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Apunte de Bioquímica: Estructura y propiedades de las membranas biológicas. Lípidos. Esteroles. Estructura bicapa. Características de la membrana. Aspectos termodinámicos. ATP sintasa.
BIOMEMBRANAS Y TRANSPORTE
Estructura y propiedades de las membranas biológicas.
Características.
- Permeabilidad selectiva: papel activo en la
diferenciación con el entorno permitiendo el paso de unas sustancias y rechazando otras.
- Acepción de energía en las células fotosintéticas.
- Reconocimiento celular (como en el caso antígeno
- anticuerpo).
Estructura.
- Bicapa lipídica: mosaico fluido. El interior
de la membrana es hidrofóbico gracias a las colas hidrocarbonadas.
- Hay proteínas dentro de la membrana o
asociadas a ellas que dan las funciones. Hay membranas con muy alta proporción de proteínas.
Lípidos.
Hay de tres clases, han de tener componentes
polares y apolares.
1.- Glicolípidos: tienen un grupo hidrato de
carbono, glucosa, galactosa, monosacáridos ...
2.- Fosfolípidos: derivado del glicerol con dos
cadenas hidrocarbonadas y un grupo fosfato con grupo polar,. En entorno acuoso es estable en estructura bicapa.
3.- Esfingolípidos: derivados del alcohol
esfingosina.
Esteroles.
Colesterol. Componente esencial, tiene un grupo
OH polar y anillos hidrofóbicos.
Estructura
bicapa.
Es estable porque las colas hidrofóbicas están
dentro interaccionando para huir del entorno acuoso. Si la membrana está ordenada y todas las colas interaccionando la
estructura es muy organizada y se llama estructura rígida. No es la idónea para las funciones biológicas porque debe
ser fluida. La estructura fluida se alcanza aumentando la temperatura. Hay una temperatura llamada de transición por
debajo de la cual la estructura es rígida y por encima fluida. Esta temperatura depende de las características de los
lípidos que la forman, cuanto más larga sea la cola más rígida será, influenciada por el número de insaturaciones
(mayor número más fluida). El colesterol es esencial para la fluidez porque se mete entre las colas y no deja que se
organicen bien.
Proteínas de membrana.
Caracterizan la funcionalidad de la membrana. Hay
2 grupos:
- Proteínas solubles: se extraen fácilmente.
están asociadas débilmente a proteínas globulares (hidrofílicas). algún residuo permite asociarse a la membrana.
Algunas se asocian más permanentemente uniéndose de forma covalente a algo hidrofóbico, las cadenas laterales de los
aminoácidos reaccionan con un ácido graso que se inserta dentro de la membrana.
- Proteínas muy poco solubles inmersas dentro de
la estructura de la membrana, hay que romper la membrana para extraerlas. La cadena polipeptídica les permite estar
dentro por medio de fragmentos de 20 ó 25 aminoácidos hidrofóbicos llamados transmembrana (estructura α hélice), la cantidad necesaria para atravesarla. Hay proteínas con 1 transmembrana y otras con 12. Si una proteína
atraviesa muchas veces la membrana crea un canal de residuos polares que permite la entrada de moléculas polares.
Características de la membrana.
- Todos los lípidos y las proteínas se mueven
dentro de la membrana (fluida). Movilidad lateral, indispensable para el funcionamiento, y transversal (más
dificultosa, lo que provoca asimetría).
- Hay hidratos de carbono que modifican las proteínas
o lípidos. Oligosacáridos o glucosa en general.
- La membrana delimita un espacio cerrado con
composición diferente. La parte intermedia es apolar, no permeable a iones (polares). Los apolares atraviesan la
membrana.
Permeabilidad selectiva:
sistema especial de transporte de moléculas polares e iones. Hay proteínas específicas transportadoras, algunas
polares. El agua es muy pequeña por lo que atraviesa las membranas sin dificultad.
- Las membranas son capaces de mantener
gradientes iónicos. Como no pasan libremente se puede establecer una diferencia de potencial a ambos lados de la
membrana.
