Dominios de membrana.

En la membrana, además de los rafts lipídicos, que son microdominios de membrana y que están en una hemicapa, tenemos o podemos encontrar en literatura que hablan de dominio de membrana apical y basolateral. Hay células polarizadas que tienen un dominio de membrana apical que tiene una composición lipídica enriquecida en esfingolípidos y colesterol y un dominio basolateral que tiene otra composición lipídica, enriquecida en fosfoglicéridos.

En general, la región apical da a una luz, por ejemplo, células pancreáticas, células de los túbulos conductores del riñón que dan hacia la luz del túbulo y por la luz del túbulo viene la orina que se está formando, cosas de desechos que van por la orina; y el dominio basolateral da al tejido intersticial. Cuando hay más esfingolípidos y colesterol la membrana es más rígida, le da mayor protección. En general, en el dominio apical encontramos características que le permiten a la célula tener mayor protección.

Los lípidos que se encuentran en el dominio apical en general no se desplazan hacia el dominio basolateral, porque hay unas proteínas que forman parte de las uniones estrechas que sellan las membranas y eso va a permitir que lo que está arriba, no solo los lípidos sino también las proteínas, no difundan hacia la otra región. Esto tiene una relevancia funcional, porque, por ejemplo, si tenemos un enterocito, obviamente hay que tener en la luz del intestino proteínas que absorban los nutrientes, entonces hay que evitar que estas proteína difundan (porque la membrana es fluida) hasta llegar a la región basolateral, y esto se logra gracias al sello de las uniones estrechas.

Microdominios de membranas. "Rafts lipídicos"

Hay movimientos que permiten una distribución particular de los lípidos.
Cuando los lípidos se pueden mover en el plano de la membrana gracias a que ésta es fluida, y se agrupan de esta manera: esfingomielina y colesterol; van a formar regiones en la membrana (regiones más anchas) y esa región de la membrana que está formada puramente por esfingomielina y colesterol, generan una zona bien rígida de la membrana, con mucho orden. A esta zona se la denomina raft lipídico. En esta zona de raft lipídico hay poco movimiento.
Esto es muy importante porque se pueden activar e inactivar proteínas. Hay proteínas que para ser activadas necesitan insertarse en un raft lipídico, y hay otro tipo de proteínas que cuando se insertan en un raft lipídico son inactivas.
Los rafts lipídicos son muy importantes en la señalización.

En la figura vemos un glucolípido y una proteína anclada por lípidos (azul). Para que todo eso se vuelva funcional tienen que estar las proteínas unidas entre sí y los glucolípidos unidos entre sí.
En el otro caso no es así, la proteína tiene que estar fuera del raft lipídico y el glucolípido queda dentro del raft lipídico, porque este lípido es un marcador del raft, es un glucoesfingolípido marcador de raft lipídico.
Si marcamos la proteína con un color rojo y al lípido con color verde, cuando se juntan se ven amarillo. Si la proteína está en el raft lipídico va a estar cerca del cromóforo verde, si la proteína no está en el raft lipídico lo verde y lo rojo no interactúan.

Asimetría de la membrana plasmática.

Flip-flop.

El flip-flop es un movimiento de lípidos, no de proteínas. No es un movimiento espontáneo, depende del tamaño, la polaridad y la carga del lípido.
Hay proteínas que se denominan flipasas.

El paso de la cabeza polar por el núcleo hidrófobo, es termodinámicamente desfavorable, entonces las flipasas ayudan a “esconder” esa cabeza polar y enmascararla de manera tal que pueda llegar al otro lado de la membrana.
La membrana del RE es una membrana simétrica, es decir que en un lado de la bicapa hay los mismos lípidos que del otro lado de la bicapa.
El RE es el lugar de síntesis de los fosfolípidos. Se van formando los lípidos y se insertan en ambos lados de la membrana. Entonces el RE es un gran equilibrador de lípidos. Esta bicapa es simétrica. Las flipasas transportan los lípidos desde una membrana hacia la otra. Algunas flipasas son dependientes de ATP y otras no.

La asimetría se genera en el aparato de Golgi.

El aparato de Golgi es el generador de la asimetría de lípidos. Depende también de flipasas dependientes de ATP, que se denominan aminofosfolípidos translocasas y son ATPasas de tipo P. Son proteínas que transportan lípidos de un lado a otro y son dependientes de ATP.

