PROPIEDADES DE MEMBRANAS. - Importancia biológica de los dominios

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1 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

2 MEMBRANAS: TIPOS DE FASES Nomenclatura Letra mayúscula para determinar el tipo de red: L = lamelar H = hexagonal I: topología normal ( aceite en agua) II: topología invertida ( agua en aceite) Subíndices Q = cúbica Letras: Indican la conformación de la cadena c cristalina β fase gel ordenada α fase líquida αβ coexistencia de fases gel y líquida

3 MEMBRANAS: TIPOS DE FASES 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 Fase Líquida: cadenas en conformación líquida, expansión del área interfacial por molécula ( aprox 15-30%) y rápida difusión lateral de las moléculas (D trans m 2 sec -1 ). Lα

4 MEMBRANAS: TIPOS DE FASES

5 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 cambio de simetría o topología, ej. lamelar hexagonal:

6 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 composición química

7 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 CH 2 adicional. El incremento para las diacil.fosfoetanolaminas es: 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 C, inducen la formación de fases gel interdigitadas

8 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 la formación de puentes de hidrógeno entre las cabezas también es sensible al ph

9 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 Ej.: alcanos, gases inertes, compuestos aromáticos, anestésicos, algunos péptidos

10 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 transición

11 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

12 MEMBRANAS: DIAGRAMAS DE FASES

13 MEMBRANAS Importancia biológica de los dominios: La presencia de dominios: contraresta la cooperatividad de los lípidos y permite acomodar asimetrías y zonas especializadas 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)

14 DOMINIOS EN MEMBRANAS BIOLOGICAS Coexistencia de dominios sólidos y fluidos 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

15 DOMINIOS EN MEMBRANAS BIOLOGICAS GM1 = glicoesfingolípido PLAP = placental akaline phospatase TfR = transferin receptor

16 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...

17 MEMBRANAS: TENSION LATERAL La tensión lateral regula la curvatura de la bicapa y puede regular la función de las proteínas 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

18 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

19 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

20 MEMBRANAS: COEXISTENCIA DE FASES Microscopía de fluorescencia

21 MEMBRANAS: COEXISTENCIA DE FASES Microscopía electrónica

22 MEMBRANAS: COEXISTENCIA DE FASES Microscopía de fuerzas atómicas

23 MEMBRANAS: PROPIEDADES DINÁMICAS Movimientos inducidos por agitación térmica: 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

24 MEMBRANAS: PROPIEDADES DINÁMICAS Comportamiento dinámico abarca un amplio espectro de escalas espaciales y temporales: Tiempos de correlación de s a 10 4 s Movimientos conformacionales de las cadenas Difusión rotacional de las moléculas de lípidos Movimiento de las cabezas ESPACIO TIEMPO 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

25 MEMBRANAS: PROPIEDADES DINÁMICAS Difusión lateral ESPACIO TIEMPO Coeficientes de difusión lateral: Lípidos: Fase ordenada: D t cm 2 sec -1 Fase desordenada D t cm 2 sec -1 Ocurre a escalas microscópicas, nanoscópicas y macroscópicas Vibraciones fuera del plano del centro de masa de los lípidos Ondulaciones colectivas de la bicapa ESPACIO micras TIEMPO segundos

26 MEMBRANAS: DIFUSION LATERAL lípidos Difusión lateral: 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

27 Teorías MEMBRANAS: DIFUSION LATERAL 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 Aparece una nueva variable: la conectividad lateral entre las fases

28 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 3) Difusión de proteínas sistemas donde coexisten lípidos y proteínas

29 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

30 MEMBRANAS: DIFUSION LATERAL 1.- Fluorescence Recovery After Photobleaching FRAP

31 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

32 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 LDB - The Lipid Data Bank 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,

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