Enseñanza

Elasticidad de las membranas biológicas

L. Martínez–Balbuena^a, A. Maldonado–Arce^b, E. Hernández–Zapata^c

^a Departamento de Investigación en Física, Universidad de Sonora, Apartado Postal 5–088, 83190 Hermosillo, Sonora, México.

^b Departamento de Física, Universidad de Sonora, Apartado Postal 1626, Hermosillo, 83000 Sonora, México.

^c Departamento de Física, Matemáticas e Ingeniería, Universidad de Sonora, H. Caborca, 83600 Sonora, México.

Recibido el 28 de septiembre de 2009
Aceptado el 24 de noviembre de 2009

Resumen

En este artículo se presenta una revisión del conocimiento actual sobre las propiedades elásticas de las membranas de origen biológico. Bajo la hipótesis del mosaico fluido se considera a una bicapa de fosfolípido como la base estructural de una membrana biológica y se expone un modelo debido a Helfrich a partir del cual se obtiene una expresión para la energía elástica de una membrana. La energía libre queda completamente caracterizada por sus curvaturas locales principales y cuatro parámetros dependientes de la composición química de la membrana y de su entorno local. Así mismo, se expone la justificación teórica de un método experimental (que hace uso de micromanipulación con micropipetas) que permite medir la constante elástica de curvatura media de una membrana. Finalmente se describen algunas consecuencias físicas de estos conceptos, como la explicación de la transición de una fase lamelar a una esponja o la aparición de la interacción estérica entre membranas.

Descriptores: Energía libre de Helfrich; membranas biológicas; bicapas lipídicas; elasticidad de membranas.

Abstract

In this article we review the present knowledge on the elastic properties of membranes of biological origin. Assuming the fluid mosaic hypothesis, we consider the phospholipid bilayer as the structural base of a biological membrane. We expose a model due to Helfrich which can be used to obtain an expression for the membrane elastic energy. The free energy is completely characterized by two local principal curvatures and four parameters that depend on the chemical composition of the membrane and its local environment. In addition we present the theoretical justification of an experimental method (the Micropipette Manipulation technique) that may be used to measure the membrane rigidity (the elastic constant that corresponds to the mean curvature of the membrane). Finally, we describe some physical consequences of these concepts, such as the explanation of the lamellar–sponge phase transition and the emergence of the steric interaction between membranes.

Keywords: Helfrich free energy; biological membrane; lipid bilayer; elasticity of membranes.

PACS: 87.16.dm; 87.16dj; 02.40.Hw

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Agradecimientos

Agradecemos a Gerardo Paredes y Carlos Luna, estudiantes de la Universidad de Sonora, por compartir con nosotros sus gráficas y resultados experimentales de manipulación con micropipetas. MB agradece a Conacyt por la beca de maestría otorgada.

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