas a un resto de glicosilfosfatidilinositol. De aquí se deduce que las proteínas presentes en una membrana biológica están distribuidas de manera asimétrica. con el método descrito. Por lo general se unen a regiones expuestas de proteínas integrales. o con la matriz extracelular. Asimetría de proteínas de las membranas Una de las pruebas más evidentes de que las proteínas se insertan en la bicapa lipídica proviene del estudio con microscopía electrónica por el método de criofractura. El otro tipo de proteínas de membrana. en tanto que en la otra superficie se observan muy pocas. La mayoría de las proteínas integrales atraviesan la membrana en forma de hélices . que en agua forman micelas. Al comparar. Cada lado de la membrana tiene características . Las proteínas periféricas están usualmente asociadas por interacciones no covalentes a otras proteínas transmembránicas y se pueden ubicar hacia adentro (5) o hacia fuera (6) de la membrana. pueden eliminarse de ésta sin alterar la estructura de la doble capa. las dos superficies de una membrana. Estas partículas son proteínas embebidas en la doble capa de lípidos. pero se desconoce cuál es la función de dichas proteínas y las fuerzas que impiden su migración. existen distintos dispositivos por los cuales las células pueden confinar a las proteínas dentro de determinados dominios membranosos. o con ambos. Sólo hacen falta 20-30 aminoácidos para atravesar la membrana en forma de -hélice y sólo unos diez para hacerlo en forma de hoja -plegada. En las células epiteliales que tapizan el intestino y los túbulos renales. Sin embargo no es el único medio. con predominio de aminoácidos hidrofóbicos. Además este enrollamiento asegura que todas las uniones peptídicas (que son polares) estén disminuidas en su polaridad debido a la formación de puentes de hidrógeno. Si bien las proteínas pueden migrar dentro de la membrana. aunque en algunos casos no se conoce el mecanismo que impide la migración libre: en espermatozoides de mamíferos las proteínas del ápice. En las proteínas integrales. Otros ejemplos de confinamiento de proteínas en determinadas zonas de la membrana están dadas por asociación de proteínas con el citoesqueleto (glóbulos rojos). las proteínas periféricas. la parte que se halla dentro de la membrana usualmente adopta una estructura en -hélice. o puede haber interacciones entre proteínas de dos células distintas en zonas de membrana contiguas. Las proteínas integrale de membrana pueden ser solubilizadas por medio de detergentes. pero algunas (como las porinas de bacterias y de mitocondrias) formas láminas que se disponen en forma de barril (“-barrel”). El transporte de iones inorgánicos y de pequeñas moléculas orgánicas hidrosolubles a través de la bicapa lipídica se consigue mediante proteínas transmembrana especializadas. Los hidratos de carbono se encuentran unidos a las porciones de las proteínas expuestas en la superficie celular. donde se encuentran las enzimas que modifican los hidratos de carbono de las proteínas. . Funciones de las proteínas de membrana ¿Por qué motivo la membrana plasmática requiere de tantas proteínas distintas? La diversidad de proteínas en una membrana refleja el número de funciones que se llevan a cabo en ella. permiten el paso de moléculas pequeñas entre dos células vecinas. que unen firmemente las membranas de células adyacentes y actúan como puntos de anclaje con componentes del citoesqueleto. sólo las proteínas transmembrana pueden actuar a ambos lados de la bicapa o transportar moléculas a través de ellas. orientado hacia el interior de la vesícula. para poder utilizar esta barrera las células han tenido que desarrollar sistemas para transportar específicamente moléculas hidrosolubles a través de la membrana y así poder ingerir nutrientes esenciales.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 7 diferentes debido a que cada proteína de membrana se orienta en la bicapa en un solo sentido. Sin embargo. Las proteínas de la membrana plasmática pueden ser clasificadas en diferentes grupos. f) algunas proteínas intrínsecas de la membrana actúan como enzimas. Esta función de barrera es de especial importancia. ya que permite a una célula mantener en su citosol ciertos solutos a concentraciones diferentes a las que están en el fluido extracelular y en cada uno de los compartimientos intracelulares. ya sea en forma pasiva o en forma activa. d) proteínas transductoras receptoras de señales. Esta asimetría está dada por la forma tan específica en que se forman e intercambian las membranas de una parte de la célula a otra. mediante procesos que requieren de energía. La porción proteica permanecerá en el compartimiento interior al separarse del complejo de Golgi para ser empaquetada en una vesícula secretora. la porción de la proteína que contiene el hidrato de carbono. Los hidratos de carbono se añaden a las proteínas en el lumen del RER. que transportan activamente iones de un compartimiento a otro. PASO DE LOS MATERIALES A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS Debido a su interior hidrofóbico. cada una de las cuales es responsable de la transferencia de una molécula o un ion específico o de un grupo de moléculas afines. Habitualmente la manera en que una proteína se asocia a la bicapa lipídica es un indicativo de la función de la proteína. Así. con sitios activos localizados en la superficie de la membrana o en el interior de ella. Esta distribución asimétrica de los hidratos de carbono se debe a la forma en que las glucoproteínas se insertan en las membranas al ser sintetizadas. se convertirá en parte de la proteína de membrana expuesta en la superficie celular. que se unen a moléculas portadoras de señales externas y que luego transfieren el mensaje al interior de la célula. constituyendo así un mecanismo de almacenamiento de energía (se verán en mitocondrias y cloroplastos). Si se sigue de cerca la gemación y fusión de membrana que forman parte del proceso de transporte se podrá observar que la porción proteica en protrusión hacia el compartimiento interno (cisterna) del RER también estará expuesta al interior del complejo de Golgi. excretar los productos de deshecho del metabolismo y regular las concentraciones intracelulares de iones. Cuando la vesícula secretora se fusiona con la membrana plasmática. de acuerdo a la función que desempeñan: a) proteínas de adhesión celular. e) bombas dependientes de ATP. b) canales proteicos entre