Fluidez de la membrana

En biología, la fluidez de la membrana se refiere a la viscosidad de la bicapa lipídica de una membrana celular o de una membrana lipídica sintética . El empaquetamiento de los lípidos puede influir en la fluidez de la membrana. La viscosidad de la membrana puede afectar la rotación y difusión de proteínas y otras biomoléculas dentro de la membrana, afectando así las funciones de estas. ^{[ 1 ]}

La fluidez de la membrana se ve afectada por los ácidos grasos. Más específicamente, el hecho de que los ácidos grasos sean saturados o insaturados tiene un efecto en la fluidez de la membrana. Los ácidos grasos saturados no tienen enlaces dobles en la cadena de hidrocarburos y la cantidad máxima de hidrógeno. La ausencia de enlaces dobles disminuye la fluidez. Los ácidos grasos insaturados tienen al menos un enlace doble, creando una "curvatura" en la cadena. El enlace doble aumenta la fluidez. Si bien la adición de un enlace doble eleva la temperatura de fusión, la investigación realizada por Xiaoguang Yang et al. respalda que cuatro o más enlaces dobles tienen una correlación directa con la fluidez de la membrana. La fluidez de la membrana también se ve afectada por el colesterol. ^{[ 2 ]} El colesterol puede hacer que la membrana celular sea fluida y rígida.

La fluidez de la membrana puede verse afectada por varios factores. ^{[ 1 ]} Los principales factores que afectan la fluidez de la membrana son ambientales (es decir, la temperatura) y composicionales. ^{[ 3 ]} Una forma de aumentar la fluidez de la membrana es calentarla. Los lípidos adquieren energía térmica cuando se calientan; los lípidos energéticos se mueven más, organizándose y reorganizándose aleatoriamente, lo que hace que la membrana sea más fluida. A bajas temperaturas, los lípidos están ordenados lateralmente y organizados en la membrana, y las cadenas lipídicas están mayoritariamente en la configuración todo-trans y se empaquetan bien juntas.

La temperatura de fusión${\displaystyle T_{m}}$La transición de fase de una membrana se define como la temperatura a través de la cual la membrana pasa de una organización cristalina a una fluida, o viceversa. Esta transición de fase no es una transición de estado propiamente dicha, pero los dos niveles de organización son muy similares a los de un estado sólido y uno líquido.

• ${\displaystyle T<T_{m}}$La membrana se encuentra en la fase cristalina, el nivel de orden en la bicapa es alto y la fluidez es baja.
• ${\displaystyle T>T_{m}}$La membrana se encuentra en la fase de cristal líquido, es decir, menos ordenada y más fluida. A 37  °C, este es el estado de la membrana; sin embargo, la presencia de colesterol permite su estabilización y una organización más compacta.

La composición de una membrana también puede afectar su fluidez. Los fosfolípidos de la membrana incorporan cadenas de acilo graso de longitud y saturación variables . Los lípidos con cadenas más cortas son menos rígidos y menos viscosos porque son más susceptibles a los cambios en la energía cinética debido a su menor tamaño molecular y tienen menos área superficial para experimentar fuerzas de London estabilizadoras con cadenas hidrofóbicas vecinas. Las moléculas con enlaces dobles carbono-carbono ( insaturados ) son más rígidas que las que están saturadas con hidrógenos, ya que los enlaces dobles no pueden girar libremente. Como resultado, la presencia de cadenas de acilo graso con enlaces dobles insaturados dificulta que los lípidos se empaqueten juntos al crear curvaturas en la cadena de hidrocarburos que de otro modo estaría recta. Si bien los lípidos insaturados pueden tener enlaces individuales más rígidos, las membranas hechas con dichos lípidos son más fluidas porque los lípidos individuales no pueden empaquetarse tan firmemente como los lípidos saturados y, por lo tanto, tienen puntos de fusión más bajos : se requiere menos energía térmica para lograr el mismo nivel de fluidez que las membranas hechas con lípidos con cadenas de hidrocarburos saturadas. ^{[ 1 ]} Se sabe que la incorporación de ciertos lípidos, como la esfingomielina , en membranas lipídicas sintéticas rigidiza la membrana. Dichas membranas pueden describirse como "un estado vítreo, es decir, rígido pero sin orden cristalino". ^{[ 4 ]}

