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.