Química Y Función De La Membrana Celular Y Citoplasma 25x2

“QUÍMICA Y FUNCIÓN DE LA MEMBRANA CELULAR Y CITOPLASMA”

Autor: Diego Bravo. Año 2013/10/27 Semestre: Sexto B ESPOCH, Facultad de Ciencias, Escuela de Bioquímica y Farmacia Módulo de Química Farmacéutica I Período: Septiembre 2013-Febrero2014

OBSERVACIONES:

Calificación ……../10

Facilitador: Bqf. Víctor Guangasig 1. RESUMEN La célula está rodeada por una membrana denominada membrana plasmática. La membrana plasmática es una envoltura continua que separa dos compartimientos: el citoplasma y el medio extracelular. Está formada por una bicapa de lípidos proteínas y glúcidos que le confieren estabilidad en relación a los dos medios acuosos que la rodean. Los lípidos de membrana cumplen una función estructural al formar la bicapa; entre los más importantes podemos señalar al colesterol que regula la fluidez y los glucolípidos encargados del reconocimiento celular. Entre las proteínas que son parte de la estructura de la membrana están las proteínas integrales que pueden atravesar la membrana total o parcialmente; proteínas anfipáticas que tienen un sector hidrófobo inserto en la membrana y una o dos regiones hidrófilas expuestas al medio intra y extra celular. Pueden atravesar una sola vez la membrana (monopaso) o varias (multipaso). Las proteínas periféricas están del lado citosólico y tienen función estructural. Finalmente los Glúcidos se asocian y forman glucolípidos y glicoproteínas, intervienen en el reconocimiento y la adhesión celular. Están del lado extracelular. Otra estructura importante de la célula es el citoplasma también llamado protoplasma que es una masa coloidal química y morfológicamente compleja, comprendida entre la membrana citoplasmática y la membrana nuclear. Es un líquido viscoso de consistencia gelatinosa y su estructura corresponde a la de un coloide; en el que están suspendidos los organelos y las micro estructuras celulares. La parte del citoplasma que está atravesado por una red de fibras y filamentos denominada citoesqueleto; a toda la porción citoplasmática que carece de esta estructura se le da el nombre de citosol o hialoplasma que constituye la parte líquida del citoplasma. . La principal función del citoplasma es albergar los orgánulos celulares y contribuir al movimiento de estos. El citosol es la sede de muchos de los procesos metabólicos que se dan en las células de todos los numerosos orgánulos y sistemas de membranas que este acoge. Palabras clave: membrana celular, citoplasma, bicapa lipídica, hidrófobo, hidrofílico, citoesqueleto, glúcidos.

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2. INTRODUCCIÓN La membrana plasmática, citoplásmica o plasmalema, es el límite entre el medio externo extracelular y el intracelular. Tiene un grosor aproximado de 75 Å; no se puede observar con microscopio óptico pero si se puede con microscopios electrónicos. Es una estructura que rodea y limita completamente a la célula y constituye una barrera selectiva que controla el intercambio de sustancias desde el interior celular hacia el medio exterior circundante, y viceversa. La membrana plasmática posee la misma estructura en todas las células. En cortes ultra finos aparece como dos bandas oscuras separada por una banda clara, esta organización es común al resto de membranas biológicas constituyentes de los orgánulos celulares, por lo que se denomina unidad de membrana. (Mena P. 2004) El citoplasma es una estructura celular cuya apariencia es viscosa. Se encuentra localizado dentro de la membrana plasmática pero fuera del núcleo de la célula, hasta el 85% del citoplasma está conformado por agua, proteínas, lípidos, carbohidratos, ARN, sales minerales y otros productos del metabolismo. Además en su interior están localizados ciertos orgánulos como mitocondrias, plastidios, lisosomas, ribosomas, centrosomas, esferosomas, microsomas, diferenciaciones fibrilares y las inclusiones. Al citoplasma también se le conoce como la matriz citoplasmática y su apariencia es la de sustancia viscosa. Está compuesto por dos partes:  Citosol: consiste principalmente de agua, con iones disueltos, moléculas pequeñas y macromoléculas solubles en agua.  Ribosomas: partículas insolubles de 25 nm, sitios de síntesis proteica. La forma de la célula es mantenida por proteínas fibrosas que se encuentran en el citoplasma y que en conjunto conforman el citoesqueleto. El citoesqueleto está formado por filamentos y túbulos de diversos tamaños. Los microtúbulos tienen un rol primordial en la división celular. Los filamentos de actina intervienen en la división celular y en la motilidad. (Raisman J. & Gonzalez A.2008)

