Clase 11 Biomembranas 2010
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Cómo son?<br />
Porqué son así?<br />
BIOMEMBRANAS<br />
Origen de su dinámica?
CÓMO SON?
Modelo del mosaico fluido<br />
Singer y Nicholson (1972)
Bicapa lipídica<br />
<strong>Biomembranas</strong><br />
Composición:<br />
Glicerofosfolípidos: zwitteriónico (PC, PE)<br />
cargados (PA, PS, PI),<br />
Esteroles: colesterol (animales), citosterol (plantas),<br />
estigmasterol (hongos)<br />
Esfingolípidos esfingosina,ceramida, esfingomielina, cerebrósidos,<br />
sulfátidos, gangliósidos<br />
Proteínas (periféricas, intrínsecas, ancladas)<br />
Propiedades<br />
Asimetría (composicional y oranizacional) tanto lateral como entre las hemicapas<br />
interna y externa<br />
Dinámica: movimientos difusión y rotación (lípidos y proteínas)<br />
precesión, flip-flop (lípidos)<br />
Permeabilidad selectiva
LÍPIDOS MEMBRANA
GLICEROFOSFOLIPIDOS
Glicerofosfolípidos de membrana<br />
Curvas de titulación<br />
de fosfolípidos<br />
PC<br />
PE<br />
PS<br />
PA
GLICEROFOSFOLÍPIDOS
Arqueobacterias
ESFINGOLIPIDOS
Esfingolípidos<br />
Ac. Siálico o Nacetil<br />
neuramínico
Induce efecto buffer sobre microviscosidad de membranas (organiza<br />
estructuras desorganizadas y desorganiza fase gel)
Microscopía bifotónica en vesículas<br />
unilamelares giganes (GUV).<br />
Correlación entre forma de los<br />
dominios y composición de mezclas<br />
binarias de fosfolípidos.<br />
Bagatolli L.A. & Gratton E. (2000) Biophys J, 79, 434-447.<br />
Asimetría lateral<br />
Microscopía de fuerza atómica de<br />
monocapas de dpPC en la interfase aguaaire<br />
transferidas a soportes sólido. Se<br />
observan dominios liquido condensados<br />
dispersos en dominios liquido-expandidos.<br />
Yua n C. & Johnston LJ. (2000). Distribution of Ganglioside<br />
GM1 in L-a-Dipalmitoylphosphatidylcholine / Cholesterol<br />
Monolayers: A Model for Lipid Rafts.1 Biophys J, 79, 2768-<br />
2781.<br />
DOMINIOS DE DISTINTA<br />
COMPOSICIÓN Y/O DISTINTA<br />
ORGANIZACIÓN
Asimetría entre las hemicapas
PROTEÍNAS DE MEMBRANA<br />
PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS<br />
INTEGRALES O INTRÍNSECAS<br />
– ANCLADAS<br />
– TRANSMEMBRANA
PROTEÍNAS<br />
ANCLADAS<br />
Moléculas de anclaje de proteínas<br />
PROTEÍNAS<br />
TRANSMEMBRANA<br />
PROTEÍNA<br />
EXTRÍNSECA
Proteínas<br />
glicosiladas<br />
Enlace N- a cad. lateral de Asparragina en la secuencia<br />
Asn-X-Ser o Asn-X-Thr<br />
Enlace O- a cad. lateral de Serina o Treonida
Oligosacáridos N-enlazados<br />
Nucleo de pentasacárido común
Oligosacáridos N-enlazados<br />
Nucleo de pentasacárido común<br />
En este caso el oligosacárido posee As. Sialico o NANA (carga negativa)
PROTEÍNA ANCLADA A MEMBRANA<br />
Fosfatasa alcalina placentaria
Extracción de proteínas de<br />
membrana<br />
a) Intrínsecas: tratamiendo<br />
con detergente<br />
b) Periféricas: cambio de pH o<br />
fueza iónica<br />
c) Ancladas por unión a grupo<br />
GPI: tratamiento enzimático<br />
fosfolipasa C.
Topología de proteínas intrínsecas de membrans<br />
Indice<br />
hidropático de<br />
aa: ∆G de<br />
transferencia<br />
desde un<br />
solvente<br />
hidrofóbico<br />
hacia el agua<br />
En una α helice: 1 aa aprox. 0.15 nm<br />
20 aa aprox.30 nm (espesor aprox. de una bicapa<br />
∴ Región hidrofóbica de 20 aa en el perfil hidropático de una<br />
proteína transmembrana correspondería a hélice hidrofóbica.<br />
Perfil hidropático de una proteína
Bacteriorodopsina Porina de Rhodopseudomonas blástica<br />
Amarillo: resudios hidrofóbicos<br />
proteína integral con estructura de barril β<br />
(láminas β antiparalelas)<br />
7-9 aa en conformación β son necesarios para<br />
atravesar la bicapa<br />
Cadenas laterales de aa se proyectan por encima y<br />
por debajo de la lámina β ∴en los dominios<br />
transmembrana de proteínas intrínseca, residuo de<br />
por medio es hidrofóbico.<br />
Otros residuos pueden o no ser hidrofóbicos
BIOMEMBRANAS<br />
PORQUÉ SON ASÍ?
