La membrana plasmatica
Membrana.
Cap. 4 (Biologia celular y molecular, Karp)
Resumen de estudio. (colaboradores: Aquino J. Piña L. )
4.1 Introducción a la Membrana.
La aparición de la membrana plasmática fue un
importante paso crucial al origen de las primeras formas de vida, Sin ella, la
vida celular no fuera imposible.
Debemos saber que la membrana plasmática de la célula
es una estructura con altamente diferenciada, que rodea a las células, y define
su extensión celular por lo que mantiene las diferencias esenciales entre
contenido de esta y su entorno, aparte de función como un filtro en el cual
controla la entrada de nutrientes y salida de los productos residuales,
generando diversos cambios en la concentración de iones entre el exterior de la
célula, sin embargo esta actúa como sensor de señales externas permitiendo a la
célula cambiar su comportamiento en repuesta a los estímulos de su entorno.
4.2 Composición lipídica de las membranas:
Las membranas son ensambles de lípidos y proteínas en
las que los componentes se mantienen unidos en una lámina delgada mediante
enlaces no covalentes, el núcleo de la membrana consiste en una lámina de
lípidos dispuesta en una capa bimolecular. La bicapa lipídica sirve
principalmente como columna estructural de la membrana, y proporciona una
barrera que evita los movimientos aleatorios de los materiales solubles en agua
hacia dentro y fuera de la célula.
Las membranas contienen una gran diversidad de lípidos, todos ellos
anfipáticos; es decir, contienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas. Existen
tres tipos principales de lípidos de membrana: fosfoglicéridos, esfingolípidos
y colesterol.
FOSFOGLICÉRIDOS La mayoría de los lípidos de la membrana contienen un
grupo fosfato, que los convierte en fosfolípidos. Debido a que la mayor parte
de los fosfolípidos de membrana se basan en un esqueleto de glicerol, se
denominan fosfoglicéridos.
ESFINGOLÍPIDOS Una clase menos abundante de lípidos de membrana
llamados esfingolípidos se derivan de la esfingosina, un aminoalcohol que
contiene una larga cadena de hidrocarburos.
COLESTEROL Otro componente lipídico
de ciertas membranas es el esterol colesterol, que en ciertas células animales
puede constituir hasta 50% de las moléculas de lípidos en la membrana
plasmática.
4.3
Carbohidratos de membrana.
Las membranas
plasmáticas de las células eucariotas también contienen carbohidratos. En
dependencia de la especie y del tipo de célula, el contenido de carbohidratos
de la membrana plasmática oscila entre 2 y 10% en peso. Mas de 90% de los
carbohidratos de la membrana están unidos en forma covalente a las proteínas para
formar glucoproteínas, que son los moléculas que están compuestas por una
proteína unidos a uno, o varios glúcidos simples , y los otros carbohidratos
restantes está juntos covalentemente a los lípidos para crear glucolípidos que
son moléculas lipídicas que estructuradas en cadenas de polisacáridos, las
cuales quedan expuestas al espacio extracelular funcionando como receptores
dentro de la membrana promoviendo la curvatura la cual beneficia en la fusión
de la membrana. Todos los carbohidratos de la membrana plasmática miran hacia
afuera en el espacio extracelular.
El carbohidrato de
las glucoproteínas se encuentra presentes como oligosacáridos hidrofílicos
cortos ramificados, que poseen 15 azucares por cadenas, a diferencias de los
carbohidratos con alto peso molecular entres estos como el glucógeno, almidón,
celulosa, polímeros que aportan a la estructura de la membrana. Sim embargo, los oligosacáridos se pueden unir a varios aminoácidos
diferentes mediante dos tipos principales de enlaces Estas proyecciones de
carbohidratos realizan un papel importante en la mediación de las interacciones
de una célula con su entorno y en la clasificación de proteínas de membrana en
diferentes compartimientos celulares.
4.4 Proteínas de
membrana.
La
membrana puede tener cientos de proteínas diferentes. Expuestas al espacio
extracelular o expuestas al citosol. Dependiendo de su orientación, tendrán
propiedades diferentes.
Tres clases diferentes de
proteínas:
Proteínas integrales:
penetran en la bicapa lipídica, la traspasan totalmente y también son llamadas
proteínas transmembranales. Son anfipáticas, es decir, hidrofílica e
hidrofóbica. La hidrofóbica está orientada al interior. La mayoría de las
moléculas de lípidos forman interacciones con estas proteínas de una forma
pasiva y rápida (que recibe el nombre de interacción de Van der Waals). Sin
embargo, hay pruebas de que se forman interacciones funcionales importantes con
los lípidos aniónicos. Normalmente, el canal de estas proteínas solo se abre con
fosfolípidos específicos. Las proteínas integrales suelen ser parecidas a las
proteínas globulares. Aunque penetran la bicapa, estas pueden moverse
lateralmente dentro de la membrana.
