T7 QB - Membranas

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@rose.studygram_
Teórico 7 
Membranas biológicas y transporte
· Definen los límites externos de la célula → membrana plasmática. 
· Regula el tráfico molecular a través del límite.
· Divide el espacio interno de las células eucariotas en compartimentos discretos para separar proceso y componentes.
· Organiza secuencias de reacción y son centrales tanto para la conservación de la energía biológica como para la comunicación de la célula. 
Componentes moleculares:
· proteínas
· fosfolípidos
· esteroles o análogos: función importante en la formación de dominios dentro de las membranas. 
La matriz fluida está generalmente asociada a la presencia de fosfolípidos, entonces a mayor contenido de fosfolípidos más fluida es la membrana. 
La imagen de la derecha es el modelo actual que se tiene de una membrana biológica (mosaico fluido, porque no es homogéneo y a su vez hay movimientos fluidos laterales y transversales). 
Lípidos
En el cuadro de arriba está la composición y organización de los lípidos por distintos grupos.
FOSFOLÍPIDOS: generalmente se habla de glicerofosfolípidos que se originan por la sustitución del alcohol del ácido fosfatídico en diferentes sustituyentes. A su vez, tiene propiedades fisicoquímicas diferentes por el cambio de sustituyente.
· Glicerol: 2 grupos ácido graso, grupo PO4 y -OH. 
Esfingolípidos, a diferencia de tener al glicerol como estructura base, tiene una amina:
· Esfingosina: 1 grupo ácido graso, grupo PO4 y grupo colina. 
Los esfingolípidos pueden pertenecer a su vez a otra variedad → glicolípidos. 
GLICOLÍPIDOS: tiene como sustituyentes azúcares, dentro de lo que son los esfingolípidos tenemos como estructura básica:
· Esfingosina: 1 grupo ácido graso y grupo mono u oligosacárido. 
La otra variedad de glicolípidos se denomina galactolipidos/sulfolipidos, generalmente se encuentran hacia el lado externo de la célula; la estructura básica es:
· Glicerol: 2 grupos ácido graso, un grupo sulfato y un grupo mono o disacárido. 
ARQUEOBACTERIAS ÉTER LÍPIDOS: se encuentra formado por un enlace éter, por lo tanto representa una estructura mucho más rígida permitiéndole sobrevivir a ambientes extremos. 
Representación abreviada de los lípidos:
· cabeza polar
· cola hidrofóbica 
Cuando un lípido se coloca en un ambiente acuoso, normalmente tiende a adoptar cierta disposición dependiendo de la estructura del lípido (en la imagen se observan 3 formas), estas estructuras se pueden representar como conos invertidos donde la cabeza polar ocupa un volumen muy grande y termina en una cola hidrofóbica, entonces todas las regiones hidrofóbicas interaccionan entre sí para disminuir la exposición al agua formando una MICELA. 
LIPOSOMA: a diferencia de la micela, contiene un volumen intravesicular, entonces dentro de ese volumen se pueden atrapar sustancias que son solubles en agua. El liposoma presenta una bicapa de lípidos ¿por qué el liposoma adquiere una estructura esférica? Dependiendo de la geometría del fosfolípido puede tener mayor o menor tendencia a formar el liposoma. 
Bicapa fosfolipídica
Tenemos la estructura de bicapa donde al disminuir la entropía, provoca que las cadenas hidrocarbonadas interaccionen entre sí y las partes polares interaccionan con el agua. 
Membrana de arqueas
Hay uniones ésteres en los fosfolípidos, mucho más difícil de separar; además presentan estructuras que no corresponden a los ácidos grasos sino que son isoprenoides (precursores del colesterol). 
En una célula cada membrana tiene una composición lipídica particular relacionada con su función, si nos fijamos en la imagen de la izq vemos que cada color representa un tipo de lípido. 
Para los esteroles, vemos que se encuentran en abundancia en la membrana plasmática, pero en el RER, membrana de la mitocondria el contenido es bajo; hay un proceso de enriquecimiento en las membranas de esteroles. 
Cada membrana lipídica tiene una composición particular. 
