Post on 09-Mar-2016
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LÍPIDOS Y MEMBRANAS Los lípidos abarcan una gran clase de compuestos que incluyen las grasas, (son los triglicéridos) aceites, ceras y compuestos de colesterol, fosfolípidos. Se caracterizan por ser insolubles en agua. Desde el punto de vista químico las grasas son ácidos grasos, la mayoría en forma de triglicéridos y ácidos grasos libres. En nutrición también se incluyen los fosfolípidos y los glucolípidos, los esteroles, como el colesterol, y los lípidos sintéticos, que incluyen a los triglicéridos de cadena media. Los lípidos llevan a cabo múltiples funciones. Algunas de ellas, las grasas se utilizan para el almacenamiento de energía y el aislamiento térmico. Sin embargo la mayor parte de los lípidos en la mayor parte de las células se emplea para formar membranas. Algunos lípidos actúan como vitaminas y otros como hormonas (esteroides) Estructura molecular y comportamiento de los lípidos Los lípidos no son polímeros, son moléculas bastante pequeñas comparándolas con proteínas, ácidos nucleicos o carbohidratos complejos. Los lípidos se caracterizan por este tipo de estructura, Una cabeza polar y una cola apolar que permiten la formación de micelas debido a un efecto hidrofóbico y uno hidrofílico que son la base de la estructura de las membranas.
Ácidos grasos. Los lípidos más sencillos son los ácidos grasos, que son componentes de muchos lípidos más complejos
Muchos de los ácidos grasos que existen en la naturaleza están insaturados, ya que contienen uno o más dobles enlaces, en la tabla se muestran algunos de los ácidos grasos de importancia biológica.
• Saturados. Esto significa que todos los carbonos de su estructura están totalmente saturados con hidrógenos.
• Insaturados. 2 o más de sus carbonos formas dobles enlaces, por lo que
no están saturados por hidrógenos.
Dentro de los ácidos grasos insaturados existen los mono-insaturados como el ácido oleico, y poli-insaturados, la diferencia es el número de dobles enlaces entre carbonos que contienen, los mono-insaturados tienen un solo doble enlace, mientras que los poli-insaturados tienen 2 o más. Grasas polinsaturadas. Debido a que las grasas poliinsaturadas o ácidos grasas poliinsaturados, tienen en su estructura dobles en laces, las moléculas de estos no son lineales como las de las grasas saturadas, por lo tanto no se agrupan fácilmente y permanece fluidas a temperatura ambiente, e incluso en refrigeración. Dentro de las grasas poli-insaturadas existen 2 tipos, según la posición del par de hidrógenos que se encuentran unidos a los carbonos del doble enlace.
• Las tipo “cis”, son aquellas en la que el par de hidrógenos se encuentran del mismo lado de la cadena.
• Las tipo “trans”, son aquellas en la que el par hidrógenos están en lados
opuestos de la cadena.
Otras diferencias entre estos 2 tipos de grasa es que las tipo “cis” son producidas de manera natural por plantas y animales, mientras que las tipo “trans” son producidas de manera artificial a partir de las “cis” (margarinas) utilizando hidrógeno burbujeante. Las “cis” son aceites, mientras que las “trans” son sólidas (margarinas), el hecho que las “trans” sean sólidos a temperatura ambiente se debe que se cadena es lineal y se pueden agrupar. Aceites omega. Si una grasa insaturada es una omega-3, Ω-6, y Ω-9 depende de la ubicación de la primer curva o doble unión. El extremo ácido de una molécula (COOH) es llamado alfa y el opuesto es el omega. La primer doble unión curva en una grasa omega -3 ocurre entre el tercer y cuarto átomo de carbono desde el extremo omega. Para las omega-6, entre el sexto y séptimo. Para las omega-9, entre el noveno y el décimo. El ácido oleico es un ácido graso omega-9. El siguiente diagrama simplificado muestra la estructura típica del omega 3 y 6.
ACIDOS GRASOS CON FUNCIÓN BIOLÓGICA
No.