La asimetría se genera por la capacidad de insertar lípidos en un lado de la bicapa o retener lípidos en el otro lado.
Se genera en el aparato de Golgi y esta es la asimetría que luego se observa en la membrana plasmática.

El Golgi tiene una proteína, P4, que permite transportar la PE y PS desde la hemicapa luminal hacia la citosólica, pero la PC y la esfingomielina no pasan porque no hay una translocasa que permita hacer ese transporte.
Por esto, no sólo la membrana plasmática va a ser asimétrica sino también la membrana del Golgi.

¿Cómo surge la asimetría de lípidos en las membranas?
Se sintetizan los lípidos en el REL, en el REL no pasa nada, se van al aparato de Golgi. En el aparato de Golgi hay proteínas que son capaces de dejar la PE y PS de un lado de la membrana y tener a la PC y la esfingomielina del otro lado, entonces se genera una bicapa de lípidos asimétrica. También en el aparato de Golgi se favorece la producción de glucoesfingolípidos que van a estar insertos en la hemicapa exterior de la membrana.

Biosíntesis de lípidos.

Entonces en la membrana plasmática predominan hacia el lado externo PC, esfingomielina y los glucoesfingolípidos, y colesterol. El hecho de tener mayor concentración de colesterol y esfingolípidos en una hemicapa hace que ésta sea más rígida (menos fluida). Hacia el lado citosólico de la membrana plasmática hay PE, PI y PS; esto no implica que no tenga alguna PC y algún colesterol, debe tener, pero mayoritariamente están hacia afuera.

¿Cómo determinar la asimetría de una membrana?
Se estudiaron las membranas de los glóbulos rojos para determinar que las membranas eran asimétricas.
La membranas del glóbulo rojo es la única membrana que hay en toda la célula, no hay contaminación con otros tipos de membranas (no tienen organelas).
La membrana del glóbulo rojo tiene una hemicapa interna y otra externa.
Se pusieron a los glóbulos rojos en contacto con una enzima que se llama fosfolipasa, es una enzima que degrada fosfolípidos. Entonces, supongamos que el fosfolípido en la membrana externa es PC, hay una fosfolipasa, como por ejemplo, la fosfolipasa C, que corta entre el fosfato y el glicerol, y libera así la colina unida al fosfato. Si actúa la fosfolipasa D, directamente libera la colina. Entonces ponemos al glóbulo rojo en presencia de fosfolipasa C o D y va a dar un lípido degradado y la cabeza polar. Entonces después usamos alguna técnica analítica que permita saber qué cabeza polar se liberó por la acción de la fosfolipasa. Así, cuando pusieron la hemicapa externa en contacto con fosfolipasa C y D, daba mayoritariamente fosfodilcolina y colina, y también se veían restos de esfingomielina; no se veía PI. Pero cuando se hacía una cromatografía de toda la membrana se veía que había otros lípidos. Entonces lisaron al glóbulo rojo e hicieron lo que se llama vesículas invertidas, es decir, lo que está adentro queda del lado de afuera. Volvieron a hacer lo mismo, y encontraron que cuando ponían la fosfolipasa tenían etanolamina, serina e inositol. Entonces dijeron que el lado de afuera de la membrana estaba enriquecido en esfingomielina y PC, y el lado de adentro en PS, PI y PE.

Tener PE del lado de adentro es fundamental porque ayuda a la curvatura. PI y PS (y en menor medida PE) son necesarios para la señalización intracelular. Entonces éstos van a generar segundos mensajeros celulares, por eso se necesitan del lado de adentro.
Por otro lado, tener colesterol y esfingomielina del lado de externo da mayor rigidez a la bicapa y esto le otorga protección. Los restos glucídicos, básicamente son los receptores de señales: en algunos casos forman moléculas y en casi todos los casos son receptores de señales.

Movimiento de lípidos en la membrana plasmática. FRAP

La fluidez de las membranas favorece el movimiento de las moléculas en la membrana, lípidos y proteínas.

