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Facultad de Ciencias Exactas. La secta
Lípidos y membranas biológicas
Biomoléculas Se dividen en cuatro grupos, cada uno con sus respectivas funciones: Proteínas Ácidos nucleicos Polisacáridos Lípidos Estructural Transporte Transducción de señales Reconocimiento de agentes infecciosos (anticuerpos) Catalizadores de las reacciones del metabolismo (enzimas) Almacenamiento (ARN) y traducción (ADN) de la información genética Señalización celular unido a proteínas (glicoproteínas) o a lípidos (glucolípidos) Reserva rápida de energía (forman macromoléculas que pueden liberar moléculas de glucosa que se usan en el catabolismo) Almacenamiento eficiente de energía Estructural ( biomembranas , esa estructura es dinámica y activa, muy sensible a cambios de potencial electroquímico, muchas propiedades desconocidas, se estudian en biofísica) Señales, cofactores, pigmentos. Función y estructura caracterizada por su baja solubilidad en agua. Ácidos grasos Es una cadena hidrocarbonada unida a un ácido carboxílico. Cuando están saturados, en su estado condensado, pueden empaquetarse bien y aumentan las interacciones hidrocarbonadas de tipo Van der Waals. En las fuentes naturales de ácidos grasos, se sintetizan en un número par de átomos de carbono, no hay dobles enlaces saturados, y cuando se produce la insaturación, la misma siempre se generan en cis, genera un doblez, provocando que el ácido graso tenga un acodamiento y que en estado condensado no se empaquete bien, por lo tanto hay menor energía de cohesión. En cada doble enlace la cadena se ramifica en cis, disminuyendo las fuerzas de van der waals (cuando se ramifica se corta) siendo más fácil de romper porque se necesita menor fuerza, por lo tanto a mayor cantidad de insaturaciones, menor viscosidad. A su vez al haber insaturaciones implica que al rotar estas moléculas ocupan un volumen mayor y no pueden empaquetarse tan bien, por lo que hay menor energía de cohesión entre ellas y disminuye el punto de fusión comparado con el de los saturados. Si en cada doble enlace la cadena se ramifica en trans, aumentan las fuerzas de van der waals, se vuelve más estables, más difícil de romper, más viscoso; actúa como un ácido saturado. ・ Saturados: ningún doble enlace (más viscosos). ・ Oleico: un doble enlace, en la posición 9. ・ Linoleico: dos dobles enlaces, en las posiciones 9 y 12. ・ Linolénico: tres dobles enlaces, en las posiciones, 9, 12 y 15 (menos viscosos). Relación entre fluidez y grado de insaturación: asumiendo que la isomería geométrica del doble enlace es cis, cuantas más insaturaciones tenga en una misma cadena menos viscosa va a ser la sustancia, ya que la cadena del ácido graso se quiebra y quedan huecos en el seno del líquido, por lo que si le aplico una fuerza va a fluir la sustancia. En mamíferos: cadenas de 12-24 C, no ramificados, saturados e insaturado, número par de C. En otras especies: cadenas más largas (36 C) o más cortas (4 C), ramificaciones con grupos metilo, saturados e insaturados, anillos ciclopropano. Los lípidos que exhiben un grado limitado de desorden estructural y tienen una forma molecular promedio que se aproxima a una simetría cilíndrica pueden ensamblarse apropiadamente en una bicapa lipídica. Analizando el largo de la cadena, cuanto mayor sea el largo, mayor será su compactación ya que habrá una mayor intensidad de fuerzas intermoleculares. Las cadenas hidrocarbonadas de ácidos grasos saturados se disponen preferentemente extendidas, formando un conjunto que le confiere rigidez a la membrana y son estabilizados por interacciones hidrofóbicas. Cuando la temperatura aumenta, se provee al sistema una determinada cantidad de energía térmica que puede producir rotaciones en los enlaces carbono-carbono, generando conformaciones no extendidas, lo que altera el empaquetamiento de las cadenas y en consecuencia aumenta la fluidez.