Entonces podemos decir que las membranas presentan asimetría en la distribución de fosfolípidos entre las dos monocapas (interna y externa) de la bicapa en la membrana plasmática del eritrocito por ejemplo. En la cara de la hemicapa externa (hacia el medio extracelular) tenemos fosfatidilcolina y esfingomielina, mientras que otros fosfolípidos se encuentran especialmente en la cara interna ¿cómo se mantiene eso? se debe gastar energía. 
En el RE al no haber esterol, los lípidos pueden moverse con mucha más facilidad que en la MP (es menos rígida la membrana del RE con respecto de la MP). 
Las proteínas
Proteínas periféricas: se encuentran de un solo lado de la membrana, asociadas por interacciones electrostáticas. Las puedo diferenciar de las integrales, hago un lavado de las membranas en condiciones en las cuales rompo la relación electrostática ¿cómo? variando el pH o con un agente caotrópico (desnaturalizante o no en cc bajas); de esta manera obtengo en el sobrenadante proteínas periféricas, las proteínas integrales atraviesan la membrana (exponen una zona del lado de la membrana y otra del otro lado, en el medio contienen una región hidrofóbica que interacciona con los lípidos)
Agente caotrópico → cambia la estructura del agua provocando que las interacciones pierdan su fuerza. Uno de los agentes caotrópicos es NaI.
Proteínas integrales: sólo serán liberadas de la fracción microsomal por el uso de detergente, este compite con los lípidos desorganizando la membrana e interacciona con la región hidrofóbica de la proteína → formación de micela mixta.
Se las clasifica según cuantas veces atraviese al membrana:
· tipo 1, 2, 3, 4, 5 y 6 … etc. 
Proteínas anfitrópicas: en general dependiendo de la regulación biológica se puede obtener tanto en la fracción microsomal como citosólica (ej: se le puede adicionar a la proteína un lípido de manera covalente, entonces queda anclada a la membrana por esa región hidrofóbica del lípido). 
Otra modificación que puede suceder es la fosforilación, ya que cambia la superficie de la proteína de manera que quede asociada o no a la membrana. 
Anillo lípido asociado con proteínas integrales de membrana
Los lípidos que interaccionan con la zona hidrofóbica de la proteína, nombre → anulo lipídico. Cuando uno purifica la proteína integral utilizando detergentes, muchas veces los extrae con esos lípidos. En la imagen hay 2 ejemplos:
· Acuaporina.
· Porción hidrofóbica de la Fo ATPasa.
Si uno quita los lípidos la proteína se desnaturaliza. 
¿Cómo puedo saber si la proteína es integral? Se sabe que si uno analiza y hace gráfico de hidrofobicidad relativa se obtiene un índice hidropático → polaridad de la proteína, si la región es muy baja es posible que la proteína se encuentra interaccionando con la membrana.					
Índice hidropático: polaridad relativa de cada aminoácido. Variación de energía libre que se produce cuando su cadena lateral pasa de un disolvente hidrofóbico a agua (exergónica para residuos polares o cargados y endergónica para aromáticos o alifáticos). 
Entonces cada aa presenta una polaridad determinada, miremos la tabla. Está el aa y la hidropatía del mismo, la tendencia a estar en un medio acuoso, ej: Val, Leu tiene un índice positivo y es frecuente encontrarlas en segmentos transmembranicos. Mientras que otros aa polares ej: Lys, Met presentan menos hidropatía y están generalmente expuestos a regiones de las proteínas que interaccionan con el medio acuoso. 
Análisis del gráfico hidropatía: tenemos hidrofobicidad e hidrofilicidad, la region marcada en amarillo tiene una alta probabilidad de ser una region transmembranica. 
Características de las proteínas integrales
Miremos la imagen de abajo, tenemos residuos Tyr y Trp ubicados en la interfase lípido-agua, NO en el medio sino justamente en la interfase. Entonces al analizar un gráfico de hidropatía la presencia de un Tyr o Trp en uno de los extremos o ambos, indica que es un segmento transmembrana. 
Barril ß
Expone residuos hidrofílicos hacia afuera mientras que la parte hidrofóbica queda en el centro del barril, se asocian a canales. Paraestas proteínas los gráficos de hidrofobicidad no sirven porque no tiene una estructura repetitiva. 
