Temario: Organización molecular de la membrana. Modelo de membrana.

El modelo de mosaico fluido es un modelo de la estructura de la membrana plasmática propuesto en 1972 por S. J. Singer y Garth Nicolson gracias a los avances en microscopía electrónica, el estudio de interacciones hidrófilas, al estudio de enlaces no covalentes como puentes de hidrógeno y el desarrollo de técnicas como la criofractura y el contraste negativo.

En la membrana plasmática, los lípidos se disponen formando una bicapa. Las proteínas se intercalan en esa bicapa de lípidos dependiendo de las interacciones con las regiones de la zona lipídica. Existen dos tipos de proteínas según su disposición en la bicapa:

• Proteínas integrales. Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o a un glúcido de la membrana. El aislamiento de ella requiere la ruptura de la bicapa.
• Glucoproteínas. Se encuentran atravesando toda la capa de la membrana celular, su nombre es debido a que contiene glúcidos.
• Proteínas periféricas. A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa mediante soluciones salinas, sin provocar su ruptura. Aparecen en la membrana interna y carecen de proteínas transmembranas.

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Tema: Otras proteínas estructurales de la matriz extracelular

Existen otras proteínas que constituyen la matriz extracelular, entre las que se encuentran: la laminina,  la entactina y las metaloproteinasas.

La laminina tiene una estructura altamente conservada en diferentes especies como el hombre, ratón, Drosophila, sanguijuelas y estrellas de mar. Consiste de tres cadenas polipeptídicas: A, B1 y B2, unidas por enlaces disulfuro para formar una estructura en forma de cruz on terminaciones globulares.

La molécula de laminina está extensamente glicosilada y aproximadamente 15 a 30% de su peso consiste en carbohidratos. Se ha determinado que la laminina no glicosilada impide la extensión y crecimiento de neuritas. Por otro lado, también se ha señalado que la glicosilación está involucrada con la adhesión de células tumorales a laminina.

La laminina tiene una gran variedad de actividades biológicas que incluyen la promoción del crecimiento y extensión de neuritas, promoción de la unión celuilar, migración celular, polarización del epitelio renal durante el desarrollo, diferenciación de las células endoteliales en estructuras capilares e inhibición de metástasis tumorales. Tiene, además, un efecto inductivo en la expresión de genes específicos como el de la beta-caseína en el epitelio mamario.

La entactina es una glicoproteína sulfatada que forma un complejo muy estable con la laminina y se necesitan condiciones desnaturalizantes para disociar estos dos componentes en la membrana basal.

Se ha sugerido que el ensamblaje de las membranas basales ocurre de una manera ordenada, en el cual el complejo laminina-entactina se acopla para formar una estructura supramolecular que se une por puentes de entactina a una red de colágena tipo IV. En este proceso, intervienen varios tipos de interacciones mediadas por calcio.

Las metaloproteinasas de matriz son las principales enzimas responsables de la degradación de la matriz extracelular y desempeñan un papel central en diversos procesos fisiológicos como la morfogénesis, angiogénesis e inflamación.

Tema: Glicosaminoglicanos y proteoglicanos

Los proteoglicanos representan un conjunto peculiar y diverso de proteínas cuyo rasgo estructurak común es que todos ellos están conformados por una proteína central, generalmente rica en residuos de serina y treonina, a la cual se unen covalentemente un o múltiples cadenas lineales de carbohidratos conocidos como glicosaminoglicanos (GAG). Esta definición permite incluir dentro de esta familia a una variedad de moléculas con un amplio espectro de relación carga/masa y muy diferentes funciones. La heterogeneidad de este grupo de macromoléculas radica principalmente en la gran diversidad de las proteínas que forman su parte centrak, así como en los tipos, número y grado de sulfatación de las cadenas laterales de GAG que se unen a ella.

Por otra parte, las cadenas de glicosaminoglicanos, cuya presencia constituye el rasgo estructural común de estas moléculas, son polímeros lineales sin ramificaciones, que consisten generalmente en una estructura dimérica repetida. Uno de los dos azúcares de ete disacárido es siempre el ácido glucurónico o idurónico o la galactosa, el que se alterna con una hexosamina que puede ser la N-acetilglucosamina. Los GAG se unen a una serina de la proteína central por medio de un trisacárido formado por galactosil-galactosil-xilosa.

Por sus características estructurales, los GAG son muy aniónicos, y esto se debe principalemente a sus grupos sulfato y carboxilo. La relevancia de esta característica radica en que iones positivos, como el sodio, son atraídos por esta nube de cargas negativas, los que a su vez atraen grandes números de moléculas de agua hacia las cadenas de las GAG. Esto trae como consecuancia un atrapamiento de agua que es el principal responsable de la turgencia de los tejidos. 

Los GAG están representados por: a) la heparina, b) heparán-sulfato, c) condroitín.sulfato, d) dermatán-sulfato, e) keratán-sulfato y f) el ácido hialurónico.

