Biology capitulo7- Estructura y función de la membrana

Capítulo 7

Estructura y función de la
membrana

PowerPoint® Lecture Presentations for

Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

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

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


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


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


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


Fig. 7-2

WATER
Hydrophilic
head

Hydrophobic
tail

WATER

• 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

Fig. 7-3

Phospholipid
bilayer

Hydrophobic regions Hydrophilic
of protein regions of protein

• 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


Fig. 7-4

TECHNIQUE RESULTS
Extracellular
layer

Proteins Inside of extracellular layer
Knife

Plasma membrane Cytoplasmic layer
Inside of cytoplasmic layer

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


Fig. 7-5a

Lateral movement Flip-flop
( 107 times per second) ( once per month)

(a) Movement of phospholipids

Fig. 7-6

RESULTS

Membrane proteins

Mixed proteins
after 1 hour
Mouse cell
Human cell
Hybrid cell

• 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

Fig. 7-5b

Fluid Viscous

Unsaturated hydrocarbon Saturated hydro-
tails with kinks carbon tails
(b) Membrane fluidity

• 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


Fig. 7-5c

Cholesterol

(c) Cholesterol within the animal cell membrane

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


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

• 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

Fig. 7-8

N-terminus EXTRACELLULAR
SIDE

C-terminus
CYTOPLASMIC
Helix SIDE

• 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)

Fig. 7-9ac

Signaling molecule

Enzymes Receptor

ATP
Signal transduction
(a) Transport (b) Enzymatic activity (c) Signal transduction

Fig. 7-9df

Glyco-
protein

(d) Cell-cell recognition (e) Intercellular joining (f) Attachment to
the cytoskeleton
and extracellular
matrix (ECM)

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

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


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

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


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


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


• 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


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


Fig. 7-11a

Molecules of dye Membrane (cross section)

WATER

Net diffusion Net diffusion Equilibrium

(a) Diffusion of one solute

• 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


Fig. 7-11b



(b) Diffusion of two solutes

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


Fig. 7-12
Lower Higher Same concentration
concentration concentration of sugar
of solute (sugar) of sugar

H2O

Selectively
permeable
membrane

Osmosis

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

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

• 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


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.

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


• 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


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)

Fig. 7-15
EXTRACELLULAR
FLUID

Channel protein Solute
CYTOPLASM

(a) A channel protein

Carrier protein Solute

(b) A carrier protein

• Proteínas portadoras pasan por un cambio en
su forma y esto ayuda a trasladar el soluto a
través de la membrana


• Algunas enfermedades son producidas por el
mal funcionamiento de esos sistemas de
transporte, por ejemplo una enfermedad de los
riñones “cystinuria”


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


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


• 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


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

Fig. 7-16-5

K+

K+

5 Loss of the phosphate
restores the protein’s original
shape.

Fig. 7-16-6

K+

K+

6 K+ is released, and the
cycle repeats.

Fig. 7-17
Passive transport Active transport

ATP
Diffusion Facilitated diffusion

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


• 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)


• 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


Fig. 7-18

– EXTRACELLULAR
+
FLUID
ATP – + H+

H+
Proton pump
H+

– + H+
H+
– +
CYTOPLASM
H+
– +

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


Fig. 7-19
– +
ATP H+
H+
– +
Proton pump H+
H+

– +
H+ – H+
+
H+ Diffusion
of H+
Sucrose-H+
cotransporter
H+

Sucrose – +
– + Sucrose

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


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


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


• En fagocitosis la célula se “traga” una
partícula en una vacuola
• La vacuola se une con un lisosoma para digerir
la partícula

Animation: Phagocytosis


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

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)

• En pinocitosis, las moléculas son “tragadas”
en forma líquida en pequeñas vesículas

Animation: Pinocytosis


Fig. 7-20b

PINOCYTOSIS

0.5 µm
Plasma
membrane Pinocytosis vesicles
forming (arrows) in
a cell lining a small
blood vessel (TEM)

Vesicle

• 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


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

Fig. 7-UN1
Passive transport:
Facilitated diffusion

Channel Carrier
protein protein

Fig. 7-UN2
Active transport:

ATP

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

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