Transporte a través de membrana.
Aspectos termodinámicos.
El transporte de moléculas cuya concentración
sea superior fuera hay que aportar energía,
δ G´>0.
Al revés es favorable y δ G´<0,se desprende energía que se acumula en forma de gradiente. Relacionado con la síntesis de ATP.
Si c2 es la concentración del
interior de la célula y c1 la del exterior,
ΔG´ = R.T.ln (c2/c1)
- Si la molécula transportada es neutra:
c2>c1 δ G>0
es desfavorable, se ha de aportar energía.
c2<c1 δ G<0
es favorable, se favorece la entrada y se desprende energía.
c2 =c1 δ G=0
está en equilibrio y no hay transporte.
.- Si la molécula transportada está cargada:
Además del gradiente de concentración se ha de
considerar el potencial eléctrico.δ G
depende de la carga y el potencial entre las partes:
ΔG = m.F.ΔΨ criterio de
signos: ΔΨ = int - ext
El transporte de moléculas cargadas con el
mismo signo que las de dentro es desfavorable y si son de signo contrario no.
Normalmente influyen gradiente de concentración
y potencial de membrana:
ΔG = m.F.ΔΨ + R.T.ln (c2/c1) = Δμ ion
δ G
es la diferencia de potencial (gradiente) electroquímico, informa sobre el trabajo para transportar un ion o la energía
que libera. Si Δμ<0
libera energía.
Normalmente se usa gradiente de protones para μ ion:
ΔμH+ = F.ΔΨ + 2.3.R.T.log ([H+]int/[H+]ext) y como -log [H+] = pH
ΔμH+ = F.ΔΨ + 2.3.R.T.Δp.H.(int - ext)
Mecanismos de transporte a través de
membrana.
- Transporte sin aporte de energía: transporte
pasivo, ocurre cuando es a favor de gradiente.
- Transporte aportando energía: transporte
activo
- Difusión simple: las sustancias hidrofóbicas
atraviesan libremente la membrana. Sólo pasivo. Moléculas solubles en la membrana y muy pequeñas como el agua, oxígeno
...
- Difusión facilitada: por proteínas
transportadoras. Activo. Es específico y se puede saturar, lo que depende de la cantidad de proteínas transportadoras.
Si se satura es facilitado.
Tipos
de transporte pasivo:
La proteína forma un canal polar que permite el
paso de iones. Pasivo cuando es a favor de gradiente. Hay 3 posibilidades:
- Canal con entorno polar que atraviesa la
membrana,
- Hay moléculas transportadoras llamadas ionóforas
que son solubles en la membrana. Como pasan libremente pueden unir un ion y soltarlo dentro cuando el gradiente aumenta.
- Hay proteínas integrales transportadoras que
al unir un ion cambia su conformación y lo libera al otro lado donde la concentración es más pequeña.
Tipos de transporte activo:
Sólo ocurre cuando hay transportadores. Requiere
energía porque es contra gradiente
- Transporte activo primario: a la vez que el transporte se da una reacción química que aporta la energía necesaria. Ejemplos:
a.- Bomba de Na+-K+: se
transportan Na+ y K+ al mismo tiempo que se hidroliza ATP.
b.- Acoplando transporte de H+ al
transporte electrónico en contra de gradiente. La energía necesaria viene de la reacción redox del transporte de
electrones.
Transporte
activo secundario: la fuente de energía necesaria para
el transporte proviene de otro sistema.
Estos dos tipos de transporte hacen referencia a
la dirección del transporte iónico, cotransporte si van en la misma dirección y antiporte si van en direcciones
contrarias. El aporte energético viene dado casi siempre por la hidrólisis del ATP, ya que es en contra de gradiente.
