OOBioquimica.Pratt

RECUADRO 8-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Las vitaminas lipídicas A, D, E y K

El reino vegetal es rico en compuestos isoprenoides, que sirven como dad ósea, es fácil de prevenir con una buena alimentación y
pigmentos, señales moleculares (hormonas y feromonas) y agentes exposición a la luz solar.
defensivos. Durante la evolución, el metabolismo de los vertebrados
ha destinado varios de estos compuestos a otros fines. Los compues- El α-tocoferol, o vitamina E,
tos se han convertido en vitaminas, sustancias que un animal no
puede sintetizar y debe obtener del alimento. Las vitaminas A, D, E H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
y K son lípidos, pero algunas vitaminas son hidrosolubles. Aparte de O CH3
ser lípidos, las vitaminas A, D, E y K tienen poco en común.
HO ␣-Tocoferol
La primera vitamina en descubrirse fue la vitamina A, o retinol. CH3 (vitamina E)

H3C CH3 CH3 CH3
CH2OH
es una molécula altamente hidrófoba que se incorpora en las
CH3 Retinol membranas celulares. De manera tradicional se considera que
(vitamina A) reacciona con radicales libres que se generan durante las reacciones
oxidativas. Por tanto, la actividad de la vitamina E ayudaría a
Deriva principalmente de pigmentos vegetales como el β-caroteno prevenir la peroxidación de ácidos grasos poliinsaturados en los
(un pigmento anaranjado presente en hortalizas verdes así como en lípidos de membrana. Sin embargo, compuestos muy relacionados
zanahorias y tomates). El retinol se oxida a retinal, un aldehído, con el α-tocoferol en cuanto a estructura no exhiben esta actividad
que funciona como receptor de luz en el ojo. La luz hace que el de eliminación de radicales libres, y se ha propuesto que el efecto
retinal se isomerice, lo cual dispara un impulso por el nervio antioxidante observado de la vitamina E surge en cambio de su
óptico. Una deficiencia grave de vitamina A puede causar ceguera. actividad como molécula regulatoria capaz de suprimir la forma-
El derivado del retinol llamado ácido retinoico se comporta como ción de radicales libres al inhibir la producción o activación de
una hormona al estimular la reparación tisular. A veces se emplea enzimas oxidantes. En este sentido, la vitamina E se parece a otros
para tratar acné grave y úlceras cutáneas. lípidos que actúan como moléculas señalizadoras.

Las vitamina D, derivada de esteroides, es en realidad dos La vitamina K se llama así por influencia de la palabra danesa
compuestos similares: uno (la vitamina D2) deriva de un compuesto koagulation. Participa en la carboxilación enzimática de residuos
vegetal y el otro (la vitamina D3) proviene del colesterol endógeno. Glu en algunas de las proteínas implicadas en la coagulación
sanguínea (recuadro 6-B). Una deficiencia de vitamina K impide la
CH3 carboxilación de Glu, lo cual inhibe el funcionamiento normal de
las proteínas, dando lugar a una hemorragia. La vitamina K puede
H3C CH3 obtenerse de plantas verdes como filoquinona,

H3C CH3 O

H2C CH3

Vitamina D2 CH3

HO H3C CH3 O CH3 CH3 CH3 CH3
H2C H3C CH3
Filoquinona

(vitamina K)

HO Vitamina D3 Pero alrededor de la mitad de la captación diaria de la vitamina
proviene de bacterias intestinales. El uso prolongado de antibióti-
Se requiere radiación ultravioleta para la formación de las cos, que suprimen la proliferación de estas bacterias, puede causar
vitaminas D2 y D3, lo cual da lugar al dicho de que la luz solar deficiencia de vitamina K.
produce vitamina D. La absorción de calcio en el intestino es
estimulada por esta vitamina. La alta concentración resultante del Dado que las vitaminas A, D, E y K no son hidrosolubles,
Ca2+ en el torrente sanguíneo promueve el depósito del Ca2+ en pueden acumularse en los tejidos con el tiempo. La acumulación
huesos y dientes. El raquitismo, una enfermedad por deficiencia de excesiva de vitamina D puede producir cálculos renales y calcificación
vitamina D caracterizada por detención del crecimiento y deformi- anormal de tejidos blandos. Las concentraciones elevadas de vitamina
K tienen pocos efectos adversos, pero los valores excesivamente altos
de vitamina A pueden producir una variedad de síntomas inespecífi-
cos además de defectos congénitos. En general, los efectos tóxicos de
las vitaminas suelen deberse a consumo excesivo de suplementos
vitamínicos comerciales más que a causas naturales.

8-1. Lípidos | 221

(fanerógamas) producen geraniol, con olor a rosas. El limoneno da a los cítricos su
olor característico.

CH3

CH3 CH3 OH H3C CH2
H3C
Geraniol Limoneno

La capsaicina, el compuesto que da a los chiles su sabor picante, irrita el tubo diges-
tivo de muchos animales, pero es consumida por el humano en todo el mundo.

HO H CH3
H3C O N CH3

O

Capsaicina

Su hidrofobicidad explica por qué no puede eliminarse con agua. La capsaicina se ha
usado en medicamentos contra el dolor. Al parecer activa receptores neuronales que
perciben tanto dolor como calor; al saturar los receptores con una señal de “calor”,
la capsaicina impide que las neuronas reciban señales de dolor.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuáles son las características estructurales que distinguen a los ácidos grasos,

triacilgliceroles, glicerofosfolípidos, esfingomielinas y colesterol?
• ¿Cómo se combinan los lípidos para formar moléculas más grandes?
• Enumere algunas funciones de las moléculas lipídicas.

8-2. Bicapa lipídica

CONCEPTOS CLAVE El componente fundamental de una membrana biológica es la bicapa lipídica, una
• La fluidez de la bicapa depende disposición bidimensional de moléculas anfipáticas cuyas colas se asocian entre sí,
alejadas del contacto con el agua, y cuyos grupos cabeza interactúan con el solvente
de la longitud y la saturación de acuoso (figura 8-3). La belleza del uso de una bicapa como barrera para sistemas
sus lípidos y de la presencia de biológicos radica en que se forma de manera espontánea (sin el aporte de energía
colesterol. libre) debido a la influencia del efecto hidrófobo, que favorece la agregación de gru-
• La asimetría de los lípidos es pos no polares energéticamente costosos de hidratar de manera individual. Además,
mantenida por la baja velocidad de una bicapa es autosellante y, a pesar de su delgadez, puede encerrar un comparti-
difusión entre las hojas. mento más bien vasto o una célula entera. Esta propiedad se ha aprovechado en la
creación de vesículas artificiales, que son compartimentos cerrados por una bicapa
Figura 8-3. Una membrana lipídica. (recuadro 8-B).

Los glicerofosfolípidos y esfingolípidos tienen la geometría apropiada para formar
bicapas, no así los ácidos grasos y triacilgliceroles (figura 8-4). El colesterol puro no
puede formar una bicapa por sí solo, porque es del todo hidrófobo excepto por un
solo grupo hidroxilo polar. Se encuentra en mayor medida oculto en la región hidró-
foba de una membrana, donde su estructura de anillo plano se inserta entre las ca-
denas acilo de otros lípidos. De modo similar, otros lípidos son solubles en las
membranas, aunque no contribuyen a la estructura global de la bicapa.

222 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

RECUADRO 8-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Liposomas como vehículos
para suministro de fármacos

Agitar con la mano una mezcla de agua y lípidos anfipáticos fusionan con las células subyacentes, liberando su contenido
produce una suspensión turbia de vesículas lipídicas de variados directamente en ellas. La alta concentración local de un fármaco
tamaños que tienden a coalescer en estructuras más grandes suministrado por liposomas ofrece una clara ventaja para tratar
rodeadas por múltiples capas de moléculas de lípido. Pero si la enfermedades cutáneas o inducir anestesia local, en particular
mezcla se realiza a unas 1 000 atm de presión, las vesículas cuando el fármaco tendría efectos adversos si se administrara de
resultantes, o liposomas, son mucho más pequeñas (< 200 nm manera sistémica. Los liposomas tienen el potencial de suministrar
en diámetro), de tamaño uniforme y estables por meses. paquetes de fármacos a otros tejidos, por ejemplo una dosis de
toxinas a un tumor. Sin embargo, un gran desafío es formular la
Y lo que es más importante, los liposomas pueden encapsular superficie del liposoma –por ejemplo, incorporando proteínas espe-
sustancias hidrosolubles, lo cual las hace atractivas como sistemas cíficas– de modo que sólo se dirija a las células blanco deseadas.
de suministro de fármacos. Cuando se aplican a la piel, los
liposomas penetran las capas externas de células muertas y luego se

La bicapa es una estructura fluida

Las bicapas naturales son mezclas de muchos lípidos diferentes. Ésta es una de las
razones por las cuales una bicapa lipídica no tiene geometría claramente definida. La
mayoría de las bicapas lipídicas tienen un espesor total de 30 a 40 Å, con un centro
hidrófobo de unos 25 a 30 Å de espesor. El espesor exacto varía con las longitudes
de las cadenas acilo y el modo en que se flexionan e interdigitan. Además, los grupos
cabeza de los lípidos de membrana no tienen tamaño uniforme, y su distancia desde
el centro de la membrana depende del modo en que se anidan con grupos cabeza
vecinos. Por último, la bicapa lipídica es imposible de describir en términos precisos
porque no es una estructura estática. Más bien es un ensamblaje dinámico: el grupo
cabeza oscila arriba y abajo, y las colas de hidrocarburo de los lípidos están en movi-

Ácidos grasos Glicerofosfolípidos Triacilgliceroles
(a) (b) (c)

Figura 8-4. Capacidad de formación de bicapas de algunos lípidos. a) Los ácidos
grasos libres tienen un grupo cabeza relativamente grande unido a su única cola
hidrófoba y por tanto no puede alinearse lado a lado para formar una bicapa b) En la
mayoría de los glicerofosfolípidos, la anchura del grupo cabeza es comparable a la
anchura de las dos cadenas acilo. Por tanto los lípidos pueden formar una bicapa sin
huecos entre moléculas de lípido c) Los triacilgliceroles, con un grupo cabeza pequeño
y débilmente polar, no forman una bicapa.

8-2. Bicapa lipídica | 223

Figura 8-5. Simulación de una
bicapa lipídica. En este modelo de
una bicapa de dipalmitoilfosfatidilcolina,
los átomos de C son grises (excepto por
el carbono terminal de cada cola
lipídica, en amarillo), los átomos de O
éster son rojos, los grupos fosfato son
verdes, y los grupos cabeza de colina son
magenta. Las moléculas de agua en cada
lado de la bicapa se muestran como
esferas azules. (Cortesía de Richard Pastor and

Richard Venable, National Institutes of Health).

miento rápido constante. En su mismo centro, la bicapa es un líquido, como una
muestra de hidrocarburo puro.

Es útil describir la fluidez de un lípido de membrana dado en términos de su
punto de fusión, la temperatura de transición de un estado cristalino ordenado a un
estado más fluido. En la fase cristalina, todas las cadenas acilo de la muestra están
empacadas apretadamente en contacto de van der Waals. En la fase fluida, los grupos
metileno (–CH2–) de las cadenas acilo en la muestra pueden girar libremente. El
punto de fusión de una cadena acilo individual depende de su longitud y del grado
de saturación. Para una cadena acilo saturada, el punto de fusión aumenta con la
longitud de la cadena. Esto se debe a que se requiere más energía libre (mayor tem-
peratura) para interrumpir las interacciones de van der Waals más extensas en una
cadena más larga. Una cadena acilo más corta se funde a menor temperatura porque
tiene menos área superficial para establecer contactos de van der Waals. Un doble
enlace introduce un acodamiento en la cadena acilo, de modo que una cadena acilo
insaturada es menos capaz de empacarse de manera eficiente entre sus vecinas.

O OϪ
C

En consecuencia, el punto de fusión de una cadena acilo disminuye conforme el
grado de insaturación aumenta.

¿Qué significa todo esto para una bicapa mixta a temperatura constante? En ge-
neral, las cadenas acilo más largas tienden a ser menos móviles (más cristalinas) que
las cadenas acilo más cortas, y las cadenas acilo saturadas son menos móviles que las
insaturadas. Debido a que una membrana fluida es esencial para muchos procesos
metabólicos, los organismos se esfuerzan por mantener una fluidez de membrana
constante ajustando la composición de lípidos de la bicapa. Por ejemplo, durante la

224 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

adaptación a menores temperaturas, un organismo puede incrementar su produc-
ción de lípidos con cadenas acilo más cortas y menos saturadas.

La mayoría de las membranas de los organismos permanecen fluidas en un inter-
valo de temperaturas. Esto se debe en parte a que las membranas biológicas incluyen
una variedad de lípidos (con diferentes puntos de fusión) y no experimentan una
transición drástica entre las fases líquida y cristalina, como lo haría una muestra de
lípido puro. Además, el colesterol ayuda a mantener constante la fluidez de la mem-
brana en una gama de temperaturas a través de dos mecanismos antagónicos:
1. En una bicapa de lípidos mixtos, el sistema anular rígido y plano del colesterol

restringe el movimiento de cadenas acilo vecinas, con lo que reduce la fluidez de
la membrana.
2. Al insertarse entre lípidos de membrana, el colesterol impide su empaque apretado
(esto es, su cristalización), lo cual tiende a incrementar la fluidez de la membrana.
Resulta interesante el hecho de que diferentes áreas de una membrana natural pue-
den caracterizarse por diferentes grados de fluidez. Las regiones conocidas como
balsas de membrana parecen tener una consistencia casi cristalina. Las balsas contie-
nen colesterol y esfingolípidos estrechamente empacados. Determinadas proteínas se
asocian con las balsas, de modo que estas estructuras suelen tener importancia fun-
cional en procesos como transporte y señalización.

Las bicapas naturales son asimétricas

Las dos hojas de la bicapa en una membrana biológica rara vez tienen composiciones
idénticas. Por ejemplo, los esfingolípidos con grupos cabeza carbohidrato se presen-
tan de manera casi exclusiva en la hoja externa de la membrana plasmática, hacia el
espacio extracelular. Los grupos cabeza polares de la fosfatidilcolina también suelen
dar hacia el exterior, mientras que por lo común la fosfatidilserina se encuentra en la
hoja interna.

La asimetría de los lípidos es en mayor medida una consecuencia de la orienta-
ción de las enzimas sintetizadoras de lípidos en el retículo endoplasmático y el apa-
rato de Golgi, pero las distintas composiciones de las hojas interna y externa son
preservadas por la rapidez extremadamente baja con que la mayoría de los lípidos de
membrana experimentan difusión transversal o basculación (el movimiento de una
hoja a la otra):

Difusión transversal (basculación)

Muy lenta

Este movimiento es termodinámicamente desfavorable dado que requeriría el paso
de un grupo cabeza polar solvatado a través del interior hidrófobo de la bicapa. Sin
embargo, las células en realidad desplazan determinados lípidos entre hojas con la
ayuda de enzimas llamadas translocasas o flipasas. Las moléculas de lípido experi-
mentan difusión lateral rápida, esto es, movimiento dentro de una hoja:

Difusión lateral

Rápida

En una bicapa de membrana, un lípido cambia de lugar con sus vecinos hasta 107
veces por segundo. Por tanto, la imagen de la figura 8-5 representa una bicapa inmo-
vilizada por un instante.

8-2. Bicapa lipídica | 225

REPASO DE CONCEPTOS
• Describa la estructura general de una bicapa lipídica.
• ¿De qué manera la longitud y saturación de la cadena influyen en el punto de

fusión de un ácido graso?
• ¿Cuál es el cometido del colesterol en el mantenimiento de la fluidez de una bicapa?
• ¿Cuáles son las diferencias entre la difusión transversal y lateral?

8-3. Proteínas de membrana

CONCEPTOS CLAVE Las membranas biológicas constan de proteínas además de lípidos. En promedio,
• Las proteínas integrales de una membrana es alrededor de 50% proteína en peso, pero este valor varía mucho,
dependiendo de la fuente de la membrana. Algunas membranas plasmáticas bacte-
membrana atraviesan por rianas y membranas de organelos son hasta tres cuartas partes proteína. Por sí misma,
completo la bicapa formando una bicapa lipídica actúa principalmente como barrera contra la difusión de sustan-
hélices α o un barril β. cias polares, y casi todas las demás funciones de una membrana biológica dependen
• Lípidos unidos de modo covalente de sus proteínas. Por ejemplo, algunas proteínas de membrana detectan las condicio-
fijan algunas proteínas a la nes externas y las comunican al interior de la célula. Otras proteínas de membrana
membrana. experimentan reacciones metabólicas específicas o actúan como transportadores que
llevan sustancias de un lado de la membrana al otro. Las proteínas de membrana se
clasifican en grupos, dependiendo del modo en que se especializan para la interac-
ción con el interior hidrófobo de la bicapa lipídica (figura 8-6).

Las proteínas integrales de membrana atraviesan ésta
de lado a lado

En las proteínas de membrana conocidas como proteínas integrales de membrana o

proteínas intrínsecas de membrana, una porción de la estructura está oculta por com-

pleto en la bicapa lipídica. Se acostumbra contrastar estas proteínas con las proteínas

periféricas (o extrínsecas) de membrana, que se asocian de manera más laxa con la

membrana a través de interacciones con grupos cabeza lipídicos o proteínas integrales de

membrana (figura 8-6). Excepto por su débil asociación con la membrana, las proteínas

periféricas no son muy distintas de las proteínas hidrosolubles ordinarias.

Salvo unas pocas, todas las proteínas integrales de membrana atraviesan la totali-

dad de la bicapa lipídica, por lo que se exponen al interior, hidrófobo, así como al

Proteína integral Proteína de Proteína ambiente acuoso a cada lado de la membrana. Las por-
de membrana membrana periférica unida a lípido ciones expuestas al solvente de una proteína integral de
membrana son típicas de otras proteínas: una superfi-

cie polar que rodea un centro hidrófobo. Sin embargo,

la porción de la proteína que penetra la bicapa lipídica

debe tener una superficie hidrófoba, dado que el costo

energético de enterrar un grupo proteínico polar (y sus

moléculas de agua de solvatación) es demasiado alto.

Figura 8-6. Tipos de proteínas de Una hélice α puede cruzar la bicapa

membrana. Este corte transversal Una manera en que una cadena polipeptídica cruza una
esquemático de una membrana muestra bicapa lipídica es formando una hélice α cuyas cadenas
una proteína integral que abarca el laterales son todas hidrófobas. Las tendencias a formar enlaces de hidrógeno de los
ancho de la membrana, una proteína de grupos amino y carboxilo del esqueleto proteínico se satisfacen en la hélice α (véase
membrana periférica asociada a la figura 4-4). Las cadenas laterales hidrófobas se proyectan hacia fuera desde la hélice
superficie de la membrana, y una para entremezclarse con las cadenas acilo de los lípidos.
proteína unida a lípido cuya cola Para abarcar el centro hidrófobo de una bicapa de 30Å, una hélice α debe conte-
hidrófoba se incorpora en la bicapa ner al menos 20 aminoácidos. Una hélice transmembrana a menudo es fácil de de-
lipídica. tectar por su secuencia: es rica en aminoácidos altamente hidrófobos como Ile, Leu,
Val y Phe. A menudo se presentan grupos aromáticos polares (Trp y Tyr), al igual
que Asn y Gln, donde la hélice se encuentra con los grupos cabeza lipídicos, más

226 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

(a) Pro–Glu–Trp–Ile–Trp–Leu–Ala–Leu–Gly–Thr–Ala–Leu–Met–Gly–Leu–Gly–Thr–Leu–Tyr–Phe–Leu–Val–Lys–Gly

Figura 8-7. Una hélice α transmembrana. a) Parte de la secuencia de aminoácidos
de la proteína bacteriorrodopsina. b) Estructura tridimensional de la misma secuencia.
Los residuos polares se muestran en púrpura, y los no polares, en verde.

polares. Residuos altamente polares como Asp, Glu, Lys y Arg a menudo señalan el
punto en que el polipéptido sale de la membrana y se expone al solvente (figura 8-7).

Muchas proteínas integrales de membrana contienen varias hélices α transmem-
brana juntas (figura 8-8). Estas hélices α interactúan de modo muy parecido a como
lo hacen las espirales arrolladas de la queratina (véase sección 5-2). Algunas de las
interacciones hélice-hélice implican el pareamiento electrostático de residuos polares,
pero la superficie del grupo de hélices –donde hacen contacto con las colas lipídicas–
es de manera predominante hidrófoba.

Una lámina β transmembrana tiene forma de barril

El polipéptido que cruzara la membrana como una cadena β dejaría sin satisfacer la
tendencia a formar enlaces de hidrógeno de sus grupos de esqueleto. No obstante, si
varias cadenas β juntas crean una lámina β con todos sus enlaces de hidrógeno for-
mados, pueden cruzar la membrana de una manera energéticamente favorable. A fin
de maximizar la formación de enlaces de hidrogeno, la lámina β debe cerrarse en sí
misma para formar un barril β.

