Membranas Biológicas: Estructura y Composición

Todas las células poseen una membrana que separa el citoplasma del exterior (membrana plasmática). Su composición varía: 25-80% lípidos, y el resto son proteínas y carbohidratos.

Las células eucariotas poseen membranas internas que delimitan organelos y compartimentos intracelulares (núcleo, mitocondrias, aparato de Golgi, retículo endoplasmático).

Funciones de las Membranas Celulares

• Barrera física.
• Control del tráfico de solutos.
• Comunicación e interacción de la célula con su entorno, mediante receptores de hormonas y de otras señales externas (traducen información al interior de la célula).
• Reconocimiento entre células y ciertas macromoléculas (antígenos de histocompatibilidad).
• Exocitosis, endocitosis, cambios de forma, de permeabilidad y de potencial eléctrico.
• Separan los distintos procesos metabólicos y participan en ellos (muchas enzimas están asociadas a las membranas).

Clasificación de las Membranas por su Composición

• Membranas simples: Hechas principalmente por lípidos. Funcionan como aislante. Ejemplo: mielina.
• Membranas compuestas: Aproximadamente 50% de proteínas. Poseen funciones enzimáticas y actividades de transporte.
• Membranas con mayor contenido proteico: Funciones enzimáticas de transporte, síntesis de ácidos nucleicos y fosforilación oxidativa. Ejemplo: bacterias, membrana interna mitocondrial.

Componentes Estructurales de la Membrana

Lípidos

Los lípidos de membrana constituyen el 25-80% del peso de la membrana celular. Los más abundantes son: fosfolípidos (fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina) y glucolípidos.

Los fosfolípidos son anfipáticos (tienen una región polar y otra no polar), formando una bicapa con sus porciones polares orientadas hacia el exterior y el interior de la célula.

Colesterol

El colesterol posee un anillo de esterano, un hidroxilo en C3, grupos metilo en C10 y C13, y un doble enlace entre C5 y C6.

Se integra a la bicapa de fosfolípidos y también es anfipático, orientando su región polar (OH en C3) hacia las cabezas polares de los fosfolípidos.

Función: Mantener la fluidez constante a pesar de las diferentes temperaturas o del grado de saturación de los ácidos grasos.

Proteínas

La proporción de proteínas varía de acuerdo con el tipo de membrana. Ejemplo: la mielina tiene 19%, mientras que las membranas con actividad enzimática pueden tener hasta 70%.

Las proteínas de la membrana se clasifican en:

• Intrínsecas (Integrales): Unidas dentro de la bicapa, constituyendo un mosaico fluido.
• Extrínsecas (Periféricas): Unidas laxamente a la membrana y se pueden separar fácilmente.

Carbohidratos

Se encuentran como glucoproteínas y glucolípidos.

Fluidez de las Membranas Biológicas

• Bajas temperaturas: Lípidos en estado de gel cristalino y movilidad restringida.
• Altas temperaturas: Membrana en estado líquido cristalino y mayor fluidez.

La presencia de fosfolípidos que contienen ácidos grasos de cadena corta e insaturados incrementa la fluidez.

El colesterol de la membrana reduce la fluidez.

Los fosfolípidos se desplazan rápidamente en un movimiento lateral por toda la membrana.

Transporte a Través de las Membranas

1. Difusión pasiva: Movimiento espontáneo de moléculas o iones de una zona de mayor concentración a otra de menor concentración, a través de aberturas o espacios intramoleculares de la membrana, sin necesidad de unirse a proteínas ni requerir energía.

   Las moléculas hidrofóbicas (de naturaleza lipídica) o muy pequeñas (agua, etanol, urea, glicerol) pueden atravesar por difusión simple, siempre que se encuentren más concentradas de un lado de la membrana (gradiente de concentración).

2. Vías específicas de permeabilidad (Transporte mediado)
   • Acarreadores (Transportadores)
   • Canales
   • ATPasa (Bombas)

Acarreadores o Transportadores

Proteínas de membrana que se unen al soluto de un lado de la membrana y lo liberan al otro lado (dentro o fuera de la célula). Hay de 3 tipos:

• Uniport: 1 sustrato en la misma dirección (ej. mueve glucosa).
• Simport: 2 sustratos en la misma dirección.
• Antiport: 2 sustratos en direcciones contrarias.