dos células (uniones de hendidura. y no a las que se internan al citoplasma. las proteínas de la membrana plasmática son producidas por ribosomas del retículo endoplásmico rugoso (RER) y se insertan en la membrana de éste durante su síntesis. c) proteínas de transporte que permiten el transporte selectivo de moléculas esenciales. la bicapa lipídica de una célula constituye una barrera altamente impermeable a la mayoría de las moléculas polares. Como se dijo. las moléculas de azúcar pasarán a través de ella hasta que la concentración de azúcar en el agua de los dos lados de la membrana sea exactamente igual. exocitosis y endocitosis. Este movimiento de las partículas pequeñas (llamado movimiento browniano) constituye un modelo que explica el mecanismo de difusión de las moléculas. Todas las membranas biológicas (aquellas que rodean a las células. las moléculas de soluto (así como también las moléculas de agua) seguirán pasando a través de la membrana. Diálisis La difusión de un soluto (una sustancia disuelta) a través de una membrana diferencialmente permeable se llama diálisis. Difusión Algunas sustancias se desplazan hacia adentro y afuera de las células. mitocondrias. el cual se basa en el desplazamiento al azar. que luego se sumerge en un matraz que contiene agua pura. La diálisis renal es una aplicación práctica de este proceso. y se mueven dentro de éstas por medio de un proceso llamado difusión simple. A partir de ese momento. las moléculas se mueven con mayor rapidez y aumenta la proporción de difusión. pero ya no habrá ningún cambio neto en las concentraciones. Al reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes o a las diversas necesidades de la célula. Para demostrar la diálisis se utiliza una bolsa de celofán. la difusión ocasiona una distribución uniforme de las moléculas de azúcar en toda el agua del vaso. La velocidad de difusión está en función del tamaño y forma de las moléculas. los materiales se mueven pasivamente por procesos físicos como la difusión. Se dice que una membrana es permeable para alguna sustancia si permite que ésta la cruce y que es impermeable si no permite el paso de dicha sustancia. Cuando se deja caer un terrón de azúcar en un vaso de precipitado lleno con agua. vacuolas. Mediante la regulación del tráfico químico de esa manera. Por lo tanto. llena con una solución de azúcar. que se difunden a través de las membranas artificiales del aparato. Al aumentar la temperatura. Una membrana selectivamente permeable permite el paso de algunas sustancias pero no el de otras. los productos de desecho. núcleos. mientras promueve activamente su paso en otro momento. En última instancia. ya que la velocidad de movimiento será igual en ambos sentido. cloroplastos y otros organelos celulares) son selectivamente permeables. puede decirse que la difusión implica el movimiento neto de partículas en favor de un gradiente de concentración (diferencia de concentración de una sustancia de un punto a otro). En los seres bióticos. Si la membrana de celofán es permeable a azúcar y al agua. de sus cargas eléctricas y de la temperatura. las moléculas de aquél se disuelven y luego comienzan a difundirse hacia toda el agua del recipiente. En el mundo abiótico. pueden . la célula controla su propia composición interna de iones y moléculas que puede ser muy diferente a la del exterior. Esos procesos fisiológicos activos demandan un gasto de energía por parte de la célula. los materiales también se mueven activamente por procesos fisiológicos como transporte activo. como consecuencia de que las moléculas de azúcar individuales se desplazan al azar en todas direcciones. la membrana puede constituir una barrera al paso de un compuesto determinado en cierto momento.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 8 El hecho de que una membrana permita el paso de ciertas sustancias depende de la estructura de aquélla y del tamaño y carga eléctrica de las moléculas. Las moléculas polares no cargadas también difunden rápidamente a través de la bicapa lipídica si su tamaño es reducido: por ejemplo agua. sal y otras) En una parte del tubo se coloca una solución de agua y solutos. urea Glucosa y otros monosacáridos y disacáridos sin carga Aminoácidos. el glicerol lo hace con menor rapidez y la glucosa prácticamente no la atraviesa. CO2) se disuelven fácilmente en la bicapa lipídica y por lo tanto difunden con rapidez. Las moléculas pequeñas no polares (O 2. hay un movimiento neto de moléculas de agua del lado del agua pura (con mayor concentración de moléculas de agua) hacia el lado del agua con soluto (que tiene menor concentración de moléculas de agua). O2• hidrocarburos H20. Las moléculas de agua pasan libremente en cualquier dirección. pero los eritrocitos. Sin embargo la velocidad a la que se produce esta difusión varía enormemente dependiendo en parte del tamaño de la molécula y principalmente de su solubilidad relativa. CO2. El celofán con frecuencia se utiliza como "membrana artificial" Está compuesto por moléculas de polisacáridos y puede formar una lámina delgada que permite el paso de moléculas de agua. En condiciones no sujetas a la gravedad. La solución de agua y solutos contiene una concentración de agua menor a la del agua pura. En general cuanto menor y menos soluble en agua sea una molécula (es decir. El movimiento neto de agua continuará. cuanto más hidrofóbica o no polar) más rápidamente difunde a través de la bicapa. no se difunden a través de la membrana y por tanto se retendrán en el organismo. glicerol. Por el contrario. el peso de la columna de líquido en aumento finalmente ejercerá una presión suficiente para detener el cambio en los niveles de líquido. este proceso continuaría indefinidamente. pueden desplazarse fácilmente a través de una bicapa lipídica fluida. proteínas sanguíneas y otras moléculas grandes. el movimiento neto ocurre a partir de la región de mayor concentración a la de menor. Permeabilidad de la bicapa lipídica a diferentes sustancias Tipo de molécula Hidrófoba Polar pequeña Polar grande Iones y moléculas con carga Ejemplo N2. las bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas las moléculas cargadas (iones) por muy pequeñas que sean. pero al igual que en todos los procesos de difusión. El tubo en U se divide en dos secciones por una membrana de permeabilidad selectiva que impide el paso de las moléculas de soluto (glucosa. . Estas membranas se fabrican con permeabilidad variable para diferentes solutos. pero en la tierra. aún existe una diferencia en la concentración de las moléculas de agua entre ambos lados. en la otra se coloca agua pura. por ejemplo. y el nivel de líquido del lado del agua con soluto seguirá aumentando. el agua) a través de una membrana de permeabilidad selectiva. la carga y el grado de hidratación les impide penetrar la fase hidrocarbonada de la bicapa. pasando a través de brechas que se forman cuando una cadena de ácido graso se mueve momentáneamente. Los principios que intervienen en el proceso de ósmosis se ilustran mediante la utilización de un aparato llamado tubo en U. mientras que se eleva el del lado del agua con soluto.