PROPIEDADES DE MEMBRANAS. - Importancia biológica de los dominios

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PROPIEDADES DE MEMBRANAS

-Transiciones de fase

-Tipos

-Definiciones -Regulación

- Importancia biológica de los dominios

-dominios en membranas biológicas -forma de caracterizarlos

-Propiedades dinámicas

-difusion lateral - formas de medirla

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MEMBRANAS

:

TIPOS DE FASES

Nomenclatura

L = lamelar

H = hexagonal

Q = cúbica

I:

topología normal ( aceite en agua)

II:

topología invertida ( agua en aceite)

Letras:

Indican la conformación de la cadena c cristalina

β fase gel ordenada

α fase líquida

αβ coexistencia de fases gel y líquida

Subíndices

Letra mayúscula para determinar

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Fase cristalina:

orden a largo y corto alcance en tres dimensiones

Fase gel:

cadenas hidrocarbonadas ordenadas, en conformación trans pero con capacidad de rotación sobre el eje longitudinal en una escala de tiempo de 100ns

MEMBRANAS

:

TIPOS DE FASES

Fase Líquida:

cadenas en conformación líquida,

expansión del área interfacial por molécula ( aprox 15-30%) y rápida difusión lateral de las moléculas

(D _trans≅ 10-11 _m2 _sec-1_).

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

3 Tipos principales

1.- Transiciones entre fases lamelares ordenadas:

cristal-cristal cristal-gel gel-gel

2.- Transiciones entre fases lamelares y fases no lamelares

ej. fase lamelar-solución micelar

3.- Transiciones entre fases fluidas

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Variables termodinámicas intensivas que pueden inducir

cambios de fase:

temperatura y presión

Condiciones biológicas:

temperatura y presión constantes

Otros factores que pueden inducir cambios de fase:

cambios en la hidratación

cambios en el pH

cambios en la concentración de sales

campos eléctricos

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Efecto de la estructura química:

Cadena hidrocarbonada

•

La temperatura de transición

T

_t aumenta monotónicamente con el aumento en la longitud de la cadena debido a que las entalpías y entropías de la transición

∆

H

_t

∆

S

_t aumentan con cada grupo CH₂adicional.

•

La presencia de dobles enlaces cis o trans reduce drásticamente la temperatura de transición gel-fluido ( típicamente 60 0 _{C un enlace cis ). El efecto máximo se consigue} con el doble enlace en el centro de la cadena

•

Uniones de tipo eter entre la cadena y la cabeza polar aumentan la temperatura de transición entre 1-5 0 _{C , inducen la formación de fases gel interdigitadas}

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Cabezas polares

Son importantes:

• la polaridad

• la carga electrostática

• el volúmen de la cabeza polar •las interacciones entre cabezas

Ej. fosfatidiletanolaminas pueden formar puentes de hidrógeno entre ellas, lo que aumenta la temperatura de transición

Efectos del soluto

•

Los iones presentes en la solución interaccionan con los lípidos cargados reduciendo las repulsiones electrostáticas

•

El efecto del pH es complejo:

• el pK de los grupos ionizables en la superficie puede diferir hasta en 3 unidades de pH con respecto al pK de los grupos en solución

• el cambio en la ionización de los grupos afecta tanto a las interacciones electrostáticas como al estado de hidratación

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Efecto del colesterol:

•

Difumina la transición gel-fluido: fluidiza la fase gel y ordena la fase fluida

Solventes no polares

•

Se distribuyen preferentemente en el interior hidrofóbico

•

Facilitan la formación de fases invertidas

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Efecto de la posición de la insaturación en la cadena en la temperatura de transición

Efecto del tipo de cabeza polar y de la

longitud de la cadena en la temperatura de

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MEMBRANAS

:

TRANSICIONES DE FASES

Efecto del pH del medio en la temperatura de

transición

Efecto de la fuerza iónica del medio en

la temperatura de transición

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MEMBRANAS

•

Los dominios tienen distintas propiedades físicas

Membrana en fase sólida: no se puede estirar lateralmente, solo se puede doblar en una dirección ( como una hoja de papel)