Ejemplos de Transportadores GLUT

El GLUT-1 y GLUT-4 son estimulados por la insulina (células β del páncreas), mientras que el GLUT-2 es estimulado por altas concentraciones de glucosa.

Canales

Proteínas que forman un conducto. Atraviesan la bicapa lipídica con un centro que tiene un canal o túnel acuoso por el que pueden difundir iones.

Hay 2 tipos:

• Dependientes del voltaje.
• Dependientes de receptor.

Características de los canales:

• Velocidad de transporte: alta.
• Permiten el flujo de iones a favor de un gradiente de concentración.
• Son específicos (canales de Na+, K+, Ca2+, Cl-).
• Pueden inhibirse competitivamente.
• Algunos tienen receptores.

ATPasa o Bombas

Poseen dos funciones: hidrólisis o síntesis del ATP y transporte de sustratos a través de la membrana.

La hidrólisis del ATP libera energía que es utilizada para el transporte de solutos contra un gradiente de concentración.

• ATPasa H+ (transporta hidrogeniones).
• ATPasa Ca2+ (transporta Ca2+).
• ATPasa Na+/K+ (bomba de sodio/potasio).
• ATPasa H+/K+ (transporta H+ y K+).

El Agua en el Organismo

El agua es el mayor componente del cuerpo, constituyendo aproximadamente el 70% del peso total (hasta 90% en un niño o bebé).

La pérdida del 10% de agua en el hombre ocasiona enfermedad y el 20% la muerte.

Composición Corporal Aproximada

• 70% de agua.
• 20% de proteínas.
• 10% de lípidos.

Nota: Los carbohidratos se utilizan o almacenan como lípidos (gliceroles).

Distribución del Agua Corporal

• Intracelular: 50%.
• Extracelular: 20% (15% intersticial, 5% intravascular).

Enzimas y Catálisis Biológica

Reacción Catalizada por una Enzima

Es el esquema de una reacción catalizada por una enzima, en la cual dos moléculas de reactantes se unen para formar una sola molécula de producto.

Sitio activo: Donde se lleva a cabo la modificación del sustrato.

Sitio alostérico: Zona de la enzima donde no se obtiene producto.

E + S → E-S → P + E

• E = Enzima
• S = Sustrato
• P = Producto (sustrato modificado)

*La enzima nunca se modifica.

Nomenclatura

Nombre del sustrato + función enzimática (sufijo -asa).

Características de las Enzimas

Sustancias capaces de aumentar la velocidad de una reacción química y disminuir la energía de activación.

• La mayoría son proteínas (más de 100 aminoácidos).
• Alta especificidad.
• Su estructura química no se modifica en el complejo enzima-sustrato.

Estructura de la Holoenzima

La enzima activa completa se denomina holoenzima:

• Porción proteica (APOENZIMA).
• Porción NO proteica (COFACTOR).
  • Naturaleza orgánica (coenzimas).
  • Naturaleza inorgánica (iones metálicos).

Clasificación de las Enzimas (6 Tipos)

1. Oxidorreductasas (reductasas, oxidativas o deshidrogenasas).
2. Transferasas (transfieren grupos de un sustrato a otro).
3. Isomerasas (mueven grupos dentro del mismo sustrato).
4. Hidrolasas (rompen enlaces con agua).
5. Liasas (rompen enlaces sin agua).
6. Ligasas o sintetasas (gastan ATP).

La ruptura de enlaces a menudo requiere ATP.

Fosforilación: Liberación de fosfatos, que pueden crear ATP.

Metabolismo de Carbohidratos

Conceptos Fundamentales

• CATABOLISMO: Procesos relacionados con la degradación de sustancias complejas.
• ANABOLISMO: Procesos relacionados con la síntesis de moléculas orgánicas complejas.

Niveles de Complejidad Metabólica

Los procesos catabólicos y anabólicos se producen en tres niveles:

1. Interconversión de polímeros en monómeros.
2. Interconversión de monómeros (monosacáridos, aminoácidos, glicerol, ácidos grasos, nucleótidos) en compuestos orgánicos aún más sencillos como el piruvato, el acetil-CoA e intermediarios del Ciclo del Ácido Cítrico (Krebs).
3. Degradación final de estos últimos compuestos hasta compuestos inorgánicos como CO₂, NH₃, H₂O, o su síntesis a partir de los mismos.

Respiración Celular

La respiración es la generación de energía a partir de la oxidación de los nutrientes.

