TALLER: PREGUNTAS COMPLEJAS SOBRE LA MEMBRANA CELULAR

1.Se dice que los solutos hidrofóbicos “fuerzan a las moléculas de agua adyacentes a re-organizarse en forma de entramados parecidos a los del hielo(figura) esta afirmación parece paradójica porque las moléculas de agua no interaccionan con los solutos hidrofóbicos ¿De qué forma las moléculas de agua detectan un soluto hidrofóbico y cambian sus propiedades para interaccionar de manera diferente entre ellas? Analiza la paradoja y desarrolla un concepto claro de lo que entendemos por entramados parecidos a los del hielo. ¿Es comparable con el hielo? ¿Porque esta estructura parecida al hielo seria energéticamente desfavorable  en comparación con el agua pura?

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2 .Cinco estudiantes siempre se sientan juntos  en la primera fila, esto se debe a :1. que realmente les gusta estar juntos?2.Nadie más en la clase se quiere sentar junto a ellos ¿Qué explicación le parece la más adecuada  para el ensamblaje de una bicapa bi-lipida ¿ ,Si la bicapa bilipida se hubiera ensamblado  por la otra razón .En que diferirían sus propiedades?

3. Las propiedades de una bicapa bilipida están determinadas por las estructuras de sus moléculas lipídicas; prediga las propiedades de las bicapas bilipidas  que resultarían si lo siguiente fuera cierto:

A. SÍ los fosfolípidos tuvieran una sola cadena hidrocarbonada en lugar de dos, B. las cadenas carbonadas fueran más cortas de lo normal, C, todas las cadenas fueran saturadas, D. todas fueran insaturadas E. la bicapa tuviera solo dos tipos de fosfolípidos uno con las dos cadenas saturadas y otro con cadenas insaturadas F. Cada molécula lipídica estuviera unida covalentemente  a travesó del ultimo átomo de carbono de una de sus cadenas hidro -carbonadas  a una  molécula lipídica de la mono capa opuesta.

4. La margarina está fabricada a base de aceites vegetales mediante un proceso químico, supone que este proceso transforma los ácidos grasos saturados en insaturados o viceversa, argumente su respuesta.

5. Cuál de los fosfolípidos enumerados a continuación se encuentra en cantidades muy pequeñas en las membranas celulares de los mamíferos a pesar de su papel en la señalización celular?  Fosfatidilcolina(FC), fosfatidiletanolamina(FEA), fosfatidil inositol(FI), fosfatidilserina(FS), esfingomielina(EM)

6. Prediga cuál de los siguientes organismos tendrá mayor ´porcentaje de ácidos grasos de cadena insaturada en sus membranas. Argumente:

Pez antártico, iguana del desierto, el ser humano, osos polar y bacteria termófila.

7.Los micro dominios lipídicos son ricos tanto en esfingomielina como en colesterol, y parece que el colesterol tiene un papel esencial en la formación de micro dominios pues aparentemente estos no se forman en su ausencia. ¿Porque cree que el colesterol es esencial en la formación de micro dominios?  pista:  los esfingolipidos distintos a la esfingomielina  tienen grandes grupos polares de cabeza formados por moléculas de azúcar unidas).Si los micro dominios lipídicos se forman como consecuencia de la asociación preferente entre moléculas de colesterol y esfingolipidos , ¿porque cree que se agregan en numerosas regiones de tamaño pequeño en lugar de agregarse en una región grande y única?.¿Porque los micro dominios son gruesos comparados con otras regiones de las bicapas?

8.A un amigo   de Safari por África  lo mordió una serpiente venenosa mientras cruzaba un rio  casi muere a causa de una extensa hemolisis .Como un verdadero biólogo  vocacional que es , capturo la serpiente  antes de que se escapara ,  ha pedido que se analice su veneno  para descubrir su actividad hemolítica .Encuentra que el veneno tienen una proteasa , una neuraminidasa( enzima que elimina los residuos de ácido sialico de los gangliosidos) y una fosfolipasa que rompe fosfolípidos. El tratamiento  de eritrocitos aislados  con estas enzimas  purificadas dio lugar  a resultados que se muestran en la tabla .El análisis de los productos de hemolisis producidos  por el tratamiento con la fosfolipasa  mostro un gran aumento de fosforil-colina libre ( colina  con  un grupo fosfato unido) y di-acil glicerol( glicerol con dos cadenas de ácidos grasos unidas ).Cual es el sustrato de la fosfolipasa y donde la escinde ( corta)?En función de lo que se conoce de la estructura de MP .Puede sugerir que la fosfolipasa produce la lisis de los eritrocitos , pero no la proteasa  ni la neuraminidasa?  

