Transcript Biología Molecular Sonia Leslie Fuentes Trejo RIA

Biología Molecular
Sonia Leslie Fuentes Trejo RIA
Membrana Plasmática
Estructura
• Membrana plasmática:
– Estructura semipermeable
– Barrera física entre los medios intra y extracelular
– Mantenimiento de condiciones físico - químicas
• Necesarias para reacciones metabólicas que se dan en el interior de los
orgánulos celulares.
– Responde al denominado modelo del mosaico fluido.
Bicapa Lipídica
•
•
Componente estructural básico de la membrana plasmática.
Doble capa de moléculas lipídicas:
– Fosfolípidos y colesterol.
Fosfolípidos
• Moléculas anfipáticas
– Zona hidrófila polar
• Las cabezas hidrófilas interaccionan entre sí y con las
moléculas de H20.
– Zona hidrofóbica apolar
• Las cadenas hidrófobas son repelidas por la fase acuosa y
se empaquetan hacia el interior de una bicapa.
Fosfolípidos
Propiedades
•
•
Autoensamblaje espontáneo de las
moléculas lipídicas
Autosellado de la bicapa
Propiedades
• Fluidez
– Moléculas lipídicas tienen la capacidad de
movimientos laterales de difusión dentro de cada
monocapa
• Composición lipídica se mantiene constante
• No se dan intercambio de fosfolípidos entre monocapas.
– Determina el funcionamiento de la membrana
• Cambios de temperatura en el medio influyen en ella:
–  temperatura,  fluidez = mayor viscosidad.
–  fluidez detiene procesos enzimáticos y de transporte.
Propiedades
•
Impermeabilidad frente a iones y
sustancias hidrosolubles
– Naturaleza anfipática de la bicapa
– Regulación del intercambio de sustancias
entre el citosol y el medio extracelular
Colesterol
• Se encuentran intercaladas entre los fosfolípidos
– Regulan la fluidez de la bicapa inmovilizando las colas
hidrofóbicas próximas a la regiones polares
Proteínas de membrana
• Determinan la función de la membrana.
– Propiedad de desplazarse lateralmente a través de
ella pero no de invertir su posición (asimetría
proteica)
Clasificación
•
En función de la asociación con lípidos
de la membrana se clasifican en:
– Proteínas integrales
•
Unidas fuertemente a los lípidos de membrana.
– Proteínas de transmembrana. Inmersas en la bicapa
– Proteínas periféricas. Exteriores a la bicapa, están
unidas mediantes en laces débiles a las cabezas
polares lipídicas o a otras proteínas de integrales
Glucocálix
• Superficie externa de la membrana
formada por la zona glucídica de
glucolípidos y glucoproteínas.
Funciones
• Protección contra daños químicos y/o
físicos.
• Interviene en fenómenos de
reconocimiento celular.
• Confiere viscosidad a la membrana.
• Interviene en la comunicación
intracelular.
Dominios de membrana
• Regiones de la
membrana plasmática
que poseen una
especialización funcional
concreta.
• Surgen por restricción de
movimientos de los
componentes de la
misma.
Funciones de la Membrana
Funciones
• Permeabilidad selectiva
• Participa en las interacciones célula célula y célula – matriz
• Elemento fundamental en la comunicación
celular
Permeabilidad selectiva
• La impermeabilidad de la membrana por su
naturaleza lipídica, no es absoluta, sino que
permite el intercambio de materia y energía con
el ambiente externo.
• Desarrollo de sistemas de transporte específicos
a través de proteínas
– Regulan el paso de sustancias hidrófilas, ionizadas o
de gran tamaño a través de estas membranas.
• Este transporte puede ser activo o pasivo.
Transporte pasivo
• No se requiere energía para que la
sustancia cruce la membrana plasmática.
– Las moléculas se mueven desde el lado con
mas concentración hasta el lado menos
concentrado.
• Dos tipos:
– Difusión simple
– Difusión facilitada.
Mecanismos de transporte pasivo
Difusión simple: Atraviesan la
membrana las moléculas no
polares (liposolubles) como los
gases y algunas hormonas
esteroideas y tiroideas.
También pueden pasar
pequeñas moléculas polares
como el agua o el etanol.
Difusión facilitada: se realiza mediante proteínas transportadoras y
proteínas canal. De esta forma las moléculas polares mas grandes
pueden atravesar la membrana.