3. TEMAS A INVESTIGAR 3.1.

MEMBRANA CITOPLASMATICA

La membrana plasmática o citoplasmática es una estructura delgada interna con respecto a la pared celular que rodea el citoplasma de la célula. La membrana plasmática de las células procariontes está compuesta principalmente por fosfolípidos, que representan los compuestos químicos predominantes y proteínas. La membrana plasmática de las células eucariontes también contiene hidratos de carbono y esteroles, como el colesterol. Debido a la ausencia de esteroles, la membrana Página 2 de 13

plasmática de las células procariontes es más flexible que la de las células eucariontes. Una excepción a esta regla está presentada por los microorganismos procariontes sin pared celular del género Mycoplasma, cuyas membranas contienen esteroles.

Figura N.1. Membrana Citoplasmática Fuente: Gómez H. 2009 3.2.

ESTRUCTURA

Químicamente están constituidas por una doble capa de lípidos, carbohidratos y proteínas. Para explicar su estructura, los biólogos S.J. Singer y G.L. Nicholson, en 1972, elaboraron un modelo llamado mosaico fluido, en el cual la doble capa de fosfolípidos constituía el armazón fluido y viscoso para el mosaico donde se deslizan las distintas proteínas lentamente dentro de la bicapa.

Figura N.2. Membrana Celular Fuente: Gómez H. 2009

La membrana delimita el territorio de la célula y controla el contenido químico de la célula. En la composición química de la membrana forman parte: • Lípidos 40% • Proteínas 50% Página 3 de 13

• Carbohidratos 10% (Gómez H. 2009)

3.2.1. BICAPA LIPIDICA El orden de las llamadas cabezas hidrofílicas y las colas hidrofóbicas de la bicapa lipídica impide que solutos polares, como sales minerales, agua, carbohidratos y proteínas, difundan a través de la membrana, pero generalmente permite la difusión pasiva de las moléculas hidrofóbicas. Esto permite a la célula controlar el movimiento de estas sustancias vía complejos de proteína transmembranal tales como poros y caminos, que permiten el paso de iones específicos como el sodio y el potasio. Las dos capas de moléculas fosfolípidas forman un "sándwich" con las colas de ácido graso dispuestos hacia el centro de la membrana plasmática y las cabezas de fosfolípidos hacia los medios acuosos que se encuentran dentro y fuera de la célula.

Figura N.3. Bicapa Lipidica Fuente: Gerard J. Tortora,Berdell R. Funke,Christine L. Case 2007

3.2.2. Componentes lipídicos El 98% de los lípidos presentes en las membranas celulares son anfipáticos, es decir que presentan un extremo hidrófilo (que tiene afinidad e interacciona con el agua) y un extremo hidrofóbico (que repele el agua). Los más abundantes son los fosfoglicéridos (fosfolípidos) y los esfingolípidos, que se encuentran en todas las células; le siguen los glucolípidos, así como esteroides (sobre todo colesterol). Estos últimos no existen o son escasos en las membranas plasmáticas de las células procariotas. Existen también grasas neutras, que son lípidos no anfipáticos, pero sólo representan un 2% del total de lípidos de membrana. 

