Table Of Content2008 MANUAL DE BIOLOGÍA CELULAR PARA LA CARRERA DE ENFERMERÍA.
Fidelina González Muñoz
Eugenio Arriagada Maldonado
Registro Propiedad Intelectual Nº 169.912
I.S.B.N. 978-956-8029-77-7
Primera Edición Marzo 2008
Impresión:
Talleres Dirección de Docencia
Edmundo Larenas 64-A
Barrio Universitario
Concepción
IMPRESO EN CHILE / PRINTED IN CHILE
Prólogo
Como resultado de una encuesta aplicada en dos años sucesivos, en
generaciones anteriores del curso de Biología Celular Básica (251.121) dictado a
los estudiantes de Biología Celular Básica de la Carrera de Enfermería de la
Universidad de Concepción, con el fin de averiguar posibles carencias que
hubieran en el curso con el objetivo de lograr un mejor rendimiento de los
estudiantes, surgió la idea de hacer un manual de apuntes para este ramo.
Este manual de apuntes es un material de apoyo para las clases
expositivas de dicha asignatura (con el apoyo de presentaciones digitales). Se ha
privilegiado el texto a la figura por razones de economía en número de páginas.
Los estudiantes acceder a las figuras pertinentes en las clases.
Se incluye además todos los cuestionarios que los estudiantes deben
desarrollar durante el curso sobre las materias de las clases expositivas. También
se incluyen los cuestionarios relativos a seminarios (sobre Virus y Cáncer),
películas y sesiones de laboratorio. Estas últimas actividades son
complementarias a las clases expositivas.
Este material impreso puede además ser utilizado por cualquier estudiante
del área biológica que requiera complementar información sobre biología celular
actualizada hasta el año 2005, en español.
1
2
CAPÍTULO I
MEMBRANAS BIOLÓGICAS
H. Eugenio Arriagada M.
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular.
Facultad de Ciencias Biológicas. Universidad de Concepción. Concepción. Chile.
Todas las células poseen al menos una membrana externa, la membrana
plasmática, que separa el citoplasma (parte de la célula que, en las células
eucariontes, se ubica fuera del núcleo) del medio extracelular. El citoplasma,
contiene un gran número de diferentes enzimas. Las células eucariontes tienen
además membranas internas que delimitan los diversos organelos y
compartimientos intracelulares. Cada tipo de organelo, posee un complemento
particular de proteínas, algunas inmersas en sus membranas, otras en su espacio
interior acuoso, o en el lumen. Estas proteínas permiten a cada organelo
desarrollar sus funciones características.
Las membranas biológicas pueden separar estos diferentes medios porque
ellas son generalmente impermeables a macromoléculas y selectivamente
permeables a solutos.
Al microscopio electrónico de transmisión (TEM), las membranas
biológicas presentan una apariencia trilaminar como una línea de ferrocarril
(Figura 1), con dos zonas electrodensas (oscuras) separadas por una zona central
menos densa (clara).
Figura 1. La apariencia trilaminar de la membrana plasmática. Micrografía de membrana de
eritrocito humano, teñida con tetraóxido de osmio, obtenida al TEM.
3
El espesor de la mayoría de las membranas de mamíferos es de 6-10 nm,
pero algunas de ellas son significativamente más delgadas. Las membranas
intracelulares son normalmente de menor espesor que las membranas
plasmáticas.
La base estructural del diseño particular de cada tipo celular en lo
referente a su forma y a la ubicación de sus organelos, descansa en su
citoesqueleto, una densa red compuesta de tres clases de proteínas fibrilares:
microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos, desplegada en todo el
citoplasma y que sustenta mecánicamente a las membranas celular y nuclear. Las
proteínas del citoesqueleto, están entre las proteínas más abundantes en una
célula eucarionte.
Las distintas membranas que tienen las células nucleadas animales son
especializadas debido a que poseen proteínas y lípidos específicos que les
permiten efectuar tareas únicas.
Diversidad funcional de las membranas.
Las membranas biológicas son más que un límite físico como se señaló
más arriba, son estructuras que tienen funciones complejas y diversas. La función
más general de las membranas es la de separación de distintos compartimientos
celulares o subcelulares. Esta compartimentación permite que procesos celulares
especializados tengan lugar sin interferencia externa y posibilita que las
actividades celulares se regulen en forma independiente.