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 9 retirarse del organismo. prácticamente cualquier molécula acabará difundiendo a través de la bicapa lipídica. HCO-3. Ca+. Las moléculas de agua. Con suficiente tiempo. Mg+ Permeabilidad Permeabilidad libre Permeabilidad libre No permeable No permeable Ósmosis La ósmosis es una variedad especial de difusión que implica el movimiento de moléculas solventes (en este caso. porque las moléculas de soluto han "diluido" las moléculas de agua. como resultado de esto el nivel de líquido del lado del agua pura disminuye. Cl-. Por tanto. aunque las moléculas de agua continuarán pasando a través de la membrana en ambas direcciones. debido a que las moléculas de soluto no pueden moverse a través de la membrana. Sin embargo. etanol y urea atraviesan rápidamente una bicapa. H+. 9% no se encogen ni se hinchan. Cuando una célula se coloca en una solución cuya presión osmótica es igual a la suya. una presión osmótica mayor que la de éste se dice que es una solución hipertónica. se encoge. una solución con una baja concentración de soluto tendrá una elevada concentración de agua y una baja presión osmótica. este proceso se llama plasmólisis. hipertónicas e hipotónicas Con frecuencia deseamos comparar las presiones osmóticas de dos soluciones. provocando el hinchamiento de éstos y eventualmente su ruptura o lisis (visualizado por la disolución de la hemoglobina en el líquido hipotónico. por tanto. que contenga una concentración muy baja de solutos. Dicho fenómeno se observa en las plantas cuando se depositan grandes cantidades de sales o fertilizantes en la tierra o agua que las rodea. el plasma de la sangre (componente líquido de ella) y los demás líquidos corporales son isotónicos con respecto al líquido intracelular. es decir. y entonces su contenido disminuye dentro de la pared celular. El agua tiende a difundir hacia el interior de las células por ósmosis.). Presión de turgencia Las paredes celulares rígidas de células vegetales. se denomina solución hipotónica. B es hipotónica respecto a A B es hipertónica respecto a A. Cuando una célula con pared celular se coloca en un medio hipertónico pierde agua. Normalmente. el líquido se desplazará hacia el interior de la célula. Soluciones isotónicas. contra las paredes celulares rígidas . bacterias y hongos hacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido. ni hacia afuera ni hacia adentro de ella.3% pierden agua y se encogen. en cambio. En una solución de cloruro de sodio al 0. Así. los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 1. Los eritrocitos humanos colocados en una solución de cloruro de sodio al 0. En todo compartimiento de una célula viva se encuentran disueltas sales.9% ( llamada solución salina fisiológica) es isotónica respecto a las células humanas y a las células de otros mamíferos. azúcares y otras sustancias que le confieren a dicho líquido una determinada presión osmótica. Una solución de cloruro de sodio al 0. La célula se hincha.6%. Una solución con una alta concentración de soluto tendrá una baja concentración de agua y una elevada presión osmótica. la célula no se hincha ni se encoge. provocando que ésta se hinche. una célula colocada en una solución hipertónica pierde agua y por tanto. llamada presión de turgencia. contienen una concentración de agua igual a la del líquido intracelular. algas. en estas circunstancias. En el ejemplo del tubo en U se podría medir la presión osmótica insertando un pistón del lado del agua con soluto y midiendo la presión necesaria que debe ejercer el pistón para evitar el aumento en el nivel del líquido de dicho lado del tubo. Si el líquido circundante posee una concentración de solutos menor que la del líquido intracelular.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 10 La presión osmótica de una solución está relacionada con la tendencia que presenta el agua de moverse hacia dicha solución mediante ósmosis. el agua entra hacia el interior de los eritrocitos. llenando sus vacuolas centrales y distendiéndolas. A es hipotónica respecto a B Isotónica Dirección de movimiento del agua B hacia A A hacia B No hay movimiento neto Si el líquido circundante tiene una concentración de solutos mayor que la del líquido intracelular y. Debido a las sustancias disueltas en el citoplasma. Concentración de solutos Concentración de en la Solución A solutos en la Solución B Mayor Menor Mayor Igual Mayor Igual Tonicidad A es hipertónica respecto a B. no hay movimiento neto de moléculas de agua. acumulando presión. Se dice que el líquido en el cual se colocó la célula es un líquido isotónico (es decir que tiene presión osmótica igual) con respecto al líquido del interior de la célula. y por lo tanto tiene una presión osmótica menor que la de éste. las células son hipertónicas respecto al medio externo (el medio circundante es hipotónico respecto al citoplasma. por tanto. que lo colorea de rojo). Por este motivo. como glucosa y aminoácidos. Transporte mediado de moléculas pequeñas La membrana celular es relativamente impermeable a casi todas las grandes moléculas polares. Al llegar a ese punto ya no hay movimiento neto de moléculas de agua hacia el interior de la célula (aunque desde luego. Cada proteína está destinada al transporte de un tipo particular de molécula y con frecuencia de una cierta especie molecular. El paso de solutos a través de la membrana celular por el sistema de transporte se llama transporte mediado. Para transportar nutrientes polares. nucleótidos y muchos metabolitos. Comparación entre un transporte pasivo a favor del gradiente electroquímico y el transporte activo en contra del gradiente electroquímico La difusión facilitada depende de la existencia de proteínas transportadoras. Transporte