Fosfoglicéridos. Tienen una molécula de glicerol con la que se esterifica un ácido fosfórico y dos ácidos grasos de cadena larga; los principales fosfoglicéridos de membrana son Página 4 de 13



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la fosfatidiletanolamina o cefalina, la fosfatidilcolina o lecitina, el fosfatidilinositol y la fosfatidilserina. Esfingolípidos. Son lípidos de membrana constituidos por ceramida (esfingosina + ácido graso); solo la familia de la esfingomielina posee fósforo; el resto poseen glúcidos y se denominan por ello glucoesfingolípidos o, simplemente glucolípidos. Los cerebrósidos poseen principalmente glucosa, galactosa y sus derivados (como N-acetilglucosamina y Nacetilgalactosamina). Los gangliósidos contienen una o más unidades de ácido Nacetilneuramínico (ácido siálico). Colesterol. El colesterol representa un 23% de los lípidos de membrana. Sus moléculas son pequeñas y más anfipáticas en comparación con otros lípidos. Se dispone con el grupo hidroxilo hacia el exterior de la célula (ya que ese hidroxilo interactúa con el agua). El colesterol es un factor importante en la fluidez y permeabilidad de la membrana ya que ocupa los huecos dejados por otras moléculas. A mayor cantidad de colesterol, menos permeable y fluida es la membrana. Se ha postulado que los lípidos de membrana se podrían encontrar en dos formas: como un líquido bidimensional, y de una forma más estructurada, en particular cuando están unidos a algunas proteínas formando las llamadas balsas lipídicas. Se cree que el colesterol podría tener un papel importante en la organización de estas últimas. Su función en la membrana plasmática es evitar que se adhieran las colas de ácido graso de la bicapa, mejorando la fluidez de la membrana. En las membranas de las células vegetales son más abundantes los fitoesteroles.

Figura N.4 Bicapa Lipídica Fuente: Gerard J. Tortora,Berdell R. Funke,Christine L. Case 2007 Diagrama del orden de los lípidos anfipáticos para formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares(de color amarillento) separan las colas hidrofóbicas (de color gris) del medio citosólico y extracelular

3.2.3. Componentes proteicos El porcentaje de proteínas oscila entre un 20% en la mielina de las neuronas y un 70% en la membrana interna mitocondrial; el 80% son intrínsecas, mientras que el 20% restantes son extrínsecas. Las proteínas son responsables de las funciones dinámicas de la membrana, por lo que cada membrana tiene una dotación muy específica de proteínas; las membranas intracelulares tienen una elevada proporción de proteínas debido al elevado número de Página 5 de 13

actividades enzimáticas que albergan. En la membrana las proteínas desempeña diversas funciones: transportadoras, conectoras (conectan la membrana con la matriz extracelular o con el interior), receptoras (encargadas del reconocimiento celular, adhesión) y enzimas. Las proteínas de la membrana plasmática se pueden clasificar según cómo se dispongan en la bicapa lipídica: 

 

Proteínas integrales. Embebidas en la bicapa lipídica, atraviesan la membrana una o varias veces, asomando por una o las dos caras (proteínas transmembrana); o bien mediante enlaces covalentes con un lípido o un glúcido de la membrana. Su aislamiento requiere la ruptura de la bicapa. Proteínas periféricas. A un lado u otro de la bicapa lipídica, pueden estar unidas débilmente por enlaces no covalentes. Fácilmente separables de la bicapa, sin provocar su ruptura. Proteína de membrana fijada a lípidos. Se localiza fuera de la bicapa lipídica, ya sea en la superficie extracelular o intracelular, conectada a los lípidos mediante enlaces covalentes.

En el componente proteico reside la mayor parte de la funcionalidad de la membrana; las diferentes proteínas realizan funciones específicas:   

Proteínas estructurales o de anclaje: estas proteínas hacen de "eslabón clave" uniéndose al citoesqueleto y la matriz extracelular. Proteínas receptoras: que se encargan de la recepción y transducción de señales químicas. Proteínas de transporte: mantienen un gradiente electroquímico mediante el transporte de membrana de diversos iones.

Estas a su vez pueden ser: 

Proteínas transportadoras: Son enzimas con centros de reacción que sufren cambios conformacionales.

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Proteínas de canal: Dejan un canal hidrofílico por donde pasan los iones.

Figura N.5. Transporte de proteínas. Fuente: Gerard J. Tortora,Berdell R. Funke,Christine L. Case 2007 Página 6 de 13

3.2.4. Componentes glucídicos Están en la membrana unida covalentemente a las proteínas o a los lípidos. Pueden ser polisacáridos u oligosacáridos. Se encuentran en el exterior de la membrana formando el glicocalix. Representan el 8% del peso seco de la membrana plasmática. Sus principales funciones son dar soporte a la membrana y el reconocimiento celular (colaboran en la identificación de las señales químicas de la célula). 3.3.