Hay diferentes tipos:
-Receptoras:
unen sustancias específicas.
-Canales
o transportadores: que involucra el movimiento de iones y solutos a través de
la membrana.
-Agentes:
transfieren electrones durante la respiración y fotosíntesis.
Proteínas periféricas:
se colocan completamente afuera de la bicapa lipídica, ya sea en el lado
citoplasmático o extracelulares. Unidas de forma no covalente. Asociadas por
enlaces electrostáticos débiles. Las que se encuentran en la superficie
interna, forman una red fibrosa que actúa como un esqueleto de la membrana.
Funcionan como un soporte mecánico y como un ancla para proteínas integrales de
la membrana. También como enzimas y como factores que transmiten señales.
Proteínas ancladas a
lípidos: se encuentran fuera de la bicapa de
lípidos. Unidas de forma covalente a un lípido dentro de la bicapa. El lípido
puede ser fosfatidilinositol, un ácido graso, o un grupo prenilo (un
hidrocarburo de cadena larga).
-Proteínas
ancladas a GPI: son aquellas que tienen un enlace de tipo
glucosilfosfatidilinositol GPI. La deficiencia de la síntesis de GPI causa una
enfermedad rara llamada hemoglobinuria paroxística nocturna, en donde los glóbulos
rojos se descomponen antes de lo normal. Las proteínas que se deben de anclar
al glóbulo rojo lo protegen de sustancias, pero al no tener de qué sostenerse
ocurre esta enfermedad.
4.5 Estudio de la
estructura y propiedades de las proteínas integrales de membrana.
Detergente.
Las
proteínas integrales son difíciles de aislar en forma soluble, sin embargo,
para el estudio de su estructura se hace el uso de un detergente, con
propiedades semejantes a los fosfolípidos. Permitiendo así llevar a cabo
diversos análisis para determinar la composición de aminoácidos de la proteína,
la masa molecular y así sucesivamente.
Cristalografía de rayos
X.
El
estudio por medio del detergente para la estabilización de las proteínas
seguido de la cristalización es inestable. Sin embargo, no es imposible. Muchos
avances y estudios en microscopia criaron eléctrica han permitido el estudio de
la estructura de las proteínas.
Dominios transmembrana.
Podríamos
ver esta imagen y preguntarnos, ¿Cuáles segmentos de esta proteína están
realmente incrustados a la bicapa? Bueno, estos segmentos reciben el nombre de
dominios transmembrana; los cuales existen 20 aminoácidos que componen la única
hélice α de un monómero de glicoforina, todos menos tres tienen cadenas
laterales hidrofóbicas.
La
hélice es capaz de formar un enlace de hidrogeno con su grupo hidroxilo y con
un oxigeno dentro de la bicapa.
Incluso la hélice puede distorsionarse para
formar un enlace.
No
todas las proteínas integrales de membrana contienen hélices α transmembrana.
Ambiente acuoso.
Es
posible que se desee saber qué sitios dentro de estos dominios transmembrana
son accesibles para el ambiente acuoso, y cómo esto cambia a medida que la
proteína cumple su función.
Se
realizó un experimento, lactosa permeasa una proteína transportadora de azúcar
en células bacterianas. Se sustituyeron casi todos los aminoácidos individuales
por un residuo de cisteína. Luego se incubaron con un reactivo soluble en agua
(NEM) el cual le añadió un grupo alquilo a la cadena de cisteína. Se llevaron a
cabo en dos condiciones, una en presencia de azúcar y otra en ausencia. En la
ausencia de azúcar los residuos se alinearon en una cavidad hidrofílica, en
donde la permeasa se abrió hacia el citoplasma. Las esferas rojas son los
residuos que reaccionaron al NEM para que este sea transportado en ausencia de azúcar.
Y en la presencia de azúcar, las esferas doradas fueron aquellas más accesibles
al NEM (como pueden notar están más cerca del medio externo). Los autores
concluyeron que las esferas doradas se encuentran abiertas al medio externo.
Los resultados muestran que algunas partes son accesibles al medio acuoso.
4.6 Lípidos de membrana y
fluidez de la membrana.
Estado físico de los
lípidos.
El
estado físico del lípido de una membrana se describe por su fluidez (o
viscosidad). La fluidez y la viscosidad están inversamente relacionadas; la
fluidez es una medida de la facilidad de flujo, y la viscosidad es una medida
de la resistencia al flujo. Si la temperatura de la bicapa está relativamente
caliente, el lípido existe en un estado relativamente fluido. Se describen como
un cristal líquido bidimensional. Los fosfolípidos pueden rotar en su eje o
moverse lateralmente.