C
NOMBRE
COMÚN
NOMBRE
SISTEMÁTICO
SÍM-
BOLO
ESTRUCTURA
12 Laurico dodecanoico 12:0 CH3(CH2)10COOH
14 Mirístico Tetradecanoico 14:0 CH3(CH2)12COOH
16 Palmítico Hexadecanoico 16:0 CH3(CH2)14COOH
18 Esteárico Octadecanoico 18:0 CH3(CH2)16COOH
20 Araquidónico Eicosanoico 20:0 CH3(CH2)18COOH
22 Behenico Docosanoico 22:0 CH3(CH2)20COOH
24 Lignocérico Tetracosanoico 24:0 CH3(CH2)22COOH
16 Palmitoléico 9-Hexadecenoico 16:1 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
18 Oleico 9-Octadecenoico 18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
18 Linoleico 9,12- omega 6
Octadeca-dienoico
18:2 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH
18 α Linolenico 9,12,15- Omega 3
octadecatrienoico
18:3 CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH
Esencial
18 γ Linolenico 6,9,12- omega 6
Octadeca-trienoico
18:3 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)3(CH2)3COOH Esencial
20 Araquidónico 5,8,11,14-
Eicosatetraenoico
20:4 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH
24 Nervónico 15-Tetracosenoico 24:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)13COOH
Triacilgliceroles: Grasas. Las cadenas largas hidrocarbonadas de los ácidos grasos son extraordinariamente eficaces para guardar energía, ya que contienen C totalmente reducido, por tal motivo son usados para almacenar energía, el almacenamiento de ácidos grasos en los animales se realiza mediante los triglicéridos cuya forma es la siguiente.
El almacenamiento de grasas en los animales tiene tres funciones:
• Producción de energía (ATP) al oxidarse en mitocondria por β-oxidación
• Producción de calor por algunas células especializadas “grasa parda” mediante la termogenina producen calor
• Aislamiento. En los animales que viven en un entorno frío la grasa actúa como aislante.
Ceras En las ceras naturales un ácido graso de cadena larga se esterifica con un alcohol de cadena larga para dar un grupo de cabeza débilmente hidrófilo, debido a ello éstas son insolubles en agua y de hecho son repelentes a ella. Se encuentran en la superficie de plantas y animales como repelentes al agua. La lanolina no es un compuesto puro, sino una mezcla compleja de colesterol más ésteres de varios tipos de ácido grasos, Está compuesta principalmente por colesterol y esteres de varios ácidos grasos, varios alcoholes que se eliminan para producir la lanolina de grado medicinal. Componentes lipídicos de las membranas biológicas Todas las membranas biológicas contienen lípidos como componentes principales, las principales moléculas que forman las membranas son estructuras con una cabeza polar y colas apolares. Las cuatro clases principales de lípidos
que forman las membranas son: glicerofosfolípidos, esfingolípidos, glucoesfingolípidos, glucoglicerolípidos. Glicerofosfolípidos Llamados también fosfoglicéridos son la principal clase de fosfolípidos presentes en la naturaleza. Estos lípidos constituyen las membranas del reino bacteriano, vegetal y animal, todos pueden considerarse derivados del glicerol 3 fosfato el miembro más sencillo del grupo es el ácido fosfatídico que es el precursor de otros glicerofosfolípidos. Su estructura se muestra en la figura.
H
Los glicerofosfolípidos que derivan del ácido fosfatídico son: fosfatidil etanolamina, fosfatidil colina, fosfatidil serina y fosfatidil inositol.
Fosfolípidos éteres. Los lípidos éteres contienen un grupo alquilo en lugar de un grupo acilo, ligado a uno de los átomos de oxígeno del glicerol. Los fosfolípidos alquilo y alquenilo están muy extendidos y su abundancia en los tejidos varía abundantemente. Los plasmalógenos o éteres de vinilo son
fosfolípidod que contienen un éter alquenilo en la posición del C 1 del glicerol. La biosíntesis de los lípidos éteres se lleva a cabo en los peroxisomas los cuales también llevan a cabo una ruta de β- oxidación.