El barril β más pequeño posible contiene ocho cadenas. La superficie externa del
barril incluye una banda, de unos 22 Å de ancho, de cadenas laterales hidrófobas.
Esta banda está flanqueada a cada lado por cadenas laterales aromáticas, que son más
polares y forman una interfaz con los grupos cabeza lipídicos (figura 8-9). Los barri-
les β más grandes, que contienen hasta 22 cadenas, a veces incluyen un pasaje central
lleno de agua que permite la difusión de pequeñas moléculas desde un lado de la
membrana hacia el otro (véase sección 9-2).

Debido a que las cadenas laterales de una lámina β apuntan de manera alternada
hacia cada lado, algunas cadenas laterales de un barril β señalan hacia el interior del

ESPACIO
EXTRACELULAR

Figura 8-8. Bacteriorrodopsina. Esta proteína integral de membrana consta de un Figura 8-9. Un barril β
haz de siete hélices α transmembrana conectadas por asas que se proyectan en la transmembrana. Las ocho cadenas de
solución a cada lado de la membrana. Las hélices se colorean en el orden del arco esta proteína de E. coli, conocida como
iris, de azul (extremo N terminal) a rojo (extremo C terminal). Las líneas OmpX, tienen desarrollados todos los
horizontales se aproximan a las superficies externas de la membrana. (Estructura (pdb enlaces de hidrógeno posibles en los
sitios en que abarcan el ancho de la
1QHJ) determinada por H. Belrhali, P. Nollert, A. Royant, C. Menzel, J.P. Rosenbusch, E.M. Landau bicapa. Las cadenas laterales hidrófobas
(verde) en la cara exterior del barril dan
y E. Pebay-Peyroula). hacia el centro de la bicapa. Los residuos
aromáticos (dorado) se localizan en
mayor medida cerca de los grupos
cabeza del lípido. (Estructura (pdb 1QJ9)

determinada por J. Vogt y G.E. Schulz).

8-3. Proteínas de membrana | 227

(a) O (b) O (c) O
HN CH2 C NH CH C NH CH C O CH3
CO CH2 CH2
S S
CO

(d) OϪ

OPO

OO

NH CH C NH CH2 CH2 HO

R HO OH H H
Figura 8-10. Enlace de lípidos en algunas proteínas unidas a lípido. Las proteínas HH
se muestran en azul, y las anclas de lípido en verde. Otros grupos se muestran en
púrpura. a) Miristoilación. b) Palmitoilación. c) Prenilación. El ancla de lípido es el HO
grupo farnesilo, de 15 carbonos. d) Enlace a un grupo glucosilfosfatidilinositol. Los
hexágonos representan diferentes residuos monosacárido. HO OH
O P OϪ
barril, y otras se dirigen hacia la bicapa lipídica. La CH2
ausencia de un tramo definido de residuos hidrófo- O O
bos, como en una hélice α transmembrana, hace
difícil detectar cadenas α transmembrana exami- CH CH2
nando una secuencia proteínica. O

Las proteínas unidas a lípido se CO CO
fijan a la membrana

Un segundo grupo de proteínas de membrana
consta de las proteínas unidas a lípido. Muchas
de ellas son proteínas por lo demás solubles que se
fijan a la bicapa lipídica por medio de un grupo lí-
pido unido de manera covalente. Unas pocas pro-
teínas unidas a lípido también contienen segmentos
polipeptídicos transmembrana; algunas contienen
un grupo grasoacilo. Por ejemplo, un residuo mi-
ristoilo (del ácido graso saturado de 14 carbonos
miristato) puede estar unido por un enlace amida al residuo Gly N terminal de una
proteína (figura 8-10a). Otras proteínas contienen un grupo palmitoilo (de un pal-
mitato de 16 carbonos) unido al azufre de una cadena lateral Cys vía un enlace tio-
éster (figura 8-10b). La palmitoilación, en contraste con la miristoilación, es
reversible in vivo. En consecuencia, las proteínas con un grupo miristoilo están fijas
de manera permanente a la membrana, pero las proteínas con un grupo palmitoilo
pueden hacerse solubles si se elimina el grupo acilo.

228 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

Otras proteínas unidas a lípido de las eucariotas están preniladas; esto es, contie- REPASO DE CONCEPTOS
nen un grupo isoprenoide de 15 o 20 carbonos unido a un residuo Cys C terminal • ¿Cuáles son los requerimientos
vía un enlace tioéter (figura 8-10C). El extremo C terminal también suele estar car-
boximetilado. de secuencia para una hélice α
transmembrana y un barril β?
Por último muchas eucariotas, en particular protozoarios, contienen proteínas • ¿Cuáles son las semejanzas
unidas a un grupo lípido-carbohidrato, conocido como glucosilfosfatidilinositol, en y diferencias entre proteínas
el extremo C terminal (figura 8-10d). Estas proteínas unidas a lípido casi siempre integrales de membrana,
apuntan a la cara externa de la célula y a menudo se encuentran en balsas de esfin- proteínas periféricas de
golípido-colesterol. membrana y proteínas unidas a
lípido?
8-4. Modelo del mosaico fluido

Las membranas biológicas constan de proteínas y lípidos, aunque la mezcla puede CONCEPTO CLAVE
no ser del todo aleatoria. Por ejemplo, determinados lípidos se asocian de manera • La estructura de una membrana
específica con ciertas proteínas, quizá para estabilizar la estructura de la proteína o
modular su actividad. Una proteína de membrana dada tiene una orientación carac- puede describirse como proteínas
terística; es decir, da hacia un lado de la membrana o hacia el otro. Una vez que ha que se difunden lateralmente
asumido su conformación y orientación maduras, no experimenta basculación por- dentro de una bicapa lipídica.
que esto requeriría el paso de grandes regiones polipeptídicas polares a través del
centro hidrófobo de la bicapa. Sin embargo, sigue siendo posible el movimiento la- A
teral. Una proteína integral de membrana o una proteína unida a lípido pueden di-
fundirse dentro del plano de la bicapa, aunque con más lentitud que un lípido de
membrana. Este tipo de movimiento es una característica clave del modelo de mo-
saico fluido de la estructura de la membrana descrito en 1972 por S. Jonathan
Singer y Garth Nicolson. Con base en su modelo, las proteínas de membrana son
como icebergs que flotan en un mar de lípido (figura 8-11).

El modelo del mosaico fluido ha conservado su validez general con el paso de los
años, aunque se le ha refinado. Por ejemplo, muchas proteínas de membrana no se
difunden con tanta libertad como se pensó en un principio. Sus movimientos son
obstaculizados en alguna medida, dependiendo de si interactúan con otras proteínas
de membrana o con elementos del citoesqueleto que se encuentran al otro lado de la
membrana. Así, una proteína de membrana dada puede estar inmóvil (si está fija de
manera firme al citoesqueleto), móvil dentro de un área pequeña (si está confinada
a un espacio definido por otra membrana y proteínas citoesqueléticas), o del todo
libre para difundirse (figura 8-12). La presencia de balsas lipídicas, otra característica
no descrita en el modelo de mosaico fluido original, puede definir aún más las fron-
teras para una proteína de membrana.

Proteína Carbohidrato

ESPACIO
EXTRACELULAR

B

CITOSOL Figura 8-12. Limitaciones sobre la
movilidad de las proteínas de
Figura 8-11. Modelo de mosaico fluido de una estructura membranosa. membrana. Una proteína (indicada
Conforme a este modelo, las proteínas integrales de membrana (azul) flotan en un mar como (A) que interactúa de cerca con el
de lípido y pueden moverse lateralmente, pero no realizar movimiento transversal citoesqueleto subyacente parece estar
(basculación). Las estructuras doradas son las cadenas de carbohidrato de glucolípidos inmóvil. Otra proteína (B) puede
y glucoproteínas. difundirse dentro de un espacio definido
por proteínas citoesqueléticas. Algunas
proteínas parecen difundirse por toda la
membrana sin restricciones.

8-4. Modelo del mosaico fluido | 229

Figura 8-13. Micrografía electrónica Las glucoproteínas de membrana dan hacia el exterior
de la superficie de un eritrocito. Las de la célula
cadenas de carbohidrato unidas a los
lípidos y proteínas de membrana dan Al igual que los lípidos de membrana, las proteínas de membrana se distribuyen de
a la célula una superficie externa difusa. manera asimétrica entre las dos hojas. Por ejemplo, la mayoría de las proteínas unidas
a lípido dan hacia el interior de la célula (las proteínas unidas a glucosilfosfatidilino-
(Cortesía de Harrison Latta, UCLA). sitol son una excepción). La cara externa de la membrana en las células de los verte-
brados es rica en glucolípidos; lipidos unidos a carbohidrato (como cerebrósidos y
gangliósidos) y glucoproteínas. Las cadenas de oligosacáridos (polímeros de residuos
monosacárido) que se unen de manera covalente a lípidos y proteínas de membrana
envuelven la célula en una capa difusa (figura 8-13). Cuando están del todo solvata-
dos, los carbohidratos altamente hidrófilos tienden a ocupar un gran volumen.

Como se verá en el capítulo 11, los residuos monosacárido pueden unirse entre sí
de distintas maneras y en secuencias potencialmente ilimitadas. Esta diversidad, pre-
sente tanto en glucolípidos como en glucoproteínas, es una forma de información
biológica. Por ejemplo, el bien conocido sistema de grupos sanguíneos ABO se basa
en diferencias en la composición de los carbohidratos en los glucolípidos y las gluco-
proteínas de los eritrocitos. Al parecer, muchas células se reconocen entre sí a través
de interacciones mutuas entre proteínas de membrana.

REPASO DE CONCEPTOS
• Describa el modelo de mosaico fluido para la estructura de la membrana.
• ¿Qué factores limitan la movilidad de las proteínas de membrana?
• ¿Por qué las glucoproteínas y glucolípidos dan hacia el exterior de la célula?

RESUMEN

8-1. Lípidos • Los lípidos de membrana pueden difundirse con libertad
lateralmente, pero experimentan difusión transversal con
• Los lípidos son moléculas en mayor medida hidrófobas. Los mucha lentitud. Las membranas pueden contener balsas
ácidos grasos pueden esterificarse para formar triacilgliceroles. cristalinas formadas por colesterol y esfingolípidos.

• Los glicerofosfolípidos contienen dos grupos grasoacilo unidos 8-3. Proteínas de membrana
a un esqueleto de glicerol que porta un grupo cabeza deri-
vado, de fosfato. Las esfingomielinas son funcionalmente • Una proteína integral de membrana atraviesa la bicapa lipí-
similares, pero carecen de esqueleto de glicerol. El colesterol dica como una o más hélices α o un barril β. Algunas pro-
y algunos lípidos son isoprenoides. teínas de membrana están fijas en la bicapa por un grupo
lipídico unido de manera covalente.
8-2. Bicapa lipídica
8-4. Modelo de mosaico fluido
• Las bicapas lipídicas son estructuras dinámicas. Su fluidez
depende de la longitud y el grado de saturación de sus gru- • Conforme al modelo de mosaico fluido, las proteínas de
pos grasoacilo: las cadenas más cortas y menos saturadas membrana se difunden dentro del plano de la bicapa. La mo-
son más fluidas. El colesterol ayuda a mantener la fluidez de vilidad de las proteínas puede ser limitada por su interacción
la membrana en una gama de temperaturas. con proteínas del citoesqueleto. Los glucolípidos y glucopro-
teínas de membrana dan hacia el exterior de la célula.

GLOSARIO esfingolípido modelo de mosaico fluido
esfingomielina proteína integral (intrínseca)
ácido graso glicerofosfolípido proteína periférica (extrínseca)
ácido graso insaturado glucolípido proteína unida a lípido
ácido graso saturado glucoproteína punto de fusión
anfipático grupo acilo translocasa (flipasa)
balsa isoprenoide triacilglicerol (triglicérido)
barril β lípido vesícula
bicapa lipídica liposoma vitamina
difusión lateral
difusión transversal (basculación)

230 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

PROBLEMAS

8-1. Lípidos 7. La dipalmitilfosfatidilcolina (DPPC) es el principal lípido del
agente tensoactivo (surfactante) pulmonar, una mezcla de proteínas
1. La estructura de los ácidos grasos puede representarse en una y lípidos esencial para el funcionamiento de los pulmones. La pro-
forma abreviada consistente en dos números separados por dos puntos. ducción de agente tensoactivo en el feto en desarrollo es baja hasta
El primer número es el número de carbonos; el segundo es el número poco antes del nacimiento, de modo que los lactantes pueden pre-
de dobles enlaces. Por ejemplo, el palmitato se representaría como sentar dificultad respiratoria si nacen prematuramente. Trace la es-
16:0. Para ácidos grasos insaturados se emplea la cantidad n-x, donde tructura de la DPPC.
n es el número total de carbonos y x es el último carbono con doble
enlace contando desde el extremo metilo. A menos que se indique 8. Una esfingosina variante inusual se aisló hace poco del nervio del
otra cosa, se supone que los dobles enlaces son cis y que un grupo calamar Loligo pealeii. Su nombre químico es 9-metil-4,8,10-octa-
metileno separa cada doble enlace. Por ejemplo, el oleato se represen- decatrieno-1,3-diol. Trace la estructura de esta esfingosina variante.
taría 18:1n-9. Empleando la forma abreviada como guía, trace las
estructuras de los siguientes ácidos grasos: 9. ¿Cuál o cuáles de los glicerofosfolípidos de la página 218 tienen
grupos cabeza formadores de enlaces de hidrógeno?
a) miristato 14:0
b) palmitoleato 16:1n-7 10. ¿Cuál o cuáles de los glicerofosfolípidos de la página 218 tie-
c) α-linolenato 18:3n-3 nen carga? ¿Cuáles son neutros?
d) docosahexaenoato 22:6n-3
11. En algunas enfermedades autoinmunitarias, un individuo de-
2. Algunas especies de plantas contienen enzimas desaturasas ca- sarrolla anticuerpos que reconocen constituyentes celulares como el
paces de producir ácidos grasos no existentes en el reino animal. Un DNA y fosfolípidos. Algunos de los anticuerpos en realidad reaccio-
ejemplo de ácido graso inusual es el esciadonato, que se designa nan tanto con el DNA como con fosfolípidos. ¿Cuál es la base bio-
20:3Δ5,11,14. Ésta es una nomenclatura abreviada distinta de la des- química de esta reactividad cruzada?
crita en el problema 1. Los superíndices se refieren a la posición de
los dobles enlaces comenzando en el extremo carboxilo. Esta forma 12. En la figura 8-1 se muestran los puntos de ataque de varias
de nomenclatura abreviada es menos común, pero se usa a veces fosfolipasas. Trace los productos de las siguientes reacciones:
cuando las posiciones de los dobles enlaces no siguen el patrón des-
crito en el problema 1. Utilizando esta abreviatura como guía, trace a) fosfatidilserina + fosfolipasa A1
la estructura del esciadonato. b) fosfatidilcolina + fosfolipasa C
c) fosfatidilglicerol + fosfolipasa D
3. En las plantas se han encontrado varios cientos de ácidos grasos
inusuales. Algunos de ellos son inusualmente cortos o largos; algu- 13. La comida india elaborada con chiles picantes a veces se
nos tienen dobles enlaces en posiciones inesperadas (véase el proble- acompaña de un platillo secundario a base de yogur de leche entera.
ma 2); otros tienen grupos funcionales adicionales. Estos ácidos ¿Por qué es preferible comer una cucharada de yogur a beber agua
grasos son importantes como materiales de partida en la síntesis in- después de un bocado de comida picante?
dustrial de lubricantes y polímeros. Utilizando lo que ha aprendido
acerca de notación abreviada en los problemas 1 y 2, trace las estruc- 14. Olestra® es un lípido sintético que pasa por el intestino sin
turas de los siguientes ácidos grasos vegetales inusuales: digerir y se usa para hacer frituras y bocadillos“bajos en calorías”.
Antes de su aprobación, la FDA instruyó a Procter & Gamble, el fa-
a) ácido erúcico (22:1Δ13) bricante, para que agregara vitaminas A, D y K a los productos que
b) ácido caléndico (18:3Δ8trans,10trans, 12cis) contuvieran el lípido sintético. Explique.
c) ácido ricinoleico (12-hidroxi-18:1Δ9)
8-2. Bicapa lipídica
4. Los organismos marinos también son buena fuente de ácidos
grasos inusuales, con propiedades terapéuticas potenciales. Un mo- 15. El lípido que se muestra se conoce como plasmalógeno.
noacilglicerol aislado de una esponja contenía ácido 10-metil-9-cis-
octadecenoico y su ácido graso componente, esterificado a C1 de OϪ (CH2)2 CH3
glicerol. Trace la estructura del monoacilglicerol. OPO Nϩ CH3

5. Trace la estructura de la tripalmitina, un triacilglicerol que con- O CH3
tiene tres grupos palmitato. H2C CH CH2

6. Los fosfatidilinositoles (PI) son glicerofosfolípidos importantes OO
en la señalización celular. Trace la estructura de un PI, dada la estruc-
tura del mio-inositol. El grupo hidroxilo implicado en la formación
del enlace entre el inositol y el grupo fosfato se encierra en un círculo.

CH C O

OH H CH R

OH OH R
H HO H
OH H

H

H OH a) ¿En qué difiere de un glicerofosfolípido?
b) ¿Tendría la presencia de este lípido un efecto impresionante
mio-Inositol en una bicapa que sólo contuviera fosfatidilcolina?

Problemas | 231

16. Utilice un diagrama simple como el de la figura 8-4 para mos- 24. El fitol es un alcohol producido a partir de clorofila que forma
trar por qué la curvatura de una bicapa sería afectada al sustituir un parte de la alimentación de los mamíferos que consumen la planta.
glicerofosfolípido con dos cadenas acilo saturadas por otro con dos El fitol se convierte en ácido fitánico en un proceso de tres pasos, y
cadenas acilo altamente insaturadas. luego se oxida para la obtención de energía metabólica. Existen erro-
res innatos del metabolismo en los cuales una de las enzimas de la vía
17. ¿Por qué los triacilgliceroles no pueden formar una bicapa lipídica? de oxidación es defectuosa. En estos individuos, el ácido fitánico se
acumula en las membranas de las células nerviosas y causa trastornos
18. Los eritrocitos se lisan (rompen) cuando se tratan con fosfoli- neurológicos. ¿Qué efecto tendría la presencia de ácido fitánico en la
pasa A1, una enzima presente en el veneno de muchos insectos. ¿Por fluidez de las membranas de las células nerviosas?
qué el tratamiento con la enzima causa la destrucción de la membrana
eritrocítica?

19. En el cuadro se muestran los puntos de fusión de algunos
ácidos grasos saturados e insaturados comunes. ¿Cuáles factores im-
portantes influyen en el punto de fusión de un ácido graso?

OH

Ácido graso Punto de fusión (°C) Fitol (3,7,11,15-tetrametil-2-hexadecen-1-ol)

Laurato (12:0) 44.2 O
Linoleato (18:2) Ϫ9
Linolenato (18:3) Ϫ17 OϪ
Miristato (14:0) 52
Oleato (18:1) 13.2 Ácido fitánico (ácido 3,7,11,15-tetrametilhexadecanoico)
Palmitato (16:0) 63.1
Estearato (18:0) 69.1

20. Ordene los puntos de fusión de los siguientes ácidos grasos: 25. Las bacterias del género Lactobacillus producen ácido lactoba-
cílico, un ácido graso de 19 carbonos que contiene un anillo ciclo-
H3C (CH2)7 (CH2)7 COOϪ propano. ¿Es el punto de fusión de este ácido graso más parecido al
H CC del estearato (18:0) o al del oleato (18:1)? Explique.

H HH
C
cis -Oleato
CH CH
H3C (CH2)7 H COOϪ

CC COOϪ
H (CH2)7

trans-Oleato

a) cis-oleato (18:1) 26. Las bacterias suelen cultivarse a una temperatura de 37 °C.
b) trans-oleato (18:1) ¿Qué ocurrirá con la composición de la membrana lipídica si la tem-
c) linoleato (18:2) peratura se incrementa a 42 °C?

21. Los triacilgliceroles de los animales tienden a ser sólidos (gra- 27. Una membrana que consta sólo de fosfolípidos experimenta
sas), mientras que los propios de las plantas tienden a ser líquidos una transición abrupta de la forma cristalina a la forma fluida al ca-
(aceites) a temperatura ambiente. ¿Qué puede concluir acerca de la lentarse. Sin embargo, una membrana que contiene 80% de fosfolí-
naturaleza de las cadenas de ácidos grasos en los triacilgliceroles ani- pido y 20% de colesterol presenta un cambio gradual de la forma
males y vegetales? cristalina a la fluida cuando se calienta en el mismo intervalo de
temperatura. Explique por qué.
22. El aceite de cacahuate contiene un alto porcentaje de triacil-
gliceroles monoinsaturados (tienen cadenas acilo con sólo un doble 28. ¿Por qué es máxima la fluidez en el centro de una bicapa lipídica?
enlace), mientras que el aceite vegetal contiene un porcentaje mayor
de triacilgliceroles poliinsaturados (tienen cadenas acilo con más de 29. Las plantas pueden sintetizar ácidos trienoicos (ácidos grasos con
un doble enlace). Una botella de aceite de cacahuate y una de aceite tres dobles enlaces) introduciendo otro doble enlace en un ácido die-
vegetal se almacenan en una despensa empotrada en una pared que noico. ¿Esperaría usted que las plantas que crecen a temperaturas más
da al exterior. Durante una onda gélida, el aceite de cacahuate se altas convirtieran más de sus ácidos dienoicos en ácidos trienoicos?
congela, pero el aceite vegetal permanece líquido. Explique por qué.
30. Chorispora bungeana es una planta bien adaptada a tempera-
23. Los lípidos de membrana en muestras de tejido obtenidas de turas congelantes. Los individuos cultivados a –4 °C presentaron
diferentes partes de una pierna de reno presentan diferente compo- mayor porcentaje de ácidos grasos 18:3 comparados con los testigos
sición de ácidos grasos. La proporción de cadenas de ácidos grasos cultivoados a 25 °C. El incremento en ácidos grasos 18:3 se acom-
insaturadas aumenta desde la parte superior de la pierna hacia el pañó de un decremento de ácidos grasos 18:0, 18:1 y 18:2. Propon-
casco. Explique esta observación. ga una hipótesis consistente con estos datos.

