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 muere.

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

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 unido al glicerol.

Estructura

§ Existen diferentes formas químicas como resultado de la variación en la naturaleza de los ácidos grasos y los radicales unidos al grupo fosfato.

enlace éster

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.

http://www.nature.com/horizon/livingfrontier/background/figs/membrane_f1.html

Estructura

A B

C D

A B

CCH3

CH3

CH3CH3

CH3CH3HO

A B

C D

HC

CH3

CH3

CH3CH3

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

Ergosterol

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

n  Azoles

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-

O-

C

COO

OO

R

R

O

H2C P

H2C

HC

O

O-

O-

O

OO

R

R

CH2

CH2

H

CH3

H2C C C CH2

Bicapa y monocapa lipídica en Arqueobacterias

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

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.

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.

http://www.nature.com/horizon/livingfrontier/background/figs/membrane_f2.html

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). § Sistemas regulatorios.

Barrera osmótica

§ Que mantiene constante el medio interno, impidiendo el paso libre de sales y de compuestos orgánicos polares.

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.

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.

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.

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 Simporte y Antiporte.

Transporte de solutos específicos

Tipo Moléculas transportadas Uniporte K+, lisina

Simporte de protones β-galactósido, Glutamato, HPO42-, HSO4

- 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:

§ Transporte simple

Transporte de solutos específicos § Transporte acoplado a translocación de grupos

Sistema de Fosfotransferasa

Descrito en bacterias Gram positivas y Gram negativas

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.

Nature Reviews Microbiology 6, 613-624 (August 2008)

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.

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 http://moose.bio.ucalgary.ca/index.php?page=CK_Projects

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 AUDITORIO A

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

origen proteico (por ejemplo productos de la fermentación).

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.

http://www.nature.com/nature/journal/v406/n6796/fig_tab/406575a0_F1.html

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.

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.

MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXVII (2003)

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.

Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)

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 analogous steps occurring at the prokaryotic plasma membrane.

Sec en diferentes organismos

Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)

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.

Sistema Tat

§ Peptido señal (SRRXFLK) en el extremo amino terminal. § Tat translocasa: Proteínas membranales (Tat A, Tat B y Tat C).

Biochemical Society Transactions, 2007 Volume 35, part 5

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

No

me

nc

latu

ra

de

am

ino

ác

ido

s

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

Modelo Tat

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

subunidad adicional

chaperonas

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 Membrana Interna.

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.

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.

TRENDS in Microbiology Vol.10 No.4 April 2002

Sistemas de secreción en bacterias

BMC Microbiology 2009, 9(Suppl 1):S2

Segregación de cromosomas (probablemente).

Transporte de electrones y respiración.

Quimiotaxis (movilidad per se y funciones sensoriales).

Nature Reviews Microbiology 4, 784-790 (October 2006)

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.

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. Moat, Microbial Physiology 2002

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