Membrana citoplasmática

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Texto completo

(1)

Membrana citoplasmática

§ Rodea completamente a la célula (8 nm de espesor), ya que

separa al citoplasma del medio ambiente.

§ Cuando es alterada la integridad de la membrana la célula

(2)

Membrana citoplasmática

§ Membrana de alta selectividad, facilita la concentración de

metabolitos específicos y la excreción de material de desecho.

http://www.123rf.com/photo_10014964_artistic-impression-of-a-plasma-membrane-of-a-human-cell-the-plasma-membrane-is-a-bilayer-composed-o.html

(3)

Estructura

§  Los fosfolípidos están

formados por ácidos grasos (hidrofóbicos) y glicerol (relativamente hidrofílico) unidos por un enlace éster y un grupo PO4- que se encuentra

(4)

Estructura

§ Existen diferentes formas

químicas como resultado de la variación en la

naturaleza de los ácidos grasos y los radicales

unidos al grupo fosfato.

(5)

Estructura

§ Bicapa de fosfolípidos estabilizada por puentes de hidrógeno e

interacciones hidrofóbicas. También los cationes Mg2+ y Ca2+ al

combinarse iónicamente con las cargas negativas de los fosfolípidos estabilizan la membrana.

(6)

Estructura

A B C D A B C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 HO A B C D HC CH3 CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 HC CH3 Estructura general

de los esteroles Colesterol Hopanoide

§  En células eucariontes se encuentran también los esteroles y el porcentaje varía

entre células. Estos esteroles dan rigidez y estabilizan la membrana. En bacterias, los Micoplasmas (bacterias sin pared celular) también contienen esteroles en su

membrana para dar estabilidad. En hongos, levaduras y Tripanosomas: Ergosterol.

§  En algunas bacterias anaerobias (crecen en ausencia de oxígeno) se encuentran

presentes moléculas similares a los esteroles. Los hopanoides tienen la misma función que los esteroles.

§  Los hopanoides se encuentran en las membranas de muchas bacterias y tienen un

papel similar a los esteroles en células eucarióticas. ciclopentanoperhidrofenantreno

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El ergosterol como blanco de antifúngicos

n 

Anfotericina B

http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2010/06/15/nuevos-antifungicos-i/

http://infungicas.blogspot.mx/2010/12/farmacos-para-tratamento-de-infeccoes.html

(8)

Estructura

§ En las arqueobacterias la unión del glicerol es por un enlace

éter. Los lípidos están formados por unidades repetidas de

isopreno con enlaces glicerol di-éter y glicerol tetra-éter, son las estructuras más comunes.

Enlace ester Enlace éter Isopreno

H2C P H2C HC O O-C C O O O O R R O H2C P H2C HC O O-O O O R R CH2 CH2 H CH3 H2C C C CH2

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Bicapa y monocapa lipídica en

Arqueobacterias

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Hipertermófilas

§ La estructura tetra-éter permite la formación de una

monocapa lipídica que es más resistente a descomponerse en fragmentos, se ha encontrado en arqueobacterias

hipertermófilas (bacterias que crecen en altas temperaturas).

Isoprenoide Fosfato Glicerol Citoplasma Proteína de membrana

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Proteínas de la

membrana

§ También las proteínas forman parte de la membrana

citoplasmática. Las proteínas integrales se encuentran embebidas en la membrana y las proteínas periféricas se

mantienen en la superficie de la membrana (por dentro o por fuera) unidas por lípidos. Todas estas tienen gran importancia y dan a la membrana propiedades funcionales.

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Proteínas de la membrana

§ La membrana no es

una estructura rígida, la presencia de fosfolípidos y proteínas le proporciona movilidad aunada a que en condiciones normales de crecimiento la membrana presenta un aspecto fluido, por lo que al conjunto se le ha llamado modelo del mosaico fluido.

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Funciones

§ Barrera osmótica

§ Transporte de solutos específicos (nutrientes y iones).

§ Ensamblaje y transporte de proteínas extracitoplasmáticas

(membrana periplásmica, membrana externa y extracelulares). Sistemas de secreción.

§ Síntesis de lípidos membranales (incluyendo lipopolisacáridos

en células Gram negativas).

§ Síntesis de mureína de pared celular.

§ Segregación de cromosomas (probablemente).

§ Transporte de electrones y respiración.