9-Quiere determinar  la distribución de fosfolípidos de la membrana plasmática de los eritrocitos humanos .Sabes que los fosfolípidos constituyen el 60% de los lípidos de la bicapa de los eritrocitos, colesterol 23% y gluco-lipidos el 3%, la mayoría del resto. Con el fin de determinar la distribución de fosfolípidos individuales, trata eritrocitos intactos y fantasmas de eritrocitos permeables 1 con fosfolipasas  diferentes 2 con un  reactivo fluorescente  abreviado SITS, que marca específicamente los grupos amino primarios, pero que no atraviesa una membrana intacta .Tal como lo resume la tabla , el tratamiento con Esfingomielinasa degrada la esfingomielina (EM)  de los eritrocitos intactos ( sin lisarlos) y de los fantasmas de eritrocitos permeables. Las fosfolipasas de veneno de serpiente marina solo degradan la  fospatidil colina ( FC) en lo eritrocitos intactos (sin lisarlos) pero también degradan fosfatidil serina  FS y  fosfatidiletanolamina FET  en los fantasmas  de eritrocitos permeables. SITS marca toda la FET  y la FS  en los fantasmas de eritrocitos permeables , pero casi no marca nada en los eritrocitos intactos .

A partir de los resultados, deduzca la distribución de los cuatro principales fosfolípidos de las membranas de los eritrocitos. ¿Cuál de los fosfolípidos si hay alguno se localiza en las dos mono-capas de la membrana?

Sensibilidad de los fosfolípidos de eritrocitos humanos intactos y de fantasmas de eritrocitos permeables   a fosfolipasas y a un marcador fluorescente  que no puede atravesar una membrana intacta.

10.Pitagoras prohibió a sus seguidores comer granos de haba, más allá de las implicaciones políticas ( los griegos votaban con granos) existe una base racional para esta prohibición .En el oriente medio son frecuentes  algunas formas alélicas  del gen que codifica  la glucosa 6 –fosfato deshidrogenasa (G6PD).Estas formas mutantes del gen reducen la actividad de la G6PD al 10 % de lo normal. Se han seleccionado en oriente medio y en otras áreas del planeta en las que la malaria es común, pues aportan protección contra el parasito de la malaria. La G6PD controla la primera etapa de la ruta de producción de NADPH .Un nivel por debajo de lo normal PH en la que los eritrocitos crean un ambiente desfavorable para el crecimiento del protista Plasmodium falciparum el cual causa malaria  .Aunque de alguna forma están protegidos contra la malaria , los individuos deficientes en G6PD, tienen ocasionalmente otros problemas .NADPH  es el principal agente necesario  para mantener el citosol  de los eritrocitos en un estado reducido adecuado y convierte  de forma constante  enlaces di -sulfuro temporales( –S-S-)de nuevo en sulfihidrilos(-SH-SH-).Cuando un individuo deficiente en la G6PD come habas crudas  o poco cocinadas , una sustancia oxidante de las habas  supera la capacidad reductora de los eritrocitos, provocando una anemia hemolítica grave que en ocasiones puede causar la muerte. Porque sucede esta anemia?

11.En la membrana de los eritrocitos humanos  la relación entre la masa de las  proteínas ( pm=50.000) de los fosfolípidos (pm=800) y del colesterol (pm=386) es de alrededor de 2:2.1.Cuantas moléculas lipídicas( fosfolípido + colesterol) hay por cada molécula de proteína?

12Las estimaciones del número de proteínas asociadas a la membrana por célula  y la fracción de la membrana plasmática ocupada  por esas proteínas proporciona  una base cuantitativa útil para comprender la estructura  de la M.P. Estos cálculos son directos para proteínas de la M.P  de los eritrocitos porque  estas células no contienen membranas internas que pueden aportar confusión. El procedimiento incluye la preparación de MP, la separación de proteínas transmembrana en un gel de poliacrilamida en presencia de SDS (dodecil sulfato de sodio es un detergente) y la tinción con un colorante azul de coomasie. Dado que la intensidad de color es aproximadamente proporcional a la masa de proteína que está presente  en la banda, se pueden realizar estimaciones  cuantitativas  como las que muestra la tabla. A partir de esa información calcule el número de moléculas  de espectrina, banda 3, y glucoforina en un eritrocito. Suponga que 1ml de fantasmas de eritrocitos contiene 10 10 células   y 5mg de proteína total de membrana.