El
lípido se convierte de una fase cristalina líquida en un gel cristalino
congelado, y su movimiento muy restringido. La temperatura a la que se produce
este cambio se denomina temperatura de transición.
Factores que influyen en
la fluidez.
El
estado físico de la membrana también se ve afectado por el colesterol. No permiten la temperatura de transición y crea una
condición de fluidez intermedia.
Importancia de la
fluidez.
Por
ejemplo, un cultivo de células da respuesta al cambio de temperatura más bajo,
remodelando sus membranas haciendo a la célula más resistente al frio.
La remodelación se logra:
1) Desaturando
para formar dobles hélices. (enzima desaturasa)
2) Reorganizando
las cadenas para que tengan dos ácidos grasos insaturados. (enzima fosfolipasas
y aciltransferasa)
Balsas lipídicas.
Son
regiones de la membrana artificial que están enriquecidas con lípidos
particulares y colesterol. Por lo que estas partes son más rígidas que el resto
de la membrana.
A
pesar de esto, se cree que estas balsas lipídicas ayudan a una interacción de
proteínas de membrana con otras, transmitiendo señales.
Ciertas
proteínas tienden a concentrarse en las balsas lipídicas cuando se agregan a
las bicapas artificiales. Las proteínas ancladas al GPI muestran un apego a
estas regiones. Sin embargo, los intentos de demostrar la presencia de balsas
lipídicas en células vivas no han tenido éxito, lo que puede significar que no
existen, o son tan pequeñas (de 5 a 25 nm de diámetro) y de corta vida como
para ser detectables. A pesar de esto, se cree que estas balsas lipídicas
ayudan a una interacción de proteínas de membrana con otras, transmitiendo
señales.
4.7 Naturaleza dinámica
de la membrana plasmática.
Dentro
de todos los movimientos que puede realizar un fosfolípido. Para pasar al otro
lado de la membrana es el más restringido (rojo). Es desfavorable ya que tienen
que pasar por la lámina hidrofóbica. Sin embargo, existen enzimas que ayudan a
la realización de este movimiento, como las flipasas.
Difusión de las proteínas
de membrana tras la fusión celular.
La
fusión celular es una técnica mediante la cual dos tipos diferentes de células,
o células de dos especies diferentes, se pueden fusionar para producir una
célula con un citoplasma común y una sola membrana plasmática continua. Su
superficie exterior se vuelve pegajosa para que sus membranas puedan adherirse.
En la universidad de Hopkins en 1970, unos experimentos demostraron que las proteínas de la membrana podían moverse dentro de la membrana con la fusión celular.
Restricciones
sobre la proteína y la movilidad de los lípidos.
Una técnica llamada
recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueado (FRAP) permite seguir
los movimientos de las proteínas y de los fosfolípidos en la membrana. Una
proteína particular se puede marcar con un colorante fluorescente o también con
un anticuerpo fluorescente. Así se puede saber, la velocidad de difusión de las
moléculas móviles.
Mediante este proceso se llegó
a la conclusión de que:
1- Las
proteínas se mueven más lento en la membrana plasmática de una célula viva que
en una bicapa pura.
2- El
30 a 70% de las proteínas no tenían libre difusión.
Otra técnica llamada
rastreo de partículas individuales (SPT) en donde se utiliza la fluorescencia
en una sola molécula individual. Se llego a la conclusión de que:
1- Algunas
proteínas se mueven aleatoriamente a velocidades bajas.
2- Algunas
proteínas no se mueven y son consideradas inmovilizadas.
3- En
algunos casos se encuentra que una proteína no se mueve aleatoriamente, sino
hacia una dirección en específico.
Control de la movilidad
de la proteína de membrana.
Las
proteínas no son completamente libres. Están sujetas a influencias que afectan
a su movilidad y a la organización intramembranosa.
Influencias
que controlan la movilidad de la proteína:
-Algunas
membranas están llenas de proteínas, por lo que su movimiento se ve restringido
por una proteína vecina.
-Las
proteínas periféricas se encuentran jugando un papel como esqueleto en la
superficie del citoplasma, por lo que restringe la movilidad de la proteína
integral.
-Se
habla de que existen barreras elásticas que restringen la movilidad de las
proteínas.
Movilidad
de los lípidos de membrana.
En comparación con las
proteínas, los fosfolípidos son moléculas más pequeñas por lo que se podría
esperar que su movimiento sea más libre. Pero estudios demuestran que su
difusión está restringida.
1- Los
fosfolípidos presentan un comportamiento en el que se encuentran en un área
confinada y pasan a otra. Es decir, se difunden libremente antes de saltar un límite
y seguir un comportamiento diferente.
