4. MEMBRANAS BIOLOGICAS Temas: 4.1.Clasificación, estructura y propiedades de los lípidos 4.2.Estructura de las membranas biológicas 4.3.Transporte a través de las membranas biológicas

Profesor: JAVIER SAEZ VALERO (j.saez@umh.es)

TEMA 4.1.Clasificación, estructura y propiedades de los lípidos 1.- Lípidos: 1.1.- Propiedades y Funciones de los lípidos. 1.2.- Clasificación de los lípidos. 1.2.1.- Lípidos simples 1.2.2.- Lípidos complejos 1.2.3.- Lípidos Isoprenoides o insaponificables 1.3.- Unidades básicas: ácidos grasos y alcoholes. 1.4.- Esteres de ácidos grasos: Acilglicéridos. 1.5.- Derivados de ácidos grasos. 1.6.- Lípidos complejos. 1.6.1.- Glicero-fosfolípidos y esfingo-fosfolípidos 1.6.2.- Glicolípidos 1.6.3.- Lípidos conjugados: lipoproteínas y lipopolisacáridos 1.7.- Lípidos isoiprenoides o insaponificables. 1.7.1.- Terpenos 1.7.2.- Esteroides 1.8. Técnicas para el estudio de los Lípidos

-Los lípidos son un grupo de biomoléculas orgánicas químicamente heterogéneo. Solo poseen en común una característica doble: Son i) insolubles en agua y ii) solubles en disolventes orgánicos (éter, cloroformo, benceno, etc.) -Los lípidos desempeñan, atendiendo a su heterogeneidad, cuatro tipos de funciones: 1. Función de reserva. Son la principal reserva energética del organismo. Rindiendo más calorías que los azúcares. **Esta función será estudiada más adelante en los temas de metabolismo

2. Función estructural. Son los constituyentes principales de las bicapas lipídicas de las membranas biológicas. También intervienen con función de protección (ceras) o lubricante.

3. Función biocatalizadora. En este papel los lípidos favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas. También cofactores enzimáticos, transportadores electrónicos, pigmentos, anclaje prot. a membrana, chaperonas, mensajeros intracelulares…

4. Función transportadora. El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y a las lipoproteínas.

Propiedades y Funciones de los lípidos

1. - Lípidos Simples A-Unidades básicas no Esterificadas: Acidos grasos y alcoholes grasos. B-Esteres: Grasas neutras o Acilglicéridos. Ceras. C-Derivados de ácidos grasos (Eicosanoides): Prostaglandinas, Tromboxanos y Leucotrienos.

2.- Lípidos Complejos: formados por la unión de unidades básicas y otros elementos

A-Fosfolípidos: llevan un fosfato, un alcohol (glicerina o esfingosina), y 2 ácidos grasos. B-Glucolípidos: llevan unido algun carbohidrato. C-Lípidos conjugados con macromoléculas: Lipoproteínas y Lipopolisacaridos.

3. - Lípidos Isoprenoides o Insaponificables A-Terpenos B-Esteroides C-Otros

Clasificación de los lípidos (clásicamente saponificables (ac grasos)/insaponificables)

Mirístico (C14)

CH3-(CH2)12-COOH

Palmítico (C16)

CH3-(CH2)14-COOH

Esteárico (C18)

CH3-(CH2)16-COOH

Araquídico (C20)

CH3-(CH2)18-COOH

Unidades básicas no esterificadas: ACIDO GRASO

Acidos Grasos SATURADOS

Formado por una larga cadena hidrocarbonada, de número par de átomos de carbono (entre 4 y (24) 36), en cuyo extremo hay un grupo -COOH Cada C se une al siguiente y al precedente por medio de un enlace covalente sencillo

LÍPIDOS SIMPLES

Palmitoleico (∆9 C16:1)

CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH

Oleico (∆9 C18:1)

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH

Linoleico (∆9,12 C18:2)

CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

Linolénico (∆9,12,15 C18:3)

CH3-(CH2-CH=CH)3-(CH2)7-COOH

Araquidónico (∆5,8,11,14 C20:4)

CH3-(CH2)3-(CH2-CH=CH)4-(CH2)3-COOH

Acidos Grasos INSATURADOS

Sus dobles enlaces son de configuración CIS (mínimo 3C separación entre dobles enlaces) y nunca están conjugados CIS cambios de dirección

CIS

Cabeza Polar (hidrofílica)

Cola Apolar (hidrofóbica)

Estructuras de algunos ácidos grasos representativos

Solubilidad: zona hidrófila (carboxilo) y zona lipófila (cadena hidrocarbonada): anfipática +larga cad - +insaturaciones + forman micelas en solución acuosa Tª fusión: función longitud cadena hidrocarbonada y número insaturaciones +larga + +insaturaciones -

PROPIEDADES de los Acidos Grasos

Empaquetamiento de los ácidos grasos depende grado saturación (enlace CIS introduce giro rígido en cola hidrocarbonada)