31. La distribución de los lípidos en las membranas es asimétrica.
La fosfatidilserina (PS) sólo se encuentra en la hoja de la bicapa lipí-
dica que da al citosol. También es más probable encontrar fosfatidi-

232 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

letanolamina (PE) en esa hoja. En contraste, fosfatidilcolina (PC) y C H2N O
esfingomielina (SM) tienen mayor probabilidad de encontrarse en la
hoja extracelular de la bicapa lipídica. OC
NH
a) ¿Qué grupo funcional tienen en común PS y PE? CH2
CH2
b) ¿Qué grupo funcional tienen en común PC y SM? O

c) ¿Tiene mayor probabilidad de poseer carga un lado de la −O P O
membrana que el otro, o ambos lados tienen la misma carga? O

32. Se estudió una enzima fosfolípido “flipasa” de los eritrocitos. O P O−
Los experimentos mostraron que la flipasa transpone fosfolípidos de
la hoja exrtacelular a la citosólica de la membrana. La flipasa mostró O
preferencia por fosfatidilserina, y transpuso fosfatidiletanolamina
con mayor lentititud. No transpuso fosfatidiletanolamina. La trans- H2C CH CH2
posición no ocurrió en células privadas de ATP o iones magnesio. OO
Tampoco ocurrió si las células se trataban con un reactivo que alqui-
lara grupos sulfhidrilo. Escriba una descripción de un párrafo que OCCO
incluya las características esenciales de la flipasa. ¿Son estas observa-
ciones consistentes con los datos del problema 31? Hoja
externa

8-3. Proteínas de membrana Hoja CH3
interna CH3
33. Para purificar proteínas transmembrana deben agregarse de- CH3
tergentes a los amortiguadores, a fin de solubilizar las proteínas. CO S
O CH2
a) ¿Por qué las proteínas transmembrana serían insolubles en
ausencia del detergente? A B
b) Trace un esquema que muestre el modo en que el detergente
dodecilsulfato sódico intractúa con una proteína transmembrana.

34. Utilice el diagrama simplificado de la membrana plasmática
para responder las siguientes preguntas eligiendo el componente A,
B, C, D o E.

A B 36. El citocromo c, una proteína de la cadena de transporte de
Medio extracelular electrones presente en la membrana mitocondrial interna, puede ex-
traerse por medios relativamente suaves, como la extracción con so-
E C lución salina. En contraste, la citocromo oxidasa de la misma fuente
D sólo es susceptible a la extracción en soluciones detergentes o solven-
tes orgánicos. ¿Qué tipo de proteínas de membrana son el citocro-
mo c y la citocromo oxidasa? Explique. Muestre de manera esque-
mática el aspecto de cada proteína en la membrana.

37. La glucoforina A es una proteína integral de membrana de
131 residuos que incluye un segmento transmembrana. Identifique
el segmento en la secuencia de aminoácidos de la glucoforina A (con
abreviaturas de una letra):

a) Este componente podría ser una glucoproteína. LSTTEVAMHT TTSSSVSKSY ISSQTNDTHK
b) Es probable que este componente pueda separarse de los otros RDTYAATPRA HEVSEISVRT VYPPEEETGE
mediante lavado simple de la membrana con soluciones salinas RVQLAHHFSE PEITLIIFGV MAGVIGTILL
neutras (condiciones suaves). ISYGIRRLIK KSPSDVKPLP SPDTDVPLSS
c) A fin de separar este componente de los otros, se requieren VEIENPETSD Q
condiciones drásticas, por ejemplo detergentes fuertes.
d) Este componente es el único que podría unirse a iones sodio y 38. Las proteínas que forman un barril β transmembrana siempre
transportarlos de un lado a otro de la membrana. tienen un número par de cadenas β.
e) Este componente podría ser una ceramida o un gangliósido.
f ) Este componente podría ser capaz de bascular de manera a) Explique por qué.
transversal con ayuda de una flipasa.
b) ¿Por qué son antiparalelas las cadenas?
35. Identifique cada tipo de proteína unida a lípido en el siguiente c) ¿Sería posible que algunas fueran paralelas?
dibujo.
39. Las hormonas peptídicas deben unirse a receptores en la su-
perficie extracelular de sus células blanco antes de que sus efectos se
comuniquen al interior de la célula. En contraste, los receptores para

Problemas | 233

hormonas esteroideas como el estrógeno son proteínas intracelula- proteína
res. ¿Por qué es esto posible?
“Relleno”
40. Se sabe que la melitina, un péptido de 26 aminoácidos, se de lípido
asocia con membranas. La presencia de un residuo triptófano en el
péptido permite el uso de espectroscopia de fluorescencia para vigi- Proteína
lar la estructura que la melitina asume cuando se asocia a una mem-
brana. Se crearon membranas artificiales con fosfatidilcolina (PC) 43. En un famoso experimento, Michael Edidin marcó las proteí-
esterificada mediante palmitato (16:0) en la posición 2. Los lípidos nas de la superficie de células murinas (de ratón) y humanas con
en la posición 2 variaron. Se observó que la conformación de la etiquetas fluorescentes verdes y rojas, en ese orden. Los dos tipos de
melitina era restringida cuando se asociaba a PC que contenía oleato células se indujeron a fusionarse, formando células híbridas. Inme-
(18:1) en la posición 2. Pero cuando los lípidos contenían araquido- diatamente después de la fusión, las etiquetas verdes podían verse en
nato (20:4) en la posición 2, el péptido melitina estaba menos res- la superficie de la mitad de las células híbridas, y las etiquetas rojas
tringido en su conformación. Proponga una hipótesis consistente en la otra mitad. Después de 40 min de incubación a 37 °C, las eti-
con los resultados observados. quetas verdes y rojas se entremezclaron en toda la superficie de la
célula híbrida. Si las células híbridas se incubaran a 15 °C, esta mez-
8-4. Modelo de mosaico fluido cla no ocurriría. Explique estas observaciones y por qué apoyan el
modelo de mosaico fluido para la estructura de la membrana.
41. A principios del siglo XX, Charles Overton observó que alco-
holes alifáticos de bajo peso molecular, éter, cloroformo y acetona 44. En estudios de recuperación tras flotoblanqueado por fluores-
atravesaban con facilidad las membranas, mientras que azúcares, cencia, se fijan grupos fluorescentes a componentes de la membrana
aminoácidos y sales no lo hacían. Ésta fue una noción radical en ese de una célula. Un haz láser intenso concentrado en un área muy
tiempo, dado que la mayoría de los científicos creía que las membra- pequeña destruye (blanquea) los fluoróforos en esa área. ¿Qué ocu-
nas eran impermeables a todos los compuestos excepto el agua. rre con la fluorescencia en esa área con el tiempo?

a) Utilizando lo que sabe sobre la estructura de las membranas,
explique los resultados de Charles Overton.
b) Proponga una hipótesis que explique el modo en que la
molécula de agua, polar, podría transportarse de un lado a otro
de una membrana.

42. En 1935 Davson y Danielli describieron un “modelo de sánd-
wich” para la estructura de la membrana en el que proponían que la
membrana consistía en capas externa e interna de proteína (el pan
del sándwich) con un “relleno” de lípido. Este modelo ya no se acep-
ta, debido a inconsistencias con los datos experimentales. Utilizando
lo que sabe sobre la estructura de la membrana, explique algunas de
las deficiencias del modelo de sándwich.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Edidin M: Lipids on the frontier: a century of cell-membrane Schulz GE: b-Barrel membrane proteins, Curr. Opin. Struct.
bilayers, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003;4:414–418. [Revisa bre- Biol. 2000;10:443–447. [Revisa los principios básicos de cons-
vemente la historia del estudio de las membranas.] trucción de los barriles β transmembrana, incluido el más peque-
ño, un barril de ocho cadenas.]
Engel A, Gaub HE: Structure and mechanics of membra-
ne proteins, Annu. Rev. Biochem. 2008;77:127–148. [Analiza van Meer G, Voelker DR, Feigenson GW: Membrane lipids:
nuevas técnicas para examinar las estructuras de las proteínas de where they are and how they behave, Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
membrana.] 2008;9:112–124. [Revisa las estructuras y funciones de los lípi-
dos de membrana, incluidas su asimetría y sus fases de gel.]
Popot J-L, Engelman DM: Helical membrane protein folding,
stability, and evolution, Annu. Rev. Biochem. 2000;69:881–922.
[Muestra varias estructuras proteínicas y analiza muchas caracte-
rísticas de las proteínas transmembrana.]

234 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

TRANSPORTE capítulo
DE MEMBRANA
9

El calamar Loligo pealeii es una fuente de neuronas gigantes
–hasta 1 mm de diámetro– que los neurobiólogos han estudiado
por decenios. La neurona gigante controla la contracción de
músculos que son parte del sistema de propulsión a chorro del
calamar. Dado que el tamaño de una neurona se correlaciona con
la velocidad con que puede transmitir una señal, el calamar está
extraordinariamente adaptado para escapar con rapidez de sus
depredadores.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

UUna vez analizada la estructura de las membranas en el capítulo 8, ahora se estudia-
rán sus funciones. En este capítulo se utilizarán las señales nerviosas para presentar
las actividades de algunas proteínas de membrana que evitan la barrera lipídica al
proporcionar vías para el movimiento de solutos de un lado a otro de la membrana.
Además, algunas proteínas de membrana median cambios en la estructura de la
membrana relacionados con la fusión de vesículas. El estudio de las proteínas de
transporte se basa en el estudio de las enzimas (véase capítulo 6) porque el trans-
portador actúa como catalizador para acelerar el paso de una sustancia a través de
una membrana. En algunos casos, el movimiento es impulsado por la energía libre
de un gradiente; en otros casos, se requiere una fuente de energía libre, como ATP.
En capítulos posteriores se verá la importancia de los transportadores para permitir
la realización de procesos metabólicos en diferentes compartimentos celulares. ■

| 235

El funcionamiento del sistema nervioso depende de la capacidad de las neuronas de
transmitir señales de una célula a otra. Este fenómeno es de naturaleza fundamental-
mente eléctrica y se debe al flujo regulado de partículas con carga de un lado a otro
de las membranas plasmáticas celulares. Como se describió en la sección 2-2, todas
las células animales –incluidas las neuronas– mantienen concentraciones iónicas in-
tracelulares que difieren de las que prevalecen fuera de la célula (véase figura 2-13).
Por ejemplo, las concentraciones intracelulares de iones de sodio son menores que
las extracelulares. Ocurre lo contrario con los iones de potasio. Las cargas positivas
de estos cationes son balanceadas en mayor medida por iones de cloruro extracelula-
res y por proteínas intracelulares (muchas de las cuales tienen carga neta negativa).

Las distribuciones de los iones de Na+ y K+ no están en equilibrio. Para alcanzar-
lo, tendría que entrar Na+ en la célula, moviéndose de manera espontánea a favor de
su gradiente de concentración. De modo similar, tendría que salir K+ de la célula,
también moviéndose a favor de su gradiente de concentración (figura 9-1). Sin em-
bargo, las distribuciones de los iones no cambian, porque la membrana plasmática
constituye una barrera para su difusión. Las proteínas que establecen y mantienen
los gradientes y las que permiten que los iones se desplacen a favor de sus gradientes
son esenciales para la señalización neuronal.

9-1. Termodinámica del transporte de membrana

CONCEPTOS CLAVE Aunque las membranas de los mamíferos son en gran medida impermeables a los
• Durante un impulso nervioso, los iones, un pequeño porcentaje de los iones de K+ se filtran hacia fuera de la célula. El
movimiento de los iones de K+ y otros coloca relativamente más cargas positivas
movimientos iónicos modifican
el potencial de membrana, fuera de la célula y deja relativamente más cargas negativas dentro de ella. El des-
produciendo un potencial de acción
que viaja a lo largo del axón. equilibrio de cargas resultante, aunque pequeño, genera un voltaje de un lado a otro
• Los transportadores se rigen por de la membrana, lo que se denomina potencial de membrana Δψ. En el caso más
las leyes de la termodinámica, y simple, Δψ depende de la concentración iónica a cada lado de la membrana:
constituyen un medio para que
los solutos se desplacen a favor de ⌬␺ ϭ RT 1n [ ion ]dentro [9-1]
sus gradientes de concentración o Z [ ion ]fuera
usando ATP para mover sustancias
contra esos gradientes. donde R es la constante de los gases (8.3145 J · K–1 · mol–1), T es la temperatura

Na+ K+ en kelvins (20 °C = 293 K), Z es la carga neta por ion, y es la constante de Fara-
day, la carga de un mol de electrones (96 485 coulombs · mol–1 o bien 96 485 J ·
Membrana V–1 · mol–1). Δψ se expresa en unidades de volts (V) o milivolts (mV). Para un ion
plasmática
monovalente (Z = 1) a 20 °C, la ecuación se reduce a

⌬␺ ϭ 0.058 log10 [ ion ]dentro
[ ion ]fuera
[9-2]

Se utiliza la ecuación 9-2 para calcular el potencial de
membrana cuando se conoce la concentración iónica.

Figura 9-1. Distribución de los iones En una neurona, el potencial de membrana es en realidad una función más compli-
cada de las concentraciones y las permeabilidades de membrana de varios iones dis-
de Na+ y K+ en una célula animal. La tintos, aunque K+ es el más importante (ejemplo de cálculo 9-1).
concentración extracelular de Na+ (de
alrededor de 150 mM) es mayor que la Los movimientos de iones modifican el potencial de
intracelular (de unos 12 mM), mientras membrana
que la concentración extracelular de K+
(de alrededor de 4 mM) es menor que la La mayoría de las células animales mantienen un potencial de membrana aproxi-
intracelular (de unos 140 mM). Si la mado de –70 mV. El signo negativo indica que el interior (el citosol) es más negativo
membrana plasmática fuera del todo que el exterior (el líquido extracelular). Un flujo súbito de iones a través de la mem-
permeable a los iones, el Na+ fluiría brana celular puede modificar en grado extremo el potencial de membrana, y esto es
hacia dentro de la célula a favor de su lo que ocurre cuando una neurona se activa o “descarga”.
gradiente de concentración (flecha
púrpura), y el K+ fluiría hacia fuera de la
célula a favor de su gradiente de
concentración (flecha anaranjada).

236 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

EJEMPLO DE CÁLCULO 9-1 PROBLEMA
SOLUCIÓN
Calcular la concentración intracelular de Na+ cuando la concentración extracelular
es de 160 mM y el potencial de membrana es de –50 mV a 20 °C.

Se utiliza la ecuación 9-2 y se despeja [Na+]dentro:

Cuando se estimula un nervio, ya sea de manera mecánica o mediante una señal

en última instancia originada en uno de los órganos sensoriales, se abren canales de Na+

en la membrana plasmática. De inmediato ingresan en la célula iones de sodio, dado

que su concentración dentro es menor que afuera. El movimiento de ingreso de Na+

hace al potencial de membrana más positivo, es decir, que se incrementa desde su

valor de reposo de –70 mV hasta incluso +50 mV. Esta inversión del potencial de

membrana, o despolarización, es lo que se llama potencial de acción.

Los canales de Na+ permanecen abiertos menos de 1 mseg. Sin embargo, el po-

tencial de acción ya se ha generado, y tiene dos efectos. Primero, induce la apertura

de canales de K+ controlados por voltaje cercanos (estos canales sólo se

abren en respuesta al cambio de potencial de membrana). Los canales Potencial de membrana (mV) + 60 Potencial de acción
de K+ abiertos permiten la difusión de iones de K+ hacia fuera de la + 40
célula, siguiendo su gradiente de concentración. Esta acción restablece + 20 Permeabilidad al Na+
el potencial de membrana a alrededor de –70 mV (figura 9-2).
0 Permeabilidad
El potencial de acción también estimula la apertura de canales de al K+

Na+ adicionales más adelante en el axón (la porción alargada de la neu- − 20 1 23 4
Tiempo (mseg)
rona). Esto induce otra ronda de despolarización y repolarización, y − 40
Figura 9-2. Un potencial de acción.
luego otra. De este modo, el potencial de acción viaja a lo largo del − 60 La membrana de la neurona
experimenta despolarización cuando los
axón. La señal no puede retroceder, porque una vez que los canales ió- − 80 canales de Na+ se abren (línea
nicos se han cerrado, permanecen así por unos pocos milisegundos. discontinua verde), y luego se
repolarizan cuando se abren los canales
Estos sucesos se resumen en la figura 9-3. 0 de K+ (línea discontinua roja). Después
del potencial de acción, la membrana
En los mamíferos, los potenciales de acción se propagan con extre- puede estar hiperpolarizada (Δψ < –70
mV) pero vuelve a la normalidad en
ma rapidez debido a que los axones están aislados por la llamada vaina unos pocos milisegundos.

de mielina. Esta estructura consta de varias capas de membrana, deri-

vadas de otra célula, que se enrrollan en el axón (figura 9-4). La vaina de mielina es

rica en esfingomielinas y contiene poca proteína (alrededor de 18%; otros tipos de

membranas contienen hasta 75% de proteína). Dado que la vaina de mielina impide

los movimientos iónicos excepto en los puntos o nódulos entre segmentos mielini-

zados del axón, el potencial de acción parece saltar de un nódulo al otro, y se propa-

ga unas 20 veces más rápido que en un axón no envuelto. El deterioro de la vaina de

mielina en enfermedades como la esclerosis múltiple da por resultado la pérdida

progresiva del control de los movimientos.

9-1. Termodinámica del transporte de membrana | 237

Figura 9-3. Propagación de un Estímulo
impulso nervioso.

−70 mV Axón
Na+ Por sencillez, se supone que el estímulo se origina

en el punto en que el axón sale del cuerpo de la
neurona. El estímulo abre canales de Na + en la

membrana.

+50 mV

La entrada de Na + causa despolarización, que
induce la apertura de canales de K + sensibles a
voltaje. La salida de K + restablece el potencial de

reposo.

−70 mV La despolarización inicial también induce la apertura
K+ de canales de Na + adicionales, y luego de
canales de K +, más adelante en el axón.
Na+

K+ El potencial de acción avanza a lo largo del axón como
una onda de despolarización y repolarización. El potencial
de acción viaja en un solo sentido porque los canales
antes abiertos se han cerrado y así permanecen.

Na+

K+
Dirección del impulso

Axón

Figura 9-4. Mielinización de un axón. Diagrama de corte transversal que muestra el
modo en que la célula accesoria se enrrolla alrededor del axón, de manera que múltiples
capas de su membrana plasmática cubren el axón.

238 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

El movimiento transmembrana de iones es mediado
por transportadores

Los canales de Na+ y K+ que participan en la propagación de un potencial de acción
son sólo dos miembros de un grupo grande de proteínas de transporte que se encuen-
tran en las membranas plasmáticas de todas las células y en las membranas internas de
las eucariotas. Las proteínas de transporte reciben diversos nombres, dependiendo de ma-
nera un tanto arbitraria de su modo de acción: transportadores, translocasas, permea-
sas, poros, canales y bombas, por mencionar sólo algunos. Estas proteínas también
pueden clasificarse por el tipo de sustancia que transportan de un lado a otro de la
membrana y por el hecho de si siempre están abiertas o son controladas (se abren sólo
cuando se les estimula). Sin embargo, la distinción más importante entre las proteínas
de transporte radica en si requieren o no una fuente de energía libre para funcionar.
Los canales de Na+ y K+ neuronales se consideran transportadores pasivos porque
constituyen un medio para el desplazamiento de iones a favor de un gradiente de con-
centración, que es un proceso termodinámicamente favorable.

Para cualquier proteína de transporte que opere con independencia de los efectos
del potencial de membrana, el cambio de energía libre para el movimiento trans-
membrana de una sustancia X desde fuera hacia dentro es:

⌬G ϭ RT ln [ X ]dentro [9-3]
[ X ]fuera

En consecuencia, el cambio de energía libre es negativo (el proceso es espontáneo)
sólo cuando X se desplaza desde una zona de alta concentración en el lado externo
de la membrana hacia una zona de baja concentración en el lado interno de la mem-
brana (ejemplo de cálculo 9-2).