Calcule la fracción  de membrana plasmática que es ocupada por banda 3, suponga que la banda 3 es un cilindro de 3nm de radio y 10 nm de altura , que está orientado en la membrana como muestra la figura , y la superficie total de un eritrocito es 108 nm2

Proporción de tinción asociada a tres proteínas de membrana.

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13Un problema difícil en la biología celular es definir las asociaciones entre diferentes proteínas  en el ensamblaje de complejos .Se han estudiado estudiando diferentes aproximaciones , las asociaciones en las que participan la espectrina , la anquirina, la banda tres, y la actina  y que constituyen la red filamentosa  que existe en la cara citoplasmática  de la membrana de los eritrocitos .Un método se basa en el uso de anticuerpos  que son específicos para proteínas individuales. Se incuba una mezcla de dos proteínas y posteriormente se añade  un anticuerpo especifico contra una de ellas .Los complejos anticuerpo proteína  resultantes se precipitan y se analizan. Los resultados recogidos en la tabla corresponden a la aplicación de esta técnica a parejas de espectrina, anquirina, banda 3,y actina. A partir de la información de la tabla deduzca las asociaciones que se establecen entre estas proteínas.

Precipitación de proteínas  de la M.P dfe los eritrocitos mediante anticuerpos específicos contra proteínas individuales.

14.Al igual que para la mayoría de las proteínas de membrana, la estructura tridimensional del transportador GLUT 1 de glucosa todavía no ha sido determinada, por cristalografía de rayos X, debido a las dificultades encontradas en la obtención de cristales, sin embargo, los Biólogos celulares han deducido sus estructuras basados en la secuencia de aminoácidos y en varios datos topológicos. Usando la siguiente información proponga la estructura de GLUT 1 e indique como se organizar la proteína en la membrana:

Glut 1 está formada por un único polipéptido de 492 aminoácidos, la proteína tiene 12 segmentos hidrófobos, cinc o de los cuales (3,5,7,8,11) tienen tres o cuatro residuos de aminoácidos polares con carga menudo separados por varios residuos hidrófobos, ( NOTA: Hay unos 3,5  residuos por vuelta en una proteína en hélice alfa.

Cuando una hélice con un residuo polar en cada tercera o cuarta posición se ve desde un extremo los residuos hidrófilos se agrupan hacia un lado de la hélice.

La asociación de cinco de tales hélices cada una con su lado hidrófilo orientado hacia el interior puede generar un canal transmemebrana limitado por residuos polares y cargados que pueden formar enlaces transitorios   de hidrogeno con glucosa  mientras este se desplaza a través  del canal

15Los iono foros son pequeñas moléculas hidrofóbicas que se disuelven en las bicapas lipídicas y aumentan la permeabilidad de la bicapa a ciertos iones inorgánicos específicos. Existen dos clases de iono foros: los transportadores iónicos móviles, que se desplazan por dentro de la bicapa y los formadores de canales, que atraviesan la bicapa.  Ambos tipos actúan protegiendo la carga del ion transportado de manera que pueda atravesar el interior hidrofóbico de la bicapa. ¿Cómo esperaría que cambien  las actividades de un ionoforo formador de canales y de un transportador iónico móvil al balar la temperatura de la bicapa e incremente así su viscosidad?

16Las células del cerebro dependen de la glucosa como fuente de energía y utilizan el transportador de glucosa GLUT 3 que tiene una Km de 1.5 Mm. Las células del hígado que almacenan glucosa(en forma de glucógeno) después de una comida y liberan glucosa entre comidas , usan el transportador  GLUT 2  que tiene una Km de 15mM.

a. Calcule la velocidad (como porcentaje de la velocidad máxima) de entrada de glucosa en las células del cerebro y en las células del hígado a unas concentraciones circundantes de 3 Mm(ayuno) 5mM(normales)y 7mM (después de una comida rica en carbohidratos) .Reordenando la ecuación de Michaelis Menten se obtiene:

(Velocidad / velocidad máxima) =[S]/ [S] +km

b- Aunque la concentración de glucosa en la circulación normal no sobrepasa los 7 mM, el hígado puede estar expuesto a concentraciones  muy superiores después de una comida .El intestino libera  la glucosa  a la circulación portal  que va directamente al hígado. En la circulación portal la concentración de glucosa puede  alcanzar valores hasta de 15mM.A que fracción de la velocidad Máxima(Vmax) están importando las células del hígado  la glucosa a esta concentración ¿

Coinciden estos cálculos con las funciones biológicas de las células de hígado y cerebro. Argumente.