Proteínas transportadoras
Son proteínas de transmembrana que se unen específicamente a la molécula
que trasportan. Esta unión provoca un cambio en la configuración de la
proteína, que hace que la molécula quede libre una vez transportada. La
proteína transportadora recupera su forma inicial para seguir actuando en
otros procesos.
Proteínas canal
Son proteínas de transmembrana que forman en su interior un canal acuoso,
que permite el paso de iones. Estos canales se abren según un tipo de señal
especifico. Dependiendo del tipo de señal encontramos:
- Canales iónicos dependientes del
ligando: El ligando se une a un
receptor en la zona externa de la
proteína canal de forma especifica,
provocando cambios en su
conformación que permiten la
apertura del canal, y por tanto la
difusión de iones.
- Canales iónicos dependientes del
voltaje: Se abren en respuesta a los
cambios de potencial de
membrana, como ocurre en las
neuronas, en donde la apertura y
cierre de los canales de Na+ y K+
permite la propagación del impulso
nervioso.
Proteína canal
Proteína transportadora
Transporte activo
En el transporte activo las moléculas atraviesan la membrana en contra de
su gradiente de concentración, por lo que consume energía obtenida del
ATP. Este proceso se realiza mediante proteínas transportadoras.
Ejemplos de sistemas de transporte activo son:
- Bomba de Na+/K+ : Consiste en un complejo
proteico de transmembrana que, mediante el gasto
de un ATP, expulsa de la célula 3 iones Na+ e
introduce dos iones K+ , con lo que contribuye a
controlar la presión osmótica y el potencial de
membrana.
- Sistemas de cotransporte: Las proteínas de
transmembrana transportan moléculas en contra de su
gradiente térmico. Para esto utilizan la energía
potencial almacenada en el gradiente iónico del Na+ ,
que se establece entre un lado y otro de la membrana
gracias a la bomba de Na+/K*.
Transporte de macromoléculas
El transporte de macromoléculas y partículas a través de la membrana puede
ser hacia el interior de la célula (endocitosis) y hacia el exterior (exocitosis).
Ambos procesos tienen lugar mediante la formación de vesículas, que son
pequeños sacos membranosos que se mueven de un sitio a otro por el
citoplasma y ponen en comunicación a unos sistemas de membranas con otros.
Endocitosis
Las sustancias que van a ser endocitadas son englobadas en
invaginaciones de membrana plasmática que acaban cerrándose y forman
vesículas intracelulares que contienen el material ingerido. Según el
tamaño de las partículas endocitadas podemos distinguir dos tipos de
endocitosis:
Fagocitosis: El material que se ingiere es muy grande. La célula extiende
unas prolongaciones de membrana llamadas pseudópodos, que rodean
progresivamente a la partícula hasta formar un fagosoma (vesícula de gran
tamaño). Estos materiales acaban digeridos por los lisosomas.
Fagosoma
Pseudópodos
Pinocitosis: El material ingerido es liquido o pequeñas partículas, y queda
englobado en vesículas que se forman a partir de depresiones de
membrana llamadas pozos recubiertos. Estas regiones se caracterizan por
la presencia de un armazón proteico formado por clatrina. A partir de ella
se están formando continuamente vesículas de pinocitosis.
- En los dos tipos de endocitosis participan proteínas especiales denominadas receptores de
endocitosis, que se acumulan en las regiones de las membranas que realizan estos procesos y
reconocen específicamente los materiales que van a ser ingeridos, uniéndose a ellos. De este
modo las células incorporan por endocitosis únicamente las sustancias que les interesan.
material
vesícula
Exocitosis
Proceso contrario a la endocitosis. Se secretan los materiales necesarios
para renovar la membrana plasmática y los componentes de la matriz
extracelular. También se vierten al exterior hormonas, neurotransmisores…
Endocitosis
Exocitosis
Uniones celulares
Las uniones celulares son regiones especializadas de la membrana
plasmática en las que se concentran proteínas de transmembrana
especiales, mediante las cuales se establecen conexiones entre dos
células o entre una célula y la matriz extracelular. Aparecen en todos los
tejidos pero son especialmente importantes en los epitelios.
Según su forma, las uniones celulares pueden ser:
Zónulas: Son uniones que rodean totalmente a célula
Máculas: Son uniones puntuales de forma redondeada
Según su función, las uniones celulares pueden ser:
Uniones ocluyentes, comunicantes o de anclaje.