Proteínas de membrana unidas a lípidos → Como ya dijimos son siempre características de la MP en la cara INTERNA, mientras que las que tienen azúcares se encuentran en la cara externa. 
Transporte de solutos a través de membranas
Transporte: muevo solutos de un lado a otro de la membrana. Ej: tengo 2 compartimentos separados por una membrana, de un lado hay una cc de la sustancia X mayor que del otro ¿qué ocurre espontáneamente? la sustancia pasa al otro lado de la membrana para equilibrar las cc; cuando se llega al equilibrio no hay flujo neto, pero los pasajes pueden seguir sucediendo. En este estado la entropía del sistema aumenta. 
Cuando la sustancia presenta carga, en el equilibrio se debe cumplir que de ambos lados haya electroneutralidad (compensar el número de cargas), cuando no se encuentra en equilibrio hay una diferencia de potencial. 
Factores a tener en cuenta para la distribución de st en la membrana:
1. Cc del mismo a ambos lados de la membrana.
2. Variación de potencial eléctrico. 
Caso A → difusión simple ( no hay aporte de energía, el proceso es espontáneo). Imaginemos que es un átomo de Ca2+ ¿atraviesa la membrana? no, es poco permeable. Si fuera hidrofóbico podría atravesar, pero como está cargada, primero pierde la capa de hidratación y luego debe atravesar la zona hidrofóbica. 
Analizando el gráfico de ΔG para la difusión simple debe aumentar mucho, por ello el proceso no es espontáneo ¿qué hace un transportador? disminuye ΔG necesaria para alcanzar el estado de transición, haciendo que el fenómeno sea más probable (Caso B)
Caso B → el transportador genera poros en la membrana, que permite que la membrana polar atraviese la membrana por la parte hidrofóbica de la proteína. Generó que el proceso sea mucho más probable. 
La cantidad (costo) de energía necesaria para el transporte de un soluto contra un gradiente puede calcularse a partir del gradiente de concentración inicial y del potencial eléctrico. 
Ecuación general → ΔG=ΔG´o+RT ln ([P]/[S])
ΔGt=RT ln (C1/C2) → sin carga 
ΔGt=RT ln (C1/C2) + Z ƒ ΔΨ → con carga 
donde:
· Z: carga del ion
· ƒ: cte de faraday
· ΔΨ: diferencia de potencial eléctrico.
Transportadores
Podemos tener 2 clasificaciones: 
1. Pueden ser:
a. portadores b. canales
2. Según el sistema de transporte:
a. uniportadores, una única sustancia pasa hacia alguna dirección. 
b. simportadores, una sustancia se acopla al movimiento de la otra en igual sentido. 
c. antiportadores, una sustancia se acopla al movimiento de la otra en sentido opuesto.
Canales 
Tiene una estructura de un único poro y una compuerta que puede encontrarse abierta o cerrada, la velocidad de transporte es muy alta a favor del gradiente. Si la sustancia que pasa lleva una carga, con lo cual existen técnicas que permiten medir corrientes eléctricas que pueden ser aplicadas al estudio de transporte por canales.
Acuaporinas → son canales transmembrana hidrofílicos para el pasaje de agua. A través de las hélices con residuos hidrofílicos se forma un canal por el cual moléculas de H2O atraviesan la bicapa. Presenta una velocidad de transporte muy alta.
Canales de K+ → tanto en bacterias como organismos superiores. Presentan una estructura donde el poro se forma a partir de hélices que se alinean formando una estructura hidrofílica por la cual el ion atraviesa la membrana. 
Cuatro dominios envuelven un canal transmembrana central. El mecanismo detector de voltaje implica el movimiento de la hélice 4 perpendicular al plano de la membrana en respuesta a un cambio de potencial. 
· Receptor de acetilcolina → es una canal iónico de compuerta regulada por union a ligando. 
Canales iónicos → aceleran el paso de iones inorgánicos a través de la membrana mediante mecanismos de diferentes a portadores; proporcionan un paso acuoso a través de la membrana por el que pueden difundir iones inorgánicos de velocidades muy elevadas. La mayoría presenta una “compuerta” regulada por una señal biológica, cuando está abierta los iones se desplazan a través de la membrana, por el canal, en dirección directa a favor de su gradiente electroquímico. 
