La fusión de membranas es un proceso biofísico clave que es esencial para el funcionamiento de la vida misma. Se define como el evento en el que dos bicapas lipídicas se acercan y luego se fusionan para formar una única estructura continua. [1] En los seres vivos, las células están formadas por una capa externa formada por bicapas lipídicas; que luego hacen que se produzca la fusión en eventos como la fertilización , la embriogénesis e incluso las infecciones por varios tipos de bacterias y virus . [2]Por tanto, es un evento sumamente importante de estudiar. Desde un ángulo evolutivo, la fusión es un fenómeno extremadamente controlado. La fusión aleatoria puede resultar en graves problemas para el funcionamiento normal del cuerpo humano. La fusión de membranas biológicas está mediada por proteínas . Independientemente de la complejidad del sistema, la fusión se produce esencialmente debido a la interacción de varias fuerzas interfaciales, a saber, la repulsión de la hidratación, la atracción hidrófoba y las fuerzas de van der Waals . [3]
Fuerzas entre capas
Las bicapas lipídicas son estructuras de moléculas lipídicas que constan de una cola hidrófoba y un grupo de cabeza hidrófilo . Por lo tanto, estas estructuras experimentan todas las fuerzas interbicapa características involucradas en ese régimen.
Repulsión de hidratación
Dos bicapas hidratadas experimentan una fuerte repulsión a medida que se acercan. Estas fuerzas se han medido utilizando el aparato de fuerzas de superficie (SFA), un instrumento utilizado para medir fuerzas entre superficies. Esta repulsión fue propuesta por primera vez por Langmuir y se pensó que surgía debido a las moléculas de agua que hidratan las bicapas. La repulsión de la hidratación se puede definir así como el trabajo requerido para eliminar las moléculas de agua alrededor de las moléculas hidrófilas (como los grupos de cabeza lipídica ) en el sistema bicapa. [4] Como las moléculas de agua tienen afinidad por los grupos de cabeza hidrófilos , intentan organizarse alrededor de los grupos de cabeza de las moléculas de lípidos y resulta muy difícil separar esta combinación favorable.
Los experimentos realizados a través de SFA han confirmado que la naturaleza de esta fuerza es una disminución exponencial. [5] El potencial V R viene dado por [6]
donde C R (> 0) es una medida de la energía de interacción de hidratación para moléculas hidrófilas del sistema dado, λ R es una escala de longitud característica de repulsión de hidratación yz es la distancia de separación. En otras palabras, es en distancias de hasta esta longitud donde las moléculas / superficies experimentan plenamente esta repulsión.
Atracción hidrofóbica
Las fuerzas hidrófobas son las fuerzas entrópicas de atracción entre dos grupos hidrófobos cualesquiera en medios acuosos, por ejemplo, las fuerzas entre dos cadenas de hidrocarburos largas en soluciones acuosas. La magnitud de estas fuerzas depende de la hidrofobicidad de los grupos que interactúan, así como de la distancia que los separa (se encuentra que disminuyen aproximadamente exponencialmente con la distancia). El origen físico de estas fuerzas es un tema debatido, pero se ha descubierto que son de largo alcance y son las más fuertes entre todas las fuerzas de interacción física que operan entre las superficies biológicas y las moléculas. [7] Debido a su naturaleza de largo alcance, son responsables de la rápida coagulación de partículas hidrófobas en el agua y juegan un papel importante en varios fenómenos biológicos, incluido el plegamiento y estabilización de macromoléculas como proteínas y la fusión de membranas celulares.
El potencial V A viene dado por [7]
donde C A (<0) es una medida de la energía de interacción hidrofóbica para el sistema dado, λ A es una escala de longitud característica de atracción hidrofóbica yz es la distancia de separación.