§ Quimiotaxis (movilidad “per se” y funciones sensoriales).

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Barrera osmótica

§ Que mantiene constante el

medio interno, impidiendo el paso libre de sales y de compuestos orgánicos polares.

(15)

Transporte de solutos específicos

1.  Transporte pasivo inespecífico (Difusión

simple). Consiste en la difusión pasiva de

ciertas sustancias para las que la

membrana es impermeable, debido a la diferencia de concentración (ΔC) a

ambos lados de dicha membrana (la sustancia tiene mayor concentración

fuera que dentro de la célula). Aparte de la diferencia de concentración, influyen:

El grado de permeabilidad (Constante P) de la membrana a la sustancia en cuestión y el área o superficie total (A) a través de la que se produce el transporte. La difusión simple se produce por el paso de estas sustancias deslizándose o intercalándose entre los fosfolípidos de la membrana citoplásmica.

(16)

Transporte de solutos específicos

2.  Transporte pasivo específico (Difusión facilitada). Permite el

paso de compuestos por difusión a través de una proteína integral de membrana (permeasa o facilitador), cuya

conformación determina un canal interior, y por el cual un sustrato específico puede alcanzar el interior, sin gasto de energía. Las proteínas transportadoras, que pueden ser de dos tipos:

§ Proteínas de canal. Poros que

permiten el paso en especial de iones inorgánicos (Na+, K+, Cl-, Ca2+), por lo que también se denominan canales iónicos, y se abren o se cierran en

respuesta a estímulos eléctricos o a moléculas transmisoras.

(17)

Transporte de solutos específicos

§ Proteínas transportadoras o permeasas. Permiten el paso de solutos

orgánicos mediante un cambio en la forma de la proteína transportadora. Como al ingresar la molécula, enseguida entra en el metabolismo y desaparece como tal, esto basta para mantener el gradiente de concentración que permite esta difusión, muestra propiedades similares a las de las reacciones enzimáticas. Están presentes generalmente en células eucariotas y en algunas procariotas para el transporte de glicerol y en Zymomonas existe un facilitador de membrana que transporta glucosa.

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Transporte de solutos específicos

3.  Transporte activo. Requiere un

aporte energético, ya que se lleva a cabo en contra del gradiente electroquímico. Siempre ocurre mediante proteínas transportadoras especiales acopladas a una fuente de energía, como la hidrólisis del ATP. Así bombean sustancias de un lugar a otro de la membrana. Estos sistemas son comunes en procariotas debido a que generalmente crecen en concentraciones bajas de nutrientes.

Generalmente las proteínas transportadoras son similares y

forman 12 α-helices. Existen tres clases de transportes: Uniporte

(19)

Transporte de solutos específicos

Tipo Moléculas transportadas

Uniporte K+, lisina

Simporte de protones β-galactósido, Glutamato, HPO42-, HSO 4

-Simporte de sodio Glutamato

Antiporte de sodio/protones Reciclaje de sodio

En la mayoría de los casos del transporte

activo, que supone un

trabajo osmótico, se realiza a expensas de un gradiente de H+,

por hidrólisis de ATP o por otro componente rico en energía:

(20)

Transporte de solutos específicos

§ Transporte acoplado a translocación de grupos

Sistema de Fosfotransferasa Descrito en bacterias Gram positivas y Gram negativas

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Funcionamiento del Sistema PTS

1. El azúcar se une al enzima EIIC

específico, pero éste por sí mismo no puede liberar al azúcar sin modificar en el interior celular.

2. La EI cataliza (en presencia de Mg2+) la transferencia del fosfato de alta energía del PEP a la HPr.

3. La HPr fosforilada (HPr-P) transfiere el fosfato al enzima IIA específico del azúcar [p. ej., la glucosa (EIIAGlc) o el

manitol (EIIAMan)].

4.  La EIIA-P rápidamente, y en presencia de Mg2+, transfiere el fosfato a la

enzima-IIB específica con la que se asocia (p. ej., EIIBGlc), que a su vez

fosforila el azúcar (en el caso de la glucosa convirtiéndola en glucosa-6-P): en este momento la EIIC pierde su afinidad por el azúcar modificado, que de esta forma entra en el citoplasma, preparado ya para actuar como sustrato de la primera reacción del catabolismo de este azúcar.