4.8 El glóbulo rojo: un ejemplo de
estructura de membrana plasmática.
La membrana plasmática separa
físicamente el entorno externo de las células del interno, pero esta no es su
única función. La estructura básica de la membrana plasmática es la misma que
la de las membranas internas de las células: es una bicapa de lípidos. Los
diversos tipos de proteínas dentro y sobre la bicapa, imparten funciones
específicas a cada membrana.
Estas células son económicas de
obtener y están disponibles en grandes cantidades a partir de la sangre
completa. Ya están presentes como células individuales y no necesitan
disociarse de un tejido complejo. Las células son simples en comparación con
otros tipos de células, y carecen de membranas nucleares y citoplásmicas que
inevitablemente contaminan las preparaciones de la membrana plasmática de otras
células. Además, pueden obtenerse membranas plasmáticas de eritrocito
purificadas, intactas tan solo con colocar las células en una solución salina
diluida (hipotónica). Las células responden a este choque osmótico absorbiendo
agua y expandiéndose, un fenómeno denominado hemólisis. A medida que aumenta el
área de superficie de cada célula, estas van perdiendo agua y contenido,
compuesto casi por completo de hemoglobina disuelta, fluye fuera de la célula y
deja una membrana plasmática “fantasma”
Una vez aisladas las membranas
plasmáticas de los eritrocitos, las proteínas se pueden solubilizar y separarse
unas de otras (fraccionarse), lo que proporciona una mejor idea de la
diversidad de proteínas dentro de la membrana. El fraccionamiento de las
proteínas de membrana se puede llevar a cabo mediante electroforesis en gel de
poliacrilamida (PAGE, polyacrylamide gel electrophoresis), en presencia del
detergente iónico dodecilsulfato de sodio (SDS, sodium dodecyl sulfate). La SDS
mantiene las proteínas integrales solubles, y además agrega un gran número de
cargas negativas a las proteínas con las que se asocia. Debido a que el número
de moléculas de SDS cargadas por unidad de peso de proteína tiende a ser
relativamente constante, las moléculas se separan unas de otras de acuerdo con
su peso molecular. Las proteínas más grandes se mueven más lentamente a través
del tamiz molecular del gel. Las principales proteínas de la membrana de
eritrocitos se separan por SDS-PAGE en aproximadamente una docena de bandas
llamativas. Entre las proteínas hay una variedad de enzimas (que incluyen
gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, una de las enzimas de la glucólisis),
proteínas de transporte (para iones y azúcares) y proteínas esqueléticas (p.
ej., la espectrina). Proteínas integrales de la membrana de eritrocitos) se
observa un modelo de membrana plasmática.
4.9 Movimiento de solutos a través de las membranas
celulares.
Debido a que los contenidos de una
célula están completamente rodeados por su membrana plasmática, toda la
comunicación entre la célula y el medio extracelular debe estar mediada por
esta estructura. La membrana plasmática es una barrera que retiene los
materiales disueltos de la célula para que no se filtren al medio ambiente; sin
embargo, debe permitir el intercambio de materiales necesarios dentro y fuera
de la célula. La bicapa de lípidos de la membrana es ideal para evitar la
pérdida de solutos cargados y polares de una célula. En consecuencia, se debe
hacer alguna provisión especial para permitir el movimiento de nutrientes,
iones, productos de desecho y otros compuestos, dentro y fuera de la célula.
Básicamente, existen dos medios para el movimiento de sustancias a través de
una membrana: pasivamente por difusión, o activamente por un proceso de
transporte acoplado a la energía. Ambos tipos de movimientos conducen al flujo
neto de un ion o compuesto en particular. El término flujo neto indica que el
movimiento de la sustancia hacia la célula (afluencia) y fuera de la célula
(eflujo) no está equilibrado, sino que uno excede al otro. Se conocen cuatro
procesos diferentes por los cuales las sustancias se mueven a través de las
membranas: difusión simple a través de la bicapa lipídica; difusión simple a
través de un canal acuoso revestido de proteína; difusión facilitada por un
transportador de proteínas, y el transporte activo, que requiere una “bomba” de
proteínas, impulsadas por energía, capaz de mover sustancias contra el
gradiente de concentración.
4.10 Difusión a través de la bicapa lipídica.
La composición
lipídica puede determinar el estado físico de la membrana, e influir en la
actividad de las proteínas de membrana particulares. Los lípidos de membrana
también proporcionan los precursores de mensajeros químicos altamente activos
que regulan la función celular.