Pasivo (Difusión facilitada) En los casos más simples. han aparecido a lo largo de la evolución sistemas de proteínas transportadoras que se unen a esas moléculas y facilitan su pasaje a través de la membrana. La proteína transportadora no se . La pared celular puede estirarse muy poco. aminoácidos. La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas herbáceas. las cuales se combinan temporalmente con la molécula de soluto para acelerar el paso de ésta a través de la membrana celular. una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye (las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua. ésta se desplazará hacia el interior de la célula. Este tipo de transporte se llama transporte pasivo o difusión facilitada. Es el caso de iones. ya que casi todos los compuestos metabolizados en su interior son polares y la impermeabilidad de la membrana impide su pérdida por difusión. y se alcanza un estado de equilibrio cuando su resistencia impide que la célula se hinche más. por lo que presentan especificidad.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 11 de celulosa. las moléculas continúan moviéndose hacia dentro y hacia fuera de la membrana con igual velocidad). Esto constituye una ventaja biológica para la célula. la célula utiliza la energía almacenada por el gradiente de concentración de una sustancia cuya concentración es mayor en el líquido extracelular que en el intracelular. a través de la membrana lipídica hacia el interior de la célula. En estas circunstancias. mientras la membrana sea permeable a dicha sustancia. azúcares. Para que esto suceda se necesita de la presencia de proteínas especiales de membrana. y con esto. Estas moléculas se incorporan mediante mecanismos de transporte activo. después de transportar la molécula de soluto. Al parecer. de manera que se abre un canal dentro de la proteína misma (o entre varias subunidades de la misma cadena polipeptídica). . modifica la conformación de la proteína. Por tanto. de manera que en condiciones normales. Parece que la proteína transportadora no forma un “hoyo” en la membrana para que la glucosa pase a través de él. Todas las proteínas de transporte estudiadas son proteínas transmembrana. Esto provoca un desequilibrio en la concentración de iones de sodio y potasio en los lados opuestos de la membrana. Las células son capaces de utilizar estos enormes gradientes de concentración para generar un potencial eléctrico (separación de cargas eléctricas) a través de la membrana. derivada de la hidrólisis del ATP. de manera que el exterior tiene carga positiva y el interior negativa. Las células mantienen una baja concentración interna de glucosa mediante la adición inmediata de un fosfato a las moléculas de glucosa que entran en ellas: de esta manera convierten dichas moléculas en fosfatos de glucosa con elevada carga eléctrica y. la proteína recupera su conformación original y está lista para unirse nuevamente a una molécula de glucosa en la superficie celular. Esta bomba consta de una proteína específica. Como se verá más adelante. queda libre para unirse a una nueva molécula. una vez que la glucosa se libera en el interior de la célula. que permite el paso de la molécula de glucosa para liberarla en el interior de la célula. El mecanismo de transporte de glucosa no se comprende a fondo. Este mecanismo exige una fuente de energía debido a que el transporte activo implica el "bombeo" de una molécula en contra de su gradiente de concentración (de una zona de baja concentración hacia una de concentración elevada). así. estas bombas de protones que utilizan ATP. Uno de los ejemplos más sorprendentes de los mecanismos de transporte activo es la bomba de sodio y potasio que se observa en todas las células animales. los sistemas de transporte activo utilizan energía generada por el metabolismo celular en forma de trifosfato de adenosina (ATP) o bien utilizan algún otro tipo de energía almacenada. localizada en la membrana plasmática. lo que ocurre es que la glucosa se une de modo específico a una porción de proteína expuesta en la superficie celular externa. si tal fuera el caso. las células nerviosas) utilizan el 70% de su energía en el funcionamiento de este sistema de transporte. El transporte de las moléculas de glucosa en los eritrocitos es un buen ejemplo de difusión facilitada por transportador. que utiliza ATP para intercambiar iones de sodio del interior de la célula por iones de potasio de su exterior. Estos gradientes de concentración también almacenan energía. la cual puede utilizarse para la conducción de otros mecanismos de transporte activo. estas no se unen al soluto sino que forman poros hidrofílicos que atraviesan la bicapa lipídica. Otra clase de proteínas transportadoras son las formadoras de canal. a otras las requiere la célula en concentraciones mayores a su concentración extracelular. El gradiente electroquímico producido por estas bombas es tan importante que de hecho algunas células (p. Las moléculas que transportan glucosa son glucoproteínas. Según este modelo. que al estar abiertos permiten que determinados solutos (habitualmente iones inorgánicos de tamaño y carga apropiados) puedan pasar a su través y por lo tanto atravesar la membrana). El uso de los potenciales electroquímicos con tales propósitos no es exclusivo de la membrana plasmática de las células animales. Transporte activo Algunas moléculas se transportan a través de la célula mediante el proceso de difusión. éstas comprenden un 2% de las proteínas totales de la membrana. La salida de protones (con carga positiva) del interior de la célula provoca una enorme diferencia en la concentración de ellos. usadas en sentido inverso para producir ATP en bacterias. el cual constituye la base para la transmisión de los impulsos eléctricos necesarios para la transmisión de los impulsos nerviosos. la concentración de potasio sea de 10 a 15 veces mayor en el interior que en el exterior de la célula y a la inversa para el sodio.. Las células de plantas y hongos también utilizan bombas impulsadas por ATP con las cuales "bombean" protones del citoplasma hacia el exterior de la célula.