Comportamiento de fase de la bicapa lipídica

En química coloidal , 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 el comportamiento de fase de la bicapa. En términos generales, a una temperatura dada, una bicapa lipídica puede existir en fase líquida o sólida . La fase sólida se conoce comúnmente como fase de gel . Todos los lípidos tienen una temperatura característica a la que experimentan una transición ( fusión ) de la fase de gel a la fase líquida. En ambas fases, las moléculas lipídicas están confinadas al plano bidimensional de la membrana, pero en las bicapas en fase líquida, las moléculas se difunden libremente dentro de este plano. Por lo tanto, en una bicapa líquida, un lípido dado intercambiará rápidamente su posición con su vecino millones de veces por segundo y, mediante un proceso de movimiento aleatorio , migrará a largas distancias. ^{[ 1 ]}

En contraste con esta gran movilidad en el plano, es muy difícil que las moléculas lipídicas se desplacen de un lado de la bicapa lipídica al otro. En una bicapa basada en fosfatidilcolina, este proceso suele ocurrir 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 se desplace de una capa a la otra, 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 gel están fijos en su lugar y no presentan ni desplazamiento ni movilidad lateral. Debido a esta movilidad limitada, las bicapas en gel carecen de una propiedad importante de las bicapas líquidas: la capacidad de sellar pequeños agujeros. Las bicapas en fase líquida pueden reparar espontáneamente pequeños huecos, de forma muy similar a como 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 de bicapas en fase fluida. Las restricciones de movimiento sobre los lípidos en las bicapas lipídicas también vienen impuestas por la presencia de proteínas en las membranas biológicas, especialmente en la capa lipídica anular "unida" a la superficie de las proteínas de membrana integrales .

El comportamiento de fase de las bicapas lipídicas está determinado en gran medida por la fuerza de las interacciones atractivas de Van der Waals entre moléculas lipídicas adyacentes. La extensión de esta interacción, a su vez, está regida por la longitud de las colas lipídicas y su capacidad de empaquetarse. Los lípidos con colas más largas tienen mayor área de interacción, lo que aumenta la fuerza de esta interacción y, en consecuencia, disminuye la movilidad lipídica. Por lo tanto, a una temperatura dada, un lípido con cola corta será más fluido que un lípido con cola larga idéntico. ^{[ 3 ]} Otra forma de expresar esto sería decir que la temperatura de transición de fase de gel a líquido aumenta con el número creciente de carbonos en las cadenas de alcano lipídicas . 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 parafina , compuesta por alcanos largos, es sólida a temperatura ambiente, mientras que el octano ( gasolina ), un alcano corto, es líquido.

Además 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 alcano, interrumpiendo la estructura periódica regular. Esta interrupción crea espacio libre adicional dentro de la bicapa que permite mayor flexibilidad en las cadenas adyacentes. Es esta interrupción del empaquetamiento la que conduce a temperaturas de transición más bajas con el aumento de dobles enlaces. ^{[ 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 solo doble enlace 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 alto porcentaje de grasas saturadas , es sólida a temperatura ambiente, mientras que el aceite vegetal , que es mayoritariamente insaturado, es líquido.

Las bicapas no necesariamente están compuestas de un solo tipo de lípido y, de hecho, la mayoría de las membranas naturales son una mezcla compleja de diferentes moléculas lipídicas. Estas mezclas suelen presentar propiedades intermedias entre sus componentes, pero también son capaces de un fenómeno que no se observa en sistemas de un solo componente: la separación de fases . Si algunos de los componentes son líquidos a una temperatura determinada, mientras que otros se encuentran en la fase gel, las dos fases pueden coexistir en poblaciones separadas espacialmente. Esta separación de fases desempeña un papel fundamental en los fenómenos bioquímicos, ya que los componentes de la membrana, como las proteínas, pueden distribuirse en una u otra fase ^{[ 5 ]} y, por lo tanto, concentrarse o activarse localmente.

La presencia de colesterol ejerce una influencia profunda pero compleja sobre las propiedades de la bicapa lipídica debido a sus características físicas únicas. Aunque es un lípido, el colesterol se asemeja poco a un fosfolípido . El dominio hidrofílico del colesterol es bastante pequeño y consta de un único grupo hidroxilo . Adyacente a este grupo hidroxilo hay una estructura plana rígida compuesta por varios anillos fusionados. En el extremo opuesto de la estructura anular hay una cola corta de cadena simple. Se sabe desde hace décadas que la adición de colesterol a una bicapa en fase fluida disminuye su permeabilidad al agua. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Más recientemente se ha demostrado que el modo de esta interacción se debe a la intercalación del colesterol entre las moléculas lipídicas, llenando el espacio libre y disminuyendo la flexibilidad de las cadenas lipídicas circundantes. ^{[ 8 ]} Esta interacción también aumenta la rigidez mecánica de las bicapas lipídicas de membrana fluida ^{[ 9 ]} y disminuye su coeficiente de difusión lateral. ^{[ 10 ]} Por el contrario, la adición de colesterol a las bicapas en fase gel altera el orden de empaquetamiento local, aumentando el coeficiente de difusión ^{[ 10 ]} y disminuyendo el módulo elástico. Las interacciones del colesterol con sistemas multicomponentes son aún más complicadas, ya que pueden dar lugar a intrincados diagramas de fase . ^{[ 11 ]} Un sistema lípido-colesterol que se ha estudiado recientemente con atención es la balsa lipídica. Las balsas lipídicas son dominios de gel enriquecidos con colesterol que se han implicado potencialmente en ciertos procesos de señalización celular, ^{[ 12 ]} pero el tema sigue siendo controvertido, y algunos investigadores dudan incluso de su existencia in vivo. ^{[ 13 ]}

Los liposomas de lípidos mixtos pueden experimentar cambios en diferentes estructuras de dispersión de fase, denominadas polimorfismos lipídicos , por ejemplo, micelas esféricas , lamelas 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 mediante calorimetría , espectroscopia de resonancia magnética y otras técnicas. ^{[ 15 ]}

• capa lipídica anular
• Fase hexagonal
• bicapa lipídica
• Polimorfismo lipídico
• Lipidómica
• Liposoma
• Fluidez de la membrana
• Lípidos de membrana