<strong>Biomembranas</strong> están constituidas<br />
por moléculas anfipáticas
Región<br />
no polar<br />
Región<br />
polar<br />
MOLÉCULA ANFIPÁTICA
ORIENTED WATER MOLECULES<br />
HYDROPHOBIC EFFECT SELF-ASSEMBLY
Hidratación de<br />
grupos no polares:<br />
Efecto hidrofóbico
CH 4 (benceno)<br />
EFECTO HIDROFÓBICO<br />
CH 4 interactúa<br />
favorablemente con el agua<br />
∆H < 0<br />
CH 4 (agua)<br />
∆G = ∆H – T.∆S<br />
y<br />
Seguanda ley de la<br />
termodinámica<br />
∆G = + 2.6 Kcal/mol<br />
∆H = - 2.8 Kcal/mol<br />
La transferencia de CH 4<br />
desde el benceno hacia el<br />
agua es desfavorable<br />
∆G >0<br />
∆S Universo = ∆S sistema + ∆S entorno ≥ 0<br />
si ∆S H2 O
MODELOS<br />
• Ley de acción de<br />
masas<br />
2 X (X) 2<br />
X + X 2<br />
X + X N-1<br />
(X) 3<br />
(X) N<br />
• Equilibrio de fases<br />
N monomero<br />
(monomero) N<br />
m X, monomero = m x, micela<br />
∆G micelización = RT ln c.m.c<br />
Autoagregación<br />
1<br />
a<br />
a 0<br />
c.m.c.<br />
X<br />
X N
AUTOAGREGACIÓN Y CONCENTRACIÓN<br />
MICELAR CRÍTICA<br />
La región no polar de las moléculas anfipáticas (MA) estructuran<br />
agua bajo la forma de clatrato.<br />
La estructuración de moléculas de agua induce disminución de la<br />
entropía del agua.<br />
La autoagregación de la MA favorece la liberación del agua<br />
originalmente estructurada induciendo un aumento en la entropía<br />
del agua (entorno) que compensa la disminución de la entropía del<br />
sistema (MA).<br />
La autoagregación es termodinámicamente favorable (espontánea)<br />
a concentración de MA superior a un valor crítico (cmc).
RESTRICCIONES<br />
TERMODINÁMICO-GEOMÉTRICAS<br />
PARA LA AUTOAGREGACIÓN DE<br />
MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS
MOLÉCULAS<br />
ANFIPÁTICAS:<br />
Forma, empaquetamiento<br />
y estructuras de<br />
autoagregación<br />
Parámetro crítico<br />
v<br />
PC= a0 . lc Energía por molécula<br />
m 0 N = 2.g.a 0<br />
Número de agregación<br />
N = 36. p. v 2 /a 3 ± (N 0) 1/2<br />
N = 2.e p.kb/k.T .(C) 1/2
Micelas y liposomas
BIOMEMBRANAS<br />
Origen de su dinámica?
Dinámica en la organización de lípidos de membrana<br />
Difusión y flip-flop<br />
Experimento de foto-bleaching para demostrar difusión<br />
molecular en el plano lateral de la membrana.
Velocidad de difusión depende de composición y temperatura<br />
Fase fluida> difusión lateral
Compensación<br />
de geometrías<br />
Protein insertion into the MSG:DCP bilayer. Being placed into a bilayer, a nonbilayer-forming<br />
DCP creates a space at the interface (A). In the absence of proteins, the flat liquid crystalline<br />
bilayer enriched with DCP transforms into the inverted phase with negative curvature (B).<br />
When protein is inserted into the bilayer the volume of the headgroup region is increased,<br />
effectively neutralizing the tendency of DCP to be organized in inverted structures (C).
Moléculas ancladas y curvatura
Efecto de FNTZ sobre la curvatura de la membrana<br />
Inserción de moléculas en la bicapa induce cambios en la curvatura de la membrana<br />
Curvatura +<br />
Curvatura -
Cambios en la curvatura de bicapas en liposomas y en eritrocitos como<br />
respuestas a asimetrías: a) transmembranas o b) entre hemicapas<br />
a) Transporte de DOPG hacia<br />
la hemicapa externa.<br />
LUVs DOPC:DOPG 9:1, pH ext=7.5 pH i=4.0<br />
200 nm<br />
0 min<br />
3 min<br />
20 min<br />
Mui et al. (1995). Biophys.J. 69: 930-941<br />
b) Compensación mutua de los efectos de<br />
FNTZ y lidocaine sobre la curvatura de<br />
membranas.<br />
MI<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
-0.2<br />
-0.4<br />
Lidocaine (µM)<br />
0 500 1000 1500<br />
0 50 100 150<br />
FNTZ (µM)<br />
García et al., Chem.Biol.Int., 2002.
Dinámica en la relación estructura/actividad de la proteína<br />
(Bowie, 2005, Kelkar et al., 2007)<br />
INDUCIDA POR LA DINÁMICA DE LA FASE LIPÍDICA<br />
Correspondencia Hidrofóbica<br />
Cambio en la curvatura local de la membrana
Membranas modelo<br />
Filmes de Langmuir (monocapas en la interfase agua-aire)<br />
Monocapas en interfases líquidas<br />
Filmes de Langmuir-Blodgett<br />
Micelas<br />
Bicelas<br />
Vesículas (MLVs, SUVs, LUVs, GUVs)<br />
Black lipid membranes<br />
Supported lipid bilayers<br />
Bicapas dobles<br />
Liposomas
Capas monomoleculares en la interfase agua-aire<br />
(Filmes de Langmuir)<br />
π= Presión Lateral de Superficie<br />
∆V= Potencial de superficie<br />
∆V<br />
S<br />
n<br />
dγ<br />
+ . dµ<br />
=<br />
A<br />
0<br />
π = γ w – γ m
Liposomas
BLM<br />
Black lipid membrans