El colesterol actúa como un regulador bidireccional de la fluidez de la membrana porque a altas temperaturas, estabiliza la membrana y eleva su punto de fusión, mientras que a bajas temperaturas se intercala entre los fosfolípidos y evita que se agrupen y se endurezcan. Algunos fármacos, por ejemplo, el losartán , también alteran la viscosidad de la membrana. ^{[ 4 ]} Otra forma de cambiar la fluidez de la membrana es cambiar la presión. ^{[ 1 ]} En el laboratorio, se pueden crear artificialmente bicapas y monocapas lipídicas soportadas. En tales casos, aún se puede hablar de fluidez de la membrana. Estas membranas están soportadas por una superficie plana, por ejemplo, el fondo de una caja. La fluidez de estas membranas se puede controlar mediante la presión lateral aplicada, por ejemplo, por las paredes laterales de una caja.

En las membranas lipídicas modelo pueden coexistir dominios lipídicos discretos con diferente composición y, por lo tanto, diferente fluidez de membrana; esto se puede observar mediante microscopía de fluorescencia . ^{[ 4 ]} Se postula que el análogo biológico, la " balsa lipídica ", existe en las membranas celulares y desempeña funciones biológicas. ^{[ 5 ]} Además, una estrecha capa lipídica anular de lípidos de membrana en contacto con proteínas de membrana integrales tiene baja fluidez en comparación con los lípidos en masa en las membranas biológicas , ya que estas moléculas lipídicas permanecen adheridas a la superficie de las macromoléculas proteicas .

La fluidez de la membrana se puede medir con resonancia de espín electrónico , fluorescencia , espectroscopia de fuerza basada en microscopía de fuerza atómica o espectroscopia de resonancia magnética nuclear de deuterio . Las mediciones de resonancia de espín electrónico implican la observación del comportamiento de la sonda de espín en la membrana. Los experimentos de fluorescencia implican la observación de sondas fluorescentes incorporadas en la membrana. Los experimentos de microscopía de fuerza atómica pueden medir la fluidez en membranas sintéticas ^{[ 6 ]} o parches aislados de membranas nativas. ^{[ 7 ]} La ​​espectroscopia de resonancia magnética nuclear de deuterio en estado sólido implica la observación de lípidos deuterados. ^{[ 1 ]} Las técnicas son complementarias en el sentido de que operan en diferentes escalas de tiempo.

La fluidez de la membrana se puede describir mediante dos tipos diferentes de movimiento: rotacional y lateral. En la resonancia de espín electrónico, el tiempo de correlación rotacional de las sondas de espín se utiliza para caracterizar la restricción impuesta por la membrana a la sonda. En la fluorescencia, se puede utilizar la anisotropía en estado estacionario de la sonda, además del tiempo de correlación rotacional de la sonda fluorescente. ^{[ 1 ]} Las sondas fluorescentes muestran un grado variable de preferencia por estar en un entorno de movimiento restringido. En membranas heterogéneas, algunas sondas solo se encontrarán en regiones de mayor fluidez de membrana, mientras que otras solo se encontrarán en regiones de menor fluidez de membrana. ^{[ 8 ]} La preferencia de partición de las sondas también puede ser un indicador de la fluidez de la membrana. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de deuterio, la orientación promedio del enlace carbono-deuterio del lípido deuterado da lugar a características espectroscópicas específicas. Las tres técnicas pueden proporcionar alguna medida de la orientación promedio en el tiempo de la molécula relevante (sonda), lo que es indicativo de la dinámica rotacional de la molécula. ^{[ 1 ]}