EJEMPLO DE CÁLCULO 9-2 PROBLEMA
SOLUCIÓN
Demostrar que ΔG < 0 cuando se desplazan iones de Ca2+ del retículo endoplasmá-
tico (donde [Ca2+] = 1 mM) al citosol (donde [Ca2+] = 0.1 μM).

El citosol es dentro y el retículo endoplásmico es fuera.

⌬G ϭ RT ln [ Ca2ϩ ] dentro
[ Ca2ϩ ] fuera

(10Ϫ7 )
⌬G ϭ RT ln (10Ϫ3)

⌬G ϭ RT (Ϫ9.2)

Dado que el logaritmo de (10–7/10–3) es una cantidad negativa, ΔG también es
negativo.

La presencia de un potencial de membrana añade un término a la ecuación:

⌬G ϭ RT ln [ X ]dentro ϩ Z ⌬␺ [9-3]
[ X ]fuera

Se utiliza la ecuación 9-4 para determinar el cambio de energía
libre que ocurre al transportar un ion, donde fuera es la ubi-
cación inicial del ion y dentro es la ubicación final.

Si la sustancia que se transporta es un ion con carga Z, es posible que su transporte no sea
favorable desde el punto de vista termodinámico, dependiendo del potencial de mem-
brana (Δψ), incluso si el gradiente de concentración por sí solo favorece el transporte.

9-1. Termodinámica del transporte de membrana | 239

En contraste con los canales iónicos pasivos de las neuronas, la proteína que en
un principio establece y mantiene los gradientes de Na+ y K+ de la célula es un trans-
portador activo que necesita energía libre de ATP para desplazar iones contra sus
gradientes de concentración. En la siguiente sección se examinarán diversos tipos de
proteínas de transporte. Debe tenerse presente que las moléculas no polares pequeñas
pueden cruzar una membrana sin ayuda de ninguna proteína de transporte; de ma-
nera simple ellas se difunden a través de la bicapa lipídica.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Qué es el potencial de membrana?
• ¿Cuál es la función de la membrana celular en el mantenimiento del potencial de

membrana?
• Describa cómo se genera y propaga un potencial de acción.
• ¿Cuándo es termodinámicamente favorable el movimiento transmembrana de

una sustancia? ¿Qué ocurre si la sustancia es un ion?
• Resuma la diferencia entre transporte activo y pasivo.

9-2. Transporte pasivo

CONCEPTOS CLAVE Se han descrito transportadores de un tipo u otro para cada sustancia que no puede
• Las porinas son canales difundirse con facilidad por sí sola a través de una bicapa. Algunos transportadores
crean una simple abertura en la membrana, mientras que los transportadores más
constituidos por barriles β con complicados funcionan de modo muy parecido a las enzimas. Se comienza la expo-
alguna selectividad de soluto. sición con las porinas, los transportadores más simples.
• Los canales iónicos incluyen un
filtro de selectividad y pueden ser Las porinas son proteínas en forma de barril β
controlados.
• Las proteínas de transporte Las porinas se localizan en las membranas externas de bacterias, mitocondrias y
alternan entre conformaciones cloroplastos (algunas bacterias y organelos que se originaron de ellas tienen una se-
para exponer sitios de unión a gunda membrana externa además de la membrana que contiene el citosol). Todas las
cada lado de la membrana. porinas conocidas son trímeros en los cuales cada subunidad forma un barril β trans-
membrana de 16 o 18 cadenas (figura 9-5). Un barril β de este tamaño tiene un
Figura 9-5. Porina OmpF de E. coli. centro lleno de agua recubierto de cadenas laterales hidrófilas, que forman un paso
Cada subunidad de la proteína trimérica para el movimiento transmembrana de iones o moléculas con masa molecular hasta
forma un barril β transmembrana que de unos 1 000 D. En el barril β de ocho cadenas de la figura 8-9, el centro proteínico
permite el paso de iones y moléculas está densamente empacado con cadenas laterales de aminoácidos para funcionar
pequeñas. a) Modelo de listón, visto como poro.
desde el lado extracelular de la
membrana. b)Modelo de barras. c) En En el barril OmpF de 16 cadenas, asas largas conectan las cadenas β (figura 9-5c).
cada subunidad, las 16 cadenas β están En cada monómero, una de esas asas se pliega en el barril β y constriñe su diámetro
conectadas por asas, una de las cuales hasta unos 7 Å en un punto, con lo cual impide el paso de sustancias mayores de 600
(azul) constriñe el centro del barril y hace D. El asa porta varias cadenas laterales carboxilato, lo cual hace a esta porina débil-
a la porina específica para solutos mente selectiva para sustancias catiónicas. Otras porinas exhiben un mayor grado de
catiónicos pequeños. (Estructura [pdb 1OPF]

determinada por S.W. Cowan, T. Schirmer, R.A.
Paupit y J.N. Jansonius).

(a) (b) (c)
240 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

ESPACIO Figura 9-6. Estructura del canal de
EXTRACELULAR K+ de S. lividans. Las cuatro
subunidades se muestran en diferentes
CITOSOL colores. Cada subunidad consta en
mayor medida de una hélice interna que
forma parte del poro central y una
hélice externa que hace contacto con el
interior de la membrana. (Estructura [pdb

1BL8] determinada por D.A. Doyle, J.M.

Cabral, R.A. Pfuetzner, A. Kuo, J.M. Gulbis,

S.L. Cohen, B.T. Chait y R. MacKinnon).

selectividad de soluto, dependiendo de la geometría del interior del barril y de la Véase ejercicio interactivo. Filtro de
naturaleza de las cadenas laterales que se proyectan ahí. Por ejemplo, algunas porinas selectividad del canal de K+.
son específicas para aniones o carbohidratos pequeños. Se considera que una porina
siempre está abierta, y un soluto puede viajar por ella en ambos sentidos.

Los canales iónicos son altamente selectivos Figura 9-7. Filtro de selectividad del
canal de K+. Este modelo muestra una
Los canales iónicos de las neuronas y otras células eucariótas y proca- porción del poro vista desde el espacio
riotas son proteínas más complejas que las porinas. Muchos son multí- extracelular hacia el filtro de
meros de subunidades idénticas o similares con segmentos helicoidales selectividad. El poro está recubierto de
α transmembrana. El paso iónico mismo se encuentra en el eje central grupos carbonilo del esqueleto con
de la proteína, donde las subunidades convergen. Una de las proteínas de geometría apropiada para coordinar un
esta clase mejor conocidas es el canal de K+ de la bacteria Streptomyces ion K+ (esfera púrpura). Una red
lividans. Cada subunidad de esta proteína tetramérica incluye dos largas proteínica rígida que incluye residuos
hélices α. Una hélice forma parte de la pared del poro transmembrana, Tyr impide que el poro se contraiga para
y la otra da hacia el interior de la membrana hidrófoba (figura 9-6). dar cabida al ion Na+, más pequeño. Los
Una tercera hélice, más pequeña, se localiza en el lado extracelular de átomos se apegan al código de color: C
la proteína. verde, N azul, O rojo.

El canal de K+ es unas 10 000 veces más permeable a K+ que a Na+, 9-2. Transporte pasivo | 241
pese a que el Na+ es más pequeño y debería pasar con facilidad por el
poro central. La alta selectividad por K+ refleja la geometría del filtro
de selectividad, una disposición de los grupos proteínicos que definen
la boca extracelular del poro. En un punto, el poro se estrecha a ~3 Å,
y los cuatro esqueletos polipeptídicos se pliegan de modo que sus gru-
pos carbonilo se proyectan en el interior del poro. Los átomos de oxí-
geno carbonilo están dispuestos con una geometría apropiada para
coordinar iones K+ desolvatados (diámetro de 2.67 Å) a medida que se mueven por
el poro. Un ion Na+ desolvatado (diámetro de 1.90 Å) es demasiado pequeño para
coordinarse con los grupos carbonilo y por tanto es excluido del poro (figura 9-7).

El canal de K+ controlado por voltaje de las neuronas es más grande que el bacte-
riano, con seis hélices en cada una de sus cuatro subunidades, y se asocia con otras
proteínas para formar un complejo grande. Sin embargo, como la mayoría de los
canales de K+, contiene el mismo tipo de filtro de selectividad. Otros canales iónicos,
como los de Na+ y Ca2+, tienen por necesidad diferentes tipos de mecanismos de
filtración. Los canales de membrana específicos para moléculas de agua forman una
familia de proteínas del todo distinta (recuadro 9-A).

RECUADRO 9-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Las acuaporinas son poros específicos para agua

Por muchos años, se supuso que las moléculas de agua cruzaban las carbohidratos en su superficie extracelular. Cada subunidad consta
membranas por difusión simple (técnicamente ósmosis, el en su mayor parte de seis hélices α transmembrana y dos hélices
movimiento de agua de regiones de baja concentración de soluto a más cortas que se encuentran dentro de las dimensiones de la
regiones de alta concentración de soluto). Dado que el agua se bicapa. La figura de abajo a la izquierda muestra una de las cuatro
encuentra en grandes cantidades en los sistemas biológicos, esa subunidades, vista desde el interior de la membrana (modelo de
premisa parecía razonable. Sin embargo, determinadas células, listón, arriba) y desde un extremo (modelo de barras, abajo). Las
como las renales, pueden sostener velocidades inesperadamente subunidades se asocian mediante enlaces de hidrógeno entre hélices
altas de transporte de agua, lo cual sugirió la existencia de un poro y a través de interacciones entre las asas fuera de la membrana.
antes no reconocido para agua. Esa elusiva proteína fue descubierta
en 1992 por Peter Agre, quien acuñó el término acuaporina. A diferencia del canal de K+, cuyo poro está en el centro de las
cuatro subunidades proteínicas, cada subunidad de acuaporina
Las acuaporinas están distribuidas de manera extensa en la contiene un poro. En su parte más estrecha, el poro tiene alrededor
naturaleza; las plantas pueden tener hasta 50 distintas. Las 11 de 3 Å de diámetro (el diámetro de una molécula de agua es de 2.8
acuaporinas de los mamíferos se expresan en altos niveles en los tejidos Å). Es claro que las dimensiones del poro restringen el paso de
donde el transporte de líquido es importante, como riñones, glándulas moléculas más grandes. El poro está recubierto de residuos
salivales y glándulas lagrimales. La mayoría de las acuaporinas son en hidrófobos excepto por dos cadenas laterales de Asn, que tienen
extremo específicas para moléculas de agua y no permiten el paso una función importante.
transmembrana de otras moléculas polares como glicerol o urea.

O

H2N C NH2

Urea

El miembro mejor definido de la familia de las acuaporinas
(acuaporina 1 o AQP1) es un homotetrámero con cadenas de

Acercamiento del poro de la acuaporina. (Cortesía de Yoshinori
Fujiyoshi, Universidad de Kyoto).

Si el agua pudiera pasar por la acuaporina como una cadena de
moléculas con enlaces de hidrógeno, entonces también los
protones podrían pasar con facilidad (véase sección 2-3; donde un
protón equivale a H3O+ y que un protón puede saltar con rapidez
en una red de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno). Sin
embargo, la acuaporina no transporta protones (otras proteínas que
sí los transportan tienen funciones importantes en el metabolismo
energético). Para prevenir el transporte de protones, la acuaporina
interrumpe en sus poros la cadena de moléculas de agua con
enlaces de hidrógeno, lo cual ocurre cuando las cadenas laterales de
Asn de manera transitoria forman enlaces de hidrógeno con una
molécula de agua que va pasando.

Vistas lateral y superior de una subunidad de acuaporina. (Estructura (pdb 1FQY)
determinada por K. Murata, K. Mitsuoka, T. Hirai, T. Walz, P. Agre, J.B. Heymann, A.
Engel y Y. Fujiyoshi).

242 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

Figura 9-8. Operación del canal de
K+ controlado por voltaje. En la
conformación cerrada (derecha),
la llamada hélice conectora S4-S5 (rojo)
empuja hacia abajo la hélice S6,
constriñendo el extremo intracelular del
poro. Cuando ocurre la despolarización,
la hélice conectora oscila hacia fuera,
y la hélice S6 se flexiona, abriendo el
poro (izquierda). (Cortesía de Roderick

MacKinnon, Rockefeller University).

Los canales controlados experimentan cambios de Figura 9-9. Conformaciones cerrada
conformación
y abierta de canales
Si los canales de K+ o Na+ siempre estuvieran abiertos, las células nerviosas no experi-
mentarían potenciales de acción, y las concentraciones intracelulares y extracelulares de mecanosensibles. En las proteínas
iones alcanzarían el equilibrio con rapidez, lo que destruiría la célula. En consecuencia, bacterianas MscS y MscL, un grupo de
esos canales –y muchos otros– son controlados; es decir, se abren o cierran en respuesta hélices α rodean el poro (no se muestra
a una señal específica. Algunos canales iónicos responden a cambios en el pH o a la el resto de las proteínas). Las hélices se
unión de un ligando específico como Ca2+ o una molécula pequeña. El canal de Cl– de deslizan entre sí, abriendo y cerrando el
la fibrosis quística (la proteína RTFQ, véase sección 3-3) se abre cuando se fosforila. poro, de modo muy parecido a como lo
hace el iris del ojo. Los residuos
El análisis de los canales controlados revela diversos mecanismos para la apertura hidrófobos que bloquean el poro en el
y cierre de un poro. El canal de K+ neuronal es controlado por voltaje; se abre en estado cerrado se muestran en magenta.
respuesta a la despolarización. El mecanismo de apertura y cierre implica el movi-
miento de hélices cerca del lado intracelular de la membrana, que se mueven lo su- (Cortesía de Douglas C. Rees, California
ficiente para exponer la entrada del poro sin alterar en grado significativo la
estructura del resto de la proteína (figura 9-8). Institute of Technolgy).

En los canales mecanosensibles bacterianos, que se abren en respuesta a la tensión
de la membrana, una serie de hélices α se deslizan entre sí para modificar su dispo-
sición de empaque (figura 9-9). Resulta interesante que en el estado cerrado el poro
no está 100% ocluido. Sin embargo, no pueden pasar agua ni iones porque la aber-
tura está recubierta de residuos hidrófobos voluminosos. Aunque una molécula in-
dividual de agua o un ion desolvatado podría ajustar geométricamente, el alto costo
energético de que un soluto polar venza esta barrera hidrófoba cierra de manera
eficaz el poro.

Cerrado

Abierto

MscS MscL

9-2. Transporte pasivo | 243

ESPACIO Además de estar sujeto al control por voltaje, el canal de K+ de las neuronas experi-
EXTRACELULAR menta desactivación por un proceso en el cual un segmento N terminal de la proteína
(que no se muestra en la figura 9-6) se desplaza para bloquear la abertura citoplásmica del
CITOSOL poro. Esta desactivación ocurre unos pocos milisegundos después de que el canal de K+
se abre por primera vez, y explica por qué no puede volver a abrirse de inmediato. Como
1. La glucosa (hexágono) se resultado, el potencial de acción sólo puede viajar hacia delante.
une a un sitio en el
transportador que da hacia Algunas proteínas de transporte alternan entre
el exterior de la célula. conformaciones

2. La unión de la glucosa No todas las proteínas que median el tráfico transmembrana tienen un poro trans-
induce un cambio membrana evidente, como en el caso de porinas y canales iónicos. Una proteína
conformacional que expone como el transportador de glucosa de los eritrocitos experimenta un cambio confor-
el sitio de unión a la glucosa macional a fin de desplazar un soluto de un lado de la membrana al otro. Datos ex-
al interior de la célula. perimentales indican que la proteína tiene un sitio de unión a glucosa que de manera
alternada se dirige al interior y exterior de la célula. Cuando la glucosa se une a la
3. La glucosa se disocia del proteína en una cara de la membrana, induce un cambio conformacional que ex-
transportador. pone la glucosa al otro lado (figura 9-10). Dado que los dos estados conformaciona-
les de este transportador pasivo están en equilibrio, el transportador puede llevar
4. El transportador revierte a glucosa en cualquier sentido a través de la membrana celular, dependiendo de las
su conformación original. concentraciones relativas de glucosa dentro y fuera de la célula.

Otras proteínas de transporte semejan al transportador de glucosa. Todas son pro-
teínas transmembrana que alternan entre conformaciones a fin de unirse a un ligando
y liberarlo en el lado opuesto de la membrana. Funcionan como enzimas en el sentido
de que aceleran el paso de una sustancia a través de la membrana. Y, como las enzimas,
pueden saturarse a altas concentraciones de su “sustrato” y son susceptibles de inhibi-
ción competitiva y de otros tipos. Por razones obvias, las proteínas de transporte suelen
ser más selectivas de soluto que las porinas o los canales iónicos. Su gran variedad re-
fleja la necesidad de transportar tipos distintos de combustibles metabólicos y bloques
de construcción hacia dentro y fuera de las células y los organelos. Se estima que 10% de
los genes de los microorganismos codifican proteínas de transporte.

Algunas proteínas de transporte pueden unirse a más de un tipo de ligando, por
lo que es útil clasificarlas conforme a su modo de acción:

Figura 9-10. Operación del 1. Un uniporte, como el transportador de glucosa, lleva una sola sustancia a la vez.
transportador de glucosa 2. Un simporte transporta dos sustancias distintas de un lado a otro de la membrana.
eritrocítico. 3. Un antiporte desplaza dos sustancias diferentes en sentidos opuestos a través de

Véase figura animada. Modelo para la membrana.
transportador de glucosa.
Aunque se desconoce la estructura del transportador de glucosa, ya se han descri-
REPASO DE CONCEPTOS to en detalle las estructuras de algunos otros transportadores de sacáridos. Éstos ca-
• Compare estructura global, talizan procesos de simporte y, como el transportador de glucosa, al parecer funcionan
por un mecanismo de balanceo. La estructura de la lactosa permeasa de E. coli mues-
selectividad de soluto y mecanismo tra en modo en que las 12 hélices α de la proteína definen una hendidura de unión
general de las porinas, los canales que se abre hacia el citoplasma. Es fácil visualizar cómo un ligero cambio de confor-
iónicos y el transportador de mación podría inclinar las dos mitades de la proteína a fin de exponer el azúcar al
glucosa eritrocítico. otro lado de la membrana (figura 9-12).

Uniporte Simporte Antiporte

Figura 9-11. Algunos tipos de
sistemas de transporte de
membrana.

244 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

(a) (b)

Figura 9-12. Estructura de la lactosa permeasa de E. coli. a) Modelo de listón con
las hélices proteínicas coloreadas en el orden del arcoíris, de azul (extremo N terminal)
a rojo (extremo C terminal). Un análogo del disacárido lactosa se muestra como esferas
grises oscuras. El sitio de unión da hacia el citoplasma (arriba). b) Modelo de espacio
lleno con dos hélices eliminadas para revelar la cavidad de unión al sustrato. El
transporte de lactosa se acompaña del transporte de un protón (no se muestra).

(Estructura [pdb 1PV7] determinada por J. Abramson, I. Smirnova, V. Kasho, G. Verner, H.R. Kaback y
S. Iwata).

9-3. Transporte activo

La diferencia de concentraciones de Na+ y K+ dentro y fuera de las células eucarióticas CONCEPTOS CLAVE
es mantenida en gran medida por una proteína antiporte conocida como N,K-ATPasa. • Los cambios conformacionales
Este transportador activo bombea Na+ hacia fuera de la célula y K+ hacia dentro, tra-
bajando contra los gradientes de concentración de esos iones. Como su nombre lo que resultan de la hidrólisis de ATP
indica, la fuente de energía libre es ATP. Otras proteínas de transporte que requieren impulsan el transporte de Na+ y K+
de ATP bombean una variedad de sustancias contra sus gradientes de concentración. en la Na,K-ATPasa.
• En transporte activo secundario
La Na,K-ATPasa cambia de conformación al bombear de una sustancia es impulsado
iones de un lado a otro de la membrana de manera indirecta por la
formación –dependiente de ATP–
Con cada ciclo de reacción, la Na,K-ATPasa hidroliza un ATP, bombea tres iones de un gradiente de una segunda
Na+ hacia fuera, y bombea dos iones K+ hacia dentro: sustancia.

3 Nadϩentϩro 2 Kfϩueraϩ ATP ϩ H2O 3 Nafϩueraϩ 2 Kdϩentϩro ADP ϩ Pi 9-3. Transporte activo | 245

Como otras proteínas de transporte de membrana, la Na,K-ATPasa tiene dos confor-
maciones que de manera alternada exponen a cada lado de la membrana los sitios de
unión a Na+ y K+. Como se esquematiza en la figura 9-13, la proteína bombea hacia
fuera tres iones Na+ a la vez, luego transporta hacia dentro dos iones K+ al tiempo que
hidroliza ATP. La reacción energéticamente favorable de convertir ATP en ADP + Pi
impulsa el transporte energéticamente desfavorable de Na+ y K+. La reacción de hi-
drólisis de ATP se acopla al transporte iónico, de modo que la transferencia de un
grupo fosforilo del ATP a la proteína induce un cambio conformacional (pasos 3 y 4),
y la ulterior liberación del grupo fosforilo como Pi induce otro cambio conformacio-
nal (pasos 5 y 6). Este proceso de múltiples pasos, en el que interviene como interme-
diario una proteína fosforilada, asegura que el transportador opere en un solo sentido
e impide que Na+ y K+ vuelvan a difundirse a favor de sus gradientes de concentra-
ción. Un mecanismo similar opera en las proteínas motoras (véase sección 5-3),
donde ADP y Pi se liberan en pasos separados y de este modo no pueden recombi-
narse para volver a formar ATP e impulsar el ciclo de reacción en reversa.

