Biomembranas
I. Funciones:
-Controlan el transporte de sustancias hacia el interior y exterior de la celula.(Permeabilidad Selectiva)
-Funcionan en "cell signaling".
-Sirven para dar forma y soporte a la celula.
-Crea compartamentos que diferencia lo intracelular o lo extracelular. (Membrana plasmatica, envoltura nuclear, membrana de mitocondrias)
-Almacen de energia y transduccion.(mitocondria)
-Andamio de actividades bioquimicas.
-Su composicion esta relacionada a diferentes estructuras y funciones, da lugar a diferentes biomembranas.

II. Historia
-Sandwich model por: Davson and Danielli.
-Modelo de mosaico fluido por: Singer y Nicholson.
- El mosaico fluido es la descripcion aceptada actualmente de las biomembranas. En 1972 Singer y Nicholson ponen final a las controversias de los otros modelos que asumian:
-Capa triple con lipidos en el centro y dos capas de proteinas a ambos lados. Algunas proteinas podian formar poros para explicar el paso de solutos polares a traves de la misma.
- El mosaico de la membrana se basa en consideracion termodinamica y funcional. Postula a las proteinas como los componentes activos de traduccion de senales y transporte, estas se encuentran localizadas por toda la superficie de la membrana.

Resumen historico
- (1890) Ernst Overton a traves de sus estudios de permeabilidad determinó que las membranas son mas permeables a solutos no polares.
- (1925) E. Gorter y F. Grendel extraeron lípidos de glóbulos rojos y dijeron que la membrana plasmática estaba formada por una bicapa de fosfolípidos. - Estos conocian el area de superficie de los globulos rojos y midieron el area que ocupaba la extraccion de fosfolipidos sobre una capa fina de agua. El resultado fue que el area lipidica medida fue el doble del area de superficie de los globulos rojos. Postulan de esta forma que la membrana consiste de una bicapa de lipidos.
- (1959) Robertson utilizando microscopía electrónica describe la estructura trilaminar de la membrana. Se asume que los dos carriles oscuros eran proteinas y el claro lipidos.
-(~1970) Modelo Mosaico Fluido Singer y Nicholson
- (1988) J. Deisenhofer, R. Huber y H. Michel ganaron un Premio Nobel por determinar la estructura tridimensional de bacteriorodopsina.

III. Composición
a. Lípidos
-Los lipidos anulares rodean a las proteinas y son muy importantes para su estructura.

Tipos y Clasificacion de Fosfolipidos
Características-Son anfipaticos, cabeza polar y dos cadenas de acidos grasos no polares.
-3% del genoma humano se dedica a la produccion de lipidos.
-Forma una bicapa espontaneamente debido al efecto hidrofobico.

Los fosfolipidos contienen acido fosforico, acido graso, base nitrogenada y alcohol y se subdividen en:
-Glicerofosfolipidos=contienen glicerol como alcohol, tambien llamadas fosfogliceridos.
-Sphingofosfolipidos=contienen spingosina como alcohol, tambien llamadas esfingomielinas.

-Glicolipidos:
*con una sola azucar se conoce como cerebrosido
*con un grupo de azucares se conoce como gangliosido

Efecto hidrofóbico:Describe el comportamiento de moléculas hidrofóbicas en presencia de agua.
Importante para entender el ensamblaje espontáneo de micelios, bicapas en soluciones compuestas de fosfolípidos en agua. (las bicapas se sellan formando esferas cerradas, formación de las primeras células!!!)

La doble capa de fosfolípidos se forma debido a la repulsión entre el agua y la cola de hidrocarburos en el fosfolípido. La cola de hidrocarburos no produce interacciones favorables con el agua, por lo que las moléculas de agua se arreglan en forma cristalina, creando una “caja” alrededor de la cola. Como esta estructura requiere que las moléculas de agua estén más ordenadas, esto aumenta la energía libre. Este efecto se disminuye si estas moléculas hidrofóbicas se agrupan juntas. El agua se organiza de una forma en la cual cubre lo menos posible las partes hidrofobicas de los lipidos un estado que es más energéticamente favorable.