El movimiento lateral de las moléculas dentro de la membrana se puede medir mediante varias técnicas de fluorescencia: la recuperación de la fluorescencia tras el fotoblanqueo consiste en fotoblanquear una membrana marcada uniformemente con un haz láser intenso y medir el tiempo que tardan las sondas fluorescentes en difundirse de nuevo en la zona fotoblanqueada. ^{[ 1 ]} La espectroscopia de correlación de fluorescencia monitoriza las fluctuaciones en la intensidad de fluorescencia medidas a partir de un pequeño número de sondas en un espacio reducido. Estas fluctuaciones se ven afectadas por el modo de difusión lateral de la sonda. El seguimiento de partículas individuales consiste en seguir la trayectoria de moléculas fluorescentes o partículas de oro unidas a una biomolécula y aplicar análisis estadísticos para extraer información sobre la difusión lateral de la partícula rastreada. ^{[ 9 ]}

Un estudio de los anchos de línea centrales de los espectros de resonancia de espín electrónico de membranas tilacoides y dispersiones acuosas de sus lípidos totales extraídos , marcados con un marcador de espín de ácido esteárico (con un grupo espín o doxilo en los carbonos 5, 7, 9, 12, 13, 14 y 16, con referencia al grupo carbonilo), revela un gradiente de fluidez . La disminución del ancho de línea desde el carbono 5 hasta el 16 representa un grado creciente de libertad de movimiento ( gradiente de fluidez ) desde el lado del grupo de cabeza hasta el extremo metilo tanto en las membranas nativas como en su extracto lipídico acuoso (una estructura liposomal multilamelar, típica de la organización de la bicapa lipídica ). Este patrón apunta a la similitud de la organización de la bicapa lipídica tanto en las membranas nativas como en los liposomas . Esta observación es crucial, ya que las membranas tilacoides, compuestas principalmente de galactolípidos , contienen solo un 10 % de fosfolípidos , a diferencia de otras membranas biológicas que consisten principalmente en fosfolípidos. Las proteínas de las membranas tilacoides de los cloroplastos , aparentemente, restringen la movilidad segmentaria de las cadenas de acilo graso de los lípidos desde el carbono 9 al 16 en comparación con sus homólogas liposomales. Sorprendentemente, las cadenas de acilo graso liposomales están más restringidas en las posiciones del carbono 5 y 7 que en las membranas tilacoides. Esto se explica por el efecto de restricción del movimiento en estas posiciones, debido al impedimento estérico causado por los grandes grupos de cabeza de la clorofila , especialmente en los liposomas. Sin embargo, en las membranas tilacoides nativas, las clorofilas se encuentran principalmente complejas con proteínas como complejos captadores de luz y es posible que no tengan mucha libertad para restringir la fluidez lipídica. ^{[ 10 ]}

La fusión de membranas lipídicas cargadas, como el 1,2-dimiristoil-sn-glicero-3-fosfoglicerol, puede tener lugar en un amplio rango de temperaturas. Dentro de este rango, estas membranas se vuelven muy viscosas. ^{[ 4 ]}

Se sabe que los microorganismos sometidos a estrés térmico alteran la composición lipídica de su membrana celular (véase adaptación homeoviscosa ). Esta es una forma en que pueden ajustar la fluidez de su membrana en respuesta a su entorno. ^{[ 1 ]} Se sabe que la fluidez de la membrana afecta la función de las biomoléculas que residen dentro o asociadas a la estructura de la membrana. Por ejemplo, la unión de algunas proteínas periféricas depende de la fluidez de la membrana. ^{[ 11 ]} La difusión lateral (dentro de la matriz de la membrana) de enzimas relacionadas con la membrana puede afectar las tasas de reacción. ^{[ 1 ]} En consecuencia, las funciones dependientes de la membrana, como la fagocitosis y la señalización celular , pueden ser reguladas por la fluidez de la membrana celular. ^{[ 12 ]}

• capa lipídica anular
• Adaptación homeoviscosa
• bicapa lipídica
• Comportamiento de fase de la bicapa lipídica
• Liposoma
• Modelo de Saffman-Delbrück