Figura 9-13. Ciclo de reacción de la ESPACIO
Na,K-ATPasa. EXTRACELULAR

CITOSOL

Na+
1. Se unen tres iones Na+ intracelulares.

ATP 2. Se une el ATP.

ATP 3. Un grupo fosforilo se transfiere del ATP a una cadena
ADP lateral de Asp de la bomba. Se libera ADP.

P 4. La conformación proteínica cambia, exponiendo los
Na+ sitios de unión de Na+ al exterior de la célula. Los iones
Na+ se disocian.

P 5. Se unen dos iones K+ extracelulares.
K+

P 6. El grupo aspartilfosfato se hidroliza. Se libera Pi.
Pi

7. Cambia la conformación de la proteína, lo que expone
el sitio de unión a K+ al interior de la célula. Los iones
K+ se disocian.

K+

La Na,K,ATPasa consta de una larga subunidad α con 10 hélices transmembra-
na así como subunidades β y γ más pequeñas que contienen una hélice transmem-
brana cada una. En la figura 9-14 se muestra la estructura de la bomba en su forma
dirigida hacia fuera. El sitio de unión a ATP y el residuo Asp que se forsforila du-
rante el ciclo de reacción se localizan en dominios citoplásmicos, lo cual indica que
los procesos de unión a ATP y transferencia de fosfato deben ser comunicados a una
distancia considerable hasta la región transmembrana en que los cationes se unen y
liberan.

La Na,K-ATPasa se conoce como ATPasa tipo P (donde P se refiere a fosforilación).
Otros tipos de bombas dependientes de ATP son las ATPasas tipo V, que operan en
vacuolas y otros organelos vegetales, y las ATPasas tipo F, que en realidad operan
en reversa para sintetizar ATP en las mitocondrias (véase sección 15-4) y cloroplas-
tos (véase sección 16-2).

246 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

Los transportadores ABC median la resistencia ESPACIO
EXTRACELULAR
farmacológica
Membrana
Todas las células tienen alguna capacidad de protegerse de sustancias tóxicas
que se insertan en la bicapa lipídica y alteran la estructura y el funcionamiento CITOPLASMA
de la membrana. Esta defensa depende de la acción de proteínas de membrana
conocidas como transportadores ABC (ABC se refiere al “estuche de unión a Figura 9-14. Estructura de la Na,K-
ATP” , un motivo estructural común en estas proteínas). Por desgracia, muchos ATPasa. La subunidad α se muestra en
antibióticos y otros fármacos son liposolubles y por tanto son sustratos para forma de listón (no se incluyen las
estos mismos transportadores. La farmacorresistencia en la quimioterapia del subunidades β y γ). Dos iones Rb+
cáncer y la resistencia a antibióticos en bacterias se han vinculado con la expre- (púrpura) marcan el sitio donde se unirían
sión o sobreexpresión de transportadores ABC. En el humano, este transporta- dos iones K+. Un análogo del grupo
dor también se conoce como glucoproteína P o transportador de resistencia a fosfato se muestra en anaranjado,
múltiples fármacos. indicando el sitio de la fosforilación.

Los transportadores ABC funcionan de modo muy parecido a como lo hacen (Estructura [pdb 3B8E] determinada por J.P.
otras proteínas transportadoras y bombas ATPasa: cambios conformacionales de- Morth, P.B. Pedersen, M.S. Toustrup-Jensen,
pendientes de ATP en porciones citoplásmicas de la proteína se acoplan a cambios T.L.M. Soerensen, J. Petersen, J.P. Andersen, B.
conformacionales en la porción de la proteína embebida en la membrana. Algu- Vilsen y P. Nissen).
nos transportadores ABC son específicos para iones, azúcares, aminoácidos u
otras sustancias polares. La glucoproteína P y otros transportadores de resistencia Figura 9-15. Transporte de glucosa
a fármacos prefieren sustratos no polares. En este caso, el dominio transmembra- al interior de las células intestinales.
na de la proteína permite la entrada de sustancias procedentes del interior de la La Na,K-ATPasa establece un gradiente
bicapa lipídica. La sustancia puede entonces ser expelida por completo de la célu- [dNe ac+o]ndecnetrno.tIrnacgiróensaennioenl ceus asol d[Nioa+e]nfuelraa >
la, como ocurre en la resistencia a fármacos. De manera alterna, la sustancia pue- célula, a favor de su gradiente de
de simplemente desplazarse de una hoja a otra. Algunas lípido flipasas (véase concentración, junto con moléculas de
sección 8-2) son transportadores ABC que acarrean lípidos entre hojas, lo cual glucosa vía una proteína simporte que
genera distribuciones no equilibradas de ciertos lípidos en las membranas. transporta Na+ y glucosa de manera
simultánea. De este modo la glucosa se
En el transporte activo secundario se aprovechan hace más concentrada dentro de la
gradientes ya establecidos célula, y entonces sale, a favor de su
gradiente de concentración, vía un
En algunos casos, el movimiento transmembrana “colina arriba” de una sustancia no transportador de glucosa uniporte pasivo
se acopla de manera directa a la conversión de ATP en ADP + Pi. Más bien, el trans- similar al transportador de glucosa
portador aprovecha un gradiente ya establecido por otra bomba, que a menudo es eritrocítico descrito en la figura 9-10.
una ATPasa. Este uso indirecto de la energía libre del ATP se conoce como trans- Los movimientos energéticamente
porte activo secundario. Por ejemplo, la alta concentración de Na+ fuera de las cé- favorables se indican con flechas verdes;
lulas intestinales (un gradiente establecido por la Na,K-ATPasa) ayuda a impulsar la los movimientos que requieren energía
entrada de glucosa en las células vía una proteína simporte (figura 9-15). La energía se indican con flechas rojas.
libre generada por el movimiento de ingreso de Na+ en las células (a favor de su
9-3. Transporte activo | 247
Glucosa Na+
Transportador de Na-glucosa
ESPACIO INTESTINAL

CÉLULA
INTESTINAL

Glucosa Na+

K+

ATP
ADP + Pi

Transportador de glucosa Na,K-ATPasa

Glucosa Na+ K+

gradiente de concentración) impulsa el movimiento de entrada de glucosa (contra su
propio gradiente). Este mecanismo permite al intestino captar glucosa del alimento
digerido y luego liberarla en el torrente sanguíneo. La lactosa permeasa (figura 9-12)
es otro transportador secundario. Lleva lactosa a la célula junto con un protón,
usando la energía libre de un gradiente protónico.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cómo se compara la Na,K-ATPasa con otros sistemas de transporte en términos

de mecanismo y requerimientos de energía?
• Resuma la función del ATP en las ATPasas tipo P y en los transportadores ABC.
• ¿Cómo se comparan los transportadores activos secundarios con otros

transportadores en términos de mecanismo y requerimientos de energía?

9-4. Fusión de membranas

CONCEPTOS CLAVE El paso final en la transmisión de una señal desde una neurona a la siguiente, o a una célula
• Los neurotransmisores se liberan glandular o muscular, culmina en la liberación de sustancias conocidas como neurotrans-
misores desde el extremo del axón. Entre los neurotransmisores comunes se incluyen
por el proceso de exocitosis. aminoácidos y compuestos derivados de ellos. En el caso de una sinapsis que comunica
• La fusión de membranas, una neurona motora con su célula muscular blanco, el neurotransmisor es acetilcolina:

impulsada por la acción de O CH3
proteínas SNARE, requiere de H3C C O CH2 CH2 Nϩ CH3
cambios en la curvatura de la
bicapa.

CH3

Acetilcolina

La acetilcolina se almacena en compartimentos rodeados por membrana, llamados
vesículas sinápticas, de unos 400 Å de diámetro. Cuando el potencial de acción
alcanza el extremo axónico, se abren canales de Ca2+ controlados por voltaje y per-
miten el ingreso de iones Ca2+ extracelulares. El incremento en la concentración
intracelular local de Ca2+, desde menos de 1 hasta 100 μM, induce la exocitosis de
las vesículas (la fusión de la vesícula con la membrana plasmática, de modo que el
contenido vesicular se libera en el espacio extracelular). La acetilcolina se difunde de
un lado a otro de la hendidura sináptica, el estrecho espacio entre el extremo axónico
y la célula muscular, y se une a receptores de proteínas integrales de membrana en la
superficie del miocito. Esta unión inicia una serie de sucesos que dan por resultado
la contracción muscular (figura 9-16). El bloqueo de la neurotransmisión impide la
contracción muscular (recuadro 9-B). En general, la respuesta de la célula que recibe
un neurotransmisor depende de la naturaleza del neurotransmisor y de las proteínas
celulares que se activan cuando éste se une a su receptor. En el capítulo 10 se explo-
rarán otros sistemas de receptores.

En la sinapsis nervio-músculo los sucesos ocurren con rapidez, en alrededor de 1
mseg, pero los efectos de un potencial de acción individual son limitados. Primero,
el Ca2+ que induce la liberación de neurotransmisor es bombeado con rapidez de
vuelta fuera de la célula por una Ca2+-ATPasa. En segundo lugar, la acetilcolina en la
hendidura sináptica es degradada en unos pocos milisegundos por una acetilcolines-
terasa unida a lípido o soluble, que cataliza la reacción

O

ϩ

H3C C O CH2 CH2 N(CH3)3 ϩ H2O Acetilcolinesterasa

Acetilcolina

O OϪϩ HO CH2 CH2 ϩ ϩ Hϩ

H3C C Colina N(CH3)3

Acetato

248 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

Potencial Canal de Ca2+ Figura 9-16. Procesos de la sinapsis
de acción nervio-músculo.

CÉLULA MUSCULAR

AXÓN

Ca2+ 1. Cuando un potencial de acción alcanza el

extremo axónico, hace que los canales del
Ca2+ controlados por voltaje se abran.

HENDIDURA
SINÁPTICA

Vesículas 2. El aumento en la concentración intracelular de
sinápticas iones Ca2+ induce la fusión de vesículas

sinápticas con la membrana plasmática, de

modo que el neurotransmisor acetilcolina se

libera en la hendidura sináptica.

Acetilcolina

Receptores
de acetilcolina

3. La unión de la acetilcolina a sus receptores
en la superficie de la célula muscular induce
la contracción muscular. La señal es de corta
duración porque la acetilcolina que
permanece en la hendidura sináptica es
degradada con rapidez.

Contracción
muscular

Otros tipos de neurotransmisores se reciclan en vez de ser destruidos. Se transpor-
tan de vuelta a la célula y se liberan por la acción de transportadores activos secun-
darios. Una neurona puede contener cientos de vesículas sinápticas, de las cuales
sólo un pequeño porcentaje experimenta exocitosis a la vez, de modo que la célula
puede liberar neurotransmisores de manera repetida (con frecuencia hasta de 50
veces por segundo).

Los SNARE unen vesículas y membranas plasmáticas

La fusión es un proceso de múltiples pasos que comienza con el acercamiento de una
membrana (p. ej., la vesícula) a otra (p. ej., la membrana plasmática). Varias proteínas

9-4. Fusión de membranas | 249

RECUADRO 9-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Algunos fármacos interfieren en la
señalización neuronal

Diversos fármacos interfieren en distintos aspectos del funciona- Algunos anestésicos locales interfieren en la señalización
miento neuronal, con lo que afectan la actividad muscular, la neuronal en una zona limitada del cuerpo bloqueando los poros de
percepción del dolor o conciencia. Algunas de estas sustancias se los canales de Na+ implicados en generar potenciales de acción. Un
han usado con fines médicos durante siglos, como el opio (de la fármaco de uso amplio es la lidocaína, que se emplea para
amapola); otras son el resultado de esfuerzos de desarrollo más adormecer tejidos en procedimientos dentales y cirugía menor.
recientes. También se utiliza de manera tópica para aliviar el dolor y el
prurito intenso. La lidocaína se degrada con lentitud en el hígado,
La succinilcolina, que semeja a la acetilcolina, se emplea como de modo que sus efectos pueden durar hasta dos horas.
relajante muscular. Se une a receptores de acetilcolina en las células
musculares, activándolas. Sin embargo, dado que la succinilcolina CH3 H
se degrada con lentitud (no es un sustrato de la acetilcolinesterasa, NN
que degrada con rapidez el neurotransmisor normal acetilcolina), CH3
sus efectos persisten. La célula muscular no puede volver a su O CH3
estado normal o responder a estimulación adicional, de modo que CH3
el resultado neto es la relajación del músculo. Los efectos de la
succinilcolina sólo duran unos minutos, y no interfiere en la Lidocaína
percepción del dolor o la conciencia. Se emplea principalmente en
situaciones de urgencia, a menudo para facilitar la inserción de una Diversas sustancias se emplean como anestésicos generales,
sonda endotraqueal (a fin de mantener las vías respiratorias
despejadas). varias de éstas altamente hidrófobas que se inhalan, como el

O desfluorano. Alguna vez se pensó que esos compuestos ejercían sus

C O CH2 CH2 Nϩ(CH3)3 efectos anestésicos insertándose de manera no específica en las

CH2 membranas y modificando su fluidez. Aunque aún no se com-

CH2 prende del todo su mecanismo de acción, parece que tales

C O CH2 CH2 Nϩ(CH3)3 compuestos en realidad interactúan con proteínas de membrana,

O incluidos los canales iónicos controlados por ligando y receptores

Succinilcolina para diversos neurotransmisores. Lo más común es que se usen

varios fármacos combinados para iniciar y mantener el nivel

deseado de anestesia. FF

F3C O F

Desfluorano

participan en la fijación de las dos membranas y su preparación para la fusión. Sin em-
bargo, muchas de estas proteínas pueden ser sólo factores accesorios para los SNARE,
proteínas que físicamente parean las dos membranas y las inducen a fusionarse.

Los SNARE son proteínas integrales de membrana (su nombre es el acrónimo de
“receptor soluble de proteína fijadora de factor sensible a N-etilmaleimida”). Dos
SNARE de la membrana plasmática y uno de la vesícula sináptica forman un com-
plejo que incluye una estructura de espiral enrrollada de 120 Å de largo la cual
contiene cuatro hélices (dos de los SNARE aportan una hélice cada uno, y un SNA-
RE aporta dos hélices). Las cuatro hélices, cada una de unos 70 residuos, se alinean
en paralelo (figura 9-17). A diferencia de otras proteínas de espiral enrrollada, como
la queratina (véase sección 5-2), el haz de cuatro hélices no es una estructura perfec-
tamente geométrica sino que su diámetro varía de modo irregular.

Figura 9-17. Estructura del haz de cuatro hélices del complejo de SNARE. Las
cuatro hélices (dos de las cuales pertenecen a la misma proteína) se muestran en
distintos colores. Las porciones de los SNARE que no forman parte del haz de hélices
se escindieron antes de la cristalografía de rayos X. (Estructura [pdb 1SFC] determinada por

R.B. Sutton y A.T. Brunger).

250 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

SNARES Vesícula Complejo Figura 9-18. Modelo para la fusión
de SNARE
Membrana de membranas mediada por SNARE.
plasmática
La formación del complejo de SNARE
de la vesícula y la membrana plasmática
acerca entre sí las membranas para que
puedan fusionarse.

Las interacciones mutuas entre SNARE en las membranas vesicular y plasmática
sirven como sistema de direccionamiento de modo que las membranas apropiadas se
fusionen entre sí. Al principio, las proteínas SNARE individuales están desplegadas,
y de manera espontánea se cierran para formar el complejo de cuatro hélices. Esta
acción necesariamente acerca las dos membranas entre sí (figura 9-18). Dado que la
formación del complejo es favorable desde el punto de vista termodinámico, la fusión
de membranas también es espontánea. La gran velocidad de liberación de acetilcoli-
na in vivo indica que al menos algunas vesículas sinápticas ya están unidas a la mem-
brana plasmática, a la espera de la señal de Ca2+ para que proceda la fusión.

La fusión de membranas requiere de cambios en la
curvatura de la bicapa

Experimentos con vesículas lipídicas puras demuestran que los SNARE no son esen-
ciales para que ocurra la fusión de membranas in vitro, pero la velocidad de fusión
depende de las composiciones de lípidos de las membranas. La explicación de este
hecho es que las bicapas lipídicas de las membranas que se fusionan experimentan
reordenamiento: los lípidos de las hojas que hacen contacto deben mezclarse antes
de que se forme un poro (figura 9-19). Al parecer, determinados tipos de lípidos
promueven los cambios requeridos en la curvatura de la membrana.

En las células vivas, los cambios en la forma de la bicapa podrían ser facilitados
por la tensión que ejerce el complejo de SNARE. Además, los lípidos de membrana
pueden sufrir remodelado activo. Por ejemplo, la eliminación enzimática de una
cadena acilo convertiría un lípido cilíndrico en uno cónico:

XX

OO

O P OϪ O P OϪ

OO

CH2 CH CH2 CH2 CH CH2
O O O OH

COCO CO

9-4. Fusión de membranas | 251

Vesícula

Membrana Figura 9-19. Vista esquemática de la fusión de membranas. Por sencillez, las
plasmática membranas vesicular y plasmática se muestran como bicapas.

REPASO DE CONCEPTOS El hacinamiento de tales lípidos causaría que la bicapa se combara hacia fuera. A
• ¿Cómo llega a una célula la inversa, la eliminación de grupos cabeza grandes de los lípidos haría que la bicapa
se encorvara hacia dentro.
muscular blanco la acetilcolina
contenida en una vesícula Como resultado de la exocitosis, la membrana plasmática se expande con material
sináptica? de las membranas de las vesículas sinápticas fusionadas. La neurona recicla parte de
• ¿De qué manera la estructura su material de membrana formando nuevas vesículas sinápticas. Una nueva vesícula se
de un complejo de SNARE se forma por gemación de una membrana existente, un proceso conocido como endo-
relaciona con su función? citosis. Es lo opuesto de la exocitosis, y sigue en reversa el esquema de la figura 9-19.
• ¿Por qué se requiere de
cambios en la curvatura de
una bicapa para que ocurra la
exocitosis?

RESUMEN

9-1. Termodinámica del transporte de membrana 9-3. Transporte activo

• Los movimientos transmembrana de iones generan cam- • Los transportadores activos, como la Na,K-ATPasa y los
bios en el potencial de membrana, Δψ, durante la señaliza- transportadores ABC, requieren la energía libre del ATP
ción neuronal. para impulsar el movimiento transmembrana de sustancias
contra sus respectivos gradientes de concentración.
• El cambio de energía libre para el movimiento transmem-
brana de una sustancia depende de las concentraciones a • El transporte activo secundario permite el movimiento favo-
cada lado de la membrana y, si la sustancia tiene carga, del rable de una sustancia para impulsar el transporte desfavorable
potencial de membrana. de otra sustancia.

9-2. Transporte pasivo 9-4. Fusión de membranas

• Las proteínas de transporte pasivo, como las porinas, per- • Durante la liberación de neurotransmisores, ocurre la fu-
miten el movimiento transmembrana de sustancias con- sión de vesículas intracelulares con la membrana celular.
forme a sus gradientes de concentración. Proteínas SNARE presentes en la vesícula y membranas
blanco forman una estructura de cuatro hélices que acerca
• Los canales iónicos tienen un filtro de selectividad que per- entre sí las membranas que se fusionarán. También se re-
mite el paso de un tipo de ion. Los canales controlados se quiere de cambios en la curvatura de la bicapa para que
abren y cierran en respuesta a algún otro suceso. ocurra la fusión.

• Las proteínas de membrana como el transportador pasivo
de glucosa experimentan cambios de conformación que de
manera alternada exponen sitios de unión a ligando en cada
lado de la membrana.