Uniones ocluyentes:
son uniones que se dan
en las células que
separan medios de
composición muy
diferente. Cierran el
espacio intercelular
impidiendo el paso de
moléculas entre ellas.
Uniones de anclaje: son
uniones frecuentes en
tejidos sometidos a estrés
mecánico como la piel,
aumentan la resistencia de
las células frente a
tensiones mecánicas
fuertes que acabarían
rompiendo una sola célula.
Medio externo de
composición diferente
Medio interno
Células epiteliales
Uniones celulares
Tres tipos de uniones de anclaje:
Zonulas adherens: Que conectan los filamentos de actina del citoesqueleto
entre células vecinas.
Maculas adherens: Llamadas desmosomas. Anclan filamentos
intermedios del citoesqueleto de células adyacentes.
Hemidesmosomas: Anclan filamentos intermedios del citoesqueleto
de una célula a la matriz extracelular.
Uniones comunicantes: se denominan uniones gap. Son puntos de
comunicación directa entre los citoplasmas de dos células, a través de los
cuales intercambian iones y pequeñas moléculas.
Comunicación celular
Las células son capaces de responder a los estímulos externos. Esta
capacidad se denomina irritabilidad o excitabilidad. Estos estímulos se
transmiten mediante moléculas de señalización producidas por una
molécula señalizadora. Y son recogidos por receptores específicos en la
célula diana, la cual convierte la señal extracelular en una intercelular
mediante los sistemas de transducción de señales.
Moléculas de señalización
Según el tipo de comunicación
en el que participen se
clasifican en tres grupos:
hormonas (comunicación
endocrina) mediadores
químicos locales (comunicación
paracrina) y neurotransmisores
(comunicación sináptica).
Receptores
• Proteínas de transmembrana distribuidas por la
membrana.
• Tienen dos regiones funcionales distintas. Una
– Región extracelular: cerradura; reconociendo
específicamente la molécula señal determinada.
– Región citosólica: funciona de transmisor y es la
responsable de la transducción de la señal.
• Los receptores se encuentran en un estado
inactivo hasta que llega la molécula de
señalización correspondiente.
Sistemas de transducción de señales
•
Transformar las señales extracelulares en señales intracelulares.
•
Primero una molécula señal llega a la célula diana y activa un receptor
que transforma esta señal extracelular en una intracelular, llamada
segundo mensajero.
– El Ion Ca+2 y el AMPc son los mas usados.
•
Este segundo mensajero generado en gran cantidad se introduce
hacia el interior celular y actúa sobre enzimas o factores
intracelulares, que a su vez actúan sobre otros, iniciando una cadena
de acontecimientos que transmiten la señal al interior celular.
•
Finalmente estos factores actúan sobre las proteínas diana que serán
las responsables de la respuesta de la célula.
•
Una vez producida la respuesta la célula se encarga de degradar o
aislar el primer y segundo mensajero, volviendo a la normalidad.
Segundo
mensajero
Activación del enzima que
sintetiza el segundo
mensajero
MITOCONDRIA
Síntesis de ATP en la mitocondria
1.
El gradiente de protones se produce como resultado de la
entrada de NADH (producido en las reacciones de oxidoreducción ) a la cadena transportadora de electrones . Los
protones se acumulan en el espacio intermembrana hasta un
gradiente de concentración tal que pueden ser utilizados para
producir ATP.
Cadena de transporte de electrones
1.
Los Protones (indicados por +) entran nuevamente en la matriz
mitocondrial a través de los canales que forma el complejo
enzimático de la ATP sintetasa. Esta entrada se acopla a la
síntesis de ATP a partir de ADP y Fosfato (Pi)
Cadena de transporte de electrones
1. Se observa como los iones H+ se acumulan en el compartimiento
mitocondrial externo (espacio intermembrana). Se esquematiza lo que le
sucede el hidrógeno cedido por el NADH a la cadena de transporte: los
electrones son transferidos a lo largo de las proteinas de la cadena, y el
protón al espacio intermembrana,donde genera un gradiente. Los protones
re-entran pasando por el complejo ATP-sintetasas, generando ATP.
2. Puntos claves:
1. Los protones son transferidos a través de la membrana, desde la matriz al
espacio intermembrana, como resultado del transporte de electrones que se
originan cuando el NADH cede un hidrogeno. La continuada producción de esos
protones crea un gradiente de protones.