Varios tipos de mediciones indican que las cadenas de acilo graso combinadas de
ambas cubiertas de la bicapa lipídica abarcan un ancho de aproximadamente 30 Å,
y que cada fila de grupos cabeza (con su corteza adyacente de moléculas de
agua) agrega otros 15 Å. Por tanto, toda la bicapa lipídica tiene un espesor de
solo 60 Å (6 nm).
Por razones termodinámicas, las cadenas
hidrocarbonadas de la bicapa lipídica nunca se exponen a la solución acuosa
circundante. En consecuencia, nunca se ha visto que las membranas tengan un
borde libre; ellos son siempre estructuras continuas e ininterrumpidas. Como
resultado, las membranas forman redes interconectadas extensas dentro de la
célula. Debido a la flexibilidad de la bicapa lipídica, las membranas son
deformables y su forma general puede cambiar, como ocurre durante la
locomoción, o la división celular.
Se cree que la bicapa lipídica facilita la fusión
regulada o la gemación de las membranas. Por ejemplo, los eventos de secreción,
en los cuales las vesículas citoplásmicas se fusionan con la membrana
plasmática, es evidente la importancia de la bicapa lipídica en el
mantenimiento de la composición interna adecuada de una célula, en la
separación de cargas eléctricas a través de la membrana plasmática, y en muchas
otras actividades celulares.
4.11 La difusión de iones a través de membranas.
La bicapa lipídica que constituye el núcleo de las
membranas biológicas es altamente impermeable a las sustancias cargadas,
incluidos los iones pequeños como Na+, K+, Ca2+ y Cl–. Sin embargo, el
movimiento rápido (conductancia) de estos iones a través de las membranas
realiza un papel crítico en muchas actividades celulares, que comprenden la
formación y propagación de un impulso nervioso, secreción de sustancias en el
espacio extracelular, contracción muscular, regulación del volumen celular, y
la apertura de los poros estomáticos en las hojas de las plantas.
En 1955, Alan Hodgkin y Richard Keynes de la
Universidad de Cambridge propusieron por primera vez que las membranas
celulares contienen canales iónicos; es decir, aberturas en la membrana que son
permeables a iones específicos. La prueba directa de la existencia de canales
iónicos surgió a través del trabajo de Bert Sakmann y Erwin Neher en el
Instituto Max-Planck en Alemania, a fines de la década de 1970 y principios de
la década de 1980, quienes desarrollaron técnicas para monitorear la corriente
iónica que pasa a través de un único canal de iones.
La mayoría de los canales de iones son altamente
selectivos, al permitir que solo un tipo particular de iones pase a través del
poro. Como ocurre con la fusión pasiva de otros tipos de solutos a través de
las membranas, la difusión de iones a través de un canal siempre es
descendente; es decir, desde un estado de energía superior a un estado de
energía inferior. La mayoría de los canales iónicos que se han identificado
pueden existir en una configuración abierta o cerrada; se dice que dichos
canales son de compuerta. La
apertura y el cierre de las compuertas
están sujetos a una regulación fisiológica compleja y se pueden inducir por una
variedad de factores, en dependencia del canal particular. Se distinguen tres
categorías principales de canales con compuerta:
1. Canales activados por voltaje, cuyo estado
conformacional depende de la diferencia en la carga iónica en ambos lados de la
membrana.
2. Canales activados por ligandos, cuyo estado
conformacional depende del enlace de una molécula específica (el ligando), que
normalmente no es el soluto que pasa a través del canal.
3. Canales de compuerta mecánica cuyo estado
conformacional depende de las fuerzas mecánicas (p. ej., tensión de
estiramiento) que se aplican a la membrana.
4.12 VÍAS
EXPERIMENTALES: El receptor acetilcolina.
El descubrimiento del receptor acetilcolina ilustra el
importante papel que las toxinas naturales, y organismos inusuales, pueden
desempeñar en la disección de un proceso bioquímico fundamental, con una
importancia central para la salud y la medicina.
El fisiólogo Claude Bernard descubrió que el curare paralizaba el músculo
esquelético sin interferir con la capacidad de los nervios para transmitir
impulsos a ese músculo, o la capacidad del músculo para contraerse con la
estimulación directa. Bernard concluyó que el curare de alguna manera actuaba
en la región de contacto entre el nervio y el músculo. Esta conclusión fue
confirmada y extendida por John Langley, un fisiólogo de la Universidad de
Cambridge. En 1906, Langley concluyó
que “el impulso nervioso no debe pasar de un nervio a
otro por una descarga eléctrica, sino por la secreción de una sustancia
especial en el extremo del nervio”. Langley propuso que este “transmisor
químico” era vinculante para una “sustancia receptiva” en la superficie de las
células musculares, el mismo sitio que une a la nicotina y al curare.