El arreglo de la bicapa depende de la estructura del fosfolípido ( cono o cilindrico) el cual crea micelos (favorable formas cónicas) o liposomas. La capacidad de las membranas para ser planas u onduladas dependerá en parte de la composición de fosfolípidos.
Los liposomas tienen usos cosméticos y en la industria farmacéutica (cremas).
Fluidez:
- Son varios los factores que pueden afectar la fluidez de una membrana:
*La temperatura: Al aumentar la temperatura aumenta la fluidez o disminuye la viscosidad. Al disminuir la temperatura el efecto sera opuesto. (Fluidez y Viscosidad son inversamente proporcionales)
En temperaturas bajas, los hidrocarburos están bastante alineados, y la capa tiene una composición de gel. Al aumentar la temperatura, los hidrocarburos se mueven más, dándole fluidez a la capa. Existe una medida llamada Tm (melting temperature, temperatura de fusión) característica de cada membrana. Esta define la temperatura a la cual la bicapa pasa de su estado de gel al estado fluido.
*Los grados de insaturaciones: A mayor grado de insaturacion mayor fluidez y un menor grado de insaturacion significa menor fluidez. La profesora nos mostró varias gráficas. La primera mostraba la relación entre la fluidez de la membrana y el largo de la cadena de ácidos grasos. Mientras aumenta la cantidad de átomos de carbonos, disminuye la fluidez de la membrana. La cadena de carbonos es más larga y por lo tanto tiene más fuerzas van der waals y hay una mayor resistencia al movimiento lo que disminuye la fluidez de la membrana.
La segunda gráfica mostraba una relación directamente proporcional entre la cantidad de átomos de carbono y el Tm. Esto es debido a la misma razón de que mientras aumenta el largo de la cadena, aumentan las interacciones van der waals y más difícil es romper estos enlaces, por tanto mayor será Tm.
*Cantidad de atomos de carbono: A mayor número de carbonos mayor viscocidad y mayor Tm. La que posee el mayor numero de carbonos tiene mayores fuerzas intermoleculares vander-waals. Al tener menor cantidad de carbonos estas fuerzas disminuyen haciendo que sea mas fluido menor Tm. En la tercera gráfica se indicaba la relación inversamente proporcional entre Tm y el número de enlaces dobles. Mientras aumentan los enlaces dobles esto quiere decir que más insaturada es la cadena y por tanto más fluida. Al aumentar el número de enlaces dobles disminuye Tm ya que menos viscosa es la cadena y aumenta la fluidez de la membrana.

*En presencia de colesterol: Aqui depende al mismo tiempo de la temperatura. En presencia del colesterol y al aumentar la temperatura evita el aumento de fluidez, por lo que se dice que el colesterol actua como buffer. Mientras que si se disminuye la temperatura, cuando se esperaria que la membrana se volviera rigida, el colesterol actua como buffer y no permite que disminuya tanto la fluidez.

Difusión:
-"flip flops" no son comunes, ocurren principalmente catalizados por Flipasas.
-Coeficiente de Difusion Lateral en el plano bicapa es de 10¯ ⁷-10¯⁸ cm/seg. Esta medida depende de la composicion de la membrana.
-En la membranas naturales el coeficiente de difusion es cien veces menor. ¿Por qué?

Efectos de la composición de lípidos
-Ambos lados de la bicapa tienen diferente composicion de fosfolipidos (asimetría). Podría resultar en una membrana con distintos grados de flexibilidad.
-Las membranas pueden ser de distinto grosor dependiendo de su composicion. (Tipo de fosfolípido, presencia de colesterol)

Balsas lipídicas
-Las balsas de lípidos o “lipid rafts”, son regiones de la membrana que tienen una composición distinta de lípidos. En estas balsas se pueden encontrar receptores de señales por ejemplo.

