Interacción de membranas de lípidos con filamentos de actina y campos eléctricos

Abstract

Los límites de la célula están constituidos por las membranas biológicas, las barreras que definen el interior y exterior de ésta. Todas las membranas tienen una estructura general común, que consta de una bicapa de fosfolípidos con proteínas y moléculas de colesterol incrustadas en ella. Otro componente de la célula es el citoesqueleto, el cual es la red tridimensional de proteínas que brinda soporte interno a la célula e interviene en diversos procesos celulares que presentan cambios en las propiedades mecánicas de la membrana. Una de las proteínas presentes en el citoesqueleto es la actina, y cuando ésta polimeriza sus filamentos son los responsables de brindar dicho soporte. La célula es un sistema dinámico y mantiene una actividad mecánica, química y eléctrica, de ahí que los campos eléctricos puedan afectarlas. Éstas exhiben diferentes comportamientos dependientes de la frecuencia de los campos eléctricos aplicados, tales comportamientos han estimulado considerables esfuerzos de modelado dirigidos a la comprensión de los mecanismos físicos en la interacción de los campos eléctricos con células y tejidos. Pero la célula es una estructura bastante compleja y una evidente simplificación debe hacerse. Enfocaremos nuestra atención sólo en la membrana de lípidos antes de tratar de entender los efectos de los campos eléctricos en las células. Las vesículas tienen un comportamiento similar a las células cuando se les aplican campos eléctricos alternos. El objetivo de este trabajo es hacer un estudio de las propiedades mecánicas de membranas lipídicas mediante la deformación de vesículas gigantes de una sola bicapa formadas de lípidos DMPC, EggPC y DOPC con la proteína actina encapsulada en su interior, polimerizada y sin polimerizar. Esto con el fin de determinar si la mera presencia (sin polimerizar) de dicha proteína afecta sus propiedades mecánicas o si es necesario que ésta polimerice para alterarlas. La deformación se logra aplicando un campo eléctricos AC, deformándolas en elipsoides de revolución. Se utiliza el tensor de esfuerzos de Maxwell para calcular las tensiones laterales que actúan sobre la bicapa lipídica durante la deformación. El modelo teórico que se utilizará está basado en el desarrollado por Kummrow y Helfrich, considerando las propiedades físicas del medio interno y externo a la membrana y tomando las contribuciones del tensor de esfuerzos de Maxwell.

Biological membranes stablish the cell boundaries, these are the barriers that define the inside and outside of the cell. All membranes have a common overall structure consisting of a phospholipid bilayer with proteins and cholesterol molecules embedded in it. Another cellular component is the cytoskeleton, which is the three-dimensional protein network that brings internal support to the cell, and it is involved in several cellular processes that present changes in the mechanical properties of membranes. One of the proteins present in the cytoskeleton is actin and, when it polymerizes, its filaments are in charge if provide such support. Cell is a dynamic system that maintains a mechanical, chemical and electrical activity, hence electric fields can affect them. They exhibit different behaviors depending on the frequency of the applied electric field, such behaviors have stimulated modeling efforts aimed to understand the physical mechanisms in the interactions of electric fields with cells and tissues. But the cell is a very complex structure, and an evident simplification must be done. We will focus our attention only on the lipid membrane before trying to understand the effects of electric fields on cells. Vesicles have a similar behavior to cells when they are subjected to an electric field. The objective of this work is to study the mechanical properties of lipid membranes through the deformation of giant unilamellar vesicles formed from lipids DMPC, EggPC and DOPC, with actin protein encapsulated within, polymerized and unpolymerized. To determine if only the presence of this protein (unpolymerized) affects its mechanical properties or if it is necessary to polymerize to affect them. The deformation is achieved by applying an AC electric field, deforming the into ellipsoids of revolution. The Maxwell stress tensor is used to calculate the lateral stresses acting on the lipid bilayer during deformation. The theoretical model that will be used is based on the one developed by Kummrow and Helfrich, considering the physical properties of the internal and external environment to the membrane and taking the contributions of the Maxwell stress tensor.