GLOSARIO

antiporte neurotransmisor transporte activo
axón ósmosis transporte activo secundario
canal controlado porina transporte pasivo
constante de Faraday (Φ) potencial de acción uniporte
constante de los gases (R) potencial de membrana (Δψ) vaina de mielina
endocitosis simporte vesícula sináptica
exocitosis transportador ABC Z

252 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

PROBLEMAS

9-1. Termodinámica del transporte de membrana truyeron mutantes en los cuales los residuos lisina se sustituyeron
por residuos glutamato.
1. El potencial de membrana en reposo que se mantiene en la
mayoría de las células nerviosas es de alrededor de –70 mV. Utilice a) ¿Por qué los investigadores supusieron que los residuos lisina
la ecuación 9-2 para calcular el cociente [Na+]dentro/[Na+]fuera al po- podrían tener una participación importante en el transporte de
tencial de reposo. fosfato en la bacteria?
b) Prediga el efecto de la sustitución Lys Glu en la actividad
2. Cuando se estimula un nervio, el potencial de membrana au- de transporte de la porina.
menta de –70 mV a +50 mV. Calcule el cociente [Na+]dentro/[Na+]fuera
en la neurona despolarizada. ¿Cómo se compara este cociente con el 10. Como se hace notar en el texto, la porina OmpF de E. coli
que calculó en el problema 1 y cuáles son las implicaciones del cambio? tiene un diámetro constreñido que impide el paso de moléculas
grandes. Las asas proteínicas en este sitio constreñido contienen una
3. En los organismos marinos típicos, las concentraciones intrace- secuencia D-E-K-A, que hace a la porina débilmente selectiva para
lulares de Na+ y Ca2+ son de 10 mM y 0.1 M, en ese orden. Las cationes. Si usted deseara construir una porina mutante muy selecti-
concentraciones extracelulares de Na+ y Ca2+ son de 450 y 4 mM, en va para iones calcio, ¿qué cambios haría en la secuencia de aminoá-
ese orden. Utilice la ecuación 9-3 para calcular los cambios de ener- cidos del sitio oprimido?
gía libre a 20 °C para el movimiento transmembrana de esos iones.
¿En qué sentido se mueven los iones? 11. Además de las neuronas, las células musculares experimentan
despolarización, aunque de menor magnitud y más lenta que las
4. Usando los datos del ejemplo de cálculo 9-2, calcule G a 37 °C
cuando el potencial de membrana es a) –50 mV (citosol negativo) y a) El receptor de acetilcolina es también un canal iónico contro-
b) +50 mV. ¿En qué caso es el movimiento de Ca2+ más favorable lado. ¿Qué hace que éste se abra?
desde el punto de vista termodinámico? b) El receptor de acetilcolina/canal iónico es específico para
iones Na+. ¿Fluyen hacia dentro o hacia fuera los iones Na+?
5. Una fiebre alta puede interferir en la actividad normal de las c) ¿De qué manera el flujo de Na+ a través del canal iónico cam-
neuronas. Dado que la temperatura es uno de los términos de la ecua- bia el potencial de membrana?
ción 9-1, que define el potencial de membrana, la fiebre tiene la capa-
cidad de alterar el potencial de membrana en reposo de una neurona. 12. Explique por qué las proteínas canales iónicos controlados
por ácido incluyen una serie de residuos Asp o Glu en su detector de
a) Calcule el efecto de un cambio de temperatura de 37 a 40 °C ácido. ¿Cómo participarían esos grupos en el control del paso de iones?
en el potencial de membrana de una neurona. Suponga que el
potencial de reposo normal es de –70 mV y que la distribución 13. Cuando una célula bacteriana se transfiere de un ambiente
de iones no cambia. rico en soluto a agua pura, se abren canales mecanosensibles y per-
b) ¿De qué otra manera una temperatura elevada podría afectar miten la salida del contenido citoplásmico. Utilice los efectos osmó-
la actividad neuronal? ticos para explicar el modo en que esto impide la muerte celular.

6. Durante el transporte de electrones mitocondrial (véase capítulo 14. Durante mucho tiempo se pensó que el amoniaco, como el
15), se transportan protones a través de la membrana mitocondrial agua, se difundía a través de las membranas sin la ayuda de una pro-
interna desde el interior de la matriz mitocondrial hasta el espacio teína canal. En fechas recientes, los investigadores desactivaron el
intermembrana. El pH de la matriz mitocondrial es de 7.78. El pH gen Rhcg de ratones y examinaron la permeabilidad a NH3 de sus
del espacio intermembrana es de 6.88. células renales. Las células de los ratones de tipo silvestre exhibían un
flujo de NH3 alrededor de tres veces mayor que las células mutantes.
a) ¿Cuál es el potencial de membrana en estas condiciones?
b) Utilice la ecuación 9-4 a fin de determinar el cambio de ener- a) ¿Qué sugieren estos resultados acerca de la función de la
gía libre para el transporte de protones a 37 °C. proteína codificada por Rhcg?
b) A la luz de lo que sabe acerca de la acuaporina, ¿le sorprende
7. Explique por qué el dióxido de carbono puede cruzar una lo anterior?
membrana celular sin la ayuda de una proteína de transporte.
15. El filtro de selectividad del canal de cloruro bacteriano ClC
8. Ordene los siguientes compuestos con base en la rapidez de está formado en parte por los grupos hidroxilo de las cadenas latera-
difusión transmembrana: les de Ser y Tyr y grupos NH de la cadena principal. Explique el modo
en que estos grupos permitirían el paso de Cl– pero no de cationes.
OO
16. El filtro de selectividad del canal KcsA tiene la secuencia
H3C C NH2 H3C CH2 CH2 C NH2 TVGYG. Enseguida se presentan las secuencias correspondientes de
algunos otros canales iónicos y sus especificidades iónicas. Diga cuál
A. Acetamida B. Butiramida esperaría usted que fuera la selectividad iónica de canales con las si-
guientes secuencias: a) SVGFG, b) ITMEG.
O
Canal Secuencia Especificidad iónica
H2N C NH2
KcsA TVGYG Kϩ
C. Urea NaK TVGDG Naϩ y Kϩ
Ca2ϩ II LTGED Ca2ϩ
9.2. Transporte pasivo Naϩ IV TTSAG Naϩ

9. La bacteria Pseudomonas aeruginosa expresa una porina especí-
fica de fosfato cuando este último es limitante en el medio de cultivo.
Al observar que había tres lisinas hacinadas en la región amino ter-
minal expuesta a la superficie de la proteína, los investigadores cons-

Problemas | 253

17. Se muestra una gráfica de velocidad de transporte de glucosaVelocidad de transporte de glucosa24. Los osteoclastos del tejido óseo son especialmente ricos en
contra concentración de glucosa para el transportador pasivo eritro- una de las isozimas de la anhidrasa carbónica. El funcionamiento
cítico de glucosa. enzimático correcto es crítico para el desarrollo de tejido sano.

a) Explique por qué la gráfica tiene forma hiperbólica. a) La anhidrasa carbónica cataliza la reacción entre agua y
b) ¿Qué información cuantitativa da la curva acerca del trans- dióxido de carbono para producir ácido carbónico. El ácido
portador? carbónico sufre disociación después. Escriba las dos ecuaciones
que describen estos procesos.
[Glucosa] b) Para el desarrollo óseo correcto se requiere que el osteoclasto
acidifique su ambiente extracelular (el compartimento de resor-
18. Se realizaron experimentos con eritrocitos “fantasmas” para ción ósea). Varios transportadores participan en los procesos de
aprender más acerca del transportador eritrocítico de glucosa. Los acidificación: un intercambiador de Na+/H+, un intercambiador
“fantasmas” se obtienen lisando eritrocitos en medio hipotónico y de Cl–/HCO3– y la Na,K-ATPasa, que intercambia iones Na+ y
lavando el contenido citoplásmico. La suspensión en un amortigua- K+. Enseguida se muestra un diagrama parcial del osteoclasto.
dor isotónico permite que las membranas de los fantasmas vuelvan a Llene los espacios en blanco en el diagrama para indicar las
sellarse. Si los fantasmas se producen de modo que la enzima tripsina funciones de la anhidrasa carbónica y los intercambiadores en
se incorpore en su interior, el transporte de glucosa no ocurre. Pero la acidificación del compartimento de resorción ósea. Incluya
dicho transporte no es afectado si la tripsina se localiza en el medio los reactivos y productos de la o las reacciones intracelulares
extracelular de los fantasmas. ¿Qué puede concluir usted acerca del apropiadas e indique en qué sentido se transporta cada ion en el
transportador de glucosa, dadas estas observaciones? osteoclasto.

19. Si se agrega un grupo propilo al grupo hidroxilo en C1 de la Intercambiador Intercambiador
glucosa, la glucosa modificada es incapaz de unirse a su transportador de Na+/H+ de Na+/K+
en la superficie extracelular. En otro experimento, se demostró que si
se agrega un grupo propilo al grupo hidroxilo en el C6 de la glucosa, Compartimento Reacciones
la glucosa modificada es incapaz de unirse a su transportador en la de resorción ósea Osteoclasto
superficie citosólica de la membrana. ¿Qué nos dicen estas observa-
ciones acerca del mecanismo del transportador pasivo de glucosa? pH = 5.5

20. El glutamato actúa como neurotransmisor en el encéfalo, y es pH = 7 Intercambiador
reabsorbido y reciclado por células gliales asociadas a las neuronas. de Cl−/HCO3
El transportador de glutamato también acarrea 3 Na+ y 1 H+ junto
con glutamato, y lleva 1 K+ en el sentido opuesto. ¿Cuál es el desba- 25. La retina del ojo contiene cantidades iguales de células endo-
lance de carga neto de un lado a otro de la membrana por cada glu- teliales y pericíticas. Ocurre engrosamiento de la membrana basal de
tamato que se transporta? los pericitos durante las fases tempranas de la retinopatía diabética, lo
que con el tiempo ocasiona ceguera. Se midió la captación de gluco-
9-3. Transporte activo sa en ambos tipos de células en cultivo en presencia de cantidades
crecientes de sodio. Los resultados se muestran en la figura.
21. La Na,K-ATPasa primero se une a iones sodio, y luego se une
a ATP para formar un intermediario aspartilfosfato “de alta energía”. Captación de glucosa (nmol.mg−1.h−1) 1.6 Células endoteliales 200
Trace la estructura del residuo Asp fosforilado. 1.4 Pericitos
1.2
22. La ouabaína, un extracto del árbol de África oriental ouabio, 50 100 150
se ha usado como veneno para flechas. La ouabaína se une a un sitio 1 Concentración de iones Na+ (mM)
extracelular en la ATPasa e impide la hidrólisis del intermediario 0.8
fosforilado “de alta energía”. ¿Por qué es la ouabaína un veneno letal? 0.6
0.4
23. En los eucariotes, los ribosomas (masa aproximada de 2.5 ϫ 0.2
106 D) se sintetizan en el núcleo, que está rodeado por una doble
membrana. La síntesis de proteínas ocurre en el citosol. 0

a) ¿Esperaría usted que una proteína similar a una porina o el a) ¿Cómo interpreta usted estos resultados?
transportador de glucosa fueran responsables de llevar los riboso- b) ¿Qué información proporcionan las formas de las curvas?
mas al citoplasma? Explique. c) ¿A través de cuál mecanismo podrían los pericitos usar iones
b) ¿Considera usted que se requeriría energía libre para llevar los sodio para ayudar a la importación de glucosa?
ribosomas desde el núcleo hasta el citoplasma? ¿Por qué o por
qué no? 26. La cinética del transporte por medio de proteínas transporta-
doras puede describirse en el lenguaje de Michaelis y Menten. La
254 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

sustancia transportada es análoga al sustrato, y la proteína transpor- CH3
tadora es análoga a la enzima. Pueden determinarse valores de KM y
Vmáx que describan el proceso de unión y transporte, donde KM es H3C CH2 CH2 CH3
una medida de la afinidad de la sustancia transportada por su trans- Nϩ CH2
portador y Vmáx es una medida de la velocidad del proceso de transpor-
te. Utilice la información proporcionada en la figura a fin de estimar CH2
KM y Vmáx para la captación de glucosa por el transportador pericíti-
co descrito en el problema 25. CH3

0.3 Tetraetilamonio (TEA)

1/v (mg.h.nmol−1)0.25 28. Se midió el transporte unidireccional de glucosa en el encéfa-
lo en presencia y ausencia de florizina. Se determinó la velocidad de
0.2 1/v (µmol/g/min)−1transporte a diversas concentraciones de glucosa, y se representa en
la gráfica de Lineweaver-Burk que sigue.
0.15
8
0.1
7
0.05
6
0 Con inhibidor
−0.5 0 0.5 1 1.5 2
5 y = 13.8x + 0.65
1/[S] (1/mM)
4
27. Las células hepáticas utilizan una proteína de transporte de
colina para importar colina de la circulación porta. Se midió el trans- 3
porte de colina en células murinas transfectadas con el gen para el
transportador hepático. La captación por las células transfectadas de 2 Sin inhibidor
colina marcada radiactivamente se midió a concentraciones crecien- 1 y = 5.4x + 0.64
tes de colina.
−0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
CH3 1/[Glucosa] (mM−1)
HO (CH2)2 Nϩ CH3
Velocidad de captación a) Calcule KM y Vmáx en presencia y ausencia de florizina.
(pmol de colina mg−1 · min−1) CH3 b) ¿A qué tipo de inhibidores pertenece la florizina? Explique

Colina 29. Muchos transportadores ABC son inhibidos por vanadato, un
análogo de fosfato. ¿Por qué el vanadato es un inhibidor eficaz de
a) Utilice el lenguaje de Michaelis y Menten descrito en el pro- estos transportadores?
blema 26 para estimar KM y Vmáx a partir de la curva que sigue.
30. El transportador ABC de múltiples fármacos LmrA de Lacto-
7 coccus exporta compuestos citotóxicos, como vinblastina. Existen dos
6 sitios de unión para vinblastina en el transportador; una vinblastina
5 se une con constante de asociación (equivalente a 1/Kd) de 150 nM;
4 la constante de asociación de la segunda vinblastina es de 30 nM. ¿Qué
3 le indican esos valores acerca del modo en que la vinblastina se une
2 a LmrA?
1
0 31. Las células renales contienen dos proteínas antiporte, un
intercambiador de H+/Na+ y un intercambiador de Cl–/HCO3– (re-
0 50 100 150 200 cuadro 2-D). ¿Cuál es la fuente de energía libre que impulsa el mo-
[Colina] (µM) vimiento transmembrana de todos estos iones?

b) Las concentraciones plasmáticas de colina van de 10 a 32. Muchas células tienen un mecanismo para exportar iones
80 M, aunque la concentración puede ser más alta en la circula- amonio. Describa el modo en que esto podría ocurrir mediante
ción porta después de ingerir colina. ¿Opera de manera eficaz el transporte activo secundario.
transportador a estas concentraciones?
c) La proteína de transporte de colina es inhibida por pH 9-4. Fusión de membranas
externo bajo y estimulada por pH externo alto. ¿Qué cometido
podrían tener los protones en el transporte de colina? 33. La miastenia grave es un trastorno autoinmunitario caracteri-
d) Proponga un mecanismo que explique el modo en que los zado por debilidad muscular y fatiga. Los pacientes con la enferme-
iones tetraetilamonio (TEA) inhiben el transporte de colina. dad generan anticuerpos contra el receptor de acetilcolina en la célu-
la posináptica; esto da por resultado un decremento en el número de
receptores. La enfermedad puede tratarse administrando fármacos
que inhiben la acetilcolinesterasa. ¿Por qué es ésta una estrategia efi-
caz para tratar la enfermedad?

Problemas | 255

34. El síndrome de Lambert-Eaton es otro trastorno muscular OϪ
autoinmunitario, pero en esta enfermedad anticuerpos contra los
canales de calcio controlados por voltaje en la célula presináptica OP OH
impiden que los canales se abran. Los pacientes con la afección su-
fren de debilidad muscular. Explique por qué. O OH HO OH Cinasa
H
35. Como la quimotripsina, la acetilcolinesterasa es un miembro
de la familia de las serinproteasas porque contiene un sitio activo H2C CH CH2 OH H
serina, y al igual que la quimotripsina, reacciona con DIPF. Trace la HH
estructura del residuo catalítico de la enzima modificado por DIPF. OO
OϪ
36. Paration y malation son compuestos organofosforados simila-
res al DIPF (problema 35). A veces se usan como insecticidas. ¿Por RR H
qué estos compuestos son venenos letales? O P OϪ

37. La toxina producida por Clostridium tetani, que causa el téta- O
nos, es una proteasa que escinde y destruye SNARE. Explique por
qué esta actividad podría ocasionar parálisis muscular. OϪ

38. El fármaco conocido como bótox es un preparado de toxina OP OH O
botulínica, que es similar a la toxina tetánica (problema 37). Descri-
ba la base bioquímica de su uso por cirujanos plásticos, quienes in- O OH HO O P OϪ
yectan pequeñas cantidades para corregir las arrugas en zonas como H
las que rodean los ojos.
H2C CH CH2 OH H OϪ
39. El fosfatidilinositol es un glicerofosfolípido de membrana HH
cuyo grupo cabeza incluye un grupo monosacárido (inositol). De- OO
terminada cinasa agrega otro grupo fosfato a un fosfatidilinositol OϪ
fosforilado:
RR H
¿Por qué esta actividad podría ser necesaria durante la produc- O P OϪ
ción de una nueva vesícula, que se forma por gemación de una
membrana ya existente? O

40. Algunos estudios muestran que antes de la fusión de membra-
na, la proporción de diacilglicerol en la bicapa aumenta. Explique el
modo en que la presencia de este lípido ayudaría en el proceso de
fusión.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Gouaux E, MacKinnon R: Principles of selective ion transport Morth JP, Pederson BP, Toustrup-Jensen MS et al.: Crystal struc-
in channels and pumps, Science 2005;310:1461–1465. [Com- ture of the sodium–potassium pump, Nature 2007;450:1043–
para varias proteínas de transporte de estructura conocida y ana- 1050. [Describe la estructura determinada por cristalografía de
liza la selectividad del transporte de Na+, K+, Ca2+ y Cl–.] rayos X de la Na,K-ATPasa y analiza el modo en que los cationes
se unen a ella.]
Higgins CF: Multiple molecular mechanisms for multidrug
resistance transporters, Nature 2007;446:749–757. [Describe Südhof TC, Rothman JE: Membrane fusion: Grappling with
algunas características generales de los transportadores ABC y SNARE and SM proteins, Science 2009;323:474–477. [Descri-
otros que intervienen en la resistencia a fármacos.] be algunas de las proteínas implicadas en la fusión de membranas.]

King LS, Kozono D, Agre P: From structure to disease: The
evolving tale of aquaporin biology, Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
2004;5:687–698. [Revisa la estructura y funcionamiento de la
acuaporina.]

256 | CAPÍTULO 9 Transporte de membrana

SEÑALIZACIÓN capítulo

10

La cafeína actúa como estimulante al unirse a los receptores de
adenosina (un nucleótido que funciona como señal del sueño en
el encéfalo) y de este modo bloquearlos. La cafeína es sólo uno
de muchos compuestos terapéuticos que se consumen a fin de
modificar la actividad de vías de señalización en el cuerpo humano.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

EEste capítulo completa la serie de tres capítulos dedicados a la estructura y funciones
de las membranas. Es apropiado considerar en este punto la transducción de señales
porque, al igual que los mecanismos de transporte descritos en el capítulo 9, los
mecanismos de señalización deben superar la barrera representada por la membra-
na misma. Varios temas que se han analizado en capítulos previos, como el com-
portamiento de unión a ligandos y la actividad catalítica, también se relacionan con
la transducción de señales. Muchos de los receptores, hormonas y componentes
intracelulares presentados en este capítulo tienen participaciones importantes en la
regulación de las reacciones metabólicas y otras actividades celulares que se consi-
derarán en los capítulos siguientes. ■

| 257

Todas las células, incluidas las procariotas, deben contar con mecanismos para per-
cibir las condiciones externas y reaccionar a ellas. En muchos casos, esta comunica-
ción implica el enlace de una molécula extracelular a un receptor de la superficie
celular. El receptor experimenta un cambio conformacional para transmitir infor-
mación al interior de la célula. En la transducción de señales pueden participar
muchas proteínas, desde el receptor hasta las proteínas intracelulares que en última
instancia reaccionan a la señal cambiando su comportamiento. Se inicia este capítu-
lo describiendo algunas características de las vías de transducción de señales para
examinar después algunos sistemas de señalización bien conocidos en los que inter-
vienen proteínas G y tirosíncinasas receptoras.

10-1. Características generales de las vías de señalización

CONCEPTOS CLAVE Todas las vías de transducción de señales requieren un receptor, por lo general una
• La unión receptor-ligando se proteína integral de membrana, que se una de manera específica a una molécula
pequeña llamada ligando. Un receptor no simplemente se une a su ligando del
describe en términos de una modo en que la hemoglobina se une al oxígeno; más bien, un receptor interactúa
constante de disociación. con su ligando de modo que ocurre algún tipo de respuesta en el interior de la célula.
• Los receptores acoplados a
proteína G y las tirosincinasas Un ligando se une a un receptor con afinidad
receptoras son los dos tipos característica
principales de receptores que
transducen señales extracelulares Las señales extracelulares pueden asumir muchas formas, incluidos aminoácidos y
al interior de la célula.
• Mecanismos reguladores limitan la sus derivados, péptidos, lípidos y otras moléculas pequeñas (cuadro 10-1). Algunas
magnitud de la señalización.

reciben el nombre formal de hormonas, sustancias producidas en un tejido que

afectan las actividades de otros tejidos, pero muchas señales tienen otros nombres.

Debe tenerse presente que otros estímulos – como luz, esfuerzo mecánico, olores y

sabores– también actúan como señales para las células, aunque no se les analizará en

este capítulo. En el recuadro 10-A se describen algunas moléculas señal bacterianas.