FUNCIÓN DE LA MEMBRANA CITOPLASMATICA

La función más importante de la membrana plasmática consiste en actuar como una barrera selectiva para el ingreso y egreso de distintas sustancias. La membrana plasmática posee permeabilidad selectiva también llamada semipermeabilidad. Esta propiedad indica que la membrana plasmática permite el paso de ciertas moléculas y de ciertos iones e impide el paso de otros. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores. Las moléculas grandes, como las proteínas no pueden atravesar la membrana plasmática, quizá debido a que su tamaño es mayor que el de los poros e las proteínas integrales que funcionan como canales. Las moléculas de menor tamaño, como el agua, el oxígeno, el dióxido de carbono y algunos azúcares simples, en general atraviesan con facilidad la membrana plasmática. En cuanto a los iones que atraviesan muy lentamente. Las sustancias que se disuelven rápidamente en los lípidos, como el oxígeno, el dióxido de carbono y las moléculas orgánicas no polares, entran en la célula y salen de ella con mayor facilidad que otras sustancias porque la membrana está compuesta esencialmente por fosfolípidos. El desplazamiento de diversos materiales a través de la membrana plasmática también depende de las moléculas transportadoras que se describirán a continuación. La membrana plasmática también es importante para la degradación de nutrientes y la generación de energía. Las membranas plasmáticas de las bacterias contienen enzimas capaces de catalizar las reacciones químicas responsables de la degradación de nutrientes y la producción de ATP. En algunas bacterias se observa la presencia de pigmentos y enzimas relacionadas con la fotosíntesis en invaginaciones de la membrana plasmática que se introducen en el citoplasma. Estas estructuras membranosas se denominan cromatóforos o tilacoides. (Gerard J. Tortora,Berdell R. Funke,Christine L. Case 2007) Además poseen receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, movimiento celular, liberación de calcio de las reservas internas, etc. (Gómez H. 2007) Entre las funciones de la membrana celular se encuentran: 

Compartimentalización: la membrana plasmática define y limita la célula y mantiene las diferencias entre el contenido citosólico y el exterior celular; las membranas de orgánulos Página 7 de 13

(retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondria, etc.) también establecen características diferenciales entre esos orgánulos y el citosol. 

Mantenimiento de la presión osmótica

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Reconocimiento y transducción de señales externas.

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Establecimiento de interacciones intercelulares o con componentes de la matriz extracelular.

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Catálisis de ciertas reacciones llevada a cabo por proteínas de membrana especializadas.

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Determinantes de las formas celulares y condicionantes de la motilidad y los procesos de secreción y endocitosis. (Isabel Carrero y Angel Herráez. 2011).

4. EL CITOPLASMA 4.1. DEFINICIÓN Citoplasma significa “plasma o sustancia formadora” de la célula. Hace algún tiempo se llamaba protoplasma. El citoplasma es una sustancia viscosa e incolora que ocupa el espacio que existe entre la membrana y el núcleo; en él se encuentran los organelos celulares y posee compuestos inorgánicos como agua y sales minerales, gases como el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2) y elementos como hierro (Fe), cobre (Cu), sodio (Na), calcio (Ca) y cloro (Cl). Presenta también compuestos orgánicos como carbohidratos, lípidos y proteínas. (Fernandez E. 2011)

Figura N.6. El Citoplasma. Fuente: Fernandez E. 2011

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4.2. COMPOSISCIÓN CITOPLASMÁTICA 4.2.1. CITOSOL Es el medio interno del citoplasma. En él flotan el citoesqueleto y los ribosomas. Está formado por un 85% de agua con un gran contenido de sustancias dispersas en él de forma coloidal (prótidos, lípidos, glúcidos, ácidos nucleícos y nucleótidos así como sales disueltas. Entre sus funciones destacan la realización, gracias a los ribosomas y la síntesis de proteínas, con los aminoácidos disueltos en el citosol. Estas proteínas quedan en el citosol (enzimas, proteínas de reserva energética o proteínas que formarán el citoesqueleto). En él se produce una ingente cantidad de reacciones metabólicas importantes: glucólisis, gluconeogénesis, fermentación láctica, etc.

