La fusión de membranas es un proceso biofísico clave que es esencial para el funcionamiento de la vida misma. Se define como el evento en el que dos bicapas lipídicas se acercan y luego se fusionan para formar una única estructura continua. [1] En los seres vivos, las células están formadas por una capa exterior formada por bicapas lipídicas; lo que luego provoca que se produzca la fusión en eventos como la fertilización , la embriogénesis e incluso infecciones por diversos tipos de bacterias y virus . [2] Por lo tanto, es un evento extremadamente importante para estudiar. Desde un ángulo evolutivo, la fusión es un fenómeno extremadamente controlado. La fusión aleatoria puede provocar graves problemas en el funcionamiento normal del cuerpo humano. La fusión de membranas biológicas está mediada por proteínas . Independientemente de la complejidad del sistema, la fusión se produce esencialmente debido a la interacción de varias fuerzas interfaciales, a saber, repulsión por hidratación, atracción hidrofóbica y fuerzas de van der Waals . [3]
Las bicapas lipídicas son estructuras de moléculas lipídicas que constan de una cola hidrófoba y un grupo de cabeza hidrófilo . Por lo tanto, estas estructuras experimentan todas las fuerzas interbicapa características involucradas en ese régimen.
Dos bicapas hidratadas experimentan una fuerte repulsión cuando se acercan. Estas fuerzas se han medido utilizando el aparato de fuerzas superficiales (SFA), un instrumento utilizado para medir fuerzas entre superficies. Esta repulsión fue propuesta por primera vez por Langmuir y se pensaba que surgía debido a las moléculas de agua que hidratan las bicapas. Por tanto, la repulsión de la hidratación se puede definir como el trabajo necesario para eliminar las moléculas de agua alrededor de las moléculas hidrófilas (como los grupos de cabeza de lípidos ) en el sistema bicapa. [4] Como las moléculas de agua tienen afinidad por los grupos principales hidrófilos , intentan organizarse alrededor de los grupos principales de las moléculas de lípidos y resulta muy difícil separar esta combinación favorable.
Los experimentos realizados a través de SFA han confirmado que la naturaleza de esta fuerza es una disminución exponencial. [5] El potencial V R viene dado por [6]
donde C R (>0) es una medida de la energía de interacción de hidratación para moléculas hidrófilas del sistema dado, λ R es una escala de longitud característica de repulsión de hidratación y z es la distancia de separación. En otras palabras, es en distancias de hasta esta longitud donde las moléculas/superficies experimentan plenamente esta repulsión.
Las fuerzas hidrófobas son las fuerzas entrópicas de atracción entre dos grupos hidrófobos cualesquiera en medios acuosos, por ejemplo, las fuerzas entre dos largas cadenas de hidrocarburos en soluciones acuosas. La magnitud de estas fuerzas depende de la hidrofobicidad de los grupos que interactúan, así como de la distancia que los separa (se encuentra que disminuyen aproximadamente exponencialmente con la distancia). El origen físico de estas fuerzas es un tema debatido , pero se ha descubierto que son de largo alcance y son las más fuertes entre todas las fuerzas de interacción física que operan entre superficies biológicas y moléculas. [7] Debido a su naturaleza de largo alcance, son responsables de la rápida coagulación de partículas hidrófobas en el agua y desempeñan funciones importantes en diversos fenómenos biológicos, incluido el plegamiento y la estabilización de macromoléculas como proteínas y la fusión de membranas celulares.
El potencial V A viene dado por [7]
donde C A (<0) es una medida de la energía de interacción hidrofóbica para el sistema dado, λ A es una escala de longitud característica de atracción hidrofóbica y z es la distancia de separación.
Estas fuerzas surgen debido a interacciones dipolo-dipolo (inducidas/permanentes) entre moléculas de bicapas. A medida que las moléculas se acercan, surge esta fuerza de atracción debido al ordenamiento de estos dipolos; como en el caso de los imanes que se alinean y se atraen entre sí a medida que se acercan. [7] Esto también implica que cualquier superficie experimentaría una atracción de Van der Waals. En bicapas, la forma que adopta el potencial de interacción de van der Waals V VDW viene dada por [8]
donde H es la constante de Hamaker y D y z son el espesor de las bicapas y la distancia de separación respectivamente.
Para que se produzca la fusión, tiene que superar enormes fuerzas repulsivas debido a la fuerte repulsión de la hidratación entre los grupos de cabezas de lípidos hidrófilos . [7] Sin embargo, ha sido difícil determinar exactamente la conexión entre adhesión , fusión y fuerzas interbicapa. Las fuerzas que promueven la adhesión celular no son las mismas que las que promueven la fusión de membranas. Los estudios muestran que al crear tensión en las bicapas que interactúan, se puede lograr la fusión sin interrumpir las interacciones entre bicapas. También se ha sugerido que la fusión de membranas se produce mediante una secuencia de reordenamientos estructurales que ayudan a superar la barrera que impide la fusión. [7] Así, la fusión interbicapa se produce a través de
Cuando dos bicapas lipídicas se acercan, experimentan fuerzas de atracción débiles de Van der Waals y fuerzas de repulsión mucho más fuertes debido a la repulsión de la hidratación. [9] Estas fuerzas normalmente son dominantes sobre las fuerzas de atracción hidrofóbicas entre las membranas. Los estudios realizados en bicapas de membrana utilizando aparatos de fuerzas superficiales (SFA) indican que la fusión de membranas puede ocurrir instantáneamente cuando dos bicapas todavía están a una distancia finita entre sí sin que tengan que superar la barrera de fuerza repulsiva de corto alcance. [7] Esto se atribuye a los reordenamientos moleculares que se producen como resultado de que las membranas eviten estas fuerzas. Durante la fusión, las colas hidrofóbicas de una pequeña porción de lípidos en la membrana celular quedan expuestas a la fase acuosa que las rodea. Esto da como resultado atracciones hidrofóbicas muy fuertes (que dominan la fuerza repulsiva) entre los grupos expuestos, lo que lleva a la fusión de las membranas. [10] Las fuerzas de atracción de van der Waals desempeñan un papel insignificante en la fusión de membranas. Por tanto, la fusión es el resultado de las atracciones hidrofóbicas entre grupos internos de cadenas de hidrocarburos que están expuestos al entorno acuoso normalmente inaccesible. Se observa que la fusión comienza en puntos de las membranas donde las tensiones de la membrana son más débiles o más fuertes. [7]
Las fuerzas interbicapa desempeñan un papel clave en la mediación de la fusión de membranas, que tiene aplicaciones biomédicas extremadamente importantes. [11]
![{\displaystyle V_{R}=C_{R}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{R}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70b7f62805544db5286947b08d64ea6fe3032b80)
![{\displaystyle V_{A}=C_{A}\cdot \exp \!\left[{-z \over \lambda _{A}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2d3506b75d28eaf258daa890e7c062d75ad0a905)