Los organismos aeróbicos dependen por completo de la respiración. En cambio, los microorganismos anaeróbicos obtienen su energía en procesos en los que no interviene el oxígeno.

La cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa están localizadas junto con la mayoría de las deshidrogenasas en la membrana interna de la mitocondria.

Etapas de la Respiración

1. Etapa 1: Generación de un fragmento activado de 2 carbonos (piruvato y Acetil CoA) a partir de monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos.
2. Etapa 2: Oxidación del Acetil CoA en el Ciclo del Ácido Cítrico (Krebs o Tricarboxílico).
3. Etapa 3: Transporte de electrones por NADH (3 ATP) y FADH₂ a la cadena respiratoria para la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa).

Las dos primeras etapas de la respiración tienen lugar en la matriz mitocondrial y la tercera etapa se produce en la membrana interna mitocondrial. Los sustratos metabólicos oxidados se transforman en: CO₂, H₂O y ATP.

Conceptos de Oxidación y Reducción

• Oxidación: Pérdida (liberación) de electrones. Da lugar a la disminución del contenido energético de la molécula.
• Reducción: Ganancia de electrones. Da lugar al aumento del contenido energético.

Componentes de la Cadena de Transporte de Electrones

La cadena de transporte de electrones se compone de cuatro complejos principales:

• Complejo I (NADH Deshidrogenasa o NADH-Ubiquinona Oxidorreductasa): Libera hidrógeno del NADH y lo lleva a la coenzima Q (ubiquinona).
• Complejo II (FAD Deshidrogenasa o Succinato Ubiquinona Oxidorreductasa): Está formado por FAD+. Lleva los electrones del FADH₂ (que recibió los átomos de H de la oxidación del succinato) a la coenzima Q (ubiquinona).
• Complejo III (Ubiquinona Citocromo C Oxidorreductasa): Transfiere los electrones de la ubiquinona al citocromo C.
• Complejo IV (Citocromo-Oxidasa): Transfiere los electrones del citocromo C al complejo IV, que los entrega a media molécula de O₂ que se carga negativamente.

Rendimiento Energético (Rutas)

• Ruta NAD: Complejo I → Coenzima Q (ubiquinona) → Complejo III → Citocromo C → Complejo IV → 3 ATP.
• Ruta FAD: Complejo II → Coenzima Q → Complejo III → Citocromo C → Complejo IV → 2 ATP + H₂O.

Tipos de Fosforilación

• Fosforilación a nivel de sustrato: El fosfoenolpiruvato y el 1,3-difosfoglicerato transfieren la energía directamente al ATP, a través de la fosforilación del ADP.
• Fosforilación oxidativa: La fosforilación del ADP para formar ATP se produce gracias a la energía liberada por el proceso de óxido-reducción en la cadena respiratoria en la mitocondria.

Rutas Clave del Metabolismo de Carbohidratos

El consumo de carbohidratos representa el 50% de todas las calorías que se ingieren en los países occidentales, alcanzando hasta un 80% en algunas regiones.

Al entrar a la sangre, los monosacáridos son transportados directamente al hígado a través del sistema portal. En el hígado, el 60% de la glucosa es metabolizada (transformada).

Glucólisis

Serie de 10 reacciones químicas que componen la ruta metabólica inicial para la degradación de carbohidratos dentro de las células. Se efectúa en el citoplasma.

Glucólisis Anaeróbica (Ciclo de Embden-Meyerhof-Parnas)

Se produce en tejidos con poco contenido de oxígeno o con pocas mitocondrias (músculo esquelético durante el ejercicio, testículo, médula suprarrenal, córnea, eritrocitos). La glucosa se transforma en piruvato y este en lactato. Solo se forman dos moléculas de ATP por molécula de glucosa.

Glucólisis Aeróbica

Se produce cuando hay suficiente oxígeno y mitocondrias en las células. También es un proceso citoplasmático, cuya diferencia es que el piruvato se transforma en Acetil CoA, que a su vez entra al ciclo de Krebs con mayor producción de energía. Produce 8 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

Fases de la Glucólisis

1. Fase de Inversión (Pérdida de Energía): Las cinco primeras reacciones. Se sintetizan «azúcares-fosfato» a costa de la conversión de ATP en ADP (pérdida de energía). El azúcar de seis carbonos (glucosa) se desdobla en dos azúcares-fosfato de 3 carbonos. En esta fase se consumen 2 moléculas de ATP.
2. Fase de Generación de Energía: Las cinco últimas reacciones.