Asimetría
- En el extracellular space encontramos: fosfaditilcolina (neutral) y spongiomyelin (neutral).
-En el lado del citosol encontramos: phosphatidyserine (carga negativa) y phosphatidylethanolamina (neutral).
-El phosphatidyserine es importante para cell signaling, al moverse al lado exterior de la celula manda una senal, la cual es recibida por los macrofagos y estos la fagocitan. Esto ocurre durante apoptosis.

Los fosfolípidos de la cara de la membrana que da al exterior nunca toca el citosol. En cambio, los fosfolípidos que quedan hacia el interior siempre quedan del lado del citosol
.
-Como componente de las membranas, el colesterol se asocia preferencialmente con algunos fosfolipidos especificos.
-El OH del colesterol interactua con la cabeza polar y el resto de esta interactua con la cola no polar.

b. Proteínas

-3 categorías principales: transmembranales (integrales) , periféricas y ancladas a lípidos.
-Para purificar estas proteínas es necesario poder aislarlas, y esto se logra con detergentes, mayormente no-iónicos, o cambiando el pH o concentración de sales. Las periferales son más fáciles de purificar manteniendo su estructura funcional que las integrales. El disolver la bicapa rompe las interacciones entre los lípidos y la proteína afectando su estructura y función.
-Periféricas
Ejemplos de proteínas periféricas se nombro el Citocromo C (asociada por interacciones electrostaticas), “Annexins” (asociada por Ca2+), y PKC (Protein Kinase C)
-Ancladas a los lípidos - proteinas adheridas a la membrana mediante acilacion, GPI
Ejemplo: complejo de proteínas G.
-Transmembranales
-Un ejemplos de proteínas transmembranales que no atraviesan por completo la bicapa nombramos la caveolina - se puede encontrar en las balsas lipidicas, cambia la estructura membranal formando una especie de "pouch".
Otros ejemplos de transmembranales:
*Barrel Protein- varios dominios hidrofobicos e hidrofilicos( varios pases en la membrana), abundantes en membranas bacteriales, mitocondrias y cloroplastos.
*Acuaporinas (PREMIO NOBEL)
*Bacteriorodopsina (fue la primera proteina purificada) (tiene 7 dominios transmembranales). Esta fue obtenida de una bacteria y atraviesa la membrana varias veces. Puede ser modificada en su estado natural. (PREMIO NOBEL)
Técnicas de estudio
--El uso de detergentes permite que los fosfolipidos y las proteinas se solubilizen, permitiendo un mejor estudio de la membrana.
Cristalizacion y difraccion por rayos x para poder determinar una estructura tridimensional o fabricar un modelo.
-Para poder estudiarlas las proteinas se expresan en dominios pequenos.
-Indice de hidropatia para proteinas transmembranales. En este podemos identificar los dominios transmembranales de una proteína. Según más positivo el valor en este índice, más hidrofóbico, y viceversa. Este modelo no funciona con las proteínas de barril porque tiene tantos segmentos, y los mismos son tan cortos que no se puede diferenciar el resultado. El dominio que atraviesa la membrana debe tener de 20-30 amino acidos. En el ejemplo que se presento en clase de un índice, aparentaban haber 5 dominios, pero el primer pico, que tenía las letras LSS es la secuencia inicial, por lo que no se cuenta como dominio.
-Para las integrales se aplica una tecnica conocida como Freeze Fracture o criofractura. Este proceso consiste en congelar la membrana para su estudio, con una navaja se separan las capas de lípidos y se observa utilizando el microscopio electrónico.
-Se pueden utilizar detergentes tanto ionicos como no ionicos.
-FRAP -(Fluorecent Recovery After Photobleaching). También hablamos del FRAP Esto es una técnica donde se tiñe con fluorescencia las proteínas, y luego con un laser se elimina la fluorescencia en una región ("bleaching o blanqueamiento), para medir la fluidez de la membrana, tomando el tiempo que se demora esa región en volver a tener fluorescencia, lo que sirve como indicador de fluidez.

c. Carbohidratos asociados