Esfingolípidos. Una clase importante de componentes de la membrana es la de las sustancias formadas con el aminoalcohol de cadena larga esfingosina (Ac. Palmítico y serina), si un ácido graso está unido mediante un enlace amida al grupo NH2 se obtiene una ceramida. La ceramida unida a un azúcar da orígen a los cerebrósidos y con más de un azúcar se forman los gangliósidos.
Colesterol Es un componente lipídico de muchas membranas pertenece a un grupo de sustancias denominadas esteroides que incluyen diversas hormonas importantes. El colesterol es una sustancia débilmente anfipática debido al grupo hidroxilo, sin embargo el colesterol presente en las membranas ha adquirido un carácter más hidrófobo a causa de la esterificación del grupo oxhidrilo con un ácido graso. Estructura y propiedades de las membranas y de las proteínas de las membranas
Membranas celulares y subcelulares. Todas las células son básicamente muy semejantes. Todas tienen DNA como material genético, desempeñan los mismos tipos de reacciones químicas y están rodeadas por una membrana celular externa que se ajusta al mismo plan general, tanto en las células procarióticas como en las eucarióticas. Las membranas están generalmente rodeadas por un medio acuoso, lo que hace que las moléculas de fosfolípidos se dispongan formando una bicapa. De acuerdo con el modelo del mosaico fluido, las membranas celulares, estructuras fluidas y dinámicas, se forman a partir de estas bicapas de fosfolípidos, en las cuales están embutidas moléculas de proteínas y de colesterol. Las moléculas de lípidos y proteínas pueden, en general, desplazarse lateralmente por la bicapa. La disposición de los fosfolípidos en una bicapa en solución acuosa se debe a su particular estructura química. Las moléculas de colesterol se encuentran insertas entre las colas hidrofóbicas. Las proteínas embutidas en la bicapa se conocen como proteínas integrales de membrana. Sobre la cara citoplasmática de la membrana, las proteínas periféricas de membrana se encuentran unidas a algunas de las proteínas integrales. Las moléculas de proteína embutidas, que típicamente atraviesan la membrana, se conocen como proteínas integrales de membrana. Diferentes proteínas integrales desempeñan funciones diferentes; algunas son enzimas, otras son receptores y otras son proteínas de transporte. Las dos caras de la membrana difieren en composición química. Las dos capas generalmente tienen concentraciones diferentes de distintos tipos de moléculas lipídicas.
La mayoría de las proteínas integrales presentan una de dos configuraciones básicas:
a. una hélice alfa y b. una estructura globular
terciaria, formada por segmentos repetidos de hélice alfa que se disponen en zig-zag a través de la membrana.
Los segmentos helicoidales están unidos por segmentos hidrofílicos irregulares de la cadena polipeptídica, que se extienden a cada lado de la membrana.
La mayoría de las membranas tiene aproximadamente 40% de lípidos y 60% de proteínas, aunque existe una variación considerable. Las proteínas, extremadamente diversas en su estructura, desempeñan una variedad de actividades y son las responsables de la mayoría de las funciones esenciales que cumplen las membranas biológicas. Algunas proteínas son enzimas y regulan reacciones químicas particulares; otras son receptores, implicados en el reconocimiento y unión de moléculas señalizadoras, tales como las hormonas; y aun otras son proteínas de transporte, que desempeñan papeles críticos en el movimiento de sustancias a través de la membrana.
Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que las células vegetales están rodeadas por una pared celular. La pared se encuentra por fuera de la membrana y es construida por la célula.