El Acetil CoA tiene 2 carbonos y es lo que entra al ciclo de Krebs.

Enzimas Clave de la Glucólisis

1. Hexoquinasa
2. Glucosa-6-fosfato isomerasa
3. Fosfofructoquinasa
4. Aldolasa
5. Triosafosfato isomerasa
6. Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa
7. Fosfoglicerato quinasa
8. Fosfoglicerato mutasa
9. Enolasa
10. Piruvato quinasa

La producción final en la glucólisis aeróbica es de 8 ATP, con una inversión de 2 ATP, resultando en una ganancia real de 6 ATP. Se producen dos piruvatos. Si las condiciones son ricas en oxígeno, habrá una descarboxilación que convierte el piruvato en Acetil CoA para que pueda entrar al ciclo de Krebs. Hay 4 fosforilaciones a nivel de sustrato (debido a que todo es doble).

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Descubierto por Hans Adolf Krebs (Premio Nobel en 1953).

El piruvato necesita llegar a la mitocondria, por lo que aparece un acarreador de tipo antiport (proteína de transporte) que le permite la entrada.

Fases del Ciclo de Krebs

1. Fase 1 (Reacciones 1-4): Se emplea para oxidar los dos carbonos que el grupo acetilo del Acetil CoA transfiere a un ácido orgánico de 4 carbonos, el oxalacetato, para dar un ácido tricarboxílico de seis carbonos llamado citrato. Con la oxidación de estos dos carbonos se forman 2 moléculas de CO₂.
2. Fase 2 (Reacciones 5-8): Sirve para regenerar el oxalacetato.

Enzimas Clave del Ciclo de Krebs

• Citrato Sintetasa o Sintasa
• Aconitasa
• Isocitrato deshidrogenasa (obtenemos aquí 3 ATP)
• Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (segunda descarboxilación)
• Succinil-CoA sintetasa
• Succinato deshidrogenasa
• Fumarasa
• Malato deshidrogenasa

Rendimiento por una Vuelta

• ATP total: 12 (por una sola vuelta).
• Fosforilaciones oxidativas: 4 (3 con NAD y 1 con FAD).
• Fosforilaciones a nivel de sustrato: 1.

Glucogenogénesis (Síntesis de Glucógeno)

El exceso de glucosa, una vez alcanzado el límite de almacenamiento, se convierte en grasa que puede almacenarse en el tejido adiposo de forma ilimitada.

1. Isomerización de glucosa-6-fosfato (G-6-P): La enzima fosfoglucomutasa la convierte en glucosa-1-fosfato (G-1-P).
2. Formación de uridin difosfato-glucosa (UDP-G): La enzima uridindifosfato (UTP) se convierte en uridinmonofosfato (UMP), y se une a la glucosa-1-fosfato (G-1-P) para formar la uridindifosfato-glucosa (UDP-glucosa).
3. Elongación de la cadena en glucógeno: La enzima glucógeno sintetasa transfiere la molécula de glucosa de la UDP-glucosa al extremo del glucógeno, donde está el carbono cuatro, mediante un enlace glucosídico alfa-1,4, dejando libre la molécula de UDP.
4. Ramificación del glucógeno: La enzima ramificante establece enlaces glucosídicos alfa-1,6.

Glucogenólisis (Degradación de Glucógeno)

Es la degradación del glucógeno para liberar moléculas de glucosa-1-fosfato (90%) y glucosa libre (10%).

1. Ruptura de los enlaces glucosídicos alfa-1,4: Mediante fosforólisis. La enzima glucógeno fosforilasa forma la glucosa-1-fosfato.
2. Ruptura de las ramificaciones: La enzima desramificante del glucógeno tiene dos actividades catabólicas: la actividad como 4-α-glucanotransferasa y la actividad 1-6 glucosidasa.
3. Conversión de la glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato: La enzima fosfoglucomutasa convierte la glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato.

Gluconeogénesis (Síntesis de Glucosa «de Novo»)

La cantidad de glucosa que se puede generar a partir de las reservas de glucógeno del organismo en un momento dado es de unos 190 gramos.

Es la síntesis o formación de glucosa «de novo» a partir de precursores diferentes a carbohidratos (hexosas).

La gluconeogénesis se efectúa en un 90% en el hígado, siendo sus principales precursores:

• 2 Piruvato
• 2 Lactato
• 2 Glicerol
• 2 Alanina