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta Además, la fluidez también aumenta cuanto más elevada es la porción de ácidos grasos insaturados, ya que en cada doble enlace la cadena se ramifica en cis, originando una desviación en su alineamiento vertical, y la aproximación a una simetría cilíndrica disminuye, disminuyendo la compactación y la intensidad de fuerzas intermoleculares, generando empaquetamientos menos estables. Para mantener el estado de fluidez funcional a pesar de la variación de la temperatura, la membrana sufre cambios físico-químicos para restablecer las condiciones normales; al aumentar T, aumenta la proporción de ácidos saturados y disminuye la proporción de ácidos insaturados. Triglicéridos y ceras Triglicéridos : se forman por esterificación de una molécula de glicerol con tres ácidos grasos (pueden ser de largos diferentes, estar en posiciones distintas, ser saturados o insaturados). Son moléculas apolares, hidrofóbicas, prácticamente insolubles en agua. Los Iípidos tienen densidades menores que el agua, lo que explica por qué las mezclas de agua y aceite tienen dos fases. La región apolar, no es cargada, son ester. En agua es muy insoluble, forma una fase separada, por lo que no se encuentran hidratados (generando que sean más livianos que otras moléculas). Todos los procesos de obtención de energía implican procesos oxidativos, es decir tomar moléculas orgánicas y oxidarlas, esa oxidación permite obtener la energía química almacenada de las moléculas. Cuánto más reducida está la molécula de partida, más energía se puede obtener. Los triglicéridos cumplen la función de aislamiento e impermeabilización, además del almacenaje de energía. Comparación lípidos-polisacáridos: los lípidos tienen mucha eficiencia en almacenar energía, más del doble que la del almidón, ya que tienen una mayor proporción de átomos de carbono que están reducidos en comparación con los glúcidos. Son más livianos que el almidón ya que no se hidratan y en el almidón dos tercios de su peso es agua. En eucariotas: adipocitos, células de vertebrados que almacenan triglicéridos en vacuolas, y contienen lipasas que hidrolizan las uniones éster liberando ácido graso que son exportados a otros lugares donde se requieren como combustible. En procariotas: micro gotas de aceite. Ceras : producto de la unión de un ácido graso de cadena larga con un alcohol de cadena larga, el cual puede estar insaturado. Son muy apolares y de baja solubilidad, y tienen mayor p.f que los triglicéridos. Ej. El cabello. Los oídos. Las abejas. Son útiles para almacenar energía, y funcionan como impermeabilizante (ej. muchas plantas secretan cera para evitar la pérdida de humedad en sus hojas) y lubricante (tienen muchos usos en las industrias farmacéutica y cosmética). Componentes de las biomembranas La diversidad de lípidos de membranas es extensa, sin embargo todos son anfipáticos, es decir, contienen una parte hidrofílica (cabeza polar) y otra hidrofóbica (cola apolar). Glicerofosfolípidos : condensación del glicerol con dos ácidos grasos (por lo general una cadena saturada y la otra insaturada, de distintos largos), y un grupo fosfato, generalmente sustituido por una molécula polar (como aminoalcoholes o inositol). Todos quedan con una carga neta negativa. Abundan en todas las membranas biológicas. Esfingolípidos: condensación de esfingosina y un ácido graso insaturado, unidos mediante un enlace amida. El grupo alcohol que queda libre: Ceramida: sin modificación. Esfingomielina: un fosfato unido a un aminoalcohol. Es el único fosfolípido de las membranas que no deriva del glicerol. En vez de ello, el esqueleto de la esfingomielina es la esfingosina, un aminoalcohol que contiene una cadena hidrocarbonada larga e insaturada.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta irrumpe la red estabilizada del agua, y hace que aumente la estructuración de la misma, esto genera una disminución de la entropía, es desfavorable energéticamente. El efecto hidrofóbico es la autoagregación de moléculas apolares, con el fin de disminuir al mínimo el área apolar expuesta al agua, se produce una separación de fases, el agua se separa del líquido, aumenta la entropía. Surfactantes Son moléculas anfipáticas, que en presencia de una interfase agua-aceite, se acomodan en la interfase con la región apolar orientada hacia el aceite, y la región polar hacia el agua. Esto provoca una disminución en la tensión superficial de la interfase, y aumenta la superficie de contacto, y la miscibilidad entre las dos fases, lo que permite una emulsificación de las fases. Puede ser cualquier molécula con actividad interfacial: detergentes, lípidos, proteínas, polímeros, nanopartículas (porosas, con un alto grado de estructuración). Tiene muchas aplicaciones industriales:
- Alimentos: emulsiones tradicionales (mayonesa, cremas, manteca) y nuevos avances en la tecnología alimentaria (solubilización de micronutrientes, mayor estabilidad de emulsiones).
