Clase 11 Biomembranas 2010

Cómo son?
Porqué son así?
BIOMEMBRANAS
Origen de su dinámica?

CÓMO SON?

Modelo del mosaico fluido
Singer y Nicholson (1972)

Bicapa lipídica
Biomembranas
Composición:
Glicerofosfolípidos: zwitteriónico (PC, PE)
cargados (PA, PS, PI),
Esteroles: colesterol (animales), citosterol (plantas),
estigmasterol (hongos)
Esfingolípidos esfingosina,ceramida, esfingomielina, cerebrósidos,
sulfátidos, gangliósidos
Proteínas (periféricas, intrínsecas, ancladas)
Propiedades
Asimetría (composicional y oranizacional) tanto lateral como entre las hemicapas
interna y externa
Dinámica: movimientos difusión y rotación (lípidos y proteínas)
precesión, flip-flop (lípidos)
Permeabilidad selectiva

LÍPIDOS MEMBRANA

GLICEROFOSFOLIPIDOS

Glicerofosfolípidos de membrana
Curvas de titulación
de fosfolípidos
PC
PE
PS
PA

GLICEROFOSFOLÍPIDOS

Arqueobacterias

ESFINGOLIPIDOS

Esfingolípidos
Ac. Siálico o Nacetil
neuramínico

Induce efecto buffer sobre microviscosidad de membranas (organiza
estructuras desorganizadas y desorganiza fase gel)

Microscopía bifotónica en vesículas
unilamelares giganes (GUV).
Correlación entre forma de los
dominios y composición de mezclas
binarias de fosfolípidos.
Bagatolli L.A. & Gratton E. (2000) Biophys J, 79, 434-447.
Asimetría lateral
Microscopía de fuerza atómica de
monocapas de dpPC en la interfase aguaaire
transferidas a soportes sólido. Se
observan dominios liquido condensados
dispersos en dominios liquido-expandidos.
Yua n C. & Johnston LJ. (2000). Distribution of Ganglioside
GM1 in L-a-Dipalmitoylphosphatidylcholine / Cholesterol
Monolayers: A Model for Lipid Rafts.1 Biophys J, 79, 2768-
2781.
DOMINIOS DE DISTINTA
COMPOSICIÓN Y/O DISTINTA
ORGANIZACIÓN

Asimetría entre las hemicapas

PROTEÍNAS DE MEMBRANA
PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS
INTEGRALES O INTRÍNSECAS
– ANCLADAS
– TRANSMEMBRANA

PROTEÍNAS
ANCLADAS
Moléculas de anclaje de proteínas
PROTEÍNAS
TRANSMEMBRANA
PROTEÍNA
EXTRÍNSECA

Proteínas
glicosiladas
Enlace N- a cad. lateral de Asparragina en la secuencia
Asn-X-Ser o Asn-X-Thr
Enlace O- a cad. lateral de Serina o Treonida

Oligosacáridos N-enlazados
Nucleo de pentasacárido común

Oligosacáridos N-enlazados
Nucleo de pentasacárido común
En este caso el oligosacárido posee As. Sialico o NANA (carga negativa)

PROTEÍNA ANCLADA A MEMBRANA
Fosfatasa alcalina placentaria

Extracción de proteínas de
membrana
a) Intrínsecas: tratamiendo
con detergente
b) Periféricas: cambio de pH o
fueza iónica
c) Ancladas por unión a grupo
GPI: tratamiento enzimático
fosfolipasa C.

Topología de proteínas intrínsecas de membrans
Indice
hidropático de
aa: ∆G de
transferencia
desde un
solvente
hidrofóbico
hacia el agua
En una α helice: 1 aa aprox. 0.15 nm
20 aa aprox.30 nm (espesor aprox. de una bicapa
∴ Región hidrofóbica de 20 aa en el perfil hidropático de una
proteína transmembrana correspondería a hélice hidrofóbica.
Perfil hidropático de una proteína

Bacteriorodopsina Porina de Rhodopseudomonas blástica
Amarillo: resudios hidrofóbicos
proteína integral con estructura de barril β
(láminas β antiparalelas)
7-9 aa en conformación β son necesarios para
atravesar la bicapa
Cadenas laterales de aa se proyectan por encima y
por debajo de la lámina β ∴en los dominios
transmembrana de proteínas intrínseca, residuo de
por medio es hidrofóbico.
Otros residuos pueden o no ser hidrofóbicos

BIOMEMBRANAS
PORQUÉ SON ASÍ?

