¿Por qué la membrana celular no se fusiona / fusiona?

Resumen :

• Las fuerzas elásticas dirigen las membranas hacia la fusión (o fisión).
• Estas fuerzas elásticas dependen de la composición proteica de la membrana celular y de su composición lipídica.
• Si las fluctuaciones espontáneas en los lípidos de la membrana estimularan la fusión, entonces el proceso de fusión celular se puede denominar como un proceso pasivo. Afortunadamente, la fusión de la membrana celular es en gran medida un proceso activo.
• Incluso la proximidad íntima de la bicapa no es suficiente para promover la membrana celular o muchos procesos de fusión vesicular.
• Para que las membranas se fusionen, tanto los lípidos como las proteínas deben actuar de forma cooperativa para reducir el costo energético de la transformación de la membrana .
  

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  En primer lugar, algunos hechos rápidos:

1. La respuesta típica a esta pregunta es: las membranas celulares están cubiertas de proteínas y otras moléculas y es posible que no entren en contacto directo entre sí. Si bien esto es parcialmente cierto, la respuesta a esta pregunta es mucho más matizada.
2. Me gustaría señalar que aunque algunas vesículas pueden fusionarse en un tubo de ensayo, no todas las vesículas de fosfolípidos pueden fusionarse en condiciones de laboratorio. Este es un punto muy importante, mientras se discute la fusión celular, las interacciones lípido-lípido no pueden ser ignoradas.
3. Las membranas celulares están compuestas de lípidos múltiples, con propiedades químicas y físicas variables. Si toma dos vesículas con una composición lipídica similar a las membranas celulares, no se fusionarán en condiciones de laboratorio [1].
4. Algunos lípidos como lysolipids / Lysophosphatidylcholine (LPC) son conocidos por inhibir las reacciones de fusión [2], mientras que algunos lípidos como c son ácidos grasos insaturados promueven la fusión. Por lo tanto, al igual que hay algunas proteínas que promueven la fusión de la membrana, también existen ciertos lípidos que promueven (o inhiben) la fusión.
5. Por último, la teoría del mosaico fluido no es exactamente correcta [ver: mi publicación en este]

Para comprender realmente por qué las membranas celulares no se fusionan, debes entender qué es realmente la fusión celular:

• Típicamente, el proceso de fusión de la membrana implica la formación de algunas estructuras intermedias específicas. Estas estructuras son poros o tallos de hemifusión y diafragmas:

Figura 1: Imagen de la historieta de la fusión [1]

• La remodelación de la membrana es fundamental para la fusión de membranas. Este proceso de remodelación necesita energía. Esta energía puede provenir de fluctuaciones térmicas. Si la energía requerida es mayor, entonces hay una necesidad de proteínas o pérdida de hidratación (es decir, cambio en el entorno en algunos casos) para impulsar el proceso.
• Tanto la velocidad a la que se forman estas estructuras intermedias como la penalización energética para explorar estos estados, dependen de la capacidad de la membrana lipídica para doblarse (o elasticidad).
• Si bien la rigidez a la flexión de las monocapas lipídicas tiene aproximadamente la misma magnitud (~ 10kT), la curvatura espontánea de las bicapas / monocapas lipídicas depende en gran medida del tipo de molécula lipídica presente.

Figura 2: diferentes lípidos exhiben curvatura diferente, algunos positivos, algunos cero y algunos negativos [1]

• ¿Por qué es relevante la curvatura espontánea? : los lípidos de curvatura negativa / positiva soportarán la flexión de la monocapa hacia una cierta curvatura. Por lo tanto, en función de la curvatura neta de un estado intermedio particular, promoverán o inhibirán la fusión.

• ¿Cuál es el papel de las proteínas? Las proteínas de fusión (y los péptidos como los péptidos antimicrobianos) pueden controlar la curvatura espontánea de las bicapas y, por lo tanto, su energía de flexión.
• Las proteínas pueden deformar las membranas, algunas, específicamente un folleto. Las proteínas también pueden prevenir la difusión libre de lípidos dentro de una membrana. Todo lo cual afecta la energía elástica del estado celular inicial y, por lo tanto, los estados intermedios y otras barreras de energía.

Referencias
1. Mecánica de fusión de membranas
2. Los lisolipidos inhiben reversiblemente la fusion de las membranas biologicas a Ca (2 +), GTP y pH.

PD: lo anterior es una introducción muy breve a la fusión de membranas. Para obtener más información, consulte los siguientes laboratorios: Zimmerberg [Investigadores principales] y Chernomordik [Investigadores principales]