La propuesta de Langley de que el estímulo del nervio
al en 1921, en un ingenioso experimento del fisiólogo nacido en Austria Otto
Loewi, cuyo diseño le llegó a Loewi durante un sueño. La frecuencia cardiaca de
un vertebrado está regulada por la entrada de dos nervios opuestos
(antagonistas). Loewi aisló el corazón de una rana con ambos nervios intactos.
Cuando estimuló el nervio inhibidor (vago), se liberó un químico de la
preparación de corazón en una solución salina, que se dejó drenar en el medio
que bañaba un segundo corazón aislado. La frecuencia del segundo corazón se
redujo drásticamente, como si su propio nervio inhibitorio se hubiera activado.
Loewi llamó a la sustancia responsable de inhibir el corazón de la rana
“Vagusstoff”. En unos pocos años, Loewi había demostrado que las propiedades
químicas y fisiológicas del Vagusstoff eran idénticos a la acetilcolina, y
llegó a la conclusión de que la acetilcolina (ACh, acetylcholine) era la
sustancia liberada por las puntas de las células nerviosas que formaban el
nervio vago.
*El receptor se describe como nicotínico porque puede ser activado tanto por la
nicotina como por la acetilcolina. Esto contrasta con los receptores de
acetilcolina muscarínicos de las sinapsis nerviosas parasimpáticas, que pueden
ser activados por la muscarina, pero no por la nicotina; la atropina los
inhibe, no así el curare.
4.13 Difusión facilitada.
La difusión es un proceso espontáneo
en el que una sustancia se mueve desde una región de alta concentración a una
región de baja concentración, hasta que al final se elimina la diferencia de
concentración entre las dos regiones.
Las sustancias siempre se difunden a
través de una membrana desde una región de mayor concentración en un lado a una
región de menor concentración en el otro, pero no siempre se difunden a través
de la bicapa lipídica o a través de un canal. En muchos casos la sustancia
difusora se une primero selectivamente a una proteína que abarca toda la
membrana, llamada transportador facilitador, que facilita el proceso de
difusión. Se cree que la unión del soluto al transportador facilitador en un
lado de la membrana desencadena un cambio conformacional en la proteína,
exponiendo el soluto a la otra superficie de la membrana, desde donde puede
difundirse por su gradiente de concentración. Debido a que operan pasivamente,
es decir, sin estar acoplados a un sistema de liberación de energía, los
transportadores facilitadores pueden mediar el movimiento de los solutos
igualmente bien en ambas direcciones. La dirección del flujo neto depende de la
concentración relativa de la sustancia en ambos lados de la membrana.
La difusión facilitada: es similar
en muchos aspectos a una reacción catalizada por enzimas. Al igual que las
enzimas, los transportadores facilitadores son específicos para las moléculas
que transportan; por ejemplo, discriminando entre los estereoisómeros D y L. Además, tanto las enzimas como los transportadores
presentan una cinética tipo saturación. A diferencia de los canales iónicos,
que pueden transportar millones de iones por segundo, la mayoría de los
transportadores facilitadores pueden mover solo de cientos a miles de moléculas
de soluto por segundo a través de la membrana, por lo que una vez que la
concentración de iones es muy grande, la velocidad de transporte se nivela a
este máximo valor, y se dice que los transportadores están saturados. Otra
característica importante de los transportadores facilitadores es que, como las
enzimas y los canales iónicos, su actividad puede regularse. La difusión
facilitada es particularmente importante en la mediación de la entrada y salida
de solutos polares como azúcares y aminoácidos, que no penetran en la bicapa
lipídica.
4.14 Transporte
Activo.
El transporte
activo requiere de energía celular, debido a que las sustancias que se
trasmiten las células a través de la membrana lo hacen en contra de una
gradiente de concentración de sustancias, es decir que donde menor
concentración de sustancias hacia donde hay una mayor concentración de
sustancias. En la membrana plasmática hay proteínas que participan en el
trasporte activo llamadas proteínas bomba, como la bomba sodio-potasio, en la
cual interviene dos sustancias los cuales son iones de sodio de la célula y los
iones de potasio, los cuales se encuentran en el exterior, sin embargo el
transcurso que se realiza es que los iones de sodio se unen a la proteína
cambiando su forma, porque son expulsados debido a que se utilizó energía (ATP)
de la cuya proteína permite que entre los iones de potasio.
4.15 PERSPECTIVA HUMANA: Defectos en los canales iónicos
y transportadores como causa de enfermedades hereditarias.
Los
canales iónicos y los transportadores de enfermedades hereditarias crean
mutaciones son las que codifican las proteínas de sus canales iónicos. Estos
afectan mayormente el movimiento de los iones por las membranas plasmáticas de
las células excitable, que estos son los nervios, músculos y las células
sensoriales, esto causa que la célula no logre transmitir sus impulsos o
desarrollarlos. Actualmente la fibrosis quística es el trastorno del canal
iónico hereditario más estudiado ya que este es el más común, este ocurre por
un defecto en los canales iónicos de las células epiteliales.