(22)

Transporte de solutos específicos

§ Transporte activo dirigido por ATP

Se denomina de

transportadores ABC o ATPasas de tráfico, y se conocen

muchos ejemplos en

eubacterias y arqueas. Se trata de un sistema de varios

componentes, en el que existen proteínas periplásmicas que

captan el sustrato con gran afinidad, y lo llevan hasta unas proteínas de membrana, las cuales acoplan el paso de dicho sustrato hasta el

citoplasma (sin alterarlo

químicamente) con la hidrólisis de ATP.

(23)

Transporte de solutos específicos

§ Porinas u otras proteínas de membrana

externa para lograr la difusión del sustrato desde el medio hasta el

espacio periplásmico, por ejemplo, en enterobacterias OmpF y OmpC (BtuB). § Proteína(s) solubles de espacio

periplásmico que se unen al sustrato con gran afinidad (BtuF).

§ Un heterodímero formado por dos

proteínas integrales de membrana por donde pasa el sustrato (BtuC).

§ Dos proteínas periféricas de membrana

citoplásmica, en el lado citoplásmico, que acopla la hidrólisis de ATP con el transporte unidireccional del sustrato a través de la membrana (BtuD).

Transporte de Vitamina B12 en Escherichia coli

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SEMINARIO

"Biofábricas microbianas: el impacto de

la biotecnología en la Química"

Maestra Ma. Elena Rodríguez Instituto de Biotecnología UNAM

VIERNES 14 DE FEBRERO 12 h

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Ensamblaje y transporte de

proteínas extracitoplasmáticas

§ Translocación. Transporte de proteínas intra o a través de la

membrana.

§ Exportación. Cuando la proteína es translocada al periplasma.

§ Secreción. Cuando la proteína es transportada al medio

extracelular, dentro de otra célula o a la superficie celular.

§ Excreción. Transporte extracelular de moléculas que nos son de

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Sistemas de secreción.

§ Sistema Sec (General Secretory Pathway “GSP”). Sistema de

translocación y exportación de proteínas no plegadas.

§ Sistema Tat (Twin arginine translocation). Sistema de

translocación y exportación de proteínas plegadas.

§ Translocasa YidC. Sistema de translocación de proteínas de

Membrana Interna.

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Sistema Sec

§ Péptido líder (secuencia líder o

secuencia señal).

§ Proteína chaperona (SecB)

§ Complejo de proteínas de unión

(SecYEG)

§ ATPasa citoplasmática (SecA)

§ SecYEG + Sec A= translocasa. Es la

responsable del movimiento de la proteína a través de la membrana citoplasmática.

§ El complejo SecYE forma un canal

conocido como translocón o canal conductor de proteínas (CCP).

§ SecG, estimula el transporte y

SecD, SecF y YajC son regulatorias. § Peptidasa del péptido señal

(SPaseI).

General Secretory Pathway (GSP). Sistema de

translocación y exportación de proteínas no plegadas.

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Mecanismo del sistema Sec

1 La proteína chaperona SecB se une a una preproteína

naciente en el citosol,

estabilizando su conformación no plegada.

2a El complejo SecB-preproteína es dirigido hacia la translocasa SecYEG unida a SecA 3a.

2b El complejo SecB-preproteína se asocia a la proteína SecA y se dirige a SecYEG en la MI 3b.

4 Se une la secuencia señal a SecA, lo cual estabiliza la

interacción SecB-SecA.

5 La preproteína se transfiere a SecA. La unión de ATP por SecA promueve el inicio de la translocación y la liberación de SecB del complejo ternario.

La hidrólisis del ATP permite el paso de la proteína a través del translocón.

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Translocación co-traduccional.

(SRP)

La translocación de proteínas es

mediada por una ribonucleoproteína (SRP), su receptor (FtsY) en la membrana y el complejo SecYEG. Requiere la hidrólisis de GTP en la SRP y FtsY para liberar la proteína naciente a través de SecYEG.