A 37°C la membrana plasmática es fluida, su viscosidad es aproximadamente la del aceite de oliva.
El fosfolípido puede girar sobre su eje, se puede desplazar, en una hemicapa de la membrana. Si la membrana se rigidiza no pueden ocurrir estos movimientos.
Esto es muy importante porque hay proteínas que se tienen que mover para poder cumplir su función, y si la membrana está rígida, esto no puede ocurrir.
Este tipo de movimiento se puede evaluar con una técnica que se denomina FRAP (Recuperación de la Fluorescencia luego de un Fotoblanqueado).
Supongamos que tenemos una membrana:

Lo que está en naranja pueden ser lípidos o proteínas. Los marcamos con un reactivo fluorescente, de manera tal que queda toda la superficie fluorescente. Se decolora una porción de la membrana con un rayo láser (el rayo láser destruye el cromóforo). Toda esa superficie ahora se ve, en un microscopio de fluorescencia, negra, no tiene color. Si los lípidos y las proteínas no se movieran, ese “agujero” permanecería constante. Si los lípidos se mueven, comienzan a difundir y el “agujero negro” comienza a llenarse de moléculas fluorescentes. De esta manera se pueden estudiar determinadas proteínas de las membranas y ver si las proteínas queda fija en un lugar o si se mueve. Esto da información, por ejemplo, donde se localiza una determinada proteína en la membrana, si la proteína puede o no difundir, si la proteína puede ir a otra membrana.

FRAP. Videos:

 

Lípidos en la membrana plasmática. Características de la membrana plasmática.

Estas son distintas formas de representar a los fosfolípidos. En esta imagen podemos ver el efecto de la presencia de insaturaciones (dobles enlaces). En general, hay insaturaciones en el ácido graso que está en posición 2 del glicerol. Estas insaturaciones son importantes para la fluidez. Pero además, las insaturaciones de todos los ácidos grasos que forman parte de los lípidos que forman parte de las membranas son cis; quiere decir que los hidrógenos de los carbonos que forman parte del doble enlace están orientados hacia el mismo lado de la molécula. Es muy importante la insaturación en cis, no hay ácidos grasos trans, porque no tendría ese quiebre la molécula, o sea, estaría derecha, y esto es perjudicial para la fluidez de las membranas.

Los fosfolípidos son los responsables de formar las bicapas.

Una suspensión de fosfolípidos en agua espontáneamente forman una bicapa. Si la bicapa es muy grande puede llegar a curvarse y a sellarse sobre si misma formando así un liposoma.

• ¿Todos los lípidos pueden formar bicapas? NO! Solo los fosfolípidos pueden formar bicapas.

• ¿Qué ocurre si coloco fosfolípidos en medio acuoso? Se forma espontáneamente una bicapa. No se forman micelas debido a la forma que tiene el fosfolípido.

La estructura de las membranas fosfolipídicas dependen de:

• La cabeza polar.

• La longitud del ácido graso.

• El número de cadenas que tiene el ácido graso.

Importante:
LOS FOSFOLÍPIDOS SON LOS DETERMINANTES DE LA MATRIZ ESTRUCTURAL DE TODAS LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS: FORMAN LA BICAPA FOSFOLIPÍDICA.


Es importante aclarar que la bicapa fosfolipídica no es lo mismo que bicapa lipídica. La bicapa fosfolipídica es la base estructural, en ella se insertan proteínas y colesterol.

La PC es el fosfolípido que tiene la cabeza polar más grande. Si pudiéramos ver las PCs veríamos cilindros, entonces son como latitas una sobre la otra. La PC es el fosfolípido mayoritario en todas las membranas biológicas, es el fosfolípido formador de bicapas por excelencia.
La PE tiene la forma de conito porque tiene una cabeza polar más chiquita, entonces, su forma en el espacio es forma de conito. La PC ayuda a curvar la membrana. En general, estas curvaturas ocurren del lado “de adentro”, es decir, del lado citosólico de la membrana y es por esto que encontramos mayor cantidad de PE de ese lado.

Cuando los fosfolípidos, por acción de fosfolipasas, pierden una cadena de ácido graso (esto se llama lisofosfolípido) pueden formar micelas. Los ácidos grasos también pueden formar micelas.

