Una propiedad de una bicapa lipídica es la movilidad relativa (fluidez) de las moléculas lipídicas individuales y cómo esta movilidad cambia con la temperatura. Esta respuesta se conoce como comportamiento de fase de la bicapa. En términos generales, a una temperatura dada, puede existir una bicapa lipídica en fase líquida o sólida. La fase sólida se denomina comúnmente fase de "gel". Todos los lípidos tienen una temperatura característica a la que experimentan una transición ( fusión ) de la fase de gel a la líquida. En ambas fases, las moléculas de lípidos están restringidas al plano bidimensional de la membrana, pero en las bicapas de fase líquida las moléculas se difunden.libremente dentro de este plano. Por lo tanto, en una bicapa líquida, un lípido dado intercambiará rápidamente ubicaciones con su vecino millones de veces por segundo y, a través del proceso de una caminata aleatoria , migrará a largas distancias. [1]
Restricciones de movimiento
En contraste con esta gran movilidad en el plano, es muy difícil que las moléculas de lípidos cambien de un lado a otro de la bicapa lipídica . En una bicapa a base de fosfatidilcolina, este proceso ocurre típicamente en una escala de tiempo de semanas. [2] Esta discrepancia puede entenderse en términos de la estructura básica de la bicapa. Para que un lípido pase de un prospecto a otro, su grupo de cabeza hidratado debe cruzar el núcleo hidrofóbico de la bicapa, un proceso energéticamente desfavorable. A diferencia de las bicapas en fase líquida, los lípidos en una bicapa en fase de gel están bloqueados en su lugar y no exhiben ni flip-flop ni movilidad lateral. Debido a esta movilidad limitada, las bicapas de gel carecen de una propiedad importante de las bicapas líquidas: la capacidad de volver a sellar pequeños orificios. Las bicapas de fase líquida pueden curar espontáneamente pequeños huecos, de la misma manera que una película de aceite sobre agua podría fluir para llenar un espacio. Esta funcionalidad es una de las razones por las que las membranas celulares suelen estar compuestas por bicapas en fase fluida. Las limitaciones de movimiento de los lípidos en las bicapas lipídicas también se imponen por la presencia de proteínas en las membranas biológicas, especialmente en la capa lipídica anular "unida" a la superficie de las proteínas integrales de la membrana .
Orígenes físicos
El comportamiento de fase de las bicapas lipídicas está determinado en gran medida por la fuerza de las atractivas interacciones de Van der Waals entre moléculas lipídicas adyacentes. El alcance de esta interacción depende, a su vez, de la longitud de las colas de lípidos y de lo bien que se pueden empaquetar. Los lípidos de cola más larga tienen más área sobre la que interactuar, aumentando la fuerza de esta interacción y, en consecuencia, disminuyendo la movilidad de los lípidos. Por lo tanto, a una temperatura dada, un lípido de cola corta será más fluido que un lípido de cola larga idéntico. [3] Otra forma de expresar esto sería decir que la temperatura de transición del gel a la fase líquida aumenta con el aumento del número de carbonos en las cadenas de lípidos alcanos . Los lípidos de fosfatidilcolina saturados con colas de más de 14 carbonos son sólidos a temperatura ambiente, mientras que aquellos con menos de 14 son líquidos. Este fenómeno es análogo al hecho de que la cera de parafina , que está compuesta de alcanos largos, es sólida a temperatura ambiente, mientras que el octano ( gasolina ), un alcano corto, es líquido.
Aparte de la longitud de la cadena, la temperatura de transición también puede verse afectada por el grado de insaturación de las colas lipídicas. Un doble enlace insaturado puede producir una torsión en la cadena de alcanos, alterando la estructura periódica regular. Esta interrupción crea un espacio libre adicional dentro de la bicapa que permite una flexibilidad adicional en las cadenas adyacentes. Es esta interrupción del empaquetamiento lo que conduce a temperaturas de transición más bajas con dobles enlaces crecientes. [3] Este es un efecto particularmente poderoso; disminuir la longitud total de la cadena en un carbono generalmente altera la temperatura de transición de un lípido en diez grados Celsius o menos, pero agregar un enlace doble simple puede disminuir la temperatura de transición en cincuenta grados o más (ver tabla). Un ejemplo de este efecto se puede observar en la vida cotidiana, ya que la mantequilla , que tiene un gran porcentaje de grasas saturadas , es sólida a temperatura ambiente, mientras que el aceite vegetal , que en su mayoría es insaturado, es líquido.