Las moléculas de señalización se comportan de modo muy parecido al sustrato de

una enzima: se unen a sus receptores con alta afinidad, reflejando el complemento

estructural y electrónico entre cada ligando y su sitio de unión. La fuerza de la unión

receptor-ligando puede expresarse en términos de una constante de disociación para

la reacción reversible R ϩ L yz RиL

donde R representa el receptor y L el ligando. En este caso,

Kd ϭ [R][L]
[R.L]

CUADRO 10-1 | Ejemplos de señales extracelulares

Hormona Clase química Fuente Función fisiológica

Auxina Derivado de Mayoría de los Promueve el alargamiento
tejidos vegetales celular y floración en plantas
aminoácido Glándula suprarrenal Suprime la inflamación
Glándula suprarrenal Prepara al cuerpo para la acción
Cortisol Esteroide
Riñones Estimula la producción
Adrenalina Derivado de de eritrocitos
Hipófisis Estimula el crecimiento
aminoácido y metabolismo
Células del Induce la vasodilatación
Eritropoyetina Polipéptido endotelio vascular
(165 residuos) Plaquetas Activa plaquetas e induce
la vasoconstrición
Hormona Polipéptido

del crecimiento (19 residuos)

Óxido nítrico Gas

Tromboxano Eicosanoide

258 | CAPÍTUO 10 Señalización

RECUADRO 10-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Detección de quorum en bacterias

(David M. Phillips/Photo Researchers, Inc). pueden liberarse de las células en la forma de vesículas de lípido
(véase sección 8-2) que también contienen otros tipos de molécu-
Incluso los organismos unicelulares de vida libre en ocasiones las. Dado que son hidrófobas, las moléculas pueden difundirse a
necesitan comunicarse con otros de su especie. En las bacterias, una través de las membranas de las células receptoras y combinarse con
forma de comunicación intercelular se conoce como detección de una proteína receptora en el citosol. El complejo receptor-ligando
quorum, que permite a las células vigilar la densidad poblacional y se une entonces a DNA para activar la expresión de determinados
ajustar en consecuencia la expresión génica. Como resultado, grupos de genes. Al parecer diferentes receptores tienen bolsillos de unión
células pueden emprender actividades en común como producir que son específicos para las diferentes cadenas acilo.
polisacáridos y otros materiales que forman una matriz protectora
llamada biopelícula (véase sección 11-2). La detección de quorum Otra clase de moléculas implicadas en la detección de quorum
también prepara a las células para captar o intercambiar DNA, una consisten en péptidos de 5 a 17 residuos que se modifican de
necesidad ocasional de los organismos que se reproducen de manera manera postraduccional por la adición de otros grupos, incluidas
asexual. Las bacterias patógenas pueden usar la detección de lactonas. Estos oligopéptidos son polares y no pueden difundirse a
quorum para aguardar hasta que sus cantidades sean lo suficiente- través de las membranas bacterianas. En cambio, se fijan a
mente grandes antes de sintetizar toxinas y otras proteínas necesa- receptores de superficie celular e inician cascadas de cinasas dentro
rias para atacar a un organismo hospedador. de las células.

La esencia de la detección de quorum es que las células Una especie bacteriana dada puede producir docenas de
reaccionan a alguna molécula señal que aumenta en concentración moléculas distintas que podrían usarse para la detección de
a medida que se incrementa la densidad de células. Sólo se han quorum. Al parecer, algunas de esas moléculas tienen la doble
identificado algunos tipos de estas moléculas. Un tipo consiste en función de toxinas para otras especies de bacterias, con lo cual
lactonas acilhomoserina. Las cadenas acilo de estas moléculas, que coordinan la proliferación de una especie a expensas de otras. En
pueden incluir de 4 a 18 carbonos, derivan ya sea de ácidos grasos represalia, algunas bacterias han desarrollado mecanismos para
del interior de la célula o de lípidos exógenos. degradar las señales producidas por otras especies o para sintetizar
moléculas que de manera competitiva inhiben la unión a recepto-
OO O res por las otras señales. Los fármacos basados en estos inhibidores
podrían tener amplias aplicaciones.
H3C NO
H Algunas señales median la comunicación interespecífica, lo cual
puede ser importante en ambientes en que coexisten múltiples
Una lactona acilhomoserina especies, como el aparato digestivo humano. Por ejemplo, la
molécula señal conocida como AI-2 es producida por diversas espe-
Varias cadenas acilo distintas pueden unirse al grupo lactona cies bacterianas y puede ser detectada por ellas.
homoserina, lo cual hace a esta clase de compuestos altamente
diversa. Dichos lípidos son poco solubles en agua, por lo que HO OH
ϪB

OO

HO CH3

O
HO

AI-2

Esta inusual molécula contiene boro, un elemento esencial para
el desarrollo de muchas algas y plantas, pero que hasta ahora no
tenía una función definida en la proliferación bacteriana.

Igual que en otros fenómenos de unión, como el enlace de oxígeno a mioglobina (véase
sección 5-1) o el enlace de un sustrato a una enzima (véase sección 7-2), Kd es la con-
centración de ligando a la cual la mitad del receptor está saturado de ligando; en otras
palabras, la mitad de las moléculas de receptor se han unido al ligando (figura 10-1).

Un ligando que se une a un receptor e induce un efecto biológico se conoce como
agonista. Por ejemplo, la adenosina es el agonista natural del receptor de adenosina
en el encéfalo. La cafeína es un antagonista, porque se une al receptor, pero no in-
duce una respuesta.

10-1 Características generales de las vías de señalización | 259

Figura 10-1. Unión receptor-ligando. 1.0

Al aumentar la concentración de [R .L]
ligando [L], más moléculas de receptor [R]T 0.5
se unen a él. En consecuencia, la
fracción de receptores que se han unido
a ligando [R·L] tiende a 1.0. [R]T es
la concentración total de receptores. La
constante de disociación Kd es
la concentración de ligando a la cual la
mitad de las moléculas de receptor se
han unido a ligando.

Kd

[L]

NH2 O CH3
NN H3C N

NN N

HOH2C O ON N
HH CH3

HH Cafeína

OH OH

Adenosina

La mayoría de los fármacos de uso clínico en la actualidad interfieren en las vías de seña-
lización normales al actuar como agonistas o antagonistas para diversos receptores impli-
cados en la regulación de aspectos como presión arterial, reproducción o inflamación.

La mayor parte de la señalización ocurre a través de

dos tipos de receptores

Cuando un agonista se une al receptor de adenosina, que es una proteína transmem-
brana, el receptor experimenta un cambio conformacional que le permite interactuar
con algunas proteínas intracelulares llamadas proteínas G. Por ello tales receptores se
denominan receptores acoplados a proteína G (RAPG)Las proteínas G se llaman
así debido a su capacidad de unirse a nucleótidos guanina (GTP y GDP). En res-
puesta a la unión receptor-ligando, la proteína G se activa y a su vez interactúa con
proteínas intracelulares adicionales, activándolas. Con frecuencia una de éstas es una
enzima que genera un producto molecular pequeño que se difunde por la célula. Es-
tas moléculas pequeñas se llaman segundos mensajeros porque representan la res-
puesta intracelular al mensaje extracelular, o primer mensaje, que se unió alRAPG.
Diversas sustancias actúan como segundos mensajeros en las células, como nucleóti-
dos, derivados de nucleótidos, y las porciones polares y no polares de lípidos de mem-
brana. La presencia de un segundo mensajero puede modificar las actividades de
proteínas celulares, causando en última instancia cambios en la actividad metabólica
y la expresión génica. Estos acontecimientos se resumen en la figura 10-2A.

Un segundo tipo de receptor, que también es una proteína transmembrana, se
activa como cinasa por efecto de la unión al ligando. Una cinasa es una enzima que
transfiere un grupo fosforilo del ATP a otra molécula. En este caso, el grupo fosforilo

260 | CAPÍTUO 10 Señalización

(a) Ligando (b) Ligando

Receptor Tirosincinasa
acoplado receptora
a proteína G

Proteína G PP
(inactiva)

ATP ADP Cinasa 1 (activa)
ϩ ϩ

Proteína G (activa) Cinasa 1 P
Enzima (inactiva)

Sustrato Segundo ATP ADP
mensajero ϩ ϩ Cinasa 2 (activa)

Cinasa 2 P
(inactiva)

Proteínas blanco Cambios en actividad
metabólica y

expresión génica

Cambios en actividad
metabólica y expresión génica

Figura 10-2. Resumen de las vías de transducción de señales. La unión del ligando
a un receptor de superficie celular hace que una señal se transduzca al interior de la célula,
lo que con el tiempo produce cambios en el comportamiento celular. a) La unión de
ligando a un receptor acoplado a proteína G induce la activación de una proteína G, que
entonces activa una enzima la cual produce un segundo mensajero. Las moléculas de
segundo mensajero se difunden para inducir o inhibir la actividad de proteínas blanco en
la célula. b) La unión de ligando a una tirosincinasa receptora induce la actividad de
cinasa del receptor, de modo que algunas proteínas intracelulares se fosforilan. Una serie
de reacciones de cinasas activan o inhiben proteínas blanco agregándoles grupos fosforilo.

se condensa con el grupo hidroxilo de una cadena lateral Tyr en una proteína blanco,
por lo cual estos receptores se denominan tirosincinasas receptoras. En algunas vías
de transducción de señales en que intervienen tirosincinasas receptoras, la proteína
blanco es también una cinasa que se torna catalíticamente activa cuando se fosforila.
El resultado puede ser una serie de sucesos de activación de cinasas que al final indu-
cen cambios en el metabolismo y la expresión génica (figura 10-2B).

Algunos sistemas receptores incluyen tanto proteínas G como tirosincinasas, y
otros operan por mecanismos del todo distintos. Por ejemplo, el receptor de acetil-
colina de las células musculares (véase figura 9-16) es un canal iónico controlado por
ligando. Cuando se libera acetilcolina en la sinapsis neuromuscular y se une al recep-
tor, ingresan iones Na+ en la célula muscular, causando una despolarización que
provoca la entrada de iones Ca2+ para inducir la contracción muscular.

Los efectos de la señalización son limitados

La naturaleza de pasos múltiples de las vías de señalización y la participación de ca-
talizadores enzimáticos asegura que la señal representada por un ligando extracelular
se amplificará al ser transducida dentro de la célula (figura 10-2). En consecuencia,
una señal extracelular relativamente pequeña puede tener un efecto muy notable en
el comportamiento de una célula. Sin embargo, las respuestas de la célula a la señal
son reguladas de diversas maneras.

10-1 Características generales de las vías de señalización | 261

La rapidez, fuerza y duración de un suceso señalizador pueden depender del sitio
celular de los componentes de la vía de señalización. Existen pruebas de que los
componentes de algunas vías se preensamblan en complejos multiproteínicos en la
membrana plasmática o cerca de ella, de modo que puedan ser activados con rapidez
cuando el ligando se une a su receptor. Las señales que deben difundirse a largas
distancias para llegar a sus blancos, o que requieren que los blancos se muevan del
citoplasma al núcleo, pueden requerir más tiempo para actuar.

Dado que las vías de señalización tienden a ser ramificadas y no completamente
lineales, los mismos componentes intracelulares pueden participar en más de una vía
de transducción de señales, por lo que dos señales extracelulares distintas podrían
inducir los mismos resultados intracelulares. De manera alternativa, dos señales po-
drían cancelar mutuamente sus efectos. La respuesta de una célula dada, que expresa
distintos tipos de receptores, depende por tanto del modo en que se integren diversas
señales. De manera similar, diferentes tipos de células pueden tener diferentes com-
ponentes intracelulares y por ello reaccionar de modos distintos al mismo ligando.

En un sistema biológico que obedece la ley de la homeostasis, cualquier proceso
que se activa debe desactivarse con el tiempo. Tal control se aplica a las vías de seña-
lización. Por ejemplo, una proteína G que ha sido activada por su receptor vuelve a
desactivarse poco tiempo después. La acción de las cinasas es revertida por la acción
de enzimas que eliminan grupos fosforilo de las proteínas blanco. Éstas y otras reac-
ciones restablecen los componentes de señalización a su estado de reposo, de modo
que estén listos para volver a reaccionar cuando otro ligando se una a su receptor.

Por último, la mayoría de las personas saben que un olor intenso pierde su efecto
en pocos minutos. Esto se debe a que los receptores olfatorios, como otros tipos de
receptores, se desensibilizan. En otras palabras, los receptores se hacen menos capa-
ces de transmitir una señal aunque se expongan de manera continua al ligando. La
desensibilización puede permitir que la maquinaria de señalización se reprograme a
un cierto nivel de estimulación, para poder reaccionar mejor a cambios posteriores
en la concentración del ligando.

REPASO DE CONCEPTOS

• ¿Qué tienen en común los receptores hormonales con las enzimas y con las
proteínas de unión simple?

• ¿Cuál es el objetivo de los segundos mensajeros?
• ¿Cómo se amplifican las señales extracelulares dentro de la célula?
• Explique por qué sería necesario desactivar o desensibilizar un receptor.

10-2. Vías de señalización por proteína G

CONCEPTOS CLAVE Al menos 800 genes del genoma humano codifican receptores acoplados a proteína
• La unión de ligando a un receptor G, y estas proteínas son responsables de transducir la mayoría de las señales extra-
celulares. En esta sección se describirán algunas características de dichos receptores,
acoplado a proteína G modifica su sus proteínas G asociadas, y diversos segundos mensajeros así como sus blancos
conformación, de modo que una intracelulares.
proteína G intracelular se activa.
• La proteína G estimula la adenilato Entre los receptores acoplados a proteína G se
ciclasa para producir el segundo incluyen las hélices de siete pases por membrana
mensajero cAMP, el cual activa la
proteincinasa A. Los RAPG se conocen como receptores de siete pases por membrana (7TM) porque
• La señalización dependiente de contienen siete hélices α las cuales están dispuestas de modo muy parecido a como
proteína G es limitada por varios lo está la proteína de membrana bacteriorrodopsina (véase figura 8-8). Muchos
mecanismos. RAPG están palmitoilados en un residuo Cys, de modo que también son proteínas
• El sistema de señalización de unidas a lípido (véase sección 8-3). En la familia de los RAPG, los segmentos heli-
fosfoinosítido activa una proteína coidales están más conservados que las asas que los unen en los lados intracelular y
G, que induce la producción de extracelular de la membrana. Dado que al parecer adoptan muchas conformaciones
segundos mensajeros derivados distintas incluso en ausencia de ligando, los RAPG han sido difíciles de cristalizar
de lípido y la activación de para estudios estructurales de alta resolución.
proteincinasa C.
• Se produce comunicación cruzada
cuando las vías de señalización
comparten componentes.

262 | CAPÍTUO 10 Señalización

En la figura 10-3 se presenta la estructura de una de esas proteínas, el receptor
β2-adrenérgico. El sitio de unión al ligando en un RAPG es definido por una por-
ción del centro de la hélice de la proteína así como sus asas extracelulares. Aparte de
esta ubicación general, hay pocas semejanzas en las estructuras de los sitios de unión
de diferentes RAPG, lo cual concuerda con la observación de que cada receptor es
específico para sólo uno o unos pocos de muchos ligandos posibles, que pueden ser
moléculas grandes o pequeñas, polares o no polares.

Los ligandos fisiológicos para el receptor β2-adrenérgico son las hormonas adre-
nalina y noradrenalina, sintetizadas por las glándulas suprarrenales a partir del ami-

noácido tirosina.

CH3 ϩ CH2
CH OH
ϩ H3N

H2N CH2

CH OH

HO HO Figura 10-3. El receptor β2-
adrenérgico. La estructura del
OH OH esqueleto de la proteína se colorea en el
orden del arcoiris, desde el extremo N
Adrenalina Noradrenalina terminal (azul) hasta el extremo C
terminal (rojo). Se muestra un ligando
Estas mismas sustancias, a veces llamadas adrenalina y noradrenalina, también fun- en forma de espacio lleno en azul.
cionan como neurotransmisores. Son responsables de la respuesta de lucha o huída,
que se caracteriza por movilización de combustible, dilatación de vasos sanguíneos y (Estructura [pdb 2RH1] determinada por V.
bronquios (vías respiratorias), y aumento de la actividad cardiaca. Los antagonistas
que impiden la señalización vía el receptor β2-adrenérgico, conocidos como β blo- Cherezov, D.M. Rosenbaum, M.A. Hanson,
queadores, se emplean para tratar la hipertensión arterial.
S.G.F. Rasmussen, F.S. Thian, T.S. Kobilka, H.J.
¿De qué manera transmite el receptor la señal hormonal extracelular al interior de
la célula? La transducción de señales depende de cambios conformacionales en los Choi, P. Kuhn, W.I. Weis, B.K. Kobilka y R.C.
que participan las hélices transmembrana del receptor. Al parecer las hélices se des-
plazan ligeramente para dar cabida al ligando, que recoloca una de las asas proteíni- Stevens).
cas citoplásmicas. Además, un grupo conservado de cadenas laterales hidrófobas
voluminosas parece actuar como una especie de pivote que cambia entre los estados
unido a ligando y libre de ligando del receptor.

El receptor activa una proteína G

Los cambios conformacionales inducidos por ligando en un RAPG permiten a la
porción intracelular del receptor interactuar con una proteína G. Se supone que ésta
se encuentra cerca del receptor, dado que está unida a un lípido. Las proteínas G
triméricas asociadas al RAPG constan de tres subunidades, designadas α, β y γ (fi-
gura 10-4; otros tipos de proteínas G no tienen esta estructura de tres partes). La

Figura 10-4. Una proteína G. La
subunidad β (verde) tiene una
estructura en forma de hélice de barco.
La pequeña subunidad γ (amarillo) se
asocia estrechamente con la subunidad
β. La subunidad α (azul) se une a un
nucleótido guanina (GDP, anaranjado).
Las subunidades α y β se unen de modo
covalente a lípidos, de modo que se fijan
a la hoja citosólica de la membrana
plasmática cerca de un receptor.

(Estructura [pdb 1GP2] determinada por M.A.

Wall y S.R. Sprang).

10-2 Vías de señalización por proteína G | 263

αGDPβγ porción C terminal de la cadena α interactúa con el receptor después de la
Inactiva unión al ligando. En el estado en reposo, hay GDP unido a la subunidad α,
pero la asociación con el receptor hace que la proteína G libere el GDP y se

GDP una en cambio a GTP. El tercer grupo fosfato del GTP no se ajusta con facilidad

en el trímero αβγ, de modo que la subunidad α se disocia de las subunidades β
Pi y γ, que permanecen juntas. Una vez que se disocian, la subunidad α y el dí-

mero βγ son activos; es decir, interactúan con componentes celulares adiciona-
GTP les en la vía de transducción de señales. Sin embargo, dado que tanto las

subunidades α como las β incluyen anclas lipídicas, las subunidades de la

proteína G no se difunden muy lejos del receptor que las activó.

αGTP + βγ La actividad señalizadora de la proteína G es limitada por la actividad intrín-
seca de GTPasa de la subunidad α, que convierte en GTP unido en GDP:
Activa Activa
Figura 10-5. Ciclo de la proteína G. GTP ϩ H2O GDP ϩ Pi

El trímero αβγ, con GDP unido a la La hidrólisis del GTP permite que las unidades α y βγ vuelvan a unirse en un trímero
subunidad α, es inactivo. La unión del inactivo (figura 10-5). En esencia, la célula utiliza la energía libre generada por la hidrólisis
ligando a un receptor asociado a la del GTP para activar la proteína G (el GTP equivale en términos energéticos al ATP).
proteína G induce un cambio

conformacional que hace que el GDP

sea sustituido por GTP y la subunidad La adenilato ciclasa genera el segundo mensajero AMP
α se disocie del dímero βγ. Ambas cíclico
porciones de la proteína G son activas

en la vía de señalización. La actividad de La célula contiene distintos tipos de proteínas G que interactúan con diversos blan-
GTPasa de la subunidad α devuelve la cos en la célula y los activan o inhiben. Un solo receptor puede interactuar con más
proteína G a su estado trimérico de una proteína G, de modo que los efectos de la unión a ligando se amplifican en
inactivo. este punto. Uno de los principales blancos de la proteína G activada es una enzima

integral de membrana llamada adenilato ciclasa. Cuando la subunidad α de la pro-

teína G se une, los dominios catalíticos de la enzima convierten ATP en una molécula

conocida como AMP cíclico (cAMP). El cAMP es un segundo mensajero capaz de

difundirse libremente en la célula.

NH2 H NH2 H
NN PPi NN

OOO HN N adenilato ciclasa HN N

ϪO P O P O P O H2C O H2 O
C
OϪ OϪ OϪ HH HH
HH O OH H

HO OH P O OH
ϪO
ATP
AMP cíclico (cAMP)

El AMP cíclico activa la proteincinasa A

Entre los blancos del cAMP se encuentra una enzima llamada proteincinasa A o
PCA. En ausencia de cAMP, esta cinasa es un tetrámero inactivo de dos subunidades
reguladoras (R) y dos catalíticas (C). Un segmento de cada subunidad R ocupa el
sitio activo en una subunidad C, de modo que la cinasa no es capaz de fosforilar
sustratos. La unión del cAMP a las subunidades reguladoras elimina la inhibición,
haciendo que el tetrámero libere las dos subunidades catalíticas activas.

RR cAMP RR + C + C
CC Activa Activa

Inactiva

En consecuencia, el cAMP funciona como un activador alostérico de la cinasa, y la
concentración de cAMP determina el nivel de actividad de la proteincinasa A.

264 | CAPÍTUO 10 Señalización

Se dice que la proteincinasa A es una Ser/Thr cinasa porque transfiere un grupo
fosforilo del ATP a la cadena lateral Ser o Thr de una proteína blanco.