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 12 modifica por esta acción. no pueden regresar al otro lado de la membrana. otras moléculas similares a la glucosa y algunas moléculas más pequeñas que ésta también podrían pasar a través del "hoyo". ej. desde las bacterias hasta las células de plantas y animales complejos. constituyen el principal transductor de energía en todas las células. Por otra parte la bomba tiene un papel directo regulando el volumen celular a través de sus efectos osmóticos. ya sea en la misma dirección (transporte unidireccional) o en dirección opuesta (bidireccional). Debido al bombeo de 3 iones Na+ positivamente cargados hacia el exterior de la célula cada dos que bombea hacia el interior.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 13 mitocondrias y cloroplastos. La hipótesis aceptada en la actualidad sostiene que la bomba de sodio y potasio (y otras bombas que requieren ATP) está formada por proteínas transmembrana que se extienden a través ella. como se verá a continuación. La proteína tiene centros de unión para el Na+ y el ATP en su superficie citoplasmática y para K+ en su superficie externa. Sistemas de cotransporte Algunas proteínas de transporte actúan como transportadores acoplados. también se utiliza para dirigir el transporte de azúcares y aminoácidos hacia el interior de la célula. se dice que la bomba es electrogénica. junto con los iones de Na+ La energía libre liberada durante el desplazamiento de . es decir dirige una corriente neta a través de la membrana tendiendo a crear un potencial eléctrico. el gradiente de concentración de Na + cotransporta las moléculas requeridas. seguido por la retirada del mismo en etapas más avanzadas del ciclo de bombeo. con el interior negativo con relación al exterior. Por último. parte de los cambios de conformación de la proteína durante el ciclo de bombeo requieren de la energía liberada por el ATP. Después de una serie de cambios en su conformación son capaces de intercambiar sodio por potasio a través de la membrana celular. El gradiente electroquímico generado por la bomba de sodio y potasio proporciona suficiente energía para propiciar el transporte activo de otras moléculas esenciales. Transporte activo secundario Muchos sistemas de transporte activo no son impulsados directamente por la hidrólisis del ATP sino por la energía almacenada por los gradientes iónicos. Parece que la energía se transfiere del ATP a la bomba mediante la formación de un enlace covalente entre uno de los fosfatos del ATP y la proteína. A diferencia de la difusión facilitada. en los que la transferencia de un soluto depende de la transferencia simultánea o secuencial de un segundo soluto. que pueden hacer que la célula se hinche o se retraiga. En estas reacciones. o dominios.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 14 un ion a favor de su gradiente electroquímico se utiliza como fuerza impulsora para bombear otros solutos en contra de su gradiente. Sistemas de transporte múltiple integrado La distribución asimétrica de las proteínas transportadoras en la membrana plasmática de una célula epitelial intestinal da lugar al transporte transcelular de glucosa a través del epitelio intestinal En algunas células se observa el funcionamiento de más de un sistema de transporte para una sustancia determinada. posee una gran cantidad de microvellosidades o protrusiones digitiformes que incrementan con eficacia la superficie de membrana disponible para absorción. el transporte de la glucosa del intestino hacia el torrente circulatorio se lleva a cabo a través de una delgada capa de células epiteliales que recubren la luz del intestino y que poseen regiones especializadas. la glucosa puede ser transportada hacia el torrente circulatorio mediante difusión facilitada. Gracias a su elevada concentración dentro de la célula. Así. La concentración intracelular de sodio se mantiene baja por función de una bomba de sodio y potasio en la superficie opuesta de la célula. La localización de dos proteínas diferentes que participan en el transporte de glucosa en dos regiones distintas de una misma membrana plasmática se produce gracias a la presencia de uniones . Por ejemplo. El Na+ que entra en la célula durante este transporte es bombeado hacia el exterior mediante la ATPasa Na+K+ . El transporte de glucosa en esta zona de la superficie celular es parte de un sistema de transporte activo que se efectúa en cotransporte con el sodio. expuesta en el intestino. las proteínas transportadoras actúan como transportadores acoplados. La superficie de estas células. en su membrana plasmática. que bombea el sodio hacia el torrente circulatorio. se fusiona en el punto de contacto e ingresa en el citoplasma. entonces las proteínas estarían distribuidas al azar en ambas superficies de la célula. la célula incorpora materiales disueltos. la célula incorpora materiales hacia su interior. donde el material es ingerido y degradado. hacia afuera o adentro de una célula. a este proceso se lo denomina autofagocitosis. Por ejemplo. incluso algunas tan grandes como una bacteria completa. En los sistemas biológicos operan varios mecanismos endocitóticos. Transporte de grandes moléculas a través de las membranas En la difusión simple. la célula ingiere partículas sólidas como bacterias o nutrientes. Esto implica un gasto de energía por parte de la célula y en ocasiones conlleva también la fusión de membranas. Posteriormente la vacuola se fusiona con los lisosomas (que contienen enzimas hidrolíticas). En la endocitosis. . en el ejemplo). envolviendo la organela en una vesícula formada con membranas del retículo endoplásmico.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 15 especializadas en la célula (“uniones estrechas”. los pliegues de la membrana celular engloban a la partícula. Una vez que la membrana ha encerrado a la partícula en cuestión. se verá en el módulo 6). Tres rutas de degradación en los lisosomas En otro tipo de endocitosis. Durante la ingestión. las cuales emergen en el citoplasma celular en forma de pequeñas vesículas. llamada pinocitosis ("bebido de células"). en ocasiones también es necesario el desplazamiento de cantidades más grandes de material o de partículas de alimento o incluso de células completas. en la difusión facilitada y en el transporte activo las moléculas individuales y los iones pasan a través de la membrana celular. no habría transporte neto de glucosa. A veces también se degradan por este mecanismo organelas con fallas (una mitocondria. Algunos pliegues de la membrana plasmática engloban gotas de líquido. luego. La fagocitosis es el mecanismo utilizado por protozoarios y leucocitos para ingerir partículas. Si una célula careciera de un mecanismo específico