- Petróleo: extracción y solubilización de hidrocarburo bajo tierra.
- Cosmética
- Insecticidas: para emulsionarlos, y estabilizar aerosoles dado que pueden ser muy apolares. Estructuras lipídicas La formación de membranas es la consecuencia de la naturaleza anfipática las moléculas. Las moléculas anfipáticas cuando están en presencia del agua se organizan en distintas estructuras, que les permite esconder la región hidrofóbica del agua y quedar estabilizadas por la región polar. Bicapa : es una membrana delgada formada por dos capas de moléculas de lípidos. Son láminas planas que forman una barrera continua y delimitan las células. Es la barrera que mantiene a iones, proteínas y otras moléculas compartimentadas, e impide su libre difusión. Las colas hidrocarbonadas de cada capa individual interaccionan una con otra, formando un interior hidrofóbico que actúa como barrera de permeabilidad. Las fuerzas de Van der Waals que favorecen el empaquetamiento compacto de las colas hidrocarbonadas. Los grupos de las cabezas polares interaccionan con los medios acuosos, de cada lado de la bicapa. Es la estructura más favorable en medios acuoso. La formación de bicapas es un proceso rápido y espontáneo en agua. Las interacciones hidrofóbicas son las principales fuerzas que determinan la formación de bicapas. Su estructura se mantienen debido interacciones no covalentes que se refuerzan, son cooperativas, que traen consecuencias: tendencia inherente a ser extensas, tenderán a cerrarse sobre sí mismas de forma que no existen bordes con cadenas hidrocarbonadas expuestas, son autosellantes, un agujero es energéticamente desfavorable. Micelas : son globulares, tiene una estructura esférica con una sola capa lipídica, con las cadenas apolares hacia el interior y las cabezas polares hacia el exterior. Tienen un corazón hidrofóbico donde pueden solubilizar moléculas apolares y transportarlas. Se obtienen a partir de lípidos con determinadas estructuras. Favorecida por lípidos con de estructura cónica. Liposomas : o vesículas. Son estructuras cerradas de las bicapas, en forma esférica, tanto el interior como el exterior, son acuosos. Se pueden sintetizar a partir de lípidos naturales o sintéticos. Pueden estar formadas por un solo tipo de lípidos o por varios. Las naturales están formadas por mezclas de lípidos. Favorecida por lípidos de estructura cilíndrica.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta Fase micelar invertida : se esconde la cabeza polar y se exponen las cadenas hidrocarbonadas, se forman fases micelares donde en el interior hay fase acuosa, y en el exterior hay una fase orgánica apolar. Favorecida por lípidos de estructura cónica invertida. Parámetro crítico La estructura lipídica se define a través un parámetro crítico de empaquetamiento que es el cociente entre el volumen del lípido o la molécula anfipática, y el largo de la cadena hidrocarbonada, por el área de la cabeza polar (distancias en la estructura entre cabeza polares).
P =¿
V
A × l
・ Los lípidos cilíndricos dan bicapas. Su parámetro es cercano a uno. ・ Los lípidos cónicos dan micelas. Su parámetro crítico es menor a ⅓. ・ Los lípidos cónicos invertidos (el área de la cadena es mayor que la de la cabeza) dan fase micelar invertida. Su parámetro crítico es mayor a uno. Los surfactante tienen una sola cadena carbonada y una cabeza muy grande ese tipo de moléculas suelen formar micelas, no bicapas. Los fosfolípidos pueden adoptar formas cilíndricas, pero en el caso de presentar insaturaciones provoca que se expandan la zona de las cadenas hidrocarbonada adquiriendo una conformación con un parámetro crítico que se desvía de uno, será menor a uno cuando el cono es directo, y mayor a uno cuando el cono es invertido. Parámetros La temperatura cambia el grado de compactación de la cadena, un aumento de la temperatura produce mayor movilidad por lo que se separan más y altera la geometría cilíndrica. El pH puede producir un cambio en la ionización de algún residuo de la cabeza, ej. dando carga neta, o aumentando el área. La acción de las enzimas que degradan lípidos, entre ellas la fosfolipasa, rompe el enlace éster produciendo dos estructuras separadas. Estas dos estructuras separadas pueden ensamblarse de manera diferente. Se forma ácido graso y un lisofosfolípido, es decir, un fosfolípido con un solo ácido graso que presenta una estructura cónica.