Tema: Biosíntesis de colágena

Las proteínas colagénicas son el constituyente principal de las matrices extracelulares. Las colágenas son las proteínas más abundantes en los animales.

Las colágenas son una clase heterogénea de moléculas que forman arte de una superfamilia de genes altamente relacionados. Se definen como proteínas estructurales de la matriz, cuya secuencia se caracteriza por repeticiones de una unidad de tres aminoácidos Gly, X y Y. A la fecha, se han descrito 18 tipos genéticos de colágenas, todos los cuales tienen en común uno o más dominios con una estructura de triple hélice.

La triple hélice consiste en tres cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales tiene la forma de una hélice que gira a mano izquierda con alrededor de 3.3 residuos de aminoácidos por cada vuelta.

Desde la síntesis de la molécula de colágena hasta su depósito en el espacio extracelular, ocurren sucesos postraduccionales extraordinariamente complejos. Dentro de este marco, destaca la formación de hidroxiprolina, un proceso posribosomal que ocurre en aproximadamente la mitad de las prolinas. La enzima responsable de esta hidroxilación, hidroxilasa de prolina, requiere varios cofactores para su acción, entre otros el ácido ascórbico.

Tanto la lisina como la hidroxilisina participan en la formación de entrecruzamientos covalentes entre las cadenas y moléculas de colágena y sirven como sitios de unión para los carbohidratos. Cuando estos entrecruzamientos no ocurren apropiadamente, las fibras de colágena no tienen la fuerza mecánica necesaria para su función.

Las fibras de colágena de un mismo organismo están hechas de distintos tipos de moléculas de colágena y algunos tipos genéticos de esta proteína ni siquiera forman fibras.

Tema: Matriz extracelular de tejidos animales

El material que se encuentra fuera de las células, entre los límites epitelial y endotelial de los animales multicelulares, se conoce como matriz extracelular. Su presencia en los diferentes órganos es muy variable; así, en la piel, cartílago, tendón y hueso es un componente muy abundante, mientras que en el cerebro y médula espinal es muy escaso. La matriz también forma parte de una serie de pequeñas estructuras que incluyen a los ligamentos elásticos, la córnea, el revestimiento tranparente del globo ocular, diversas membranas como las que están en la base de los epitelios y endotelios, redes reticulares en los órganos, vasos sanguíneos y paredes intestinales, láminas asociadas con los músculos y los nervios, etc. Además, la matriz puede calcificarse, formando estructuras duras como el hueso o los dientes.

La matriz extracelular desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la integridad estructural de los organismos multicelulares, de la forma de su cuerpo y sus órganos.

este material estructural está lejos de ser una sustancia de soporte inerte como se pensaba en el pasado y, por el contrario, ahora se sabe que la matriz desempeña un papel activo y complejo en la regulación de procesos básicos de las células que tienen contacyo con ella.

La matriz extracelular ejerce una función moduladora del crecimiento, migración, proliferación y diferenciación celular, así como la apoptosis.

Muchas de estas actividades son reguladas por un conjunto de señales que se registran directamente a través de receptores a las moléculas de matriz tales como las integrinas.

La matriz extracelular está conformada por una gran variedad de moléculas, las cuales interactúan entre sí, generando una estructura tridimensional a la cual las células se adhieren ya sea por receptores específicos o ligandos. Las macromoléculas que contituyen la matriz extracelular incluyen, entre otras, a la familia de las colágenas, que son las responsables de la resistencia mecánica de los tejidos conjuntivos, la elastina que le confiere cualidades de flexibilidad y elasticidad, porteínas de adhesión como fibronectinas y lamininas y los proteoglicanos que son esenciales para la adhesividad.

Tema: Uniones comunicantes

Las uniones comunicantes se localizan en la misma región que los desmosomas y su principal función es el intercambio de moléculas entre células vecinas.

Este tipo de unión forma un poro por el cual logran pasar moléculas del citoplasma de una célula al citoplasma de otra sin pasar por el espacio extracelular. La componen un conexón por membrana por punto de anclaje, formadas a su vez por 6 conexinas que se unen dejando un poro central. Las uniones en hendididura de muchos tejidos pueden abrirse o cerrarse según necesidad en respuesta a señales extracelulares. Estas uniones son reguladas por factores como el pH, o la fosforilación de las conexinas, pudiendo la célula regular la permeabilidad de estas uniones. El espacio intracelular es de unos 2 a 4 nm.

Las conexinas, también llamadas proteínas de enlace gap, son una familia de proteínas estructurales transmembranales que se unen para formar enlaces gap en los vertebrados. Cada enlace gap se compone de 2 hemicanales, o conexonas, compuestos cada uno de ellos por 6 moléculas conexina. Los enlaces gap son esenciales para muchos procesos fisiológicos, como por ejemplo la despolarización coordinada del músculo cardíaco y el correcto desarrollo embrionario. Por esta razón, las mutaciones en los genes encargados de la codificación de la conexina pueden llevar a anormalidades en la función y el desarrollo del organismo.