Figura N.7. Citosol Fuente: Almagiá A. 2003

4.2.2. ORGANELOS NO MEMBRANOSOS a. El citoesqueleto: aparece en todas las células eucariotas. La composición química es una red de fibras de proteína (microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos). Sus funciones son mantener la forma de la célula, formar pseudópodos, contraer las fibras musculares, transportar y organizar los orgánulos celulares. b. El centrosoma: Llamado también citocentro o centro celular es exclusivo de células animales. Está próximo al núcleo y es considerado como un centro organizador de microtúbulos. La estructura consta de una zona interior donde aparece el diplosoma, formado por dos centriolos dispuestos perpendicularmente entre sí. Este diplosoma está inmerso en un material pericentriolar que es el centro organizador de microtúbulos. Así en él se disponen microtúbulos que parten radialmente y que se llaman aster. Cada centriolo consta de 9 grupos de 3 microtúbulos que forman un cilindro. Este cilindro se mantiene gracias a unas proteínas que unen los tripletes. Su función es organizar los microtúbulos. De él se derivan estructuras de movimiento como cilios y flagelos y forma el huso acromático que facilita la separación de las cromátidas en la mitosis. Página 9 de 13

c. Los ribosomas: son estructuras globulares, carentes de membrana. Están formados químicamente por varias proteínas asociadas a ARN ribosómico procedente del nucléolo. Pueden encontrarse libres en el citoplasma o adheridos a las membranas del retículo endoplasmático. Unas proteínas (riboforinas) sirven de nexo entre ambas estructuras. Su función consiste únicamente en ser el orgánulo lector del ARN mensajero, con órdenes de ensamblar los aminoácidos que formarán la proteína. Son orgánulos sintetizadores de proteínas. (Almagiá A. 2003) 4.2.3. ORGANELOS MEMBRANOSOS Las células eucariotas presentan un complejo sistema de membranas internas que llega a ocupar la mitad de la célula. Es el sistema endomembranoso que divide la célula en diversos compartimentos (ap. Golgi, retículo endoplasmático, vesículas, lisosomas, etc.). En cada uno de ellos se realiza una función específica, una reacción bioquímica vital para el correcto funcionamiento de la célula. Muchos de los orgánulos celulares están interrelacionados y complementan su función. Existen dos tipos de compartimentos, además de los del sistema endomembranoso que muestran una doble membrana y son orgánulos productores de energía: mitocondrias y cloroplastos. a. El retículo endoplasmático: es un sistema membranoso cuya estructura consiste en una red de sáculos aplanados o cisternas, sáculos globosos o vesículas y túbulos sinuosos que se extienden por todo el citoplasma y comunican con la membrana nuclear externa. Dentro de esos sacos aplanados existe un espacio llamado lúmen que almacena las sustancias. Existen dos clases de retículo endoplasmático: R.E. rugoso (con ribosomas adheridos) y R.E. liso (libres de ribosomas asociados). Su función primordial es la síntesis de proteínas, la síntesis de lípidos constituyentes de membrana y la participación en procesos de detoxificación de la célula.

Figura N.8. Organelos Menbranosos. Fuente: Almagiá A. 2003 b. El aparato de Golgi: forma parte del sistema membranoso celular. Está formado por una estructura de sacos aplanados o cisternas (dictiosoma) acompañados de vesículas de secreción. Se sitúa próximo al núcleo y en células animales rodeando al centriolo. Las Página 10 de 13

