Polimorfismo lipídico

Capacidad de los lípidos para agregarse en una variedad de fases estructuradas.

En biofísica y química coloidal , el polimorfismo es la capacidad de los lípidos de agregarse de diversas maneras, dando lugar a estructuras de formas diferentes, conocidas como " fases ". Esto puede ser en forma de esferas de moléculas lipídicas ( micelas ), pares de capas que se enfrentan entre sí ( fase laminar , observada en sistemas biológicos como una bicapa lipídica ), una disposición tubular ( hexagonal ), o varias fases cúbicas (siendo Fd 3 m, Im 3 m, Ia 3 m, Pn 3 m, y Pm 3 m las descubiertas hasta ahora). También se han observado agregaciones más complicadas, como las fases romboédricas , tetragonales y ortorrómbicas .

Forma parte importante de la investigación académica actual en los campos de la biofísica de membranas (polimorfismo), la bioquímica (impacto biológico) y la química orgánica (síntesis).

La topología de un sistema lipídico se puede determinar mediante diversos métodos, el más fiable de los cuales es la difracción de rayos X. Esta técnica utiliza un haz de rayos X que se dispersa por la muestra y da como resultado un patrón de difracción en forma de un conjunto de anillos. La relación entre las distancias de estos anillos y el punto central indica qué fase(s) está(n) presente(s).

La fase estructural de la agregación está influenciada por la proporción de lípidos presentes, la temperatura, la hidratación, la presión y la fuerza iónica (y el tipo).

Fases hexagonales

En el polimorfismo lipídico, si la relación de empaquetamiento ^{[ aclaración necesaria ]} de los lípidos es mayor o menor que uno, las membranas lipídicas pueden formar dos fases hexagonales separadas, o fases no lamelares, en las que se forman agregados tubulares largos según el entorno en el que se introduce el lípido.

Fase I hexagonal (H_I)

Esta fase es la más favorecida en soluciones de detergente en agua y tiene una relación de empaquetamiento de menos de uno. La población micelar en una mezcla de detergente/agua no puede aumentar sin límite a medida que aumenta la relación detergente/agua. En presencia de bajas cantidades de agua, los lípidos que normalmente formarían micelas formarán agregados más grandes en forma de túbulos micelares para satisfacer los requisitos del efecto hidrofóbico. Estos agregados pueden considerarse como micelas que se fusionan entre sí. Estos tubos tienen los grupos de cabeza polar hacia afuera y las cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas hacia el interior. Esta fase solo se observa en condiciones únicas y especializadas, y lo más probable es que no sea relevante para las membranas biológicas.

Fase hexagonal II (H_II)

Las moléculas de lípidos en la fase HII se empaquetan de manera inversa al empaquetamiento observado en la fase hexagonal I descrita anteriormente. Esta fase tiene los grupos de cabeza polares en el interior y las colas hidrocarbonadas hidrofóbicas en el exterior en solución. La relación de empaquetamiento para esta fase es mayor que uno, ^[1] lo que es sinónimo de un empaquetamiento de cono inverso.

Se formarán conjuntos extendidos de tubos largos (como en la fase hexagonal I), pero debido a la forma en que se empaquetan los grupos de cabezas polares, los tubos toman la forma de canales acuosos. Estos conjuntos pueden apilarse como tuberías. Esta forma de empaquetamiento puede dejar una superficie hidrófoba finita en contacto con el agua en el exterior del conjunto. Sin embargo, el empaquetamiento, por lo demás energéticamente favorable, aparentemente estabiliza esta fase en su conjunto. También es posible que una monocapa externa de lípidos cubra la superficie del conjunto de tubos para proteger la superficie hidrófoba de la interacción con la fase acuosa.

Se sugiere que esta fase está formada por lípidos en solución para compensar el efecto hidrofóbico. El apretado empaquetamiento de los grupos de cabeza de los lípidos reduce su contacto con la fase acuosa. Esto, a su vez, reduce la cantidad de moléculas de agua ordenadas, pero no unidas. Los lípidos más comunes que forman esta fase incluyen la fosfatidiletanolamina (PE), cuando tiene cadenas de hidrocarburos insaturadas. El difosfatidilglicerol (DPG, también conocido como cardiolipina) en presencia de calcio también es capaz de formar esta fase.