Hay varias ventajas de la formación de compartimientos en el interior de la
célula. Cuando las moléculas de una reacción catalizadas por enzimas se
concentran en un espacio pequeño del volumen celular total los reactivos pueden
"encontrarse" con mayor facilidad, lo cual aumenta la velocidad de la reacción. Los
compartimientos separados por membranas también mantienen alejados de otras
estructuras, ciertos reactivos químicos que pueden afectar a las reacciones
químicas de manera adversa.
Los compartimientos también permiten el almacenamiento de energía
cuando se produce una diferencia en la concentración de una sustancia a
4
cualquier lado de la membrana que los separa; la energía puede así, convertirse a
otras formas de energía mientras las moléculas se mueven a través de las
membranas desde el lado de mayor concentración hacia el de menor
concentración. Este proceso de transducción de energía (cambio de una forma de
energía en otra), es el mecanismo básico que utiliza la célula para convertir y
almacenar energía. En el interior celular, las membranas mitocondriales sustentan
procesos de transducción de energía.
Las membranas celulares también desempeñan la importante función de
superficie de trabajo, así, algunas reacciones químicas son catalizadas por
enzimas ligadas a las membranas. Las membranas proporcionan un andamiaje
que permite organizar en la superficie celular a las enzimas que participan en
reacciones sucesivas, ordenando los reactantes para una interacción más
efectiva, pudiéndose generar más rápidamente algunas moléculas requeridas por
la célula.
Las membranas biológicas son estructuras muy dinámicas (flexibles)
permitiendo a los componentes celulares y subcelulares los cambios de forma que
acompañan al crecimiento celular y al movimiento (movimiento ameboideo).
Gracias a la fluidez de las membranas sus componentes lipídicos y proteicos son
capaces de moverse e interactuar.
Las membranas son autosellantes (por razones termodinámicas), lo que
permite entre otras cosas que dos membranas se fusionen como ocurre en el
fenómeno de la exocitosis.
En las membranas, hay proteínas integrales que atraviesan la bicapa
lipídica tales como: proteínas transportadoras o portadoras (“carriers”) que
translocan iones y solutos orgánicos a través de la membrana; receptores que se
combinan con moléculas específicas externas (ligandos o primeros mensajeros)
tales como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento, provocando
que la membrana genere una señal que puede estimular o inhibir una respuesta
celular (transducción de señales); moléculas de adhesión que hacen posible que
las células se reconozcan y se adhieran entre sí y con componentes de la matriz
extracelular.
5
En las superficies de la bicapa lipídica, se encuentran proteínas
periféricas. Algunas de estas proteínas participan en reacciones enzimáticas y en
vías de señalización intracelular. Otras forman un esqueleto sobre la superficie
citoplasmática que refuerza la frágil bicapa lipídica y la une a microfilamentos o a
filamentos intermedios del citoesqueleto.
La membrana plasmática funciona como una barrera de
semipermeabilidad entre la célula y el medio extracelular, es decir, restringe y
regula el paso de solutos hacia y desde el interior celular. Las membranas también
controlan el paso de sustancias hacia y desde los organelos celulares.
La membrana plasmática, se caracteriza también por presentar una
continuidad transitoria con el sistema endomembranoso a través de las vesículas
de exocitosis.
¿Cómo las membranas biológicas pueden realizar diferentes funciones?
Un enfoque experimental que se ha utilizado para responder la anterior
interrogante, ha sido determinar primero qué componentes químicos son comunes
y cuáles son únicos en las diferentes membranas biológicas.
Después, se han estudiado las propiedades químicas y fisicoquímicas de
los distintos componentes de las membranas biológicas y cómo estos
componentes se asocian e interaccionan entre ellos para formar estructuras
moleculares estables y dinámicas.
Finalmente, considerando los aspectos anteriores, se han elaborado
modelos de membranas biológicas que permitan explicar dicha diversidad
funcional.