Biomembranas
Las membranas biológicas son estructuras supramoleculares, en su estructuración intervienen distintas macromoléculas (lípidos, proteínas, glicoproteínas y glicolípidos). Se ha propuesto un modelo de mosaico fluido para explicar la organización fundamental de las membranas biológicas. Modelo del mosaico fluido Este modelo intenta explicar la estructura de las membranas biológicas teniendo en cuenta cuatro características principales:
- Complejidad y diversidad de estructuras.
- Fluidez , hay una dinámica de movilidad de moléculas que la forman.
- Asimétrica , en su estructura y funciones, la hemicapa externa es diferente en composición a la hemicapa interna.
- Semipermeable , permite la difusión a través de ella de ciertas moléculas y restringe el ingreso y egreso de moléculas de interés. Complejidad Una de las formas de observar la composición de la membrana plasmática es comparándola con las de distintos organismos y de distintas células, se analizan los componentes por peso y en función de ello se establecen los porcentajes de cada una de estas moléculas. Ej. la mielina, que se enrolla en los axones de los nervios provocando así la característica de aislamiento necesaria para estas células, presenta una alta cantidad de fosfolípidos.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta Semipermeabilidad Dada la naturaleza hidrofóbica del interior de la membrana el paso de algunas moléculas está restringido, y de otras no. Los gases y moléculas pequeñas, tienen difusión libre. Otras como el agua y la urea, tienen difusión restringida, pueden atravesar la membrana pero con una cinética lenta. El pasaje de agua está favorecida por altas concentraciones de la misma. Las moléculas grandes polares sin carga, tienen difusión impedida, es impermeable a ellas. Cuando se colocan soluciones de distinta concentración, separadas por una membrana semipermeable (membrana que deja pasar las moléculas de disolvente pero no las de los solutos), las moléculas de disolvente, pasan habitualmente desde la solución con menor concentración de solutos a la de mayor concentración. Este fenómeno se denomina ósmosis es causado por la presión osmótica, a consecuencia de la diferencia de concentraciones. La presión osmótica (π) es una propiedad coligativa de las soluciones ideales, es decir que depende del número de partículas de soluto y no de su naturaleza química. Puede calcularse para una solución frente al solvente puro con la siguiente ecuación:
π = RTC
donde C en la concentración de partículas osmóticamente activas, llamada Osmolaridad (osM). Ej. la osmolaridad de una solución de glucosa 1 mM es 1 mosM, mientras que la de una solución de NaCl 1 mM, es 2 mosM, correspondientes a 1 mM de Na+ y 1 mM de Cl- asumiendo comportamiento ideal.
Transporte en Membranas Biológicas
Cuando se agrega un soluto a un solvente, las partículas del soluto tienden a dispersarse en todo el ámbito ocupado por el solvente, este movimiento llamado difusión, se realiza un sitio de mayor a otro de menor soluto, con una velocidad proporcional a la diferencia de concentraciones o gradiente. Si la partícula que difunde posee carga eléctrica, además del gradiente de concentración influye también el gradiente de potencial electroquímico. El transporte en las membranas biológicas está mediado por proteínas intrínsecas de membrana las cuales facilitan el pasaje de moléculas polares, iones o moléculas grandes a través de la misma. Existen dos tipos de transporte: el activo y el pasivo. Las moléculas solubles en la bicapa lipídica se denominan lipofílicas. Estos moléculas se mueven a favor del gradiente de concentración en un proceso denominado difusión facilitada_._ Las moléculas se desplazan espontáneamente de la región de mayor concentración a la de menor concentración. Transporte pasivo o difusión facilitada El pasaje de soluto se hace siempre espontáneamente, a favor de gradiente, sin aporte de energía adicional. El transporte se produce pasando a través de algún canal, que permite expandir la membrana generando poros hidrofílicos. Podemos señalar dos proteínas que facilitan este tipo de transporte: Acuaporinas : transportan principalmente agua. Canales : transportan iones y moléculas, discriminan el soluto por su tamaño y por su carga. La velocidad de transporte es hasta 10^8 partículas por segundo. Permite mediar en la transmisión de señales rápidas (impulsos nerviosos, contracción muscular). Termodinámica La difusión de iones y moléculas sigue las leyes de la termodinámica. Desde el traslado de iones o moléculas a través de la membrana plasmática hasta los motores moleculares dentro de una célula, el movimiento de iones o moléculas requiere ser termodinámicamente espontáneo (∆G<0) o tener una reacción acoplada que provea la energía necesaria para que ocurra, por ejemplo, la hidrólisis de ATP. Una molécula en solución tiende a moverse de una región de alta concentración a una de baja concentración dado que esto produce un cambio favorable de energía libre (∆G < 0). En el caso de una molécula que puede moverse libremente a través de la membrana plasmática sólo se debe considerar la diferencia de concentración a ambos lados de la membrana:
Δ G = RT ln(
Cafuera
Cadentro
Sin embargo, en el caso de los iones (cualquier átomo o molécula con carga) hay otras consideraciones que se deben tener en cuenta. Tanto las células como todas las organelas rodeadas por una membrana (mitocondrias, cloroplastos, lisosomas) se pueden considerar como compartimentos capaces de acumular ciertas moléculas, siendo delimitados por una membrana semipermeable. Las características de permeabilidad de esta membrana dependerán de la composición de la membrana y la
Facultad de Ciencias Exactas. La secta presencia o no de canales y transportadores de iones en ella. De particular importancia es la capacidad que tienen estos compartimientos de acumular (o no) ciertas moléculas cargadas a ambos lados de una membrana y de esta manera crear un potencial de energía a través de la membrana que puede ser utilizado para la realización de trabajo. El potencial al que nos referíamos más arriba está determinado por el potencial eléctrico de membrana (la diferencia de potencial entre el lado de afuera y adentro de la célula (∆V (^) m = Vafuera - Vadentro) y el gradiente de concentración de cada ion. Por convención, se considera que Vafuera =
- La creación del ∆Vm es muy importante para el funcionamiento celular, principalmente en la señalización eléctrica. La energía libre asociada a la transferencia de carga puede expresarse en función del potencial eléctrico ( V) mediante:
Δ G = zF ΔV
donde z es la carga y F es la constante de Faraday. Entonces, el cambio de energía libre (∆G) para transportar una especie cargada depende no sólo de su concentración a ambos lados de la membrana (Cafuera/Cdentro) sino también del potencial eléctrico o ∆Vm, (dado que los iones serán repelidos por las cargas del mismo signo). La suma de los términos de concentraciones y eléctricos se denomina potencial electroquímico. El cambio de energía libre viene entonces dado por:
Δ G = RT ln(
C 2
C 1
)+ zF ΔV
donde z es la carga eléctrica de la especie, ∆Vm es el potencial en voltios a través de la membrana y F es el constante de Faraday (23,062 kcal V-1^ mol-1^ = 96.5 kJ V-1^ mol-1) Transporte activo Cuando el flujo de sustancias se hace en dirección opuesta al gradiente, el ∆G es positivo, y solo puede realizarse si se provee energía, en la mayoría de los casos se acopla la hidrólisis del ATP. Si el proceso consume energía química, como la que se deriva del ATP, se denomina transporte activo primario. Si el proceso hace uso de algún tipo de gradiente, como un gradiente electroquímico, se denomina transporte activo secundario. Transportadores primarios Los más importantes son los ATPasa de tipo P. Ej. NaK-ATPasa, es una proteína transportadora de mayor actividad en los organismos superiores (animales), hidroliza grandes cantidades de ATP para poder sostener una distribución asimétrica de iones Na+^ y K+, en donde en el exterior es mayor la concentración Na+^ y menor la de K+, en el interior al revés. Este gradiente lo mantiene expulsando contragradiente iones Na+^ e ingresando contragradiente iones K+^ a expensas de la hidrólisis del ATP. Una molécula de ATP permite la expulsión o la salida de 3 iones Na+^ y el ingreso de iones K+. Transportadores secundarios o cotransportadores No emplean la hidrólisis de ATP. Tipos de cotransporte: Simporte : las dos moléculas transportadas se mueven en el mismo sentido, por ejemplo las dos se transportan hacia el interior celular. Antiporte : las dos moléculas se mueven en sentido opuesto, una hacia fuera de la célula y otra hacia dentro. Uniporte : mueve la misma molécula en un solo sentido, a favor de gradiente. Ionóforos Envuelven iones, permitiendo difundir libremente de un lado a otro de la membrana para ser liberado el ion en el interior celular. Son mayoritariamente polipéptidos. Son muy relevantes en bacterias. Existen de distinto tamaño, para distintos iones y algunos forman estructuras esféricas mientras que otros forman túneles. Producen un fenómeno denominado difusión pasiva.
