¡Esta es una gran pregunta!
- Desde la bioquímica básica, la respuesta a esta pregunta sería que las fuerzas hidrofóbicas juegan un papel más importante. Pero esto no es cierto, porque según esta lógica, quedan dos cuestiones importantes sin respuesta:
- ¿Por qué solo micelas y bicapas de todas las estructuras posibles? ¿por qué no precipitarse en la solución?
- ¿Cómo se explica el papel de la entropía?
- Entonces, para responder a esta pregunta, uno debe probar que la energía libre de la bicapa es más baja que en cualquier otro estado. En las últimas décadas, se han desarrollado muchos modelos termodinámicos para explicar este proceso.
- En resumen, las bicapas lipídicas están hechas de dos ambientes muy diferentes.
- Cola hidrofóbica : región homogénea gobernada por la atracción de van der Waals y fuerzas de repulsión estéricas.
- Región hidrofílica del grupo de cabeza : contiene grupos cargados e ionizables, donde las interacciones varían de estérico, dipolar y electrostático dentro del lípido y con iones en el ambiente, a enlaces de hidrógeno con agua. Y todas las interacciones anteriores son interdependientes, lo que hace que la bicapa sea versátil y dinámica.
- Las colas hidrofóbicas inducen la asociación molecular y, los grupos hidrófilos de la cabeza imponen el requisito opuesto de interactuar con el agua.
- Estas dos interacciones dan lugar a una teoría de “fuerzas opuestas” en la interfaz, donde una tiende a aumentar el área interfacial por molécula de lípidos, y la otra disminuye. (Página en physics.uoguelph.ca)
- Por lo tanto, estas fuerzas opuestas dan lugar a un concepto de “área óptima por lípido”, que se logra cuando la energía de interacción total por molécula de lípidos alcanza un mínimo.
Figura de: Principios físicos de la organización de la membrana.
Ahora para responder a tu pregunta:
Todas las cabezas de los fosfolípidos tienen la misma carga si no se repelen entre sí?
Sí, hay una cierta cantidad de repulsión, pero no lo suficiente como para contrarrestar a todas las otras fuerzas. Tomemos la fosfatidilcolina (POPC) como ejemplo.
- Aquí está la estructura de POPC:
- A partir de la estructura, POPC tiene dos colas hidrófobas, 2 grupos éster / carbonilo, un fosfato cargado negativamente, un grupo de colina con carga positiva.
- Los grupos hidrófilos están expuestos al disolvente. Entonces, en realidad, hay moléculas de agua entre los lípidos y cerca de los grupos carbonilo.
- Forman enlaces de hidrógeno con los grupos de cabeza / fosfatos / carbonilo (que se rompen y se reforman, lo que contribuye a la naturaleza dinámica de las bicapas de lípidos).
- En el caso de POPC, cada lípido es individualmente neutro (zwitteriónico). El grupo principal de colina y el grupo fosfato forman un dipolo que también puede estabilizar la molécula de lípidos.
- Pero hay una consecuencia de la repulsión de este grupo de cabeza que también está presente en una bicapa de lípidos. Esto se manifiesta como una inclinación en el estado anterior a la transición.
- Las bicapas de lecitina generalmente exhiben un estado previo a la transición, a temperaturas inferiores a la transición de congelación.
- A temperaturas entre la transición principal y anterior, se observa una inclinación en las cadenas lipídicas.
- Esta inclinación se atribuye a la repulsión del grupo principal.
- ¿Por qué? debido a que en la conformación inclinada, las colas de los lípidos pueden estar en contacto cercano y ocupar un área mayor por molécula, lo que permite un mayor número de interacciones repulsivas del grupo de cabeza.
Figura que muestra la inclinación de la lecitina a partir de: Las cadenas de hidrocarburo inclinadas de dipalmitoil lecitina se vuelven perpendiculares a la bicapa antes de fundirse.
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- Dato curioso: si agrega iones a la mezcla de agua + POPC, los iones tienden a actuar como puentes entre los lípidos (puente de iones) y condensan la bicapa. Entonces, la sal puede cambiar la estructura y la dinámica de las bicapas lipídicas. ¿Por qué es esto relevante? porque esto nos dice que los lípidos alrededor de, digamos, los canales iónicos son diferentes de los lípidos en masa, y este cambio en el orden de los lípidos podría regular la señalización celular. (Página en iupui.edu, Estructura, dinámica e hidratación de bicapas POPC / POPS suspendidas en soluciones NaCl, KCl y CsCl,)
Referencia: principios físicos de la organización de la membrana.
