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Estructura y función de la
membrana
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Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece
Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp
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2. Al finalizar el capítulo debes poder:
1. Definir: moléculas amfipaticas, acuaporinas,
difusión
2. Explicar como la fluidez de la membrana está
determinada por la temperatura y
composición de la membrana
3. Distinguir entre: proteínas periférica e
integrales; proteínas canal y portadora;
osmosis, difusión facilitada, y transporte
activo; soluciones hipertónico, hipotónico, e
isotónico
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3. 4. Explicar cómo las proteínas de transporte
facilitan la difusión
5. Explicar cómo una bomba electrógena crea
voltaje a través de la membrana, y nombrar
dos bombas electrógena
6. Explicar cómo las moléculas grandes son
transportadas a través de la membrana
celular
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4. Panorama: La vida en la frontera
• La membrana plasmática es el límite que
separa la célula del medio que la rodea
• La membrana plasmática tiene permeabilidad
selectiva, lo cual permite que algunas
sustancias pasen más fácilmente que otras
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6. Concepto 7.1: Membranas celulares son mosaicos
fluidos de lípidos y proteínas
• Los fosfolípidos son los lípidos más
abundantes en la membrana plasmática
• Los fosfolípidos son moléculas amfipaticas,
contienen regiones hidrófugas e hidrófilas
• El modelo del mosaico fluido establece que
una membrana es una estructura fluida con un
“mosaico” de varias proteínas empotradas en
el fluido
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7. Modelos de la membrana : Investigación Científica
• Las membranas se han analizado
químicamente y se ha encontrado que están
hechas de proteínas y lípidos
• Los científicos que estudiaron la membrana
plasmática razonaron que tenía que ser un
bicapa de fosfolípidos
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8. Fig. 7-2
WATER
Hydrophilic
head
Hydrophobic
tail
WATER
9. • En 1935, Hugh Davson y James Danielli
propusieron el modelo del sandwich, en donde la
bicapa de fosfolípidos quedaba entre dos capas
de proteínas globulares
• Estudios después encontraron problemas con
este modelo, particularmente con la posición de
las proteínas, las cuales tenían regiones
hidrófilas e hidrófugas
• En 1972, J. Singer y G. Nicolson propusieron que
la membrana es un mosaico de proteínas
dispersas dentro de la bicapa, con la región
hidrófila expuesta solamente hacia el agua
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11. • Estudios con la técnica de “Freeze-fracture”
apoyaron la hipótesis del mosaico fluido
• Freeze-fracture es una preparación
especializada que divide la membrana a lo
largo del medio de la bicapa de fosfolípidos
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12. Fig. 7-4
TECHNIQUE RESULTS
Extracellular
layer
Proteins Inside of extracellular layer
Knife
Plasma membrane Cytoplasmic layer
Inside of cytoplasmic layer
13. Fluidez de las Membranas
• Los fosfolípidos en la membrana plasmática se
pueden mover en la bicapa
• La mayoría de los lípidos, y las proteínas, se
mueven lateralmente
• Raramente una molécula hace un giro
completo (flip flop) a través de la membrana
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14. Fig. 7-5a
Lateral movement Flip-flop
( 107 times per second) ( once per month)
(a) Movement of phospholipids
15. Fig. 7-6
RESULTS
Membrane proteins
Mixed proteins
after 1 hour
Mouse cell
Human cell
Hybrid cell
16. • Según la temperatura baja, las membranas
cambian de un estado fluido a uno sólido
• La temperatura a la que una membrana se
solidifica dependes de los tipos de lípidos
• Membranas ricas en ácidos grasos insaturados
son mas fluidas que aquellas ricas en ácidos
grasos saturados