CH2 O PO23Ϫ CH O PO32Ϫ

Fosfo-Ser CH3

Fosfo-Thr

Los sustratos de la reacción se unen a una hendidura definida por los dos lóbulos de
la proteína (figura 10-6A). Otras cinasas comparten esta estructura central, pero a
menudo tienen dominios adicionales que determinan su localización subcelular o les
dan funciones reguladoras adicionales.

Además de la regulación por el enlace de cAMP a la subunidad R, la proteincina-
sa A es regulada por fosforilación. La llamada asa de activación de la proteína, un
segmento de polipéptido cerca de la entrada al sitio activo, incluye un residuo Thr
susceptible de fosforilación. Cuando el asa no está fosforilada, el sitio activo de la
cinasa se encuentra bloqueado. Cuando se fosforila, el asa se desplaza a un lado y la acti-
vidad catalítica de la cinasa aumenta; para algunas proteincinasas, la actividad au-
menta en varios órdenes de magnitud. Este efecto de activación no es simplemente
cuestión de mejorar el acceso del sustrato al sitio activo, sino que al parecer implica
cambios conformacionales que afectan la catálisis. Por ejemplo, la fosfo-Thr, con
carga negativa, interactúa con un residuo Arg, con carga positiva, en el sitio activo.
Con objeto de una catálisis eficiente se requiere que el residuo Arg y Asp adyacente
cambien de posición para la transferencia de un grupo fosforilo del ATP a un sustra-
to proteínico (figura 10-6B).

Entre los blancos de la proteincinasa A se encuentran enzimas implicadas en el
metabolismo del glucógeno (véase sección 19-2). Un resultado de la señalización vía
el receptor β2-adrenérgico, que causa la activación de la proteincinasa A por cAMP,
es la fosforilación y activación de una enzima llamada glucógeno fosforilasa, que
cataliza la liberación de residuos glucosa (el principal combustible metabólico celu-
lar) del glucógeno, el depósito de glucosa de la célula. En consecuencia, una señal
como la adrenalina puede movilizar el combustible metabólico necesario para im-
pulsar la respuesta de lucha o huída del cuerpo.

(a) (b)

ATP

Fosfo-Thr

Asp Arg
Sustrato

Figura 10-6. Proteincinasa A. a) El esqueleto de la subunidad catalítica se muestra
en color verde claro, con su asa de activación en verde oscuro. El residuo fosfo-Thr
(lado derecho) y el ATP (lado izquierdo) se muestran en forma de barras. Un péptido
que imita una proteína blanco se muestra en azul. b) Acercamiento de la región del
sitio activo. Cuando el asa de activación se fosforila, el residuo fosfo-Thr interactúa con
un residuo Arg, y el residuo Asp adyacente se posiciona cerca del tercer grupo fosfato
del ATP y el péptido sustrato. Los átomos se representan con código de color: C gris o
verde, O rojo, N azul, y P dorado. (Estructura [pdb 1ATP] determinada por J. Zheng, E.A. Trafny,

D.R. Knighton, N.-H. Xuong, S.S. Taylor, L.F. Teneyck y J.M. Sowadski).

10-2 Vías de señalización por proteína G | 265

Al parecer, las enzimas que fosforilan las asas de activación de la proteincinasa A
y otras cinasas de señalización celular operan cuando la cinasa recién se sintetiza, de
modo que la cinasa ya está “imprimada” o “cebada” y sólo necesita activarse de ma-
nera alostérica por la presencia de un segundo mensajero. Sin embargo, este meca-
nismo regulador hace surgir la interrogante de qué activa la cinasa que fosforila la
cinasa. Como se verá, las cinasas que actúan en serie son comunes en las vías de se-
ñalización biológicas, y muchas de estas vías están interconectadas, lo cual hace difí-
cil establecer relaciones de causa y efecto simples.

Las vías de señalización también pueden ser
desactivadas

¿Qué ocurre después de que un ligando se une a un receptor, una proteína G reac-
ciona, se produce un segundo mensajero, se activa una enzima efectora como la
proteincinasa A y se fosforilan proteínas blanco? Para restaurar el estado de reposo
de la célula, es posible bloquear o revertir algunos de los sucesos (o todos ellos) de la
vía de transducción de señales. Ya se ha visto que la actividad intrínseca de GTPasa
de las proteínas G limita su actividad. Y los segundos mensajeros a menudo tienen
tiempos de vida cortos debido a su rápida degradación en la célula. Por ejemplo, el
cAMP es hidrolizado por la enzima cAMP fosfodiesterasa:

NH2 H NH2 H
NN H2O NN

HN N Fosfodiesterasa ϪO O HN N
PO
CH2 O OϪ H2C O

O OH HH H HH
HH

P O OH HO OH
ϪO cAMP
AMP

Figura 10-7. Arrestina. Esta arrestina, Algunas de las proteínas G de la célula pueden inhibir más que activar la adenila-
la β-arrestina 1 bovina, incluye dos to ciclasa y así reducir la concentración celular de cAMP. Algunas proteínas G acti-
dominios en forma de copa que se cree van la cAMP fosfodiesterasa, con efectos similares en los procesos dependientes de
se mueven uno respecto al otro a fin de cAMP. La respuesta de una célula a una señal hormonal depende en parte de la pro-
alojar el receptor acoplado a proteína G teínas G que reaccionen. Dado que un solo tipo de hormona puede estimular varios
y reducir su capacidad de activar una tipos de proteínas G, el sistema de señalización puede ser activo sólo por un breve
proteína G. (Estructura [pdb 1G4R] lapso antes de desactivarse.

determinada por C. Schubert y M. Han). Las fosforilaciones catalizadas por proteincinasa A (y otras cinasas) pueden rever-
tirse por el trabajo de las proteinfosfatasas, que catalizan una reacción hidrolítica
266 | CAPÍTUO 10 Señalización que elimina grupos fosforilo de las cadenas laterales de las proteínas. Al igual que las
cinasas, las fosfatasas suelen ser específicas para Ser o Thr, o Tyr, aunque algunas
fosfatasas de “doble especificidad” eliminan grupos fosforilo de las tres cadenas late-
rales. El bolsillo del sitio activo de las Tyr fosfatasas es más profundo que el de las
Ser/Thr fosfatasas a fin de dar cabida a la cadena lateral de fosfo-Tyr, más grande.
Algunas proteinfosfatasas son proteínas transmembrana; otras son del todo intrace-
lulares. Tienden a presentar múltiples dominios o múltiples subunidades, lo cual
concuerda con su capacidad de establecer numerosas interacciones proteína-proteína
y participar en complejas redes reguladoras.

En última instancia, la disociación de un ligando extracelular respecto de su recep-
tor puede detener un proceso de transducción de señales, o desensibilizar el receptor.
La desensibilización de un RAPG comienza con la fosforilación del receptor unido a
ligando por un RAPG cinasa. El receptor fosforilado es reconocido entonces por una
proteína que recibe el nombre de arrestina (figura 10-7), que tiene residuos Lys y Arg que
se unen al grupo fosforilo. Este enlace detiene la señalización, al parecer al bloquear
interacciones con una proteína G (de aquí el nombre arrestina, “detener, suspender”),
y promueve el movimiento del receptor desde la superficie celular hasta un compar-
timento intracelular por el proceso de endocitosis. Resulta interesante el hecho de
que las arrestinas también funcionan como proteínas de andamiaje para organizar

componentes de otras vías de señalización. Datos experimentales sugieren que algunos
RAPG, incluido el receptor β2-adrenérgico, interactúan con la arrestina de modo que
pueden iniciar una respuesta intracelular sin siquiera convocar una proteína G.

La vía de señalización por fosfoinosítido genera dos Véase figura animada. Sistema de
segundos mensajeros señalización por fosfoinosítido.

La diversidad de receptores acoplados a proteína G, junto con la diversidad de pro-
teínas G, crea posibilidades casi ilimitadas para ajustar las concentraciones de segun-
dos mensajeros y modificar las actividades de enzimas celulares. La adrenalina,
hormona que activa el receptor β-adrenérgico, también se une al llamado receptor
α-adrenérgico, que es parte del sistema de señalización por fosfoinosítido. Los
receptores α- y β-adrenérgicos están situados en diferentes tejidos y median diferen-
tes efectos fisiológicos, aunque se unen a la misma hormona. La proteína G asociada
al receptor α-adrenérgico activa la enzima celular fosfolipasa C, que actúa en el lípi-
do de membrana bifosfato de fosfatidilinositol. El fosfatidilinositol es un compo-
nente menor de la membrana plasmática (4 a 5% de los fosfolípidos totales), y la
forma bisfosforilada (con un total de tres grupos fosfato) es aún más rara. La fosfoli-
pasa C convierte el lípido a trifosfato de inositol y diacilglicerol.

H OPO32Ϫ

Ϫ2O3PO OH H H

O H OPO23Ϫ H OH HO OPO32Ϫ
ϪO P O
OH H H HH
O OH HO Bifosfato
H OPO23Ϫ H2O de fosfatidilinositol
HH
CH2 CH CH2 Fosfolipasa C ϩ
OO
OH

C OC O CH2 CH CH2

R1 R2 Trifosfato de inositol OO
C OC O

R1 R2
Diacilglicerol

El trifosfato de inositol, altamente polar, es un segundo mensajero que induce la

abertura de los canales de calcio en la membrana del retículo endoplasmático, per-
mitiendo la entrada de iones Ca2+ al citosol. El flujo de Ca2+ inicia numerosos pro-

cesos en la célula, incluida la activación de una Ser/Thr cinasa conocida como

proteincinasa B o Akt. El trifosfato de inositol también activa cinasas directamente

y puede experimentar fosforilaciones adicionales para generar una serie de segundos

mensajeros que contienen hasta ocho grupos fosforilo.
El producto diacilglicerol de la reacción de la fosfolipasa C, hidrófobo, también

es un segundo mensajero. Aunque permanece en la membrana celular, puede difun-
dirse lateralmente para activar la proteincinasa C, que fosforila sus proteínas blanco
en residuos Ser o Thr. En el estado de reposo, la proteincinasa C es una proteína
citosólica con un asa de activación que bloquea su sitio activo. La unión no covalen-
te a diacilglicerol fija la enzima a la superficie de la membrana de manera que cam-
bia de conformación, reubica el asa de activación y adquiere actividad catalítica.
Como en el caso de la proteincinasa A (que comparte alrededor de 40% de identi-
dad de secuencia), la fosforilación de un residuo Thr en el asa de activación –un
requisito para la actividad catalítica– ya ha ocurrido. La activación plena de algunas
formas de proteincinasa C también requiere Ca2+, que se supone está disponible
como resultado de la actividad del segundo mensajero trifosfato de inositol. Entre
los blancos de la proteincinasa C se encuentran proteínas que participan en la regu-
lación de la expresión génica y la división celular. Determinados compuestos que

10-2 Vías de señalización por proteína G | 267

(a) imitan el diacilglicerol pueden activar la proteincinasa C, lo que al final causa la
proliferación celular descontrolada característica de los tumores.
La fosfolipasa C puede ser activada no sólo por un receptor acoplado a proteína
G como el receptor α-adrenérgico, sino también por otros sistemas de señalización
en que participan tirosincinasas receptoras. Éste es un ejemplo de comunicación
cruzada, las interconexiones entre vías de señalización que comparten algunos com-
ponentes intracelulares. La vía de señalización por fosfoinosítido es regulada en par-
te por la acción de lípido fosfatasas que eliminan grupos fosforilo del sustrato
bisfosfato de fosfatidilinositol, lo que da origen a los segundos mensajeros.
Otro ejemplo de la superposición entre vías de señalización tiene que ver con es-
fingolípidos como la esfingomielina (véase figura 8-2), que es un componente normal
de las membranas. La unión del ligando a determinadas tirosincinasas receptoras
causa la activación de esfingomielinasas que liberan esfingosina y ceramida (la cerami-
da es una esfingomielina sin su grupo cabeza fosfocolina). La ceramida es un segundo
mensajero que activa cinasas, fosfatasas y otras enzimas celulares. La esfingosina, que
experimenta fosforilación (por un mecanismo dependiente de tirosincinasa recepto-
ra) a esfingosina 1-fosfato, es una molécula de señalización tanto intracelular como
extracelular. Inhibe la fosfolipasa C dentro de la célula y al parecer sale de la célula por

(b) medio de una proteína transportadora ABC (véase sección 9-3), que se une a un re-
ceptor acoplado a proteína G a fin de inducir respuestas celulares adicionales.

Figura 10-8. Calmodulina. a) La La calmodulina media algunas señales de Ca2+
calmodulina aislada tiene forma
extendida. Los cuatro iones Ca2+ unidos En algunos casos en que los iones Ca2+ inducen un cambio en la actividad de una
se muestran como esferas azules. enzima, el cambio es mediado por una proteína de unión a Ca2+ conocida como cal-
b) Cuando se unen a una proteína modulina. Esta pequeña proteína (148 residuos) se une a dos iones Ca2+ en cada uno
blanco (hélice azul), la larga hélice de sus dos dominios globulares, que están separados por una larga hélice α (figura
central de la calmodulina se desenrrolla 10-8A). La calmodulina libre tiene forma extendida, pero en presencia de Ca2+ y una
y dobla de modo que la proteína puede proteína blanco, la hélice se desarrolla parcialmente y la calmodulina se pliega por la
envolver a su blanco. (Estructura de la parte media para sujetar la proteína blanco y activarla o inhibirla (figura 10-8B).

calmodulina [pdb 3CLN] determinada por Y.S. REPASO DE CONCEPTOS
• Trace un diagrama simple que incluya todos los componentes de la vía de
Babu, C.E. Bugg y W.J. Cook. Estructura de la
señalización del receptor β2-adrenérgico. Trace un diagrama similar para la vía de
calmodulina unida a un blanco de 26 residuos señalización del receptor α-adrenérgico.
• Para cada una de esas vías, indique puntos en que la actividad de señalización
[pdb 2BBM] determinada por G.M. Clore, A. puede inhibirse.
• ¿Cuál es la relación entre una hormona extracelular y un segundo mensajero en
Bax, M. Ikura y A.M. Gronenborn). términos de concentración y especificidad?
• ¿Cuál es la relación entre cinasas y fosfatasas?
• Explique el modo en que la misma hormona puede inducir diferentes respuestas
en diferentes células.
• Explique cómo diferentes hormonas pueden inducir la misma respuesta en una célula.

10-3. Tirosincinasas receptoras

CONCEPTOS CLAVE Ciertas hormonas y otras moléculas de señalización que regulan el crecimiento y la
• Ligandos como la insulina inducen división de las células se unen a receptores de la superficie celular que operan como
tirosincinasas. La mayoría de estos receptores son monoméricos, con un solo seg-
la actividad de tirosincinasa de sus mento transmembrana. La unión al ligando les permite formar dímeros, y en este
receptores. estado sus dominios citoplásmicos se convierten en cinasas con actividad catalítica.
• Las tirosincinasas receptoras El receptor de insulina sirve como modelo para otras tirosincinasas receptoras, aun-
inducen respuestas celulares al que existe como dímero en el estado de reposo.
fosforilar las proteínas blanco y
activar Ras. El receptor de insulina tiene dos sitios de unión a ligando

Véase exploración guiada. Señalización La insulina, una hormona polipeptídica de 51 residuos que regula muchos aspectos
hormonal por el sistema de tirosincinasa del metabolismo del combustible en los mamíferos, se une a receptores que están
receptora.

268 | CAPÍTUO 10 Señalización

␣␣

␤␤

Dominios
tirosincinasa

(a) (b)

Figura 10-9. El receptor de insulina. a) Esquema. El receptor consiste en
dos subunidades α y dos β unidas por enlaces disulfuro (líneas horizontales). Las
subunidades α se unen a insulina, y las subunidades β incluyen cada una un segmento
transmembrana (espiral) y un dominio tirosincinasa citoplásmico. b) Porción
extracelular del receptor de insulina. La superficie celular está abajo. Un par de
subunidades αβ se muestra en forma de espacio lleno, y el otro se muestra como un
trazo de esqueleto. La insulina se une a uno de los dos sitios de unión indicados por
flechas. (Estructura [pdb 2DGT] determinada por M.C. Lawrence y V.A. Streltsov).

presentes en la mayoría de los tejidos corporales. El receptor está formado por dos

polipéptidos largos que se escinden después de su síntesis, de modo que el receptor

maduro tiene una estructura α2β2 en la cual los cuatro segmentos polipeptídicos se
mantienen unidos por enlaces disulfuro (figura 10-9A).

La porción extracelular del receptor de insulina tiene forma de V invertida con múl-
tiples dominios estructurales (figura 10-9B). Segmentos de las subunidades α definen
los dos sitios de unión a insulina, pero los sitios están demasiado separados (~65 Å) para
unirse de manera simultánea a una misma molécula de hormona. En cambio, la eviden-
cia bioquímica indica que la unión a un solo sitio acerca entre sí las dos subunidades α
de tal manera que el segundo sitio de unión no puede unirse a insulina. Las interaccio-
nes interdominios, junto con los enlaces disulfuro, sugieren que el receptor es rígido, y
se piensa que esta característica es importante para transducir el mensaje (unión de in-
sulina a las subunidades α extracelulares) al aparato de señalización intracelular (los
dominios tirosincinasa de las subunidades β). Al parecer, otras tirosincinasas receptoras
que existen como monómeros inactivos se acercan de manera similar después de unirse
a sus ligandos y se reposicionan, con lo que activan sus dominios tirosincinasa.

El receptor experimenta autofosforilación

El cambio conformacional inducido por ligando en una tirosincinasa receptora
acerca entre sí sus dos dominios tirosincinasa lo suficiente para que puedan fosfori-
larse uno a otro. Dado que al parecer las cinasas se fosforilan a sí mismas, este pro-
ceso se llama autofosforilación. Cada dominio tirosincinasa tiene la típica estructura
central de tirosincinasa, incluida un asa de activación que cruza el sitio activo para
impedir la unión a sustrato. La fosforilación de tres residuos Tyr en el asa de activa-
ción causa un cambio conformacional que permite a la enzima unirse a ATP y sus-
tratos proteínicos y catalizar la transferencia de grupos fosforilo (figura 10-10).

10-3 Tirosincinasas receptoras | 269

Figura 10-10. Activación de la

tirosincinasa receptora para insulina.

La estructura del esqueleto del dominio
tirosincinasa inactivo del receptor de
insulina se muestra en azul claro, con el
asa de activación en azul oscuro. La
estructura del dominio tirosincinasa
activo se muestra en verde claro, con el
asa de activación en verde oscuro.
Nótese que las tres cadenas laterales de
Thr en el asa de activación se han
fosforilado (como resultado de que
cada dominio tirosincinasa fosforila al
otro), de modo que el asa de activación
se ha desplazado a un costado para
exponer mejor el sitio activo. Las
cadenas laterales de fosfo-Thir se
muestran en forma de barras con los
átomos coloreados por código: C verde,
O rojo, P anaranjado. (Estructura del

dominio cinasa inactivo [pdb 1IRK] determinada

por S.R. Hubbard, L. Wei, L. Ellis y W.A.

Hendrickson. Estructura del dominio cinasa

activo [pdb 1IR3] determinada por S.R.

Hubbard).

Figura 10-11. La vía de Ras. Ras Para iniciar las respuestas que promueven el crecimiento y división celulares, los
conecta la unión receptor-hormona con receptores de factor de crecimiento y otras tirosincinasas receptoras fosforilan diver-
una cascada de cinasas intracelular. sas proteínas intracelulares blanco. También activan otras vías en que participan
proteínas G monoméricas pequeñas (que también son ATPasas) como Ras. El domi-
nio tirosincinasa del receptor no interactúa de manera directa con Ras, sino que
depende de una o más proteínas adaptadoras que forman un puente entre Ras y los
residuos fosfo-Tyr del receptor (figura 10-11). Estas proteínas también estimulan a
Ras para que libere GDP y se una a GTP.

Como otras proteínas G, Ras es activa mientras tenga GTP unido a ella. El com-
plejo Ras · GTP activa de manera alostérica una Ser/Thir cinasa, que al ser activa
fosforila otra cinasa, a la cual activa, y así sucesivamente. De este modo, las cascadas
de varias cinasas pueden amplificar la señal inicial del factor de crecimiento.

Los blancos finales de las cascadas de señalización dependientes de Ras son pro-
teínas nucleares, las cuales cuando se fosforilan se unen a secuencias específicas de
DNA para inducir (activar) o reprimir (desactivar) la expresión génica. La actividad
modificada de estos factores de transcripción implica que la señal hormonal del
principio no sólo modifica las actividades de enzimas celulares en una escala temporal

Tirosincinasa La unión del Ligando Proteínas La Ras activa
receptora ligando al receptor adaptadoras puede ahora
puentean el receptor
induce la y Ras e inducen a iniciar una
autofosforilación Ras a liberar el GDP cascada de
de los dominios y unirse a GTP
cinasas
tirosincinasa

GDP P P GDP P P GTP P P GTP

Ras Proteínas Ras Cinasa
(inactiva) adaptadoras (activa) (activa)
ATP ADP
Cinasa ϩϩ
(inactiva)
P

270 | CAPÍTUO 10 Señalización