17Algunas células bacterianas pueden crecer con etanol (CH3CH20H) o acetato(CH3C00-) como única fuente de carbono. Las velocidades iniciales de entrada de estas moléculas en función de su concentración externa se muestran en la tabla, pero no se indica la identidad de cada molécula.

Construya una gráfica con los referentes velocidad inicial frente a concentración.

A partir de los datos que puede decir sobre el transporte de las dos moléculas, a partir de la gráfica deduzca cual es etanol y cual acetato, Argumente.

Si es posible  a partir de los datos  que ha representado determine Vmax y Km  para etanol ya acetato.

Velocidades iniciales de la entrada de etanol y acetato

18Una proteína transmembrana tiene las siguientes propiedades: tiene dos sitios de unión uno para soluto A y otro para soluto B ,la proteína puede sufrir un cambio conformacional que la hace alternar entre sus dos estados , con ambos sitos A y B hacia  el otro lado, la proteína puede pasar de un lado conformacional al otro solo si ambos centros de unión  están libres , pero no si solo está ocupado uno de ellos. ¿Qué clase de transportador define estas propiedades? Hace falta especificar alguna propiedad adicional para convertir a esta proteína en una proteína que acopla el movimiento del soluto A   en contra de su gradiente  de concentración  al movimiento del  soluto B a favor de su gradiente  electroquímico? Cuáles son las propiedades de un anti porte?

19Los transportadores iónicos están relacionados entre si; esta relación no es “física” sino consecuencia de su actividad .Por ejemplo las células  pueden elevar su PH  intracelular , cuando se han acidificado en exceso, intercambiando Na+ externo  or H+ interno, utilizando el anti porte Na+/H+.El cambio  en la concentración interna  de Na+ es corregido utilizando la bomba Na+/K+.

¿Pueden estos dos transportadores actuando conjuntamente normalizar la concentración intracelular tanto de H+   como de Na+?

Puede provocar la acción conjunta  de estas bombas  desequilibrios en la concentración de K+   o en el potencial de membrana?

20Porque la exportación de HCO3-  fuera de la célula a través del intercambiador HCO3-/Cl- provoca un descenso en el PH intracelular?

Las células generan CO2  de manera continua  como consecuencia de la oxidación de la glucosa y los ácidos grasos  que es necesaria para cubrir necesidades energéticas .

a. Sino participa ningún tipo de transporte. ¿Que efecto tendría esta producción continuada de CO2   sobre el PH intracelular?.

b. De qué manera puede el intercambiador HCO3-/Cl- que actúa acoplado al flujo de Na+, contrarrestar estos cambios de PH.

c. La combinación de la oxidación metabólica y la acción del intercambiador HCO3-/Cl- hace que la concentración total de CO2 + HCO3   aumente, disminuya o se mantenga constante en la célula?

21Las células generan C02   de manera continua como consecuencia de la oxidación de glucosa y de los Ácidos grasos que es necesaria para cubrir sus necesidades energéticas.

1. Si no participa ningún tipo de transporte,   qué efecto tendrá la producción continua de CO2 sobre el PH intracelular?.
2. ¿De qué manera el intercambiador HCO3-/Cl-  que actúa acoplado a un flujo de Na+ contrarresta los cambios de PH?
3. ¿La combinación  de la oxidación metabólica  y la acción del intercambiador HCO3-/Cl-  hace que la concentración total de HCO3- + CO2   aumente, disminuya o se mantenga constante  en la célula?

22El C02  se elimina del organismo en los pulmones  en un  proceso mediado por los eritrocitos  tal y como se resume en la figura. el transporte de CO2 esta acoplado al de O2 mediante la hemoglobina, tras la liberación de O 2 en los tejidos, la hemoglobina sufre un cambio conformacional que eleva el Pk de la cadena lateral de histidina permitiéndole unirse a un  H+  generado por la hidratación de CO2.Este Proceso ocurre justo a la inversa  en los pulmones , cuando el O2 se une  a la hemoglobina

1. ¿Hasta que punto vario el PH intracelular de los eritrocitos duran te su tránsito desde los tejidos a pulmón y porque?
2. En forma de que y donde está el CO2 durante su transporte desde tejidos a pulmón ¿

Como puede el intercambiador HCO3-/Cl-  actuar en un sentido en los tejidos y en sentido contrario en los pulmones?