• Las membranas deben ser fluidas para
funcionar adecuadamente; usualmente son tan
fluidas como el aceite para ensaladas
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17. Fig. 7-5b
Fluid Viscous
Unsaturated hydrocarbon Saturated hydro-
tails with kinks carbon tails
(b) Membrane fluidity
18. • El esteroide, colesterol, tiene diferentes efectos
en la fluidez de la membrana a diferentes
temperaturas
• A temperaturas calientes (como 37°C), el
colesterol limita el movimiento de los
fosfolípidos
• A temperaturas frías, mantiene la fluidez
porque evita que se empaquen bien cerca
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19. Fig. 7-5c
Cholesterol
(c) Cholesterol within the animal cell membrane
20. Proteínas en las Membranas y sus Funciones
• Una membrana tiene una mezcla de diferentes
proteínas empotradas en el fluido compuesto
por la matriz de lípidos
• Las proteínas determinan la mayoría de las
funciones específicas de la membrana
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21. Fig. 7-7
Fibers of
extracellular
matrix (ECM)
Glyco- Carbohydrate
protein
Glycolipid
EXTRACELLULAR
SIDE OF
MEMBRANE
Cholesterol
Microfilaments Peripheral
of cytoskeleton proteins
Integral
protein
CYTOPLASMIC SIDE
OF MEMBRANE
22. • Proteínas Periférica están unidas a la
superficie de la membrana
• Proteínas Integrales penetran la centro el
hidrófugo
• Proteínas Integrales que se extienden a través
de toda la membrana se llaman proteínas
transmembránica
• La región hidrófuga de una proteína integral
consiste de una o mas áreas de amino ácidos
no polares, usualmente enroscados en alfa
hélices
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23. Fig. 7-8
N-terminus EXTRACELLULAR
SIDE
C-terminus
CYTOPLASMIC
Helix SIDE
24. • Seis funciones principales de las proteínas en
la membrana:
– Transporte
– actividad enzimática
– Señales de transducción (de acción hormonal
a enzimática)
– Reconocimiento de Célula a célula
– Unión Intercelular
– Punto de anclaje para el citoesqueleto y la
matriz extracelular (MEC)
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25. Fig. 7-9ac
Signaling molecule
Enzymes Receptor
ATP
Signal transduction
(a) Transport (b) Enzymatic activity (c) Signal transduction
26. Fig. 7-9df
Glyco-
protein
(d) Cell-cell recognition (e) Intercellular joining (f) Attachment to
the cytoskeleton
and extracellular
matrix (ECM)
27. El rol de los Carbohidratos en la Membrana para las
células reconocerse
• Las células se reconocen las unas a las otras a
través de enlazarse con moléculas, como
carbohidratos, en la superficie de la membrana
plasmática
• Los carbohidratos en la membrana se unen por
enlaces covalentes con lípidos (formando
glucolípids) o con proteínas (formando
glucoproteínas)
• Carbohidratos en la cara externa de la
membrana plasmática varían entre las
especies, individuos, y hasta tipos de células
en un individuo
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28. Sintesis y simetría de las membranas
• Las membranas tienen la cara interna es
distinta a la externa
• La distribución asimétrica de las proteínas,
lípidos, y la asociación con carbohidratos en la
membrana plasmática queda determinada
cuando se construye la membrana en el RE y
aparato de Golgi
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29. Fig. 7-10
ER
1
Transmembrane
glycoproteins
Secretory
protein
Glycolipid
Golgi 2
apparatus
Vesicle
3
Plasma membrane:
Cytoplasmic face
4
Extracellular face
Transmembrane
Secreted glycoprotein
protein
Membrane glycolipid
30. Concepto 7.2: La estructura de la membrana
determina su permeabilidad selectiva
• Una célula tiene que intercambiar materiales
con el medio/ambiente que le rodea; este
proceso es controlado por la membrana
plasmática
• Membrana plasmáticas son permeables
selectivamente, o se regulan el trafico
molecular de la célula
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31. La permeabilidad de la bicapa de lípidos
• Moléculas hidrófugas (no polar), como los
hidrocarburos, se pueden disolver en la bicapa