cisternas poseen una cara cis y otra trans, con orientaciones diferentes. La cara cis se orienta hacia el RER y la trans hacia la membrana citoplasmática. Las conexiones entre cisternas se realizan por vesículas de transición. Las funciones del Ap. De Golgi son diversas: desempeña un papel organizador dentro de la célula, participa en el transporte, maduración, clasificación y distribución de proteínas, termina la glucosilación de lípidos y proteínas y sintetiza mucopolisacáridos de la matriz extracelular de células animales y sustancias como pectina, celulosa y hemicelulosa que forman la pared de las vegetales c. Los lisosomas: son vesículas procedentes del Ap. De Golgi que contienen enzimas digestivas como hidrolasas ácidas. Tienen una estructura muy sencilla, basada fundamentalmente en una membrana plasmática que almacena en su interior las proteínas. La cara interior de la membrana está muy glucosilada para impedir el ataque de las propias enzimas de su contenido interno. Su función consiste en realizar la digestión de la materia orgánica, rompiendo enlaces fosfoestéricos y liberando grupos fosfato con su enzima principal la fosfatasa ácida. Necesitan un pH de entre 3-6 por lo tanto meten protones hacia su interior gastando ATP. d. Las vacuolas: son vesículas constituidas por una membrana plasmática en cuyo interior existe fundamentalmente agua. Cuando además de agua existen otras sustancias de forma predominante se llaman inclusiones. Se forman a partir del retículo endoplasmático, del aparato de Golgi o de invaginaciones de la membrana plasmática. En animales suelen ser pequeñas y se llaman vesículas. Sus funciones son: acumular agua aumentando el volumen de la célula sin aumentar el tamaño del citoplasma ni su salinidad; almacenar sustancias energéticas, tóxicas, venenos, sustancias de desecho, etc. Constituyen el medio de transporte de sustancias entre orgánulos del sistema endomembranoso. En células animales existen además vacuolas fagocíticas, pinnocíticas y pulsátiles. e. Los peroxisomas: son orgánulos similares a los lisosomas pero que contienen, en vez de hidrolasas, enzimas oxidasas como la peroxidasa y la catalasa. Su función es participar en reacciones metabólicas de oxidación como las de las mitocondrias; sin embargo, en los peroxisomas la energía resultante se disipa en forma de calor y no de energía de síntesis de ATP f. Las mitocondrias: son orgánulos celulares que se encargan de la obtención de la energía mediante la respiración celular, proceso de oxidación en el que intervienen las ATP sintetasas. La energía obtenida se guarda en forma de ATP. Es un orgánulo común a células animales y vegetales. Funciones: realizan la respiración celular o mitocondrial; en la matriz se efectúa el ciclo de Krebs, la oxidación de los ácidos grasos, la biosíntesis de proteínas en los ribosomas y la duplicación del ADN mitocondrial. (Mercedes Ma. 2008)

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Figura N.9. Estructura de la célula. Fuente: Mercedes Ma. 2008 4.3. FUNCIONES     

La función del citoplasma es albergar los orgánulos celulares y contribuir al movimiento de estos. El citosol es la sede de muchos de los procesos metabólicos que se dan en las células. Proporciona a la célula un importante grado de plasticidad. El medio citoplasmático constituye el ambiente físico en que se localizan o sitúan espacialmente estructuras altamente organizadas llamadas organelos celulares Proporciona sostén y medios de comunicación a la célula. El citoplasma es un contenedor de enzimas, y otros solutos de la célula, y según la especialización celular, puede contener por ejemplo a los cuerpos neuronales, la sustancia basófila de las células serosas del páncreas, perótidas, células principales del estómago etc. (Vortick. 2012)

5. BIBLIOGRAFÍA 1) ALMAGIÀ A. (2003). Estructura y Función Citoplasmatica. Biología Humana. Pontifica Universidad Católica de Valparaíso. Recuperado en: http://www.anatomiahumana.ucv.cl/biologia/top9.html (2013, 25 de Octubre) 2) Fernandez E. (2011). El citoplasma. Fernandez editores MR. Recuperado en: http://www.tareasya.com.mx/index.php/tareas-ya/secundaria/ciencias-1/la-celula/1536El-citoplasma.html (2013, 25 de Octubre) 3) Gerard J. Tortora,Berdell R. Funke,Christine L. Case (2007). Introducción a la microbiología. 9° Edición. Editorial Médica Panamericana. Recuperado en: http://books.google.com.ec/books?id=Nxb3iETuwpIC&pg=PA90&dq=composicion+quimic a+de+la+membrana+celular&hl=es&sa=X&ei=CqdpUrTHA_Gq4AOP4YGYBQ&ved=0CDIQ6 Página 12 de 13

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