2. La ATP sintetasa es un gran complejo proteico con canales para protones que
permiten la re-entrada de los mismos.
3. La síntesis de ATPse produce como resultado de la corriente de protones
fluyendo a través de la membrana:
ADP + Pi ---> ATP
1.
2.
3.
4.
Los protones son translocados a traves de la membrana, desde la matriz hasta el espacio
intermembrana.
Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, por medio de una serie de
proteinas transportadoras. ("carriers").
El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones
H+para producir agua
A medida que el NADH proporciona mas H+ y electrones a la Cadena Transportadora de
electrones, se incrementa el gradiente de protones, con los H+ que se mantienen
externamente a la membrana interna de la mitocondria, y los OH- dentro.
Teoría Molecular del efecto de
los anestésicos
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
• “El efecto es consecuencia de la
acción”.
• “Una acción puede dar múltiples
efectos”.
• “Una droga puede tener múltiples
acciones”.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
• Mecanismo de acción.
– Proceso íntimo celular que explica la acción del
medicamento.
– Cualquier acción metabólica o fisiológica lo ocasiona.
• Selectividad.
– Mayor respuesta o afinidad de una droga por
determinada célula o tejido donde se produce un
efecto mayor.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
Factores que modifican la acción farmacológica de las drogas.
– Factores intrínsecos del medicamento.
• Comprenden todas las características físicas y químicas que el medicamento debe de
poseer en base al principio activo en lugar y concentración adecuada para su
absorción.
– Factores intrínsecos (fisiológicos) del paciente.
•
•
•
•
•
Edad
Peso
Sexo
Embarazo
Biorritmo
– Factores farmacológicos.
• Dosis
• Absorción y excreción de las drogas
• Tolerancia
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
• Mecanismos de acción de los fármacos.
– El mecanismo de acción de un fármaco
puede considerarse a los cuatro niveles
diferentes siguientes:
•
•
•
•
Sistemas corporales.
Componentes tisulares.
Células constituyentes.
Moléculas.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
Dianas moleculares de los fármacos.
–
–
Interacción fármaco – diana molecular
Diana = componente macromolecular
•
•
–
Dianas moleculares de los fármacos:
•
•
•
•
•
•
–
Componente lipídico o proteoliídico de la membrana celular
Ácidos nucleicos
Receptores.
Enzimas.
Moléculas portadoras (cotransportadores o antitransportadores).
Canales iónicos (accionados por ligando o accionados por voltaje).
Dianas peculiares (iones metálicos, proteínas del surfactante, contenidos gastrointestinales).
Ácidos nucleicos.
Tres conceptos fundamentales:
•
•
•
Afinidad es la tendencia a unirse a receptores.
Eficacia es la relación entre la ocupación de receptores y la capacidad para iniciar una respuesta en
los niveles molecular, tisular y sistémico.
Actividad intrínseca es la capacidad de un sólo complejo fármaco - receptor para evocar una
respuesta.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
Agonismo.
–
•
Agonismo parcial.
–
•
Se produce cuando un fármaco interacciona con un receptor para inhibir la acción de un agonista. La
actividad intrínseca molecular es 0.
Agonismo inverso.
–
•
Tiene lugar cuando un fármaco interacciona con un receptor y produce en promedio una respuesta
molecular menor que 1. La actividad intrínseca molecular media está comprendida entre 0 y1.
Antagonismo.
–
•
Es la producción de una respuesta molecular y celular a una interacción entre un fármaco (agonista) y un
receptor que activa al receptor. La actividad intrínseca de un agonista completo se define como igual a 1.
Tiene lugar cuando un fármaco interacciona con un receptor para reducir su nivel de reposo de actividad
molecular. La actividad intrínseca molecular es igual a -1.
Agonismo inverso parcial.
–
Tiene lugar cuando un fármaco interacciona con un receptor para reducir su nivel de reposo de actividad
molecular. La actividad intrínseca molecular está comprendida entre 0 y -1.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
• Canales iónicos accionados por voltaje y por receptor.
• Los canales iónicos desempeñan un importante papel como dianas
moleculares de los fármacos (y en muchos casos, como
componentes de transducción). Los canales iónicos son proteínas
que se extienden a través de la membrana (proteínas
“transmembrana”, según el uso) y permiten el paso selectivo de
iones específicos cuando el canal se abre. El paso de iones tiene
lugar cuando la estructura molecular del canal lo permite. La
estructura molecular define por tanto el estado de éste que puede
ser:
– Canal en reposo (es decir, cerrado, pero susceptible de abrirse en
respuesta a un estímulo).