Dichos modelos son muy importantes en el estudio de los organismos
biológicos. Un buen modelo incorpora lo que se conoce acerca de una entidad y
agrega la mejor aproximación acerca de aquellas partes que faltan y/o las formas
en que se interrelacionan. Los modelos, al igual que las hipótesis, pueden resultar
erróneos, pero ellos sirven como un valioso elemento si estimulan los
experimentos y la investigación necesaria para confirmar la evidencia. No
6
obstante, los modelos son hipotéticos y no deben ser considerados más allá de lo
que son. Así, a pesar de su gran utilidad, los modelos no pueden sustituir las
mediciones y los experimentos en un sistema real.
Constituyentes químicos principales de las Membranas Biológicas.
Para la determinación de los componentes químicos presentes en las
diferentes membranas biológicas fue necesario previamente contar con
preparaciones de membranas puras provenientes de diversas fuentes.
Las membranas bajo estudio fueron primero aisladas como una entidad
separada (deben retener alguna o la mayoría de las propiedades apreciadas en
observaciones morfológicas o estudios de permeabilidad en células intactas o en
organelos celulares) a partir de homogenizados de tejidos (hígado, riñón, etc.)
obtenidos por diferentes técnicas, mediante centrifugación diferencial y/o
centrifugación en gradiente de densidad y luego procesadas para su purificación.
Una preparación muy estudiada, ha sido la de membranas de glóbulos rojos
maduros de mamíferos (“fantasmas”). Posteriormente, se realizó el análisis
químico de los constituyentes de las membranas empleando entre otras técnicas,
las cromatográficas. Los resultados obtenidos, mostraron los diversos
componentes lipídicos, proteicos e hidratos de carbono existentes en aquellas.
Después de alcanzar el conocimiento de la composición química de las
membranas, se realizaron estudios físicoquímicos de los componentes puros, los
cuales han ido revelando la organización de las membranas y la forma cómo los
constituyentes de ellas interactúan mutuamente y cómo se afectan unos a otros.
Todas las membranas biológicas están compuestas principalmente de
lípidos y proteínas. Los componentes lipídicos no sólo afectan la forma celular sino
que desempeñan roles importantes como en el anclaje de proteínas a la
membrana, en la modificación de actividades de proteínas de membrana
(microambiente lipídico) y en la transducción de señales (fosfatidilinositol). La
función principal de cada membrana, está determinada esencialmente por el
complemento de proteínas que posee y por las proteínas adyacentes a aquella.
7
La mayoría de las membranas plasmáticas de mamíferos presentan
además carbohidratos (2-10% en peso). Con la excepción de las membranas del
aparato de Golgi, la mayoría de las membranas intracelulares tienen muy bajo
contenido de hidratos de carbono. Los carbohidratos no están en las membranas
animales como componentes individuales sino que en su mayoría unidos
covalentemente al OH de una serina o treonina (enlace O-glicosídico o unión O) o
al grupo amida de una asparagina (enlace N-glicosídico o unión N) pertenecientes
a proteínas de membrana a la forma de glicoproteínas y en menor proporción
también covalentemente unidos a lípidos de membrana, como glicolípidos.
La proporción entre lípidos y proteínas varía considerablemente
dependiendo del tipo de membrana, del organismo y del tipo celular (Tabla 1).
Tabla 1. Composición (% en peso) de membranas plasmáticas e intracelulares.
Membrana Proteína Lípido Carbohidrato
Mielina (SNC humano) 18 79 3
Eritrocito (humano) 49 43 8
Hígado (rata) 58 42 (5-10)
Mitocondria (cerdo)
Membrana interna 76 24 (1-2)
membrana externa 55 45
Microsomas (bovino)
RE rugoso 55 45
RE liso 47 53
B. subtilis 80 20
En la tabla anterior, se puede apreciar que en las membranas plasmáticas
de células animales la relación entre proteínas y lípidos es aproximadamente 1:1,
mientras que en las membranas internas el contenido de proteínas suele ser
mayor. Por otro lado, las membranas que forman la vaina de mielina, cuya función
principal es ser un aislante eléctrico, presenta alrededor de 80% de lípidos.
Estas diferencias señaladas y otras pueden ser correlacionadas con las
funciones básicas de estas membranas. La membrana interna de la mitocondria,
8