No son saturables, el flujo se detiene cuando el mecanismo de compuerta se haya cerrado o cuando no haya gradiente electroquímico que proporcione la fuerza motriz para su desplazamiento. 
· Canal de Na+ en las neuronas = presenta 4 dominios envuelven un canal transmembrana central. El mecanismo detector de voltaje implica el movimiento de la hélice en respuesta a un cambio de potencial. 
Ionóforo
Son moléculas liposolubles que unen iones específicos y los transportan pasivamente a través de las membranas, disipando la energía de gradientes iónicos electroquímicos. Uno de los más conocidos es la valinomicina que se disuelven en la bicapa lipídica formando un poro central.
Objetivo → disipar el gradiente electroquímico. 
Transporte pasivo
GLUT
La glucosa entra a la células por un proceso facilitado por estos transportadores de manera rápida a favor de su gradiente.
Existen varios tipos de GLUT de acuerdo al tipo celular pero todos tienen una estructura similar; varios segmentos transmembranicos, los segmentos polares se orientan en el espacio para general el poro por donde pasará la glucosa. 
Los transportadores tienen una cinética saturable, la Vi de entrada de glucosa va aumentando siguiendo una cinética hiperbólica y podemos definir una kt de transporte que es la velocidad en relación a la cc de glucosa a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima de entrada. 
¿por qué es saturable? hay diferentes estadíos, la glucosa debe unirse de un lado de la membrana, entra en la membrana y dentro de la proteína, se cierra una compuerta para abrirse otra; entonces todos estos cambios se dan en la estructura de la proteína, con lo cual van a ser procesos mucho más lentos que los transportes por canales. 
GLUT4: aumenta su actividad al comer por la liberación de insulina. La fusión de la vesículas con la MP hace que aumente el transporte de glucosa a la célula. Estos mecanismos de fusión se desencadenan por la insulina. 			
Rasgos del transporte pasivo:
· velocidades de difusión elevadas a favor de un gradiente de concentración
· saturabilidad
· especificidad 
Transporte activo
Transportan st en contra de su gradiente electroquímico. 
· Primarios: utilizan como energía un compuesto químico (normalmente ATP) transformándola en energía para la distribución de iones. 
· ABC → presentan una estructura dimérica con 2 dominios de unión al ATP, no presentan tanta especificidad. 
A veces es una flipasa moviendo fosfolípidos de citosol a la cara externa. 
· Bombas iónicas 
· Secundarios: utiliza energía acumulada con diferencia de gradiente químico para mover la sustancia en contra de su gradiente (ej: ingreso de lactosa en E.Coli). 
Primario: ATPasa
Se las clasifica en 
· P, mueven H+ donde el ATP transfiere su grupo fosfato a un grupo aspártico de la proteína del dominio P formando un enlace covalente. 
· V (mueven H+ en lisosomas), y 
· F (matriz mitocondrial)
Cuando el ATP reacciona con V y F no forma ningún intermediario covalente, no hay fosfoenzima. 
P-ATPasas → son proteínas de membrana que se encuentran presentes en todos los tipos celulares conocidos, utilizando la energía de ATP para realizar el transporte de sustratos a través de la membrana. 
Las más conocidas son la Na/K+ ATPasa, bombas de Ca2+.
Las ATPasas tipo P se autofosforilan y autodesfosforilan durante cada ciclo catalítico. 
Secundario: transportador de lactosa
Esta proteína es una sola cadena ppt que funciona en forma de monómero para transportar 1 H+ y una molécula de lactosa al interior de la célula con acumulación de lactosa. E.coli produce un gradiente de H+ y carga a través de su MP por la oxidación y utilización de energía de ella para bombear H+ al exterior, entonces este transportador produce la reentrada de H+ y la lactosa se transporta de manera simultáneaal interior de la célula → simportador.
Cuando este transporte se bloquea por cianuro las reacciones de oxidación generadoras de energía del metabolismo, el transportador de lactosa permite que se equilibren la lactosa a través de la membrana via transporte pasivo (mutaciones del Glu325 o Arg302 producen el mismo efecto) → la línea punteada del esquema representa la cc de lactosa en el medio circundante.