Otra propiedad de la bicapa que depende de los fosfolípidos es el espesor. No tiene el mismo espesor, y eso tiene una importancia funcional.
El colesterol es una molécula plana, muy hidrofóbica, entonces interactúa fuertemente con las colas de los fosfolípidos (PC) y ayuda a que se estiren. Entonces en la región donde hay colesterol la bicapa es capaz de ser 0,5 nm más gruesa. Lo mismo ocurre con los esfingolípidos. Los esfingolípidos tienen una cola, una cadena de ácido graso larga, y en general esa cola es un ácido graso de cadena más larga que los que suelen tener los fosfolípidos, por lo tanto, la molécula de esfingomielina es más larga que la PC, entonces donde hay esfingolípidos, la bicapa será más ancha. Si a esto le sumamos el efecto del colesterol, vemos que no influye, porque estos ácidos grasos que tiene la esfingomielina ya son ácidos grasos de cadena muy larga y saturados, y no se pueden estirar más. En este caso, el colesterol, lo que está tratando de estirar son los ácidos grasos que están insaturados, pero no se pueden estirar más. El colesterol, debido a la alta afinidad, porque las colas que forman parte de la esfingomielina son muy hidrófobas (tienen mucha afinidad por el colesterol), tiende a formar regiones dentro de la membrana que se encuentran enriquecidas en estas estructuras y que se denominan rafts lipídicos.

• ¿Todas las membranas celulares tienen los mismos lípidos? Sí, cambia la proporción. Los fosfolípidos mayoritarios son la PC.

• ¿Todos los lípidos integran la bicapa? Sí.

La estructura básica de todas las membranas es una bicapa fosfolipídica. Si queremos desarmar una membrana hay que apuntar a los fosfolípidos. Se puede sacar el colesterol a las células, pero no se desarma la bicapa; en cambio si disgregamos los fosfolípidos, se desarma la bicapa fosfolipídica.
En esta bicapa de fosfolípidos hay contenidas moléculas de colesterol y esfingolípidos. Los esfingolípidos que tienen una gran proyección de oligosacáridos solo se encuentran en la superficie de la hemicapa externa de la hemicapa externa de la membrana plasmática, y por eso los vamos a encontrar en la hemicapa correspondiente, que será la interna del aparato de Golgi, que es donde se forman.

ASIMETRÍA DE LA BICAPA: hay más proporción de PC en la cara exoplasmática que en la endoplasmática. En la cara endoplasmática hay mayor proporción de PE, PS y PI.

Dentro de la bicapa fosfolipídica hay colesterol y esfingolípidos. La composición lipídica determina la estructura y también influye en la fluidez que es sumamente importante.

Consistencia en gel: la membrana está ordenada, hay una fuerte interacción hidrofóbica en todas esas colas. Está empaquetada. Esta membrana es poco fluida. Si está empaquetada y las colas de los lípidos interactúan entre sí, esas colas apenas pueden moverse, es una membrana bastante rígida.

Existe otra forma de membrana donde las colas están desordenadas, esto da idea de mayor movilidad en ese núcleo hidrofóbico. Esto se puede conseguir con calor: si a la membrana con consistencia en gel le aplicamos calor, las colas empiezan a moverse, se desestabiliza la interacción hidrófoba y tenemos una membrana más fluida, lo que se denomina consistencia sol o líquida.
Una membrana con alta concentración de colesterol y ácidos grasos saturados es una membrana poco fluida, más empaquetada. En cambio, una membrana con alta concentración de ácidos grasos insaturados, ácidos grasos de cadena corta y baja concentración de colesterol es una membrana más fluida.

Como ejemplo de la importancia de la fluidez de la membrana plasmática, el siguiente paper muestra cómo la bacteria puede regular la fluidez de la membrana ante un cambio de temperatura. Para regular la fluidez de las membranas biológicas eucariontes, cuando la membrana se rigidiza por algún motivo, como puede ser patológico, se activan, por mecanismos genéticos complejos, el cambio en el modelado del fosfolípido: sales ácidos grasos y se insertan ácidos grasos insaturados y se trata la corrección de la rigidez de la membrana.
Descarga del paper: The Bacillus Subtilis desaturase: a model to understand phospholipid modification and temperature sensing.
Contraseña: propanona

Composición química de la membrana plasmática.

Fosfoglicéridos.

Conocidos como fosfolípidos, constituyen el 70% de los lípidos en una bicapa lipídica.

Estructura química: está formado por un glicerol que es un trialcohol. En este glicerol se encuentran esterificados en posición 1 y 2 del glicerol, ácidos grasos y en la posición 3 hay esterificado un fosfato. Este fosfato se esterifica a lo que se denomina el resto de la cabeza polar. Si esa cabeza polar es etanolamina, el fosfolípido será fosfatidiletanolamina (PE); si es una colina

(N(CH₃)₃)será fosfatidilcolina (PC); si es una serina (la serina es un aminoácido) será entonces fosfatidilserina (PS); y si se une a un azúcar como el inositol será entonces fosfatidilinositol (PI).