de lípidos y pasar a través de la membrana
rápidamente
• Moléculas polares, como las azúcares, no
cruzan la membrana fácilmente
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32. Proteínas de transporte
• Proteínas de Transporte permiten el paso de
sustancias hidrófilas a través de la membrana
• Algunas se les llama, canales y tienen un canal
hidrófilo que ciertos moléculas o iones pueden
usar como túnel
• Un ejemplo las acuaporinas que facilitan el
paso del agua
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33. • Otras proteínas de transporte, se llaman
proteínas portadoras, las cuales se unen a
moléculas, cambian su forma y luego lanzan la
molécula a través de la membrana
• Son especificas para la sustancia que
transportan
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34. Concepto 7.3: Transporte pasivo es difusión de
una sustancia a través de la membrana sin gasto
de no energía
• Difusión es la tendencia de las moléculas a
dispersarse equitativamente en un espacio
disponible
• Aunque cada molécula se mueve al azar, la difusión de un
grupo de moléculas puede mostrar movimiento neto en
una dirección
• En un equilibrio dinámico, igual cantidad de moléculas que
se mueven en una dirección la misma cantidad se mueve
en dirección contraria
Animation: Membrane Selectivity Animation: Diffusion
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35. Fig. 7-11a
Molecules of dye Membrane (cross section)
WATER
Net diffusion Net diffusion Equilibrium
(a) Diffusion of one solute
36. • Las sustancias se difunden a través de un
gradiente de concentración, esto es, entre
áreas que difieren en concentración
• No se realiza trabajo cuando las moléculas se
mueven a favor del gradiente de concentración
• Difusión de sustancias a través de una
membrana biológica es un transporte pasivo
porque para que ocurra no requiere energía de
la célula
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37. Fig. 7-11b
Net diffusion Net diffusion Equilibrium
Net diffusion Net diffusion Equilibrium
(b) Diffusion of two solutes
38. Efectos de la Osmosis en Balance de agua
• Osmosis es la difusión del agua a través de
una membrana selectivamente permeable
• El agua se difunde a través de la membrana de
una región de menor concentración de soluto a
una región de mayor concentración de soluto
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39. Fig. 7-12
Lower Higher Same concentration
concentration concentration of sugar
of solute (sugar) of sugar
H2O
Selectively
permeable
membrane
Osmosis
40. Balance de agua en células sin pared
• Tonicidad es el potencial de una solución para causar que
la célula gane o pierda agua
• Solución Isotónica: concentración de soluto es
la misma que en el interior de la célula; no
tendrá movimiento neto de agua a través de la
membrana plasmática
• Solución Hipertónica: concentración de soluto
es mayor que en el interior de la célula; la
célula pierde agua
• Solución Hipotónica: concentración de soluto
es menos que el interior de la célula; la célula
gana agua
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41. Fig. 7-13
Hypotonic solution Isotonic solution Hypertonic solution
H2O H2O H2O H2O
(a) Animal
cell
Lysed Normal Shriveled
H2O H2O H2O H2O
(b) Plant
cell
Turgid (normal) Flaccid Plasmolyzed
42. • Ambientes hipertónicos o hipotónicos crean
problemas osmóticos a los organismos
• Osmoregulación, es el control del balance de
agua, y es una adaptación necesaria para la
vida en esos tipos de ambientes
• El protista Paramecium, el cual es hipertónico
con respecto al ambiente de una charca, tiene
una vacuola contráctil que bombea
Video: Chlamydomonas Video: Paramecium Vacuole
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43. Fig. 7-14
50 µm
Filling vacuole
(a) A contractile vacuole fills with fluid that enters from
a system of canals radiating throughout the cytoplasm.
Contracting vacuole
(b) When full, the vacuole and canals contract, expelling
fluid from the cell.
