Comportamiento de la fase de la bicapa lipídica

En química coloidal, una propiedad de una bicapa lipídica es la movilidad relativa (fluidez) de las moléculas lipídicas individuales y cómo esta movilidad cambia con la temperatura. Esta respuesta se conoce como comportamiento de fase de la bicapa. En términos generales, a una temperatura dada, una bicapa lipídica puede existir en fase líquida o sólida. La fase sólida se conoce comúnmente como fase de "gel". Todos los lípidos tienen una temperatura característica a la que experimentan una transición (fusión) de la fase de gel a la líquida. En ambas fases, las moléculas lipídicas están constreñidas al plano bidimensional de la membrana, pero en las bicapas en fase líquida las moléculas se difunden libremente dentro de este plano. Por lo tanto, en una bicapa líquida, un lípido dado intercambiará rápidamente su ubicación con su vecino millones de veces por segundo y, mediante un proceso de desplazamiento aleatorio, migrará largas distancias.En contraste con esta gran movilidad en el plano, es muy difícil que las moléculas lipídicas se muevan de un lado a otro de la bicapa lipídica. En una bicapa basada en fosfatidilcolina, este proceso suele ocurrir en un período de semanas. Esta discrepancia puede entenderse en términos de la estructura básica de la bicapa. Para que un lípido cambie de una lámina a otra, su grupo de cabeza hidratado debe cruzar el núcleo hidrofóbico de la bicapa, un proceso energéticamente desfavorable. A diferencia de las bicapas en fase líquida, los lípidos en una bicapa en fase gel están fijados en su lugar y no presentan movilidad ni movimiento lateral. Debido a esta movilidad limitada, las bicapas en gel carecen de una propiedad importante de las bicapas líquidas: la capacidad de resellar pequeños huecos. Las bicapas en fase líquida pueden reparar espontáneamente pequeños huecos, de forma similar a como una película de aceite sobre agua podría fluir para rellenar un hueco. Esta funcionalidad es una de las razones por las que las membranas celulares suelen estar compuestas por bicapas en fase fluida. Las restricciones de movimiento de los lípidos en las bicapas lipídicas también están impuestas por la presencia de proteínas en las membranas biológicas, especialmente en la capa lipídica anular "unida" a la superficie de las proteínas integrales de la membrana.

El comportamiento de fase de las bicapas lipídicas está determinado en gran medida por la intensidad de las interacciones atractivas de Van der Waals entre moléculas lipídicas adyacentes. La magnitud de esta interacción depende, a su vez, de la longitud de las colas lipídicas y de su capacidad de empaquetamiento. Los lípidos con colas más largas tienen mayor área de interacción, lo que aumenta la intensidad de esta interacción y, en consecuencia, disminuye la movilidad lipídica. Por lo tanto, a una temperatura dada, un lípido de cola corta será más fluido que un lípido de cola larga idéntico. Otra forma de expresar esto sería decir que la temperatura de transición de la fase gel a líquida aumenta con el aumento del número de carbonos en las cadenas de alcanos lipídicos. Los lípidos de fosfatidilcolina saturados con colas de más de 14 carbonos son sólidos a temperatura ambiente, mientras que aquellos con menos de 14 son líquidos. Este fenómeno es análogo al hecho de que la cera de parafina, que está compuesta de alcanos largos, es sólida a temperatura ambiente, mientras que el octano (gasolina), un alcano corto, es líquido.Además de la longitud de la cadena, la temperatura de transición también puede verse afectada por el grado de insaturación de las colas lipídicas. Un doble enlace insaturado puede producir una torcedura en la cadena de alcanos, alterando la estructura periódica regular. Esta alteración crea espacio libre adicional dentro de la bicapa, lo que permite mayor flexibilidad en las cadenas adyacentes. Es esta alteración del empaquetamiento la que conduce a temperaturas de transición más bajas con el aumento de los dobles enlaces. Este es un efecto particularmente potente; reducir la longitud total de la cadena en un carbono suele alterar la temperatura de transición de un lípido en diez grados Celsius o menos, pero añadir un solo doble enlace puede disminuirla en cincuenta grados o más (véase la tabla). Un ejemplo de este efecto se puede observar en la vida cotidiana: la mantequilla, que contiene un gran porcentaje de grasas saturadas, es sólida a temperatura ambiente, mientras que el aceite vegetal, mayoritariamente insaturado, es líquido.