Aproximadamente
2,500 niños es homocigoto recesivo lo que causa que nazcan con fibrosis
quística (CF, cystic fibrosis). La CF afecta al intestino, al páncreas, las
glándulas sudoríparas, el tracto reproductivo y respiratorio, estos son los más
afectados. Los pacientes de CF tienen síntomas como mucosidad espesa y
pegajosa, también pueden padecer de infecciones pulmonares crónicas e
inflamación que destruyen la función de los pulmones. Se han tratado de crear
fármacos para esta enfermedad, si han logrado conseguir resultados, pero
desafortunadamente este tu un efecto secundario en los pacientes de ensayos
clínicos, este causó niveles altos de potasio en la sangre.
4.16 Potenciales
de Membrana.
El potencial de membrana es la diferencia de
potencial a ambos lados de una membrana que separa dos soluciones de diferente
concentración de iones, como la membrana celular que separa el interior y el
exterior de una célula. Cuando se habla de potenciales de membrana, se debería
hablar del "potencial de difusión" o "potencial de unión
líquida".
Como resultado de la permeabilidad selectiva de
la membrana plasmática, la presencia de iones o moléculas con carga negativa
que no se difunden dentro de la célula y la acción de varias unidades de bomba
sodio-potasio; hay una distribución desigual de cargas a través de la membrana.
Como consecuencia, el interior de la célula tiene mayor cantidad de cargas
negativas en comparación con el exterior. Esta diferencia de carga da lugar a
una diferencia de potencial que se conoce como el potencial de membrana.
Por lo general en el interior
celular hay poco Na debido a la acción de la ATPasa Na-K y esto
hace que la carga de los aniones celulares fijos tenga que ser compensada de
alguna manera. El papel de equilibrador lo ejerce el K que es bombeado
activamente por la ATPasa Na-K hacia el interior celular, aunque también puede
desplazarse libremente gracias a los canales de fuga de K. El K se mantiene
prácticamente en un equilibrio en el que la fuerza eléctrica, ejercida por un
exceso de cargas negativas del interior de la célula, atrayendo el K hacia el
interior de la célula, equilibra la tendencia del K, a salir a favor de su
gradiente de concentración. El potencial de membrana es la manifestación de
esta fuerza eléctrica y se puede calcular su valor de equilibrio a partir del
valor del gradiente de concentración del K.
4.17 Propagación de los potenciales
de acción como impulso.
Este
proceso ocurre particularmente en un lugar de la célula nerviosa, donde la
despolarización experimental ha desencadenado un potencial de acción. Al
momento que es creado un potencial de acción se dispersa por toda la célula
como un impulso nervioso hasta las terminaciones nerviosas. Los impulsos
nerviosos se mueven en toda la membrana plasmática ya que su potencial de
acción tiene efecto en los lugares adyacentes. El potencial de acción viene
acompañado con despolarización, esto crea diferencias en la carga a lo largo de
su superficie interna y externa que posee la membrana plasmática. Esto hace que
los iones positivos se mueven a la despolarización en la superficie externa,
mientras que el flujo de corrientes hace que la membrana plasmática se
despolarice en la región delante del potencial de acción. Esto ocurre porque la
despolarización que acompaña al potencial de acción es demasiado grande
mientras que la membrana de la región adyacente es despolarizada sin ningún
problema en el nivel mayor que el valor umbral, esto causa que se abran los
canales de sodio en la región adyacente para crear otro potencial de acción.
Cuando esto ocurre se activa una sucesión de potenciales de acción pasa por
todas las neuronas sin tener la perdida mínima en su intensidad, así es que
logran llegar con la misma fortaleza que tenía en el punto de origen. Las neuronas tienen
impulsos que viajan en las neuronas, estos tienen la misma fortaleza, sin
importar que algunos sean más fuertes que otros.
El
axón que se encarga de arrancar el cuerpo de la célula, este tiene poca
resistencia al flujo local de la corriente cuando su diámetro es mayor, también
este puede activar sus regiones adyacentes en la membrana. La vaina de mielina
se encargó de cubrir el axón de los vertebrados para aumentar la velocidad de
conducción y para prevenir el paso de los iones a la membrana plasmática. La
mayoría de los canales iónicos de Na+ de la neurona mielinizada habitan en los
espacios que no están envueltos o nodos de Raniver en las células adyacentes de
Schwann adyacentes u oligodendrocitos que son los que forman la cubierta, como
consecuencia los nodos de Ranvier son exclusivamente los lugares donde se
generan los potenciales de acción. Un potencial de acción en un nodo
desencadena el potencial de acción del siguiente nodo y así sucesivamente. Esto
provoca que el nodo salte de un nodo a otro con su impulso sin que se tenga que
activar su membrana interna, esta propagación de impulso se conoce como
conducción saltatoria. Existe una enfermedad llamada esclerosis múltiple que se
basa en la perdida de la vaina mielina, esto ocurre aproximadamente en la edad
adulta, como consecuencia las personas comienzan a tener debilidad en sus
manos, dificultad para caminar y problemas con la visión.