– Estado activado (abierto).
– Estado inactivado (es decir, cerrado, pero no susceptible de abrirse en
respuesta a un estímulo).
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
•
Interacciones farmacológicas con canales de Na+.
Los canales de sodio de neuronas, músculo cardíaco y músculo esquelético difieren
ligeramente en estructura y composición de proteínas. Los fármacos que dificultan la
apertura del canal de sodio durante la despolarización de la membrana suelen
denominarse bloqueantes de canales de Na+ y, en cierta medida, discriminan entre
los diferentes subtipos.
•
Los anestésicos locales y los fármacos antiarrítmicos de la clase I bloquean los
canales de sodio:
–
–
Anestésicos locales como la lidocaína y la bupivacaína pueden tener alguna selectividad
relativa para la forma neuronal del canal de sodio, pero esta selectividad no es muy notable.
Las pruebas actuales indican que la mayoría de los anestésicos locales interaccionan con la
localización de reconocimiento del ligando sobre la superficie intracelular del canal y que el
fármaco tiene que acceder al espacio intracelular para alcanzar su lugar de acción. Este
mecanismo difiere del de la tetrodotoxina, molécula altamente cargada que accede a su
lugar de reconocimiento de ligando cerca de la superficie extracelular del canal.
Actualmente se cree que los fármacos antiarrítmicos de la clase I, empleados para tratar
ciertas formas de arritmia cardíaca, interaccionan principalmente con un lugar de
reconocimiento de ligando de localización intracelular. Parecen dividirse en tres clases
(clases Ia, Ib y Ic), según la forma en que su actividad depende del estado del canal iónico y
de la cinética aparente de unión y disociación (llamada desunión en este contexto) con el
canal en sus tres estados.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
Interacciones farmacológicas con los canales de Ca2+.
•
Al menos cuatro tipos de canal de calcio en la membrana plasmática
permiten selectivamente la entrada de iones calcio en las células. Estos
canales de calcio se encuentran en muchos tipos diferentes de tejidos.
El mejor caracterizado y más importante desde el punto de vista clínico es
el canal de calcio de tipo L (large) que se abre durante la despolarización y
después se inactiva (más despacio que el canal de sodio), mediante
accionamiento dependiente del voltaje.
Es el canal de calcio predominante en el músculo cardíaco y el músculo liso
y es bloqueado por diversos fármacos importantes en clínica.
•
•
•
Hay tres clases comunes de antagonista de Ca2+ de tipo L clínicamente
importantes:
– Los derivados de la benzotiacepina (por ejemplo el diltiazem).
– Las fenetilalquilaminas (por ejemplo el verapamilo).
– Las 1,4 dihidropiridinas (por ejemplo nifedipino, amlodipino).
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
• Interacciones farmacológicas con los canales de K+.
• La apertura con acción selectiva para el potasio conduce
a la generación de corrientes dirigidas hacia fuera
(hiperpolarizantes).
• Hay muchos tipo de canales de potasio y constituyen un
grupo muy heterogéneo, en lo que se refiere a su
dependencia de voltaje y tiempo y a su accionamiento
por ligando.
• Hay más de diez tipos diferentes, cuya expresión varía
según el tipo de tejido; a su vez, algunos tejidos
expresan numerosos tipos.
Teoría molecular del efecto de los anestésicos
•
•
•
•
Otros canales iónicos accionados por voltaje.
Aunque la mayoría de la bibliografía científica sobre canales iónicos se ha
concentrado en los canales de cationes (sodio, calcio y potasio),
recientemente se ha hecho más evidente que existen canales accionados
por voltaje para aniones, por ejemplo el Cl-.
Los canales de cloruro se encuentran tanto en el sistema nervioso central
como en el periférico. Algunos no son selectivos para un sólo ión, como
por ejemplo el canal que permite el flujo iónico de los iones sodio y calcio
en el corazón.
Es así que podemos indicar que los receptores se pueden reunir en cuatro
grandes superfamilias, a saber:
–
–
–
–
Canal accionado por receptor.
Receptores ligados a proteínas G.
Receptores que son enzimas.
Receptores ligados al ADN.
¿DUDAS?