Ordenamiento casi cristalino estabilizado por interacciones hidrofóbicas

Presencia enlaces CIS interfiere en empaquetamiento: agregados menos estables

PRIMARIOS SECUNDARIOS

unión directa al ácido graso (en acilglicéridos y fosfolípidos)

forman parte de la cabeza polar de los fosfolípidos

Unidades básicas no esterificadas: ALCOHOL GRASO

Esteres de ácido grasos: Triaciglicéridos o grasas neutras

Pueden ser: *Mono- *di- acilgliceridos *tri-

Esteres del glicerol

Triaciglicéridos

Depósitos intracelulares en células eucariotas (gotitas oleosas del citosol) adipocitos *Reserva ventajosa frente al glucógeno En muchos alimentos: *aceites vegetales: con ac grasos insaturados (líquidos a Temp ambiente) *grasas animales: con ac grasos saturados (~sólidos a Temp ambiente)

Aportan Energía almacenada y Aislamiento

Aceite oliva Mantequilla Sebo de buey Líquido sólido blando sólido duro (25ºC)

Reacción de esterificación y saponificación

Reacción típica de los ácidos grasos: la reacción con álcalis generaría una sal de ácido graso: jabón (anfipático)

Esteres de ácido grasos: ceras Esteres de: un ac graso de cadena larga (14-36 C) (saturados e insaturados) + un alcohol monovalente de cadena larga (16-30 C)

Almacenes de Energía y cubiertas impermeables al agua: *Almacenamiento de combustible metabólico: el principal del plancton *Cubiertas impermeables: -En animales: en la superficie del cuerpo, piel, plumas. -En vegetales: en la epidermis de frutos, tallos (junto con la cutícula o la suberina) que evitan la pérdida de agua por evaporación en las plantas y protección a parásitos

Sustancias altamente insolubles en medios acuosos y se presentan sólidas y duras (Temp ambiente)

De aplicación en la industria farmacéutica, cosmética, etc. Lanolina, cera de abeja, otras ceras vegetales como cannauba, aceite de espermaceti, etc.

-Reducen la secreción Gástrica

-Estimula contracción músculo liso del útero durante el parto o menstruación Inductor de aborto durante la gestación ó de parto a término.

-Regulan la coagulación y cierre de heridas la Aspirina inhibe su síntesis, reduce la formación de coágulos.

Prostaglandinas Tromboxanos Leucotrienos -Induce contracción del músculo que recubre las vías aéreas del pulmón. Sobreproducción produce inflamación de vías respiratorias (Asma). Los fármacos anti-asmáticos bloquean los receptores de leucotrienos

En respuesta a ciertas señales hormonales se libera ac araquidónico de lípidos de membrana

Derivados de Acidos Grasos: EICOSANOIDES Prostaglandinas, Tromboxanos y Leucotrienos

(∆5,8,11,14 C20:4)

*NSAIDs: medicamentos anti-inflamatorios no esteroideos (aspirina, ibuprofeno) AINE

Derivados de

Derivados de Acidos Grasos: Prostaglandinas, Tromboxanos y Leucotrienos EICOSANOIDES

Efecto paracrino y tejido específico

Fosfoacilgliceridos o Glicerofosfolípidos compuestos por un glicerol, al que se le unen dos ácidos grasos (1,2-diacilglicerol) y un grupo fosfato

-Son anfipáticos (ácido ortofosfórico: cabeza polar + 1 o 2 ácidos grasos: cola apolar) -Principales formadores de las bicapas lipídicas *dependiendo del alcohol se distinguen: fosfolípidos y esfingolípidos (glicerina) (esfingosina)

Cola no polar: 1 o 2 ácidos grasos esterificados en posiciones 1 y 2 del glicerol (alcohol primario)

Cabeza polar: un alcohol secundario unido a la posición 3 del glicerol mediante enlace fosfodiester

Lípidos complejos: FOSFOLÍPIDOS (Glicerofosfolípidos)

El alcohol secundario, del fostato, da nombre y propiedades específicas al Fosfoacilglicérido

Fosfoacilgliceridos o Glicerofosfolípidos

CERAMIDA

COLINA

Esfingolípidos: FOSFO Esfingolípidos

Base estructural la ceramida: unión de un único ácido graso con el grupo amino del C2 de la esfingosina: enlace tipo amida

Cola no polar: es la ceramida Cabeza polar: es una Colina (alcohol secundario) unida a la posición C1 de esfingosina: enlace fosfodiester

ESFINGOSINA

Ac graso de cadena larga

ESFINGOMIELINA

-Constan de una unidad de CERAMIDA (esfingosina+ácido graso), a la que se une por el carbono C1 de la esfingosina un carbohidrato de complejidad variable, mediante un enlace O-glicosídico de configuración Beta