Transporte a través de la membrana Cuando una membrana permite la difusión de solutos o de disolvente a su través, separa dos compartimentos con concentraciones distintas de soluto; la segunda ley de la termodinámica exige que se produzca difusión encaminada a lograr el equilibrio termodinámico. El signo del cambio de energía libre de un proceso nos indica si éste o su inverso son favorables termodinámicamente. La magnitud de ∆G nos indica hasta qué punto el proceso está alejado del equilibrio y la cantidad de trabajo útil que puede obtenerse de él. Para determinar la relación de energía libre con las concentraciones de los componentes de una mezcla se tiene. Si tenemos una mezcla que contiene a moles del componente A y b moles del componente B podemos escribir:
Las magnitudes BA GG , se denominan energías libres molares parciales o potenciales químicos de los diversos componentes. Suponiendo que tenemos dos disoluciones de la sustancia A separadas de una membrana a través de la cual puede pasar.
Como estamos extrayendo sustancia del compartimento 1 al 2 tenemos: Como estamos adicionando sustancia al compartimiento 2 tenemos: Como ∆G tiene propiedades aditivas tenemos que:
......+++= CBA CcGbGaG
[ ]Aln RT º += AA GG
[ ]Bln RT º += BB GG
[ ]11 Aln RT º −−=∆ AGG
[ ]22 Aln RT º ++=∆ AGG
2 1 GGG ∆+∆=∆
( )[ ] ( )[ ]21 ARTLnAGº lnº ++−−=∆ ARTAGG
( ) ( )[ ] ARTLnAGºlnº 21 ++−−=∆ ARTAGG
( ) ( )[ ] ARTLn 21 +−=∆ ARTLnG
O también:
En las membranas biológicas se describen tres tipos de transporte: transporte pasivo, transporte facilitado y transporte activo.
Transporte pasivo
El soluto difunde a través de la membrana o de sus poros sin consumir energía.
La difusión pasiva tiene lugar a favor de un gradiente de concentración y es
proporcional a él. El agua, sustancias liposolubles (alcohol, éter), moléculas
pequeñas (urea, CO2, pentosas) y muchos iones, suelen atravesar las
membranas por difusión pasiva.
FIGURA 5.1
Transporte facilitado
Implica la participación directa de una o más proteínas de transporte
localizadas en la membrana. También tiene lugar a favor de un gradiente de
concentración, pero es susceptible de saturación. La cinética suele ser
Michaeliana
( ) ( )[ ] ALn RT 12 −=∆ ALnG
RT 1
2
=∆
AALnG
RT 1
2
=∆
CCLnG
Kt = constante de transporte, es aquella concentración en el medio 1 (C1) que
permite una velocidad de difusión mitad de la máxima, suponiendo a C2
despreciable frente a C1.
FIGURA 5.2
La difusión intestinal de la fructosa se considera un caso de difusión facilitada.
Transporte activo
Tiene lugar en contra de un gradiente de concentración; requiere de una
proteína transportadora y de consumo de energía, por ejemplo ATP, o se
acopla a la disipación de un gradiente iónico favorable.
K + C
C • V = Vt1
1máxdifusión
FIGURA 5.3
El transporte de iones (Na+, K+, Ca++, Cl-) contra un gradiente de concentración
se realiza mediante bombas específicas que realizan un transporte activo
consumiendo ATP.
Como se muestra en la figura 5.3, el transporte activo de glucosa y
galactosa se realiza acopla-do a la difusión de Na+, cuyo gradiente favorable se
disipa (simporte).
Na+/K+ - ATPasa
Muchas funciones esenciales de las células están basadas en el transporte
dependiente del ATP. La proteína membránica encargada de esta función se
llama (ATPasa). Se llama así porque el transporte activo va acompañado de
hidrólisis de ATP. La mayoría de las células mantienen en su interior una
concentración alta de K+ y una baja de Na+ para lo cual introducen K+ y sacan
Na+ Como las concentraciones plasmáticas de K+ y Na+ son, respectivamente,
menor y mayor que las concentraciones cito-plasmáticas, ambos movimientos
de iones ocurren en contra de gradientes de concentración y requieren de energía.
Se calcula que un 25% del gasto total de energía en el cuerpo está destinado a este
fin.