44. Balance de agua en células con paredes
• Las paredes celulares ayudan a mantener el
balance de agua
• Célula de una planta en una solución
hipotónica se hincha hasta que la pared se
opone a mas ingreso; la célula se pone túrgida
(firme)
• Si la célula de una planta y su ambiente es
isotónico, no habrá movimiento neto de agua a
la célula; se torna flácida, y la planta se seca
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45. • En un ambiente hipertónico, las células de
plantas pierden agua; eventualmente la
membrana se separa de la pared, y este efecto
es letal y se llama plasmolisis
Video: Plasmolysis
Video: Turgid Elodea
Animation: Osmosis
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46. Difusión Facilitada : Transporte pasivo asistido
por proteínas
• En difusión facilitada, proteínas de transporte
aceleran el movimiento pasivo de moléculas a
través de la membrana plasmática
• Canales de proteína proveen corredores que
permiten el paso de moléculas o iones
específicos a través de la membrana
• Canales de proteínas incluye
– Acuaporinas, difusión facilitada de agua
– canales de Iones que se abren y cierran en
respuesta a un estímulo (gated channels)
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47. Fig. 7-15
EXTRACELLULAR
FLUID
Channel protein Solute
CYTOPLASM
(a) A channel protein
Carrier protein Solute
(b) A carrier protein
48. • Proteínas portadoras pasan por un cambio en
su forma y esto ayuda a trasladar el soluto a
través de la membrana
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49. • Algunas enfermedades son producidas por el
mal funcionamiento de esos sistemas de
transporte, por ejemplo una enfermedad de los
riñones “cystinuria”
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50. Concepto 7.4: Transporte Activo usa energía para
trasladar solutos en contra del gradiente
• Difusión Facilitada es pasiva porque ocurre a
favor del gradiente de concentración
• Algunas proteínas de transporte pueden mover
solutos en contra del gradiente de
concentración
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51. La necesidad de energía en Transporte Activo
• Transporte Activo mueve sustancias en
contra del gradiente de concentración
• Requiere energía, usualmente en la forma de
ATP
• Lo llevan a cabo proteínas específica en la
membrana
Animation: Active Transport
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52. • El transporte activo le permite a las células
mantener un gradiente de concentración que
difiere del medio que la rodea
• La bomba de sodio-potasio es un ejemplo
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53. Fig. 7-16-7
EXTRACELLULAR
[Na+] high Na+
FLUID [K+] low Na+
Na+ Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
[Na+] low ATP
Na+ P
[K+] high P
CYTOPLASM ADP
1 2 3
K+
K+
+
K+
K
K+
P
K+ P
6 5 4
54. Fig. 7-16-5
K+
K+
5 Loss of the phosphate
restores the protein’s original
shape.
55. Fig. 7-16-6
K+
K+
6 K+ is released, and the
cycle repeats.
56. Fig. 7-17
Passive transport Active transport
ATP
Diffusion Facilitated diffusion
57. Cómo Las bombas de iones mantienen el potencial
de la membrana
• potencial de la membrana es la diferencia en
voltaje a través de la membrana
• El voltaje se crea por la distribución diferente
de iones positivos y negativos
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58. • Dos fuerzas combinadas, en conjunto llamadas
gradiente electroquímico, impulsan la
difusión de iones a través de la membrana:
– Una fuerza/poder química (el gradiente en
concentración de iones)
– Una fuerza/poder eléctrico (el efecto del
potencial de la membrana en el movimiento de
los iones)
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59. • Una bomba electrógena es una proteína de
transporte que genera voltaje a través de la
membrana
• La bomba de sodio – potasio es la principal en
las células animales