Técnicas de detección

Existen varias técnicas que se utilizan para determinar qué fase está presente durante las perturbaciones que se producen en los lípidos. Estas perturbaciones incluyen cambios de pH, cambios de temperatura, cambios de presión, cambios de volumen, etc.

La técnica más común utilizada para estudiar la presencia de la fase fosfolipídica es la resonancia magnética nuclear de fósforo (RMN 31P). En esta técnica, se observan patrones de difracción de polvo diferentes y únicos para las fases lamelares, hexagonales e isotrópicas. Otras técnicas que se utilizan y que ofrecen evidencia definitiva de la existencia de fases lamelares y hexagonales incluyen la microscopía electrónica de criofractura, la difracción de rayos X , la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y la resonancia magnética nuclear de deuterio (RMN 2H).

Estructuras de la fase H-II hexagonal invertida (H), la fase micelar esférica invertida (M) y la fase liposomal lamelar (le) en dispersiones acuosas expuestas al frío del extracto lipídico total de membranas tilacoides de espinaca, estudiadas mediante microscopía electrónica de transmisión con tinción negativa (ácido fosfotúngstico al 2%).

Además, se ha demostrado que la microscopía electrónica de transmisión con tinción negativa es una herramienta útil para estudiar el comportamiento y el polimorfismo de la fase de bicapa lipídica en la fase laminar , micelar, liposoma unilamelar y estructuras lipídicas acuosas hexagonales , en dispersiones acuosas de lípidos de membrana . ^[2] Como la tinción negativa soluble en agua se excluye de la parte hidrófoba (cadenas de acilo graso) de los agregados lipídicos, las porciones del grupo de cabeza hidrófilo de los agregados lipídicos se tiñen de oscuro y marcan claramente los contornos de los agregados lipídicos (ver figura).

Véase también

Referencias

^ Stuart, Marc y Boekema, Egbert (2007). Dos mecanismos distintos de transición de vesícula a micela y de micela a vesícula están mediados por el parámetro de empaquetamiento de los sistemas de fosfolípidos y detergentes, https://www.researchgate.net/publication/6124701_Two_distinct_mechanisms_of_vesicle-to-micelle_and_micelle-to-vesicle_transition_are_mediated_by_the_packing_parameter_of_phospholipid-detergent_systems#pf9
^ YashRoy RC (1994) Desestabilización de la dispersión lamelar de los lípidos de la membrana tilacoidal por sacarosa. Biochimica et Biophysica Acta vol. 1212(1), págs. 129-133. https://www.researchgate.net/publication/15042978_Destabilisation_of_lamellar_dispersion_of_thylakoid_membrane_lipids_by_sucrose?ev=prf_pub

JM Seddon, RH Templer. Polimorfismo de sistemas lípido-agua , del Handbook of Biological Physics, vol. 1, ed. R. Lipowsky y E. Sackmann. (c) 1995, Elsevier Science BV ISBN 0-444-81975-4
Yeagle, P. (2005). La estructura de las membranas biológicas (2.ª ed.). Estados Unidos: CRC Press.
Yeagle, P. (1993). Las membranas de las células (2.ª ed.). Michigan: Academic Press.
Gennis, RB (1989). Biomembranas: Estructura molecular y función. Michigan: Springer-Verlag.

[1] Stuart, Marc y Boekema, Egbert (2007). Dos mecanismos distintos de transición de vesícula a micela y de micela a vesícula están mediados por el parámetro de empaquetamiento de los sistemas de fosfolípidos y detergentes, https://www.researchgate.net/publication/6124701_Two_distinct_mechanisms_of_vesicle-to-micelle_and_micelle-to-vesicle_transition_are_mediated_by_the_packing_parameter_of_phospholipid-detergent_systems#pf9

[2] YashRoy RC (1994) Desestabilización de la dispersión lamelar de los lípidos de la membrana tilacoidal por sacarosa. Biochimica et Biophysica Acta vol. 1212(1), págs. 129-133. https://www.researchgate.net/publication/15042978_Destabilisation_of_lamellar_dispersion_of_thylakoid_membrane_lipids_by_sucrose?ev=prf_pub