FIGURA 5.4
Se conocen otras bombas como la Ca++/Mg++ - ATPasa presente en varias
células, pero con máxima actividad en el retículo sarcoplásmico del músculo
esquelético. Una K+/H+ - ATPasa, presente en la membrana plasmática de
células de la mucosa gástrica. Una HCO3-/Cl- - ATPasa, presente en diversas
células.
Transporte de glucosa y aminoácidos
La bomba de Na+/K+ dependiente del ATP mantiene un gradiente de Na+ a
través de la membrana celular, de tal modo que siempre la concentración
externa de Na+ es mucho mayor que la interna. El gradiente de Na+ dirigido
hacia el interior así originado sirve como fuerza directriz para empujar a la
glucosa hacia el interior de la célula. Este bombeo se lleva a cabo por la unión
del Na+ y la glucosa al mismo transportador. Los aminoácidos también parecen
ser transportados activamente al interior de las células epiteliales del intestino,
“cabalgando” en un gradiente de iones Na+ generado por la bomba Na+/K+.
FIGURA 5.5
Antiporte. Cuando el transporte de dos moléculas se produce en direcciones opuestas se denomina antiporte
Potenciales de membrana
Las células no son eléctricamente
neutras respecto a su entorno. En
todas ellas existe una diferencia de potencial entre caras interna y externa de
su membrana citoplasmática. Esta diferencia de potencial se llama potencial de reposo; se debe a la situación estacionaria provocada por dos fenómenos
fisicoquímicos: la difusión pasiva de iones y el transporte activo producido
por la bomba de Na+. Este potencial en reposo tiene un valor aproximado de -
50 a -70 mV, negativo en el interior de la célula. Para explicar el potencial de
reposo, suponemos que la bomba de Na+ expulsa Na+ al exterior y que la
difusión pasiva para el Na+ es limitada.
La difusión de Cl- hacia el interior, suponiendo que la membrana es
permeable para éste, es regulada por la polarización de la membrana debida a
la expulsión de Na+, llegando a un estado estacionario.
FIGURA 5.6
Para introducir iones negativos a la célula habrá que realizar un trabajo
eléctrico para vencer una diferencia de potencial desfavorable.
La diferencia de potencial entre dos puntos se define como el trabajo
necesario para transportar la unidad de carga q de uno a otro lado.
∆V = Wq
En donde
∆V = diferencia de potencial W = trabajo q = carga
Despejando W
W = ∆V · q
Si
q = ZF
en donde
Z = carga del Ion F = carga de1 mol de e- = (6.023 x 1023 · 1.6 x 10-19 coul) = 96500 coul/mol·V = 23.04 kcal/V Se tiene:
W = ∆V · ZF
La variación de energía libre al entrar iones negativos en la célula se obtiene
sumando el trabajo osmó-tico producido por la diferencia de concentraciones y
el trabajo eléctrico derivado de vencer una diferencia de potencial.
ZFV + ]e []i [ln RT =G ∆∆
Despejando ∆V tenemos: 1
C2ln ]e ZF[]i RT [ - = V
1C∆
Los potenciales eléctricos condicionan muchos fenómenos biológicos:
• Los potenciales de membrana son la causa de los impulsos nerviosos
• Las percepciones sensoriales
• Desencadenan la contracción muscular
• Los potenciales de óxido-reducción rigen los equilibrios electroquímicos y la
transferencia de electrones entre diversos metabolitos (fosforilación oxidativa
y fotosíntesis)
Antibióticos transportadores
Algunos microorganismos sintetizan compuestos que hacen a las membranas
más permeables a ciertos iones. Estas pequeñas moléculas se denominan
antibióticos transportadores. Por ejemplo, la valinomicina es un péptido
cíclico que hace a la membrana permeable al K+. Interfiere con la fosforilación
oxidativa en las mitocondrias, ya que al permitir el paso del K+ a la matriz
mitocondrial termina con el gradiente electroquímico impidiendo así la
biosíntesis del ATP.
La gramicidina A es otro antibiótico transportador que forma un conducto
que atraviesa la membrana por el cual entran iones. Al igual que la
valinomicina, la gramicidina es un desacoplante de la fosforilación oxidativa
porque permite el paso de iones.