Un sistema enzimático en la membrana, la ATPasa, transportará Na+ y K+ a través de la
membrana,
La ATPasa
se encarga de mantener la diferencia de potencial. Saca 3 Na+ y mete 2 K+. Otro sistema aprovecha
la vuelta del Na+ a favor del gradiente creado por la ATPasa. Esta energía es aprovechada para el transporte
de glucosa en contra de gradiente.
Teoría quimiosmótica,
La síntesis de ATP desde la fosforilación
oxidativa siempre está asociada a una membrana que debe tener ATP sintasa y transporte de electrones. La fuente de
energía para la síntesis de ATP es un transporte de iones a favor de gradiente y la encargada será la ATP sintasa. El
gradiente será de H+. La cadena de transporte está acoplada al bombeo de H+. La ATP sintasa es
un sistema reversible, cuando hay gradiente de H+ sintetiza ATP y cuando no lo hay utiliza la hidrólisis del
ATP para crearlo.
Las membranas han de ser impermeables a los H+ para crear el gradiente, que se usa para otras cosas como cotransporte, producción de calor para aumentar la
temperatura, ...
ATP sintasa.
Sistema enzimático que sintetiza ATP por
fosforilación oxidativa. Asociado a la membrana. La energía necesaria la aporta el gradiente de protones creado por la
cadena de transporte electrónico, que está en la misma membrana. Cuando se transportan electrones se bombean protones
creando un potencial electroquímico. Sólo se sintetiza ATP cuando existe este gradiente (síntesis acoplada al
transporte de electrones). Los protones entran a favor de gradiente, pasan a través del complejo enzimático para
volver y la energía liberada es usada.
La ATP sintasa tiene tres componentes:
- F1: atraviesa la membrana creando un
canal para los protones. Está formada por 3 componentes: a, b y c. La que tiene mayor número de subunidades iguales en
c. Alguna de sus componentes sobresale un poco para enganchar F0.
- Porción catalítica donde se unen ADP + Pi ® ATP
- F0: está fuera de la membrana y es
hidrosoluble. Está en el lado de menos concentración de protones. Tiene 5 subunidades: α, β, γ, δ y ε .
Tiene 3 copias de α y β,y 1 de las otras. Sólo β tiene sitios activos para la síntesis de ATP (3). Los sitios interaccionan funcionando de manera alternada. Cada sitio
pasa `por 3 estados: unir, formar y soltar ATP. γ hace de puerta para los protones.
Es un sistema muy complejo formado por muchas
cadena polipeptídicas que puede funcionar de manera reversible. Al hidrolizar ATP se sacan protones en contra de
gradiente
La ATP sintasa está regulada estrictamente para
que no haga la función inversa, bombear protones hidrolizando ATP cuando la concentración de ATP es alta. En
mitocondrias y cloroplastos hay subunidades adicionales. La ATP sintasa de las mitocondrias tiene un componente llamado
OSDP (péptido que confiere sensibilidad a la oligomicina). La oligomicina es un antibiótico que inhibe la síntesis de
ATP.
Para la síntesis de ATP por fosforilación
oxidativa se han aprovechado mecanismos que la célula ya tenía que bombean protones hidrolizando ATP. Funcionando al
revés sintetiza ATP.
Estructura de los cofactores.
NAD: adenin nicotín dinucleótido. Puede transportar dos electrones a la vez con la nicotinamida y un H+.
capta iones hidruro formando NADH. Hay una forma fosforilada, NADP que tiene un P en el C2, no participa en
la cadena respiratoria, sólo en reacciones de biosíntesis. Los enzimas con NAD participan en la oxidación de grupos
OH formando grupos carbonilo. Siempre unido débilmente al enzima (coenzima).
FAD: flavin
adenín dinucleótido. Lleva los e- en el anillo de isolocsatina en el anillo de flavina. Transporta e- de 2 en 2 y 2 átomos de H+ (H2). El mononucleótido con el anillo de isolocsatina puede
funcionar como FMN (flavilmononucleótido). FAD y FMN se unen normalmente de forma covalente al enzima (grupos prostéticos).
Si el enzima forma doble enlace suele llevar FAD.