Longitud de la cola | Vínculos dobles | Temperatura de transición |
---|---|---|
12 | 0 | -1 |
14 | 0 | 23 |
dieciséis | 0 | 41 |
18 | 0 | 55 |
20 | 0 | 66 |
22 | 0 | 75 |
24 | 0 | 80 |
18 | 1 | 1 |
18 | 2 | -53 |
18 | 3 | -60 |
Sistemas mixtos
Las bicapas no necesitan estar compuestas por un solo tipo de lípido y, de hecho, la mayoría de las membranas naturales son una mezcla compleja de diferentes moléculas de lípidos. Tales mezclas a menudo exhiben propiedades intermedias a sus componentes, pero también son capaces de un fenómeno que no se ve en los sistemas de un solo componente: la separación de fases . Si algunos de los componentes son líquidos a una temperatura determinada mientras que otros están en la fase de gel, las dos fases pueden coexistir en poblaciones separadas espacialmente. Esta separación de fases juega un papel crítico en los fenómenos bioquímicos porque los componentes de la membrana, como las proteínas, pueden dividirse en una u otra fase [5] y, por lo tanto, concentrarse o activarse localmente.
Colesterol
La presencia de colesterol ejerce una influencia profunda pero complicada sobre las propiedades de la bicapa lipídica debido a sus características físicas únicas. Aunque es un lípido, el colesterol se parece poco a un fosfolípido . El dominio hidrófilo del colesterol es bastante pequeño y consta de un solo grupo hidroxilo . Adyacente a este grupo hidroxilo hay una estructura plana rígida compuesta por varios anillos fusionados. En el extremo opuesto de la estructura del anillo hay una cola corta de una sola cadena. Se sabe desde hace décadas que la adición de colesterol a una bicapa en fase fluida disminuye su permeabilidad al agua. [6] [7] Se ha demostrado más recientemente que el modo de esta interacción se debe a que el colesterol se intercala entre las moléculas de lípidos, llenando el espacio libre y disminuyendo la flexibilidad de las cadenas de lípidos circundantes. [8] Esta interacción también aumenta la rigidez mecánica de las bicapas lipídicas de la membrana fluida [9] y disminuye su coeficiente de difusión lateral. [10] Por el contrario, la adición de colesterol a las bicapas de la fase de gel altera el orden de empaquetamiento local, aumentando el coeficiente de difusión [10] y disminuyendo el módulo elástico. Las interacciones del colesterol con los sistemas de componentes múltiples son aún más complicadas, ya que pueden dar como resultado diagramas de fases intrincados . [11] Un sistema lípido-colesterol que se ha estudiado recientemente de forma intensa es la balsa de lípidos. Las balsas de lípidos son dominios de gel enriquecidos con colesterol que han sido potencialmente implicados en ciertos procesos de señalización celular, [12] pero el tema sigue siendo controvertido, y algunos investigadores dudan incluso de su existencia in vivo. [13]
Polimorfismo lipídico
Los liposomas de lípidos mixtos pueden sufrir cambios en diferentes estructuras de dispersión de fase, llamados polimorfismos de lípidos , por ejemplo, micelas esféricas , laminillas de bicapa lipídica y cilindros de fase hexagonal , dependiendo de los cambios físicos y químicos en su microambiente. [14] La temperatura de transición de fase de los liposomas y las membranas biológicas se puede medir utilizando calorimetría , espectroscopia de resonancia magnética y otras técnicas. [15]
Ver también
- Concha lipídica anular
- Fase hexagonal
- Bicapa lipídica
- Polimorfismo lipídico
- Lipidómica
- Liposoma
- Fluidez de la membrana
- Lípidos de membrana
Referencias
- ^ HC Berg, "Paseos aleatorios en biología". Edición de tapa blanda ampliada. ed. 1993, Princeton, Nueva Jersey: Princeton University Press.
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