Valinomicina Gramicidina A Potenciales de acción y neurotransmisión. Las células nerviosas
responsables de la conducción de los impulsos (neuronas) tienen unas
extensiones filamentosas denominadas dendritas y axones que actúan como
cables del sistema nervioso. Deben conducir impulsos sin una perdida
signifi9cativa de señal pero con la rapidez suficiente de permitir reaccionar con
agilidad.
La conducción nerviosa se realiza, no por un flujo de
electrones, como en los cables, sino mediante ondas
de potencial eléctrico de membrana en la superficie
del axón. Cuando una onda de potencial pasa por un
punto de un axón o de una dendrita el potencial de
reposo (-0.050V a –0.070V) se modifica
momentáneamente a un potencial de acción (+0.050V
a +0.070V) en movimiento que constituye el impulso y
se dice que la membrana se ha despolarizado.
Potencial de reposo de una célula. El potencial de
reposo de una célula se calcula con la ecuación de
Goldman.
[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] Cl
-Na
Cl-
KNa
P x Cl K P x Na P x e ClP x KP x Na
log2.303 x F
RTiexPe
iiV
K ++
++−=∆ ++
++
CoulJoulF
RT /061.096500
61.5925mol96500Coul/
Kx2.303Kmolx310º8.3Joul/º- 2.303 x
===
0.061 2.303 x
=F
RT Joul/Coul= Volt
[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] Cl
-Na
Cl-
KNa
P x Cl x K P x Na P x e ClP x KP x Na
log 061.0iPee
iiV
K ++
++−=∆ ++
++
En donde PNa = 0.04 PK = 1.0 y PCl = 0.45 son las
permeabilidades relativas.
Los potenciales en reposo de una célula varían de –
0.050V a –0.070 V.
Si calculamos el potencial en reposo de acuerdo a las concentraciones de los
iones en los axones gigantes de un calamar, usando la ecuación de Goldman
tenemos:
[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] Cl
-Na
Cl-
KNa
P x Cl x K P x Na P x e ClP x KP x Na
log 061.0iPee
iiV
K ++
++−=∆ ++
++
[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] 0.45 x 50 1 x 20 0.04 x 440
0.45 x e 5601 x 4000.04 x 50log 061.0iee
iiV++
++−=∆
88.101.60
65422.520 17.6
252 400 2log 061.0 ==++
++−=∆V
0.063- 88.10log 061.0 =−=∆V V
Durante un impulso nervioso entra Na al axón y sale K provocando un cambio
en el potencial a +0.076 o +0.05 lo que se conoce como despolarización de la
membrana.
Calcular el potencial de membrana cuando entra Na y sale K (dejará de entrar
Na y salir K cuando la ∆G = 0 )
Si ∆G = 0 despejamos de la siguiente ecuación ∆V
ZFV + ]e []i [ln RT =G ∆∆
Despejando ∆V tenemos:
[ ][ ]1
2
ZFRT- LnV =∆
Concentración 2 es a donde va el ión y concentración 1 es donde está el ión.
Sale K [ ][ ]1
2
ZFRT- LnV =∆
[ ][ ]1
2
400200.061log- =∆V
1.30- x 0.061- =∆V
V 0.079 +=∆V
Entra Na [ ][ ]1
2
ZFRT- LnV =∆
[ ][ ]1
2
44050log0.061- =∆V
0.94-0.061x - =∆V
0.057 +=∆V
Transmisión de un impulso nervioso a través de una sinapsis colinérgica.
En la hendidura sináptica se encuentran iones de Ca que entran al axón y
producen la liberación de Acetilcolina la cual hace que los receptores de
acetilcolina se abran y entre sodio a la dendrita de otra célula nerviosa y salga
potasio de ella lo que produce una despolarización de la célula nerviosa que
viaja por el axón hasta la siguiente dendrita como se muestra en el esquema
anterior. Al salir el k a la hendidura sináptica el Ca vuelve al axón para iniciar
otro ciclo.