para determinar este proceso. en la fagocitosis (literalmente "ingesta de células"). que se ha unido a la superficie celular. El contenido líquido de estas vesículas se libera lentamente en el citoplasma celular y las vesículas van disminuyendo poco a poco de tamaño. hasta el punto en que parecen desvanecerse. Sin embargo. y forman una vacuola alrededor de ella. Endocitosis mediada por receptores La endocitosis mediada por receptores es un proceso importante: por su medio. algunas proteínas específicas de determinadas partículas se unen a proteínas receptoras. Luego. el recubrimiento se separa de ellas. Algunos segundos después. En seguida. Las partículas de proteína de baja densidad (LDL) se unen a proteínas receptoras específicas en la membrana plasmática. El LDL está constituido por proteína flanqueada por moléculas de fosfolípidos y colesterol. vesículas más grandes que transportan materiales libres. otras. que son regiones de la superficie citoplásmica de la membrana recubiertas con estructuras en forma de cepillo (proteínas denominadas clatrinas). llamado endocitosis mediada por receptor.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 16 En un tercer tipo de endocitosis. localizadas en la membrana plasmática de la célula. se fusionan con los lisosomas y después son procesadas por la célula. Gran parte del mecanismo de esta variedad de endocitosis fue detallada en estudios del receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDL. En estas estructuras. las moléculas ligadas al receptor emigran hacia las depresiones revestidas. las vesículas son liberadas dentro del citoplasma. las células animales incorporan hacia su interior el colesterol del torrente circulatorio. “low density lipoproteins”). La endocitosis de tales placas recubiertas da por resultado la formación de vesículas recubiertas en el citoplasma celular. que contienen las partículas ingeridas. Estas regiones forman vesículas recubiertas mediante un proceso de endocitosis. Los complejos receptores de LDL se mueven a lo largo de la superficie y se agrupan en la región de placas recubiertas con clatrina de la membrana plasmática. dejando a las vesículas libres en él. Algunos segundos después el recubrimiento de clatrina se elimina y las vesículas se fusionan con otras similares hasta formarse grandes vesículas (endosomas jóvenes “early endosomes”). las vesículas se fusionan con otras vesículas semejantes y forman endosomas. que no están unidos a los receptores de membrana. en el centro hay un acúmulo de moléculas de colesterol esterificado con ácidos grasos de cadena larga. separan y dirigen hacia diferentes . sin embargo. su cubierta consta de proteínas que momentáneamente forman una estructura en forma de cesto alrededor de ellas. Los endosomas forman dos tipos de vesículas: unas contienen receptores que pueden regresar a la membrana. los receptores y las partículas de LDL se disocian. la superficie de la célula estaría en expansión constante. cuando es necesario que una sustancia externa (una señal. Los macrófagos. La exocitosis consiste en la fusión de la membrana de la vesícula secretora con la membrana plasmática. como cierto tipo de proteínas que son regularmente secretadas por la célula. BIBLIOGRAFIA . incapaz de unirse a la cubierta de clatrinas) son propensas a arterioesclerosis prematura y a sufrir ataques cardíacos. por ejemplo. Las personas con incapacidad hereditaria para la producción de receptores de membrana para el LDL (puede faltar el gen o fabricar un receptor defectuoso. El reciclaje del receptor de LDL a la membrana plasmática a través de la formación de vesículas ilustra un problema común a todas las células que emplean los mecanismos de endocitosis y exocitosis. incorporan en forma de vesículas el equivalente del total de su volumen en cerca de 30 minutos. y requieren un reciclamiento similar para que las células mantengan su área de superficie y su volumen. una porción equivalente de membrana debe incorporarse al interior de la célula por cada vesícula que se fusiona con la membrana plasmática. como una hormona o un neurotranmisor) desencadene un proceso (transducción de señal) que finaliza con la secreción de una sustancia producida por la célula que es requerida en el medio extracelular. Finalmente el colesterol se libera por medio de diversas enzimas hidrolíticas: sólo entonces puede utilizarlo la célula. La secreción puede ser constitutiva. Existe una situación similar para las células que realizan endocitosis. de no ocurrir así. Este es también un mecanismo primario de crecimiento de la membrana plasmática. Transporte vesicular selectivo y no selectivo en células no polarizadas En la exocitosis una célula expulsa productos de desecho o productos específicos de secreción (como hormonas). en la cual los receptores son reciclados. mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática de la célula. A partir de los endosomas se forman nuevas vesículas. Las vesículas que contienen los receptores se desplazan hacia la superficie y se fusionan con la membrana plasmática.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 17 regiones de la vesícula. o ser una secreción regulada. aunque el crecimiento de la célula esté limitado. En las células que secretan sustancias en forma continua. Las vesículas que contienen partículas de LDL se fusionan con los lisosomas. C. Editorial Médica Panamericana. P.M. España.. ¿Cómo podría explicar el “modelo del mosaico fluido” y cuál es su relación con el comportamiento d e las membranas biológicas? 3. 15.. La Célula. D.H. aminoácidos. G. ¿La membrana plasmática es simétrica o asimétrica? ¿Cuál es el efecto funcional de este hecho? 5. ¿De qué depende que una solución sea isotónica. (2002). y N. Lodish.L. Curtis. ¿Por qué se dice que las membranas celulares no son paredes rígidas sino estructuras complejas y dinámicas? 2. Sadava.. Watson.. Edición. Ed. Heller (2003) “Vida. Nelson y M. E.:Bioquímica. Ediciones Omega. Matsudaira. Reverté. Los iones. K. Interamericana McGraw-Hill. 12. Cooper. la relación numérica sea de alrededor de 50 moléculas de fosfolípidos por cada molécula de proteína? 7. Baltimore & J. Solomon. J. Stryer L. 2000).P. Cox (1993) “Principios de Bioquímica”. (traducido de la 2ª edición inglesa. ¿En qué consiste un sistema de transporte múltiple integrado? Proporcione un ejemplo. A. Editorial Médica Panamericana (traducido de la 4ª. Darnell (2002)”Biología Celular y Molecular”.L. ¿A qué se denomina “transporte activo” de moléculas a través de la membrana plasmática? Mencione ejemplos. Barcelona.