Entonces, básicamente, tenemos cuatro tipos de fosfolípidos que podemos encontrar en una membrana biológica eucarionte.
Dentro de los ácidos grasos podemos encontrar distintos tipos de ácidos grasos y distintos tipos de mezclas de ácidos grasos. Dentro de los ácidos grasos que se encuentran mayoritariamente en los fosfolípidos naturales (que se encuentran en membranas biológicas), tenemos ácidos grasos saturados: palmítico (16:0) y esteárico (18:0); e insaturados : oleico (18:1), linoleico (18:2) y el ácido araquinódico (20:4).

NOTA: Los ácidos grasos insaturados son muy importantes en los fosfolípidos.

El ácido araquinódico es muy importante porque además de formar parte de las membranas biológicas es precursor de hormonas lipídicas llamadas prostaglandinas.

A pH fisiológico (7,2-7,4), a los PE y PC se los considera fosfolípidos neutros porque no tienen carga (esto tiene importancia biológica). Mientras que los PS y PI a este pH se los considera acídicos: tienen una carga negativa.

Si cortamos la cadena, nos queda:

El C₁ con un ácido graso, el C₂ con otro ácido graso y el C₃ con un -OH libre; esa molécula es muy importante y es el diacilglicerol (DAG): es muy importante y muy dañina, por lo tanto, se forma, cumple su función y rápidamente debe ser reesterificada a un fosfolípido.

Esfingolípidos.

Constituyen el 10% de las membranas biológicas.

 

Tienen una estructura parecida a la de los fosfolípidos. Tienen un extremo hidrófilo y un extremo hidrófobo. Como podemos ver se parecen mucho en estructura a los fosfolípidos, pero la constitución es diferente. Están formados por una esfingomiosina, que es un aminoalcohol, a través del grupo amino se esterifica con un ácido graso de cadena larga y forma lo que se denomina ceramida, otro lípido muy importante porque la ceramida es una señal de apoptosis (muerte celular).

A través del -OH libre une un fosfato y a través de este fosfato puede unir 2 moléculas: una colina (la misma colina que forma la PC) para formar lo que se llama esfingomielina (SM); o puede unir una glucosa para formar, por ejemplo, un compuesto que se llama glucosilceramida (GlcCer), y esto es un glucoesfingolípido. Pero en lugar de la glucosa podría unirse a un oligosacárido (sacárido formado por 2, 3 ó 4 unidades de azúcar) y formar así un glicoesfingolípido más complejo.

Colesterol.

El colesterol es un lípido biológicamente importante que se encuentra contenido en la bicapa lipídica.
Se ubica en la bicapa, paralelo a los lípidos (esfingolípidos y fosfolípidos). Posee una parte hidrófoba y una parte hidrófila (-OH). Por lo tanto, el -OH (en violeta) estará orientado hacia las partes hidrofílicas de la bicapa y el resto se orienta hacia el núcleo hidrofóbico.
Las bacterias y las plantas no tienen colesterol, solo las células animales.

Estructura de las membranas biológicas.

La estructura básica de TODAS las membranas biológicas es la bicapa fosfolipídica. Esta bicapa se encuentra constituida por fosfolípidos y estos se mantienen unidos entre sí por efecto hidrófobo. Las membranas poseen un núcleo hidrófobo formado por las colas de los fosfolípidos, estas colas se mantienen unidas entre sí fuertemente por efectos hidrofóbicos: no hay uniones covalentes.
Entre las cabezas polares contiguas pueden establecerse interacciones del tipo electrostáticas o puentes de hidrógeno.
Las membranas biológicas poseen un núcleo hidrofóbico y una superficie hidrofílica que le permite estar en contacto con el medio acuoso, ya sea extracelular o intracelular y del interior de los compartimientos celulares que también son acuosos.

Todos los compartimientos celulares tienen un su estructura básica una bicapa lipídica asociada a proteínas. Esta membrana en forma de bicapa se encuentra presente en todos los compartimientos celulares.
Hay dos organelas en la célula que tienen doble sistema de membranas: el núcleo y la mitocondria.
La topología (o sea la características) que tenemos en la hemicapa externa de la membrana plasmática se corresponde con la hemicapa interna del Golgi y del RE.