Biomembranas están constituidas
por moléculas anfipáticas

Región
no polar
Región
polar
MOLÉCULA ANFIPÁTICA

ORIENTED WATER MOLECULES
HYDROPHOBIC EFFECT SELF-ASSEMBLY

Hidratación de
grupos no polares:
Efecto hidrofóbico

CH 4 (benceno)
EFECTO HIDROFÓBICO
CH 4 interactúa
favorablemente con el agua
∆H < 0
CH 4 (agua)
∆G = ∆H – T.∆S
y
Seguanda ley de la
termodinámica
∆G = + 2.6 Kcal/mol
∆H = - 2.8 Kcal/mol
La transferencia de CH 4
desde el benceno hacia el
agua es desfavorable
∆G >0
∆S Universo = ∆S sistema + ∆S entorno ≥ 0
si ∆S H2 O

MODELOS
• Ley de acción de
masas
2 X (X) 2
X + X 2
X + X N-1
(X) 3
(X) N
• Equilibrio de fases
N monomero
(monomero) N
m X, monomero = m x, micela
∆G micelización = RT ln c.m.c
Autoagregación
1
a
a 0
c.m.c.
X
X N

AUTOAGREGACIÓN Y CONCENTRACIÓN
MICELAR CRÍTICA
La región no polar de las moléculas anfipáticas (MA) estructuran
agua bajo la forma de clatrato.
La estructuración de moléculas de agua induce disminución de la
entropía del agua.
La autoagregación de la MA favorece la liberación del agua
originalmente estructurada induciendo un aumento en la entropía
del agua (entorno) que compensa la disminución de la entropía del
sistema (MA).
La autoagregación es termodinámicamente favorable (espontánea)
a concentración de MA superior a un valor crítico (cmc).

RESTRICCIONES
TERMODINÁMICO-GEOMÉTRICAS
PARA LA AUTOAGREGACIÓN DE
MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS

MOLÉCULAS
ANFIPÁTICAS:
Forma, empaquetamiento
y estructuras de
autoagregación
Parámetro crítico
v
PC= a0 . lc Energía por molécula
m 0 N = 2.g.a 0
Número de agregación
N = 36. p. v 2 /a 3 ± (N 0) 1/2
N = 2.e p.kb/k.T .(C) 1/2

Micelas y liposomas

BIOMEMBRANAS
Origen de su dinámica?

Dinámica en la organización de lípidos de membrana
Difusión y flip-flop
Experimento de foto-bleaching para demostrar difusión
molecular en el plano lateral de la membrana.

Velocidad de difusión depende de composición y temperatura
Fase fluida> difusión lateral

Compensación
de geometrías
Protein insertion into the MSG:DCP bilayer. Being placed into a bilayer, a nonbilayer-forming
DCP creates a space at the interface (A). In the absence of proteins, the flat liquid crystalline
bilayer enriched with DCP transforms into the inverted phase with negative curvature (B).
When protein is inserted into the bilayer the volume of the headgroup region is increased,
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
Inserción de moléculas en la bicapa induce cambios en la curvatura de la membrana
Curvatura +
Curvatura -

Cambios en la curvatura de bicapas en liposomas y en eritrocitos como
respuestas a asimetrías: a) transmembranas o b) entre hemicapas
a) Transporte de DOPG hacia
la hemicapa externa.
LUVs DOPC:DOPG 9:1, pH ext=7.5 pH i=4.0
200 nm
0 min
3 min
20 min
Mui et al. (1995). Biophys.J. 69: 930-941
b) Compensación mutua de los efectos de
FNTZ y lidocaine sobre la curvatura de
membranas.
MI
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
Lidocaine (µM)
0 500 1000 1500
0 50 100 150
FNTZ (µM)
García et al., Chem.Biol.Int., 2002.

Dinámica en la relación estructura/actividad de la proteína
(Bowie, 2005, Kelkar et al., 2007)
INDUCIDA POR LA DINÁMICA DE LA FASE LIPÍDICA
Correspondencia Hidrofóbica
Cambio en la curvatura local de la membrana

Membranas modelo
Filmes de Langmuir (monocapas en la interfase agua-aire)
Monocapas en interfases líquidas
Filmes de Langmuir-Blodgett
Micelas
Bicelas
Vesículas (MLVs, SUVs, LUVs, GUVs)
Black lipid membranes
Supported lipid bilayers
Bicapas dobles
Liposomas

Capas monomoleculares en la interfase agua-aire
(Filmes de Langmuir)
π= Presión Lateral de Superficie
∆V= Potencial de superficie
∆V
S
n
dγ
+ . dµ
=
A
0
π = γ w – γ m

Liposomas

BLM
Black lipid membrans