Temperatura de transición (en °C) como función de longitud de cola y saturación. Todos los datos son para lípidos con grupos de cabeza y dos colas idénticas.

Longitud de la cola	Bonos dobles	Temperatura de transición
12	0	-1
14	0	23
16	0	41
18	0	55
20	0	66
22	0	75
24	0	80
18	1	1
18	2	-53
18	3	-60

Las bicapas no necesitan estar compuestas por un solo tipo de lípido; de hecho, la mayoría de las membranas naturales son una mezcla compleja de diferentes moléculas lipídicas. Estas mezclas suelen presentar propiedades intermedias a las de sus componentes, pero también son capaces de un fenómeno no observado en sistemas de un solo componente: la separación de fases. Si algunos de los componentes son líquidos a una temperatura dada, mientras que otros están en fase de gel, ambas fases pueden coexistir en poblaciones separadas espacialmente. Esta separación de fases desempeña un papel crucial en los fenómenos bioquímicos, ya que los componentes de la membrana, como las proteínas, pueden dividirse en una u otra fase y, por lo tanto, concentrarse o activarse localmente.

La presencia de colesterol ejerce una influencia profunda pero compleja en las propiedades de la bicapa lipídica debido a sus características físicas únicas. Aunque es un lípido, el colesterol se parece poco a un fosfolípido. El dominio hidrofílico del colesterol es bastante pequeño y consiste en un solo grupo hidroxilo. Adyacente a este grupo hidroxilo se encuentra una estructura plana rígida compuesta por varios anillos fusionados. En el extremo opuesto de la estructura anular se encuentra una cola corta de cadena simple. Se sabe desde hace décadas que la adición de colesterol a una bicapa en fase fluida disminuye su permeabilidad al agua. Recientemente se ha demostrado que el mecanismo de esta interacción se debe a la intercalación del colesterol entre las moléculas lipídicas, rellenando el espacio libre y disminuyendo la flexibilidad de las cadenas lipídicas circundantes. Esta interacción también aumenta la rigidez mecánica de las bicapas lipídicas de la membrana fluida y disminuye su coeficiente de difusión lateral. Por el contrario, la adición de colesterol a las bicapas en fase gel altera el orden de empaquetamiento local, aumentando el coeficiente de difusión y disminuyendo el módulo elástico. Las interacciones del colesterol con sistemas multicomponentes son aún más complejas, ya que pueden dar lugar a diagramas de fases intrincados. Un sistema lípido-colesterol que se ha estudiado intensamente recientemente es la balsa lipídica. Las balsas lipídicas son dominios de gel enriquecidos con colesterol que podrían estar implicados en ciertos procesos de señalización celular, pero el tema sigue siendo controvertido, y algunos investigadores incluso dudan de su existencia in vivo.

Los liposomas de lípidos mixtos pueden experimentar cambios en diferentes estructuras de dispersión de fase, denominadas polimorfismos lipídicos, por ejemplo, micelas esféricas, láminas de bicapa lipídica y cilindros de fase hexagonales, dependiendo de los cambios físicos y químicos en su microambiente. La temperatura de transición de fase de los liposomas y las membranas biológicas puede medirse mediante calorimetría, espectroscopia de resonancia magnética y otras técnicas.

• Anular lipid shell
• Fase hexagonal
• Lipid bilayer
• Polimorfismo de Lipid
• Lipidomics
• Liposome
• Fluido de membrana
• Lípidos de membrana