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Signal

Recognition

Particle (SRP)

Nature Reviews Molecular Cell Biology 3, 538-542 (July 2002)

The signal recognition particle (SRP) associates with the nascent chain as soon as the signal sequence emerges from the ribosome. The SRP–nascent-chain complex, which is still associated with the ribosome and messenger RNA, then binds to the SRP

receptor on the endoplasmic reticulum membrane and transfers the nascent chain and ribosome to the translocon or protein translocation channel. The translocon then directs the polypeptide across the membrane. Both the SRP and its receptor are

GTPases that bind both the nascent chain and each other in the GTP bound state (T); hydrolysis of GTP to GDP (D) dissociates the complex and allows them to recycle to another round of translocation. The SRP mechanism is highly conserved, with

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Sec en diferentes organismos

(33)

Sistema Tat

Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 350-356, 2001.

Twin arginine translocation (Tat). Sistema de translocación y exportación de proteínas plegadas. Se ha encontrado en: § La membrana citoplasmática en bacterias y arqueas.

§ Membranas tilacoides de los

cloroplastos en plantas.

§ Posiblemente en la membrana

interna de la mitocondria de las plantas.

(34)

Sistema Tat

§ Peptido señal (SRRXFLK) en el extremo amino terminal.

§ Tat translocasa: Proteínas membranales (Tat A, Tat B y Tat C).

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Aminoácido Código de tres letras Código de una letra

Alanina Ala A

Arginina Arg R

Asparagina Asn N

Ácido aspártico Asp D

Cisteína Cys C

Glutamina Gln Q

Ácido glutámico Glu E

Glicina Gly G Histidina His H Isoleucina Ile I Leucina Leu L Lisina Lys K Metionina Met M Fenilalanina Phe F Prolina Pro P Serina Ser S Treonina Thr T Triptófano Trp W Tirosina Tyr Y Valina Val V

N

o

me

ncl

a

tu

ra

d

e

a

mi

no

á

ci

d

o

s

(36)

Componentes

twin-arginine

translocase

(Tat)

TatA (verde) TatB (amarillo) TatC (púrpura) A) E. coli K-12 B) Bacillus subtilis C) Halobacterium sp. D) Tilacoides de maíz

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Modelo Tat

Annu. Rev. Microbiol. 2006. 60:373–95 cofactores

subunidad adicional

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Translocasa YidC

EMBO reports 4, 10, 939–943 (2003)

Las proteínas de membrana interna (IMP) pueden

translocarse a través de tres formas:

§ Ruta de YidC.

§ Ruta SRP-YidC.

§ Ruta SRP-Sec

translocón-YidC.

Translocación de proteínas de

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YidC insertasa dependiente e

independiente de Sec

Nature Reviews Microbiology 6, 234-244 (March 2008)

La insertasa YidC tienen la función de promover la inserción de proteínas de membrana en conjunción con la translocasa Sec (o Sec-SRP) o independiente de ella.

(40)

Secreción de proteínas

§ Enzimas hidrolíticas: proteasas, lipasas, nucleasas y carbohidrasas. § Enzimas no hidrolíticas: toxina del cólera y toxina diftérica. § Proteínas estructurales: pilina, de flagelo y proteínas de virulencia.

(41)

Sistemas de secreción en

bacterias

(42)

Segregación de cromosomas

(probablemente).

(43)

Transporte de electrones y

respiración.

(44)

Quimiotaxis

(movilidad

per se

y

funciones sensoriales).

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Sistema regulatorio de dos

componentes

§ Sistema que censa e

interpreta cambios en el medio extracelular.

§ Los estímulos

detectados por este sistema incluyen pH, osmolaridad, temperatura, repelentes o atrayentes, disminución de nutrientes, disponibilidad de nitrógeno y fósforo, etc.

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Modelo general del sistema de

dos componentes

El estímulo no entra a la célula, sino que es

detectada por un sensor a nivel de membrana, el

cual transduce el estímulo hacia una proteína

citoplásmica, reguladora de respuesta, la cual a su vez interacciona con

secuencias determinadas al comienzo del operón, para regularlo, generando así la respuesta

adaptativa

correspondiente a la señal ambiental.

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Las membranas de procariotes y eucariotes son muy similares en estructura y función, aunque presentan algunas diferencias:

Poseen carbohidratos receptores para el reconocimiento celular y sitios de unión a bacterias.

Contienen esteroles

Contienen hopanoides Efectúan endocitosis

Transportan sustancias por: Difusión simple Difusión facilitada Osmosis Transporte activo Translocación de grupos Eucariotes Procariotes Sí No Sí No (Excepto Micoplasmas y metanótrofas) No Sí Sí No Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí No Sí

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