• La principal en plantas, hongos y bacterias es
una bomba de protones
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60. Fig. 7-18
– EXTRACELLULAR
+
FLUID
ATP – + H+
H+
Proton pump
H+
– + H+
H+
– +
CYTOPLASM
H+
– +
61. Co-transporte: Transporte acoplados por una
Proteína de la Membrana
• Co-transporte ocurre cuando el transporte
activo de un soluto indirectamente impulsa el
transporte de otro soluto
• Las plantas comúnmente usan el gradiente de
iones de hidrogeno generado por una bomba
de protones para impulsar el transporte activo
de nutrientes a la célula
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62. Fig. 7-19
– +
ATP H+
H+
– +
Proton pump H+
H+
– +
H+ – H+
+
H+ Diffusion
of H+
Sucrose-H+
cotransporter
H+
Sucrose – +
– + Sucrose
63. Concepto 7.5: transporte de materiales más
grandes se lleva a cabo por exocitosis y endocitosis
• Moléculas pequeñas y agua entran y salen de
la célula atravesando la bicapa o por proteínas
de transporte
• Moléculas grandes, como polisacáridos y
proteínas, cruzan la membrana en vesículas
• Transporte en vesículas requiere energía
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64. Exocitosis
• En exocitosis, vesículas de transporte migran
a la membrana, se unen con esta y así liberan
su contenido
• Muchas células secretoras usan exocitosis
para exportar sus productos
Animation: Exocytosis
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65. Endocitosis
• En endocitosis, la célula toma macromoléculas a
través de la formación de vesículas de la
membrana plasmática
• Endocitosis es lo opuesto a exocitosis, envuelve
proteínas diferentes
• Tres tipos:
– Fagocitosis (“cellular eating”)
– Pinocitosis (“cellular drinking”)
– Endocitosis mediada por un receptor
Animation: Exocytosis and Endocytosis Introduction
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66. • En fagocitosis la célula se “traga” una
partícula en una vacuola
• La vacuola se une con un lisosoma para digerir
la partícula
Animation: Phagocytosis
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67. Fig. 7-20
PHAGOCYTOSIS
EXTRACELLULAR CYTOPLASM 1 µm
FLUID
Pseudopodium
Pseudopodium
of amoeba
“Food”or
other particle Bacterium
Food
vacuole Food vacuole
An amoeba engulfing a bacterium
via phagocytosis (TEM)
PINOCYTOSIS
0.5 µm
Plasma
membrane Pinocytosis vesicles
forming (arrows) in
a cell lining a small
blood vessel (TEM)
Vesicle
RECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS
Coat protein
Receptor Coated
vesicle
Coated
pit
Ligand
A coated pit
Coat and a coated
protein vesicle formed
during
receptor-
mediated
endocytosis
(TEMs)
Plasma
membrane
0.25 µm
68. Fig. 7-20a
PHAGOCYTOSIS
EXTRACELLULAR CYTOPLASM 1 µm
FLUID
Pseudopodium
Pseudopodium
of amoeba
“Food” or
other particle Bacterium
Food
vacuole Food vacuole
An amoeba engulfing a bacterium
via phagocytosis (TEM)
69. • En pinocitosis, las moléculas son “tragadas”
en forma líquida en pequeñas vesículas
Animation: Pinocytosis
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70. Fig. 7-20b
PINOCYTOSIS
0.5 µm
Plasma
membrane Pinocytosis vesicles
forming (arrows) in
a cell lining a small
blood vessel (TEM)
Vesicle
71. • En endocitosis mediada por un receptor-, la
union de “ligands” a receptores estimula la
formación de vesículas
• Un “ligand” es una molécula que se une a un
receptor de otra molécula
Animation: Receptor-Mediated Endocytosis
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72. Fig. 7-20c
RECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS
Coat protein
Receptor Coated
vesicle
Coated
pit
Ligand
A coated pit
Coat and a coated
protein vesicle formed
during
receptor-
mediated
endocytosis
(TEMs)
Plasma
membrane
0.25 µm
73. Fig. 7-UN1
Passive transport:
Facilitated diffusion
Channel Carrier
protein protein
75. Fig. 7-UN3
Environment:
“Cell” 0.01 M sucrose
0.03 M sucrose 0.01 M glucose
0.02 M glucose 0.01 M fructose