β

ceramida

Muy abundantes en las membranas (cara externa) del sistema nervioso (CEREBRO) y según el tipo de carbohidrato se clasifican como: *Cerebrósidos: contienen un solo monosacárido, generalmente D-galactosa (o D-glucosa) *Globósidos: contiene un oligosacárido relativamente simple, el más abundante es Lactosa (glucosa+galactosa)

*Gangliósidos: contienen un oligosacárido complejo y ramificado, con enlaces glicosídicos variados, poseyendo una o varias unidades de un azucar ácido (ácido N-acetilneuramínico; ácido siálico)

GLICO Esfingolípidos

Carbono anomérico: C hemiacetálico o carbonílico

Enlace hemiacetálico genera un C asimétrico adicional…

-Constan de una unidad de CERAMIDA (esfingosina+ácido graso), a la que se une por el carbono C1 de la esfingosina un carbohidrato de complejidad variable, mediante un enlace O-glicosídico de configuración Beta

β

ceramida

Muy abundantes en las membranas (cara externa) del sistema nervioso, y según el tipo de carbohidrato se clasifican como: *Cerebrósidos: contienen un solo monosacárido, generalmente D-galactosa (o D-glucosa) *Globósidos: contiene un oligosacárido relativamente simple, el más abundante es Lactosa (glucosa+galactosa)

*Gangliósidos: contienen un oligosacárido complejo y ramificado, con enlaces glicosídicos variados, poseyendo una o varias unidades de un azucar ácido (ácido N-acetilneuramínico; ácido siálico)

GLICO Esfingolípidos

Galactolípidos: Predominan en las cels veg., abundantes en mbrs. tilacoides de cloroplastos 1 o 2 residuos galactosa unidos por enlace glucosídico con el C-3 de 1,2-diacilglicerol

Sulfolípidos: también en membranas cels vegetales Un residuo de glucosa está sulfonado (portador de carga negativa)

GLICO Glicerolípidos

Lipoproteínas asociaciones no covalentes de lípidos y proteínas. Las más importantes son las del plasma sanguineo (quilomicrones, LDL, HDL, etc), que son esenciales en el transporte y metabolismo de lípidos.

Lipopolisacáridos semejantes a gangliosidos, pero más variados en contenido de carbohidratos y lípidos. Suelen formar parte de las membranas celulares y su función suele relacionarse con reconocimiento celular y transducción de señales.

Lípidos complejos: LÍPIDOS CONJUGADOS

También en capa externa de la pared de bacterias Gram negativas

Estructura y Función de los Lípidos SAPONIFICABLES

Simples Complejos

Función: Almacén energía (Tejido adiposo)

Función: Componentes de la membrana celular

*

Además de…Eicosanoides Función: Reguladora

Isopreno ( 2-metil-butadieno)

Derivados del Isopreno, cuyos dobles enlaces conjugados permiten su polimerización (de unidades de isopreno)

Se dividen en Terpenos y Esteroides…

LIPIDOS ISOPRENOIDES (o Insaponificables)

C30

TERPENOS -Son polímeros lineales o cíclicos del isopreno. Cumplen funciones muy variadas, entre los que se pueden citar: *Esencias vegetales como el mentol, el geraniol, limoneno, alcanfor, eucaliptol, vainillina. *Vitaminas, como la vitamina K (cofactor coagulación sanguínea) algunos autores incluyen también Vit. A y E *Pigmentos vegetales, como la carotina y la xantofila

El escualeno, triterpeno (6 unidades de Isopreno), es procesado para generar los ESTEROIDES

Vitamina K1 (filoquinona) en hojas verdes Vitamina K2: por bacterias residentes intestino delgado

5 Familias: 1.- Esteroles. 2.- Familia de la Vitamina D. 3.- Acidos biliares y sus conjugados. 4.- Hormonas suprarenales o corticosteroides. 5.- Hormonas sexuales.

Aun siendo derivados del isopreno, no se deduce fácilmente de su estructura. La complejidad de enlaces da lugar al anillo CICLOPENTANOPERHIDROFENANTRENO

ESTEROIDES

ESTEROIDES: Esteroles

4 anillos hidrocarbonados fusionados, núcleo esteroideo

El más característico es el colesterol: -Anillo heterociclico casi plano (rígido) de 27 C -Grupo OH en C3 en config β (cabeza polar) -Cadena lateral en C17 -Doble enlace ente C5 y C6

• Es la base estructural para la síntesis de otros esteroides (corticoesteroides, Horm sex) • Función estructural: regula rigidez de la membrana plasmática

Cabeza polar

β

-La vitamina D3 (colecalciferol), deriva del 7-dehidrocolesterol (o provitamina D3: intermediario de la ruta de síntesis del colesterol) Se sintetiza en animales (huevos y leche)

-La vitamina D2 (calciferol), es de origen vegetal Deriva del Ergosterol (colesterol vegetal)

Papel en el metabolismo del calcio: desarrollo óseo

ESTEROIDES: Familia Vitamina D (déficit provoca