1. estructura 2. función
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Membrana plasmática
María José Arezo
1. estructura
2. función
CursoBiología Celular
2021
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Los teóricos: ¿qué esperar de esta instancia?
2020
1.517.803
71.711 +
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- Guía que colabora en la jerarquización
de la información relevante para el curso
- Contenido: libro de texto, artículos
científicos, experiencia del docente
- Posibilidad de interacción
Preguntas de examen:
basadas en información del libro recomendado
- Rol docente: facilitadores / motivadores
Los teóricos: ¿qué esperar de esta instancia?
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Objetivos de la clase
1. Establecer un marco conceptual básico:
desde el enfoque de un biólogo celular
2. Conocer herramientas experimentales:
resolución de preguntas
3. Ejercitar el pensamiento crítico:
análisis y discusión fundamentada
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(tomado de Taller Educación Científica, febrero de 2014)
Aprendizaje: estructura jerárquicaDr. Benjamín Bloom
1913 – 1999
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- rodea a las células
- diferencias citoplasma / medio extracelular
- primer paso evolutivo en la construcción de la vida
- presentan una estructura general común
8 µm
5 µm
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Arquitectura general:
1. composición:
lípidos organizados como bicapa continua
(5nm de espesor aprox.)
proteínas
2. estructuras fluidas y dinámicas
barrera
median las demás funciones
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Edidin, 2003. Nature
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Modelos estructurales de las
membranas biológicas
1959 Robertson
“estructura de membrana:
universal”
1935
Danielli y Davson
1925
Gorter y Grendel
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Edidin, 2003. Nature
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“Mosaico fluído”, Singer y Nicolson, 1972
Disposición de los componentes: al azar
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Edidin, 2003. Nature
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Bicapa lipídica
● Lípidos
- aprox. 50% de la masa de membrana celular
- moléculas anfipáticas
cabeza: hidrofílica o polar
cola: hidrofóbica o no polar
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Lípidos de membrana: estructura básica
fosfolípidos
14 a 24 c
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La bicapa lipídica: modelo tridimensional
Disposición energéticamente más favorable
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Naturaleza anfipática
agregación espontánea
(medio acuoso)
enmascaran colas y exponen
cabezas
Base termodinámica
formación y estabilidad de membranas
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Disposición de las moléculas anfipáticas
en una solución acuosa
comportamiento espontáneo: sella compartimentos
Micelas liposomas
bicapas
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Objetivo:
Estudiar el componente lipídico de mp
¿estrategia experimental?
Paso 1: separar lípidos de proteínas
Paso 2: marcar lípidos de interés
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Membranas
artificiales
(bicapas sintéticas)
- difusión de lípidos
marcado
(grupo nitroxilo, fluorocromo u
oro coloidal: cabeza)
Cuidado:
alteraciones = artefactos
- permeabilidad
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Movilidad de los lípidos en una bicapa lipídica
● migración entre monocapas: ocurre rara vez ¿por qué?
● intercambio de sitios en monocapa: 107 / segundo
difusión lateral: rápida
● rotación sobre su eje: rápido
Proteínas:
Flipasas
Flopasas
Escramblasas
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¿membranas biológicas?
Validación de resultados:
- membranas aisladas
- células in vivo
En general, se cumplen los mismos
principios definidos en las artificiales
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Fluidez de la bicapa lipídica
Cambio de estado: transición de fase
- depende de la composición de lípidos
temperatura: específica para cada lípido
(colas más cortas y/o con doble enlaces = temperatura de TF menor)
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Bacterias
Ajsute en la composición de ácidos grasos de lípidos: mantenimiento de fluidez cte.