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23Un aumento en la concentración intracelular de ca+2 causa la contracción de las células musculares, además de la bomba Ca+2/ATP asa, las células musculares del corazón se contraen de forma rápida y regular tienen un anti-porte que intercambia Ca+2 /Na+ extracelular a través de la M.P. Este anti porte bombea rápidamente la mayoría de los iones ca+2 que han entrado fuera de la célula, permitiendo que la célula se relaje. La oubaina y la digitalina son dos fármacos utilizados en pacientes con enfermedades cardiacas ,m hacen que el corazón se contraiga con más fuerza . Ambos fármacos funcionan inhibiendo parcialmente la bomba Na+/K+ en la membrana de las células musculares cardiacas. Proponga una explicación para la acción de los fármacos en estos pacientes. ¿Qué sucedería s el paciente toma más pastillas de las indicadas de cualquiera de las dos?

24Ha obtenido una preparación de vesículas lipídicas (bicapas lipídicas esféricas) que como única proteína de membrana contienen la bomba NA+/k+. Suponga que cada bomba transporta un Na+ en un sentido y el K+ en el otro en cada ciclo de funcionamiento, como se muestra en la figura , todas las bombas están orientadas  de manera que la parte  de la molécula  que normalmente mira al citosol esta mirando hacia el exterior  de la vesicula.Predecir qué ocurriría en cada una de las siguientes situaciones:

1. El medio intra y extra vesícula contiene tanto Na+ como K+  pero nada de ATP
2. El medio intra y extra vesícula contiene tanto Na+ como K+   además ATP
3. El medio interno de las vesículas contiene Na+  el medio externo Na+ y ATP -
4.  Los medios son los mismos que en B , pero las moléculas de la bomba Na+/ K+  están  orientadas al azar , algunas mirando hacia un lado  y otras hacia el lado contrario.

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25El jugo gástrico del estómago tiene un PH 2.0, esta acidez resulta de la secreción de protones por las células epiteliales de la mucosa gástrica, estas células están a temperatura corporal 37°C tienen un PH de 7.0 y un potencial de membrana de -70 mV.( negativo)

a. Cuál es la concentración del gradiente de protones en la membrana de las células epiteliales.

b-Calcule la variación de la energía libre asociada a la secreción de una mol de protones en el jugo gástrico a  37°C

cree usted que el transporte de protones puede estar impulsado por el hidrolisis del ATP en una relación de una molécula de ATP por un protón transportado.

Si los protones pudieran regresar libremente a la celula, calcule el potencial de membrana requerido para que no lo hagan?

26.La bomba de calcio del retículo sarcoplasmatico: La contracción de las células musculares se regula por iones ca+2, que es liberado y recapturado por el retículos sarcoplasmatico ( RS), la salida del calcio  desde el RS , activa la contracción muscular, mientras que la ATPasa de calcio devuelve a la célula al estado relajado. Cuando el tejido muscular se homogeniza el RS se fragmenta en vesículas denominadas micro somas, que retienen la capacidad de tomar el calcio. En el experimento de la figura se preparó un medio de reacción con 5mM de Mg +2, ATP y  0.1 M de KCl con un PH DE 7.5. Se añadió a 1ml del medio de reacción una alícuota de micro somas que contenían 1.0 mg de proteínas, posteriormente se añadieron 0.4 mili moles de ca+2. Dos minutos después se añadió un ionoforo de calcio (sustancia que facilita el movimiento de un ion a través de una membrana) en cada adición se registró la actividad de ATP asa, obteniéndose los resultados que se ven en la figura.

a-Cual es la actividad ATPasica expresada como micro moles de ATP hidrolizados por miligramo de proteína por minuto.

 b-La ATPasa se activa por calcio como se observa por el incremento de La hidrolisis de ATP cuando se añade calcio y por la disminución de hidrolisis cuando el calcio baja, por efecto de la adición de micro somas  un  minuto después. ¿Cuantos iones de calcio entran por cada ATP hidrolizado?

c.La ultima adición es la del ionoforo de calcio? Cuando se reestablece la hidrolisis del ATP

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