Membrana en fase fluida: permite deformaciones laterales que

se relajan mediante el flujo lateral , por lo que se pueden doblar en dos dimensiones y formar segmentos esféricos ( como un globo)

•

La presencia de dominios: contraresta la cooperatividad de los lípidos y permite acomodar asimetrías y zonas especializadas

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DOMINIOS EN MEMBRANAS BIOLOGICAS

• Dominios fluidos

: muchos procesos importantes de invaginación, evaginación a escalas micrométricas requieren curvaturas de dominios fluidos

• Dominios sólidos

( Rafts ): fracciones de membrana resistentes a la extracción con detergentes y enriquecidas en colesterol y esfingomielina. Tamaño alrededor de 50 nm. Enriquecidos en algunos tipos de proteínas (caveolina, por ejemplo)

• Dominios de proteínas

: Agregación de proteínas de membrana:

• receptores de sinapsis químicas ( anclados por interacción a proteínas citoplasmáticas) • agregación de receptores inducida por interacción con ligandos

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DOMINIOS EN MEMBRANAS BIOLOGICAS

GM1 = glicoesfingolípido

PLAP = “placental akaline phospatase” TfR = “transferin receptor”

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MEMBRANAS:

PRESENCIA DE PROTEINAS

La presencia de proteínas también puede generar “ fases laterales” gobernadas por:

•

interacciones entre proteínas

•

interacciones de las proteínas de membrana con proteínas del citoesqueleto

•

composición lipídica de la membrana

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MEMBRANAS:

TENSION LATERAL

Perfil de tensión lateral de la bicapa _{En el equilibrio la tensión lateral neta} (la integral del perfil a través de la membrana)

es igual a cero

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MEMBRANAS

:

COEXISTENCIA DE FASES

•

Los dominios en membranas biológicas son importantes para la función, dinámicos y muy complejos

•

Estudios teóricos y experimentales en modelos sencillos ( mezclas de lípidos ) permiten conocer y cuantificar los parámetros que determinan la segregación de fase, la forma de los dominios ( determinada por la tensión de línea y la interacción entre los dipolos de las moléculas en los dominios), las propiedades físicas de las membranas, ...

•

Existen múltiples formas de reconstitución de proteínas de membrana en sistemas lipídicos ( liposomas, liposomas gigantes, membranas ancladas,...) de composición conocida que permiten estudiar más en detalle la importancia de la interacción lípido-proteína en la función biológica

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MEMBRANAS

:

COEXISTENCIA DE FASES

Formas de estudiar y/o visualizar los dominios lípídicos:

• Calorimetría:

permite medir cantidades termodinámicas

• Métodos espectroscópicos:

fluorescencia, resonancia magnética nuclear, resonancia de spin electrónico

• Microscopía electrónica

• Microscopía de fuerzas atómicas

• Difracción de rayos X

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MEMBRANAS

:

COEXISTENCIA DE FASES

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MEMBRANAS

:

COEXISTENCIA DE FASES

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MEMBRANAS

:

COEXISTENCIA DE FASES

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MEMBRANAS:

PROPIEDADES DINÁMICAS

1.- Movimientos conformacionales de las cadenas

2.- Difusión rotacional de las moléculas de lípidos

3.- Difusión lateral

4.- Movimiento de las cabezas

5.-Vibraciones fuera del plano del centro de masa de los lípidos

6.- Ondulaciones colectivas de la bicapa

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MEMBRANAS:

PROPIEDADES DINÁMICAS

Comportamiento dinámico abarca un amplio espectro de escalas

espaciales y temporales:

• Movimientos conformacionales de las cadenas

• Difusión rotacional de las moléculas de lípidos

• Movimiento de las cabezas

Tiempos de correlación de 10-11 _{s a 10}–4 _s

Se pueden estudiar por métodos espectroscópicos:

• resonancia magnética nuclear ( 10-5 _{s 10}–4 _s) • resonancia de spin electrónico ( 10-8 _{s 10}–7_s) • fluorescencia ( 10 –9 _{s )}

Movimientos que ocurren a escalas microscópicas < nm

ESPACIO

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MEMBRANAS:

PROPIEDADES DINÁMICAS

Difusión lateral

Vibraciones fuera del plano del centro de masa de los lípidos Ondulaciones colectivas de la bicapa

TIEMPO ESPACIO

ESPACIO

TIEMPO

Coeficientes de difusión lateral: Lípidos:

Fase ordenada: D _t≅ 10-11_{- 10}-16 _cm2 _sec-1 Fase desordenada D _t≅ 10-8 _{- 10}-7 _cm2 _sec-1 Ocurre a escalas microscópicas, nanoscópicas

y macroscópicas

segundos

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

Difusión lateral:

lípidos

proteínas

Puede regular la interacción entre componentes de la membrana

•

Procesos de agregación de proteínas

•

Procesos de señalización

•

Procesos que dependen de la interacción entre proteínas de membrana

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

Teorías

Difusión en medios homogéneos

1.- Modelo hidrodinámico continuo: para el estudio de difusión de partículas de tamaño mucho mayor que el tamaño del solvente ( proteínas moviéndose en la bicapa)

2.- Modelo del volumen libre. Considera la “ discrecionalidad” de la bicapa y es apropiado para el estudio de la difusión de lípidos

Difusión en medios no homogéneos

Se puede estudiar en 2 tipos de sistemas: • Membranas con lípidos y proteínas

• Membranas con distintos lípidos segregados en fases

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

Difusión en medios no homogéneos Existen dos posibilidades:

a) Que una fase está interconectada a lo largo del plano de la membrana (la fase percola):

b) Que la fase está constituida por dominios discontinuos ( la fase no percola) Basicamente se trata de entender el comportamiento de un sistema que consta de una

fase fluida que percola y de una fase minoritaria que actúan como obstáculos para la difusión de las moléculas en la fase fluida

Situaciones que se han estudiado teórica y experimentalmente:

1) Difusión de lípidos en sistemas donde coexisten lípidos en fase sólida y líquida

2) Difusión de lípidos en sistemas donde coexisten lípidos y proteínas

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

Técnicas utilizadas para medirla:

1.- Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)

2.- Single Particle Tracking (SPT)

3.- Métodos basados en reacciones bimoleculares

( blanqueo de fluorescencia o transferencia de energía)

Cada técnica mide difusión en distintos dominios del espacio:

1 y 2 a escalas mucho mayores que el diámetro molecular

3 a escalas del orden del diámetro molecular

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

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MEMBRANAS:

DIFUSION LATERAL

2.- Single Particle Tracking (SPT)

Se marca una proteína o un lípido con partículas de oro coloidal y se sigue su movimiento con un microscopio óptico.

Tamaño de las partículas de oro: 40 nm

El movimiento se sigue durante 2-10 segundos registrando la posición cada 100 microsegundos - 1 segundo

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LIPIDAT Lipid Phases and Phase Transitions Database

LIPIDAG Lipid Miscibility/Phase Diagram Database

LMSD Lipid Molecular Structures Database

Other sites An extensive listing of related websites and databases

Miscellaneous CMC Database, Crystallization Screens Database,

http://www.ldb.chemistry.ohio-state.edu/

http://www.biophysics.org/btol/

LDB - The Lipid Data Bank

BTOL VOLUMES Bioenergetics

Channels, Receptors & Transporters Computational Biology & Theory Electrophysiology

Intermolecular Forces Membranes

Muscle & Cell Contractility Nucleic Acids

Proteins

Supramolecular Assemblies NMR

Separations & Hydrodynamics Sequence Analysis

Single Molecule Techniques Spectroscopy

Thermodynamics

Becoming a Biophysicist

Teaching Biophysics - BJ articles BJ Supplements/Computer Programs