Importancia: procesos de transporte / actividades enzimáticas
Levaduras
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Lípidos de las membranas biológicas
Fosfolípidos
- son los más abundantes
- 4 tipos principales:
- Fosfolípido
derivado de
esfingosina
(esfingolípido)
- Fosfolípidos
con inositol
(señalización)
(mamíferos)
Fosfatidiletanolamina
Fosfatidilserina
Fosfatidilcolina
Esfingomielina
Derivados
de glicerol
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Colesterol
● células eucariotas animales: abundante (relacionado con función de barrera)
● bacterias: ausente
Colesterol
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● sector externo de la bicapa lipídica
● 5% de las moléculas lipídicas
● distribución muy amplia (células animales, plantas y bacterias)
● grupos azúcares expuestos hacia exterior
interacciones célula – entorno / protección (células epiteliales)
Glucolípidos
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Diversidad de lípidos a dos niveles:
- química confiere propiedades específicas a lípidos
- composicional afecta comportamiento colectivo de lípidos en la membrana(entre especies, entre tejidos y/o entre células de un mismo organismo, distintos organelos,
distintas monocapas)
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Balance de tamano cabeza/cola:
afecta curvatura espontáneaInsaturación aumenta fluidez
Afecta prop físicas / heterogeneidades
Fosfolípidos con ácidos grasos
poliinsaturados ayudan a flexión
Lípidos regulan procesos
biológicos
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¿Cómo se distribuyen los lípidos en las
membranas celulares?
- Al azar y formando dominios
- Microdominios de membrana o balsas lipídicas (lipid rafts)
- enriquecidos en esfingolípidos y colesterol
- son transitorios (vida media 10 a 20 ms)
- reportados en diversos organismos y tipos celulares (conservación)
- mecanismo de generación aún en debate:
1. nucleación iniciada por proteínas
2. estabilización por interacciones proteína-lípido y lípido-lípido
(Harayama y Riezman, Nature Rev.2018)
Hipótesis
- ayudarían a organizar proteínas de membrana
a) concentración para transporte en vesículas
b) concentración para transducción de señales
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Vieira y col. 2010
Modelo de balsa lipídica
Esfingolípidos: colas más largas = zona engrosada
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Fosfatidilcolina / esfingomielina Fosfatidilcolina/esfingomielina/colesterol
1:1 1:1:1
Membranas artificiales: liposomas
Controversia: artefacto de técnica / rol biológico
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2020
- no observables en células viables
- evidenciables en membranas artificiales
- métodos de aislamiento muy agresivos
(solubilización: detergents en frío)
Artefacto de técnica
Grupo de científicos
a favor rol biológicoGrupo de científicos
escépticos
- conservación
- inaccesibles con las
metodologías disponibles(sensibilidad, escala nanométrica y milisegundos)
Limitantes técnicas
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Asimetría en la distribución de lípidos
en ambas monocapasEj: bicapa lipídica de glóbulo rojo humano
Fosfatidilcolina
Esfingomielina
Glucolípidos
Fosfatidiletanolamina
Fosfatidilserina
● existen diferencias entre la monocapa interna y externa
- fosfolípidos y glucolípidos
● colesterol: distribución homogénea
● importancia: funcional
- protección, unión de proteínas a ciertos lípidos, apoptosis
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Proteínas de membrana
● Estructura básica de las membranas biológicas: bicapa lipídica
Proteínas de membrana
- responsables de la mayoría de las funciones
específicas de las membranas
- imponen a cada membrana sus propiedades
funcionales características
cantidad y tipos presentes en las membranas: muy variable
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Asociación con la bicapa lipídica
● Proteínas integrales de membrana
● Proteínas periféricas Clasificar 1 al 8…
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Proteínas integrales de membrana
1. Proteínas transmembrana (1,2 y 3)
- atraviesan la bicapa lipídica
- son anfipáticas
2. Proteínas ancladas a región citosólica de bicapa (4 y 5)
- alfa hélice anfipática
- unión covalente a lípido
3. Proteínas ancladas a región externa de la bicapa (6)
- unión por enlace covalente
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Proteínas periféricas
- asociación no covalente a cualquier cara de la bicapa lipídica
asociación proteína – bicapa lipídica
función de la proteína
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Objetivo:
Estudiar el componente proteico de mp
Paso 1: separar proteínas de lípidos
Paso 2: identificar las proteínas de interés
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Proteínas de membrana: solubilización
Detergentes(anfipáticos)
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Proteínas de membrana: electroforesis
Geles de poliacrilamida
![Page 43: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/43.jpg)
La membrana plasmática de los eritrocitos humanos
● disponibles en grandes cantidades
● relativamente puros
● no poseen núcleo * (mamíferos)
● es posible aislar membranas celulares
![Page 44: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/44.jpg)
Membranas celulares
de eritrocitos aisladas:
exposición a medios hipotónicos
lisis celular
Solubilización
con detergentes
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Eritrocitos
Esta técnica, ¿nos permite saber
la identidad o localización de las
proteínas en la membrana?