4.18 Neurotransmisión: el salto de
la hendidura sináptica.
Las
neuronas se vinculan en las uniones especializadas de sus células, esta
vinculación es conocida como sinapsis. Las sinapsis revelan que dos células no
tienen contacto directo, están permanecen separadas aproximadamente de 20 a 50
nm. Es espacio de separación que tiene entre ellas es conocido como hendidura
sináptica. Una célula receptora o neurona es la que envía los impulsos hacia la
sinapsis, mejor conocida como células presinápticas, mientras que la célula
postsináptica son las que se encuentran en el lado receptor de la sinapsis,
estas también son conocidas como neuronas, músculo o glándula. Las sinapsis se
pueden encontrar en las ramas terminales del axón y en la célula del músculo
esquelético, esta sinapsis es conocida como uniones neuromusculares. Las ramas de
un axón aparentemente contienen una gran cantidad de vesículas sinápticas que
son las que se encargan del almacenamiento para transmisores químicos que
trabajan sobre las células postsinápticas. Los neurotransmisores mejores
estudiados actualmente son la acetilcolina y la noradrenalina que son los que
envían impulsos a los músculos esqueléticos y cardiacos del cuerpo.
Acción
de fármacos en las sinapsis
Los
fármacos en ocasiones influyen en la transmisión sináptica del impulso nervioso
evitando la síntesis, la liberación del neurotransmisor evita la destrucción
del neurotransmisor si se unen los neurotransmisores a los receptores. La
mayoría de los fármacos impiden que los transportadores despejen los
transmisores neuronales de la hendidura sináptica. Este utiliza antidepresivos
como Prozac y Zoloft, estas impiden la recaptación de varios trastornos del
estado de ánimo como la serotonina y los neurotransmisores. La marihuana tiene
una buena función en estos casos ya que su compuesto, el Δ9 -tetrahidrocannabinol
se enlaza con los receptores cannabinoides que se encuentran en las terminales
presinápticas de algunas neuronas, esto provoca reducción en la probabilidad
que las neuronas liberen el neurotransmisor.
Plasticidad
sináptica
Las
sinapsis son simples sitios de conexión que hay entra las neuronas adyacentes
que son claves en el enrutamiento que tienen los impulsos en el sistema
nervioso. El cerebro humano aproximadamente contiene cien mil millones de
sinapsis, su utilidad es de compuertas estacionadas que permiten que algunas
partes de la información pasen de una neurona a otra mientras se retienen otras
partes o las redirigen en diferente dirección. Aun así, estas pueden mostrar
plasticidad sináptica que es importante en la madurez de un niño cuando su
circuito neuronal del cerebro alcanza su configuración madura. Las neuronas de
hipocampo son sumamente importantes en el aprendizaje y en la memoria a corto plazo.
Cuando estas neuronas son estimuladas repetidamente en un corto periodo provoca
que la sinapsis que conectan las neuronas con sus vecinos se fortalece por el
proceso de potenciación a largo plazo (LTP, longterm potentiation).
REFERENCIAS
Edajube. (2020, December 10). Fármacos que afectan al sistema nervioso autónomo. Enfermería. https://enfermeria.top/apuntes/farmacologia/sistema-nervioso-autonomo/#:~:text=Los%20f%C3%A1rmacos%20pueden%20influir%20en
El potencial de membrana. (2018). El potencial de membrana. Khan Academy. https://es.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/the-membrane-potential
Iwasa, J., & James, G, P. (6 C.E., July). Karp Biologia Celular y Molecular (7 Edicion, Ed.) [Review of Karp Biologia Celular y Molecular].
Ralph, T., & Christine, E. (2009). Biología. La unidad y la diversidad de la vida (C. I. Licola, Ed.; Quím. Ma. Teresa Aguilar, Trans.; 12av Edition) [Review of Biología. La unidad y la diversidad de la vida]. (Original work published 2009)
Biologia General - Solomon.pdf. (n.d.). Google Docs. Retrieved February 6, 2022, from https://drive.google.com/file/d/14PAnOdS10cbptfl1agyOOGgdTqAB5xMQ/view
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