Fuerzas de van der Waals en bicapas
Estas fuerzas surgen debido a interacciones dipolo-dipolo (inducidas / permanentes) entre moléculas de bicapas. A medida que las moléculas se acercan, esta fuerza de atracción surge debido al orden de estos dipolos; como en el caso de los imanes que se alinean y atraen entre sí a medida que se acercan. [7] Esto también implica que cualquier superficie experimentaría una atracción de van der waals. En bicapas, la forma adoptada por el potencial de interacción de van der Waals V VDW viene dada por [8]
donde H es la constante de Hamaker y D y z son el espesor bicapas y la distancia de separación, respectivamente.
Fondo
Para que tenga lugar la fusión, tiene que superar enormes fuerzas repulsivas debido a la fuerte repulsión de hidratación entre los grupos de cabezas de lípidos hidrófilos . [7] Sin embargo, ha sido difícil determinar exactamente la conexión entre las fuerzas de adhesión , fusión y entre capas. Las fuerzas que promueven la adhesión celular no son las mismas que promueven la fusión de membranas. Los estudios muestran que al crear una tensión en las bicapas que interactúan, se puede lograr la fusión sin interrumpir las interacciones entre las capas. También se ha sugerido que la fusión de membranas tiene lugar a través de una secuencia de reordenamientos estructurales que ayudan a superar la barrera que previene la fusión. [7] Por lo tanto, la fusión entre capas se produce a través
- abordaje local de la membrana
- reordenamientos estructurales que provocan la superación de las fuerzas de repulsión de la hidratación
- fusión completa para formar una sola entidad
Interacciones entre capas durante la fusión de membranas
Cuando dos bicapas lipídicas se acercan, experimentan fuerzas de atracción débiles de Van der Waals y fuerzas repulsivas mucho más fuertes debido a la repulsión de la hidratación. [9] Estas fuerzas son normalmente dominantes sobre las fuerzas de atracción hidrófobas entre las membranas. Los estudios realizados en bicapas de membranas utilizando un aparato de fuerzas de superficie (SFA) indican que la fusión de membranas puede ocurrir instantáneamente cuando dos bicapas todavía están a una distancia finita entre sí sin que tengan que superar la barrera de fuerza repulsiva de corto alcance. [7] Esto se atribuye a los reordenamientos moleculares que ocurren dando como resultado el desvío de estas fuerzas por las membranas. Durante la fusión, las colas hidrófobas de un pequeño parche de lípidos en la membrana celular se exponen a la fase acuosa que las rodea. Esto da como resultado atracciones hidrófobas muy fuertes (que dominan la fuerza repulsiva) entre los grupos expuestos que conducen a la fusión de la membrana. [10] Las atractivas fuerzas de van der Waals juegan un papel insignificante en la fusión de membranas. Por tanto, la fusión es el resultado de las atracciones hidrófobas entre los grupos de cadenas de hidrocarburos internos que están expuestos al entorno acuoso normalmente inaccesible. Se observa que la fusión comienza en puntos de las membranas donde las tensiones de la membrana son las más débiles o las más fuertes. [7]
Aplicaciones
Las fuerzas entre capas juegan un papel clave en la mediación de la fusión de membranas, que tiene aplicaciones biomédicas extremadamente importantes. [11]
- La aplicación más importante de la fusión de membranas es la producción de hibridomas que son células que surgen como resultado de la fusión de células B inmortales y secretoras de anticuerpos . Los hibridomas se utilizan en la industria para la producción de anticuerpos monoclonales .
- La fusión de membranas también tiene un papel importante en la inmunoterapia contra el cáncer . Actualmente, uno de los enfoques en la inmunoterapia del cáncer implica la vacunación de células dendríticas que expresan un antígeno tumoral específico en sus membranas. En cambio, se pueden utilizar las células híbridas obtenidas de la fusión de células dendríticas con células tumorales. Estos híbridos ayudarían en la expresión de una variedad de antígenos asociados a tumores en sus membranas.
- Comprender mejor la fusión de membranas también puede conducir a mejoras en la terapia génica .
Ver también
- Membrana celular
- Hidratar
- Efecto hidrofóbico
- Bicapas lipídicas
- Aparato de fuerzas superficiales
Referencias
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