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Microscopio electrónico de
transmisión (MET)
Análisis de membranas celulares
Límite de resolución adecuado
Distintas preguntas : distintas técnicas
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Membranas celulares
imagen trilaminar
zonas electron-densas (oscuras)
zonas electron-lúcidas (claras)
1
2
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Microscopía electrónica de transmisión
criofractura-réplica
E
P
Célula 1
Célula 2
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(sublimado: opcional)
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P E
E
P
Célula 1
Célula 2
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E
P
¿por qué la cara P presenta
más partículas que la cara E?
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Anticuerpo primario
específico
Anticuerpo secundario
+ oro coloidal
Microscopía
Electrónica de
Transmisión Receptor de EGF (factor de crecimiento epidérmico)
http://www.ifom-ieo-campus.it/research/tacchetti.php
Localización de proteínas específicas
a nivel ultraestructural
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Las proteínas de membrana,
¿son capaces de moverse en el plano de la
bicapa lipídica?
+
heterocarionteMichael Edidin, PhD
Líneas celuares cIID y VA-2
![Page 55: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/55.jpg)
Movilidad de las proteínas
de membrana
Frye y Edidin, 1970
Respuesta de tipo cualitativo
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Tasa de difusión lateral
de las
proteínas de membrana
cálculo del coeficiente
de difusión
de la proteína marcada
muy variables
(interacciones proteína – proteína)
Fluorescence
Recovery
After
Photobleaching
Fluorescence
Loss
In
Photobleaching
Respuesta de tipo cuantitativo
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![Page 58: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/58.jpg)
• Considerar: células aisladas o en su contexto
alteración potencial por marcado de las proteínas
¿es deseable que todas las proteínas difundan
al azar en la bicapa lipídica?
Cálculo de la tasa de difusión lateral por FRAP:
¿será igual al valor in vivo
para una proteína X?
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Movilidad de las proteínas de membrana:
Células epiteliales
● dominios específicos (apical, lateral, basal): distribución proteica asimétrica
uniones intercelulares de tipo ocluyente
Sector apical del
dominio lateral
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Espermatozoide mamífero
![Page 61: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/61.jpg)
Difusión lateral de lípidos y proteínas confinada a
dominios específicos dentro
de una membrana plasmática continua
¿Qué mecanismos están involucrados?
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B) externos (matriz extracelular)
C) internos (citoesqueleto)
Mecanismos de inmovilización de
proteínas de membrana
A) Ensamblaje en cristales
Anclaje a ensamblados
macromoléculares
D) Entre células
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Proteínas con dominios hacia el exterior
● no se exponen desnudas hacia el exterior de la célula
![Page 64: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/64.jpg)
● carbohidratos asociados: proteínas (glucoproteínas)
lípidos (glucolípidos)
proteoglucanos
Oligosacáridos
Polisacáridos - proteoglucanosCubierta celular o glucocáliz
![Page 65: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/65.jpg)
Funciones de la cubierta
● protección (daño químico y mecánico)
● impedir interacciones proteína - proteína
● procesos de reconocimiento celular
(diversidad de oligosacáridos)
![Page 66: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/66.jpg)
Modelo integrador
Evolución del modelo propuesto por él mismo:
1) Existencia de dominios de membrana reversible (balsas lipídicas)
2) Asociación con citoesqueleto
![Page 67: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/67.jpg)
Nicolson, 2013
3) No autónomas: integradas a su entorno (barrera y comunicación)
4) Arquitectura dinámica: respuesta rápida a claves internas y externas
5) Moléculas: organización cooperativa, no al azar, dominios reversibles
![Page 68: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/68.jpg)
2020
Evolución modelo de organización MP
Gorter y Grendel, 1925
Nicolson, 2013
![Page 69: 1. estructura 2. función](https://reader030.fdocumento.com/reader030/viewer/2022012517/6191f08050c443518a540b32/html5/thumbnails/69.jpg)
https://www.cellsignal.com/pathways/cellular-landscapes/cellular-landscape-rtk
Muchas gracias por su atención