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 18 Alberts B. D. 6ª.. 2ª edición. La Ciencia de la Biología”.1992. Editorial Médica Panamericana (traducido de la 6ª edición inglesa.. ¿Qué diferencia hay entre la endocitosis.A. hipotónica o hipertónica? 10. 2a edición (traducido de la segunda edición inglesa.L. nucleótidos y muchos metabolitos ingresan a la célula por el mecanismo de difusión facilitada. D. 1996. Villee (1996) “La Biología de Villee”. R. H. Martin & C. Zipursky. S. Purves. inglesa.W. Bray.. CUESTIONARIO TEÓRICO 1. ¿Qué entiende por exocitosis? ¿Qué diferencias existen entre una secreción constitutiva y una secreción regulada? . Explique por qué es falsa esta expresión: “la diferencia entre proteínas solubles y proteínas ligadas a membranas consiste en que una no contiene aminoácidos hidrofóbicos y la otra sí” 8. diálisis y ósmosis? 9. A. 6ª edición española. Describa la endocitosis mediada por receptores. 2001). Berg. Raff. G.S. L. ¿Qué características tiene una sustancia anfipática? ¿Todas las moléculas que integran la membrana plasmática son anfipáticas? 4.D. 2000). ¿Cuál es la función de las proteínas presentes en la membrana plasmática? ¿Qué tipos de proteínas de membrana conoce? 6. Lewis. 1993). ¿Es necesario algún componente especial en la membrana plasmática para que esto suceda? 11. 3ra Ed. azúcares. 3ra Edic. S.L. Ed. Lehninger. H. 14. la fagocitosis y la autofagia? ¿Qué es lo que tienen en común? 13. Roberts & J. Biología Molecular de la Célula. K.W. Orians & H. D. D. Berk. Marbán Libros. ¿Qué diferencias existen entre los fenómenos de difusión. ¿Cómo explica que si en la membrana plasmática hay un 50% de lípidos y otro tanto de proteínas.M. Barnes (2000) “Biología”. M. Perforar la membrana externa con un alfiler y descartar el interior. igualar los niveles de ambos recipientes y dejar media hora.5 ml de muestra agregar 0. 2) Averiguar qué aplicaciones tienen estos fenómenos en el campo de la salud. Una coloración azul violácea indica la presencia de al menos tres uniones peptídicas formándose un complejo de coordinación entre el Cu++ y los electrones libres de los átomos de nitrógeno de las uniones peptídicas. Reacción del biuret: a 0.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 19 PARTE EXPERIMENTAL OBJETIVOS GENERALES 1) Observar. Analizar los resultados y completar el siguiente cuadro. c) Pasado ese tiempo comprobar qué compuestos han difundido. 2) Apreciar la aplicación del uso de distintos modelos experimentales que se utilizan en el laboratorio para explicar los fenómenos naturales. Lavar los huevos con cepillo y agua destilada. efectuando las reacciones de identificación de cloruros y reacción de Biuret en el agua del vaso de precipitado (tiempo = 30 min). Vaso de precipitado Cloruros Biuret Tiempo 0 min Tiempo 30 min Dializador Cloruros Biuret Identificación de cloruros: a 1 ml de muestra se agregan 3 gotas de HNO3 concentrado y 3 gotas de AgNO3 al 10%. Esto señala reacción positiva . b) Colocar en el dializador 5 ml de plasma sanguíneo y sumergirlo en un vaso de precipitado con agua destilada. DIALISIS Objetivos Específicos 1) Analizar las razones por las cuales algunos solutos puedan atravesar las membranas y otros no. I. Desarrollo de la experiencia a) Efectuar la reacción de identificación de cloruros y la reacción de Biuret en plasma sanguíneo y agua destilada (reacciones de control correspondientes a tiempo = 0 min). relacionar y sacar conclusiones de los fenómenos relacionados con las membranas biológicas. PROTOCOLO EXPERIMENTAL Se utilizará una membrana biológica obtenida de huevos de gallina. Volver a lavar con agua destilada. Lavarlos con agua destilada hasta que no queden restos calcáreos.5 ml de NaOH al 10% y gotas de solución de CuSO4 al 1%. Colocarlos con cáscara en ácido acético al 4% durante 1 día. Relacionar estos conceptos con los mecanismos que se suceden en los seres vivos. La aparición de un precipitado blanco de cloruro de plata indica reacción positiva. a) Colocar en el osmómetro 5 mililitros de solución saturada de sacarosa. OSMOSIS. c) Introducir el osmómetro en el vaso e igualar los niveles interno y externo de líquido. Objetivos Específicos 1) Observar el cambio de volumen que se verifica en los modelos empleados para las experiencias en el estado inicial con respecto al estado final de las mismas. Esquema del Osmómetro Manómetro Solución saturada de sacarosa Agua destilada Membrana de permeabilidad selectiva Desarrollo de la Experiencia I. . 3) Relacionar estos conceptos con ejemplos de organismos vivos en sus correspondientes hábitats. b) Adaptar el manómetro. y en el vaso de precipitado. al que previamente se le introduce en su tubo capilar una gota de solución acuosa al 1% de rojo neutro (u otro colorante) en la parte superior del osmómetro. agua destilada.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 20 Esquema del dializador membrana de permeabilidad selectiva plasma sanguíneo agua destilada II. para luego observar y analizar los resultados. 2) Determinar la dirección del movimiento de las moléculas de solvente de un compartimiento a otro y los factores que contribuyen a ello. d) Tapar la tubuladura lateral y dejar una hora. Colocar un cubreobjetos sobre la muestra y agregar por capilaridad una gota de solución de azul Tripán al 0. Extraiga conclusiones. esquematizar y extraer conclusiones. Relacionar esta experiencia con el TP del módulo 4. la feta de remolacha tratada con solución salina. Medir el largo y el ancho de la feta y anotar en un papel.4%.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 21 a) b) c) d) Desarrollo de la experiencia II. retirarlas y tratar de doblarlas. e) Colocar en agua destilada. COMPORTAMIENTO DE CELULAS ANIMALES Y VEGETALES FRENTE A SOLUCIONES DE DISTINTA TONICIDAD Objetivos Específicos 1) 2) Visualizar los cambios de tamaño y forma producidos en células sometidas a soluciones de distinta tonicidad. Desarrollo de la experiencia Tomar un portaobjetos y desinfectarlo con alcohol. TRANSPORTE ACTIVO: Exclusión de azul Tripán Objetivos Específicos 1) 2) a) b) c) d) Describir a qué se deben las diferencias de tinción que se observa en el preparado microscópico y relacionar la importancia de este tipo de transporte en los sistemas vivos. medir nuevamente sus dimensiones y tratar de doblarla. ¿Se observa algún cambio en las mismas con respecto al punto b) y c)?. durante 15 min. Concluido el tiempo. Tomar una feta entre el índice y el pulgar. . Raspar suavemente la mucosa bucal . medir sus dimensiones y tratar de doblarla. Registrar lo observado y sacar conclusiones. Colocar la feta en una solución de ClNa al 15% durante 15 min. aproximadamente. Retirarla. III. Justificar lo observado. Retirarla. 2 cm de ancho y 4 mm de espesor. e intentar doblarla ¿Qué ocurre?. f) Hervir en agua otras dos fetas de remolacha durante 5 min. Aumento: IV. Observar . Cortar una remolacha en fetas de 4 cm de largo. ¿Se observa algún cambio en las mismas con respecto al punto d)?. ¿Qué ocurre? g) Poner en agua destilada una de las fetas hervidas y la otra en la solución salina. Extender la muestra con la ayuda de otro portaobjetos. Relacionar estas observaciones con el fenómeno físico que provoca estas modificaciones. durante 15 min. 9% más 6 ml de agua destilada. Esquematizar la observación. c) Por capilaridad agregar una gota de una solución hipertónica para esas células: ClNa al 6% o NO3K al 10%. otro para la solución 0.22% de NaCl. con pinza. se extrae un trozo muy delgado de epidermis y. se lo deposita sobre un portaobjetos y se coloca un cubreobjetos. e) Centrifugar 10 min a 5000 rpm. Esquematizar la observación. c) Solución hipotónica 0. Esta es por lo tanto una solución isotónica para las células humanas. Comparar ambas observaciones e interpretar el fenómeno producido. Dejar en reposo una hora.B. a) Solución isotónica: colocar en el primer tubo 8 ml de NaCl 0. Comportamiento de células vegetales frente a soluciones hipertónicas: plasmólisis a) Con un bisturí se efectúa una incisión en el pecíolo de la hoja de remolacha (Beta vulgaris).9%. Aumento: . Experiencia con soluciones hipotónicas: Una solución de NaCl hipotónica para las células humanas es aquella con una concentración inferior al 0.9% más 4 ml de agua destilada. b) Observar al microscopio.22%: colocar en el tercer tubo 2 ml de NaCl 0. la presión osmótica de sus células es equivalente a la de una solución de NaCl 0. Para la experiencia rotular 3 tubos de centrífuga: uno para la solución 0.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 22 Desarrollo de las experiencias IV. A.45% y otro para la solución 0. b) Solución hipotónica 0.9%. f) Observar . d) Observar al microscopio. d) Agregar a cada tubo una gota de sangre oxalatada (o preferiblemente glóbulos rojos lavados). IV. Comportamiento de una suspensión de glóbulos rojos en medios de igual o menor tonicidad Para el organismo humano y en general para los mamíferos.9% de NaCl. esquematizar y analizar los resultados.45%: colocar en el segundo tubo 4 ml de NaCl 0.9%. en membranas plasmáticas de otras células eucariotas (como vegetales u hongos).virus? Explique: a) ¿Qué funciones cumplen las proteínas de membrana plasmática?. se encuentran otros esteroles. c) En la difusión simple las moléculas de soluto se desplazan a favor de su gradiente de concentración. c) Los fosfolípidos de membrana están orientados de forma tal que sus cabezas polares se encuentran en el interior de la bicapa. c) ¿ Todas las proteínas integrales son transmembranares?. y no por ejemplo: . f) La composición lipídica de todas las membranas biológicas es la misma. e) El colesterol es el esterol mayoritario en membranas plasmnáticas de células animales. Marque las dos únicas opciones correctas: a) Las membranas biológicas están compuestas por lípidos anfipáticos y proteínas . ¿ Por qué razón cree usted que se ha elegido este sistema biológico para estudio de membranas.células hepáticas .BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 23 CUESTIONARIO 1) 2) 3) Establezca una relación entre las propiedades anfipáticas de los fosfolípidos y el surgimiento de las primeras membranas celulares en épocas tempranas de la evolución. b) ¿ Cómo se diferencia una proteína integral de una periférica?. g) La composición proteica de todas las membranas biológicas es la misma. en cambio. con proteínas incluídas en ésta. e) La ósmosis es un caso particular de difusión. d) Los residuos hidrofóficos en las proteínas transmembrana ¿se encontrarán hacia el exterior o el interior de la proteína?. a) La difusión es el mecanismo por el cual las moléculas de solvente se trasladan desde donde se encuentran en mayor concentración hacia donde están en menor concentración. lo cual le confiere rigidez absoluta a la membrana.células vegetales . b) Los fosfolípidos que constituyen las membranas están compuestos siempre por ácidos grasos no saturados. h) La composición proteica y lipídica de todas las membranas biológicas es la misma. Responda si los siguientes enunciados son Verdaderos o Falsos. b) La difusión de solutos a través de una membrana se denomina ósmosis. Indique qué tipo de interacción mantiene unidas a las moléculas de los fosfolípidos en las membranas. 4) 5) 6) . organizadas en una bicapa. i) Los ácidos grasos constituyentes de los fosfolípidos de membrana son siempre saturados El estudio de las membranas se ha efectuado en gran parte utilizando como sistema de estudio los eritrocitos (glóbulos rojos). d) El agua atraviesa las membranas por el mecanismo de ósmosis y se desplaza en contra del gradiente de concentración de solutos.procariotes . d) Las membranas poseen poseen estructura de bicapa lipídica. b). Compartimiento A H2O + ClNa H2O + Proteínas H2O + ClNa + Proteínas Comportamiento B H2O H2O H2O Fenómenos 8) 9) Explique por qué el O2 atraviesa fácilmente una membrana biológica. Esta membrana permite el paso de sales y de agua.BIOLOGÍA / Módulo 5/ Membranas Biológicas 24 7) a) Defina diálisis y osmósis.Indique cuál de los dos esquemas siguientes representa un fenómeno de transporte activo A OXOX OXOX OXOX OXOX OXOX OXOX XO XO XO O XO OX XO OX XO OX XO OX XO OX XO OX XO B OXOX OXOX OXOX OXOX OXOX OXOX XO XO X O X O OXOX XOX OXOXX O OXO OXOXX OXO OXOXX OX . Explique qué fenómenos ocurrirán si en cada compartimiento se agrega. pero no de macromoléculas. ¿ De dónde proviene la energía para transportar glucosa al interior de la célula en contra de su gradiente de concentración. en el caso del cotransporte con el Na + ?.¿ Cuál es la diferencia entre transporte pasivo y activo?. y explique de qué depende. b) Defina presión osmótica. pese a que los protones son más pequeños que el O2. 10) a). c) Se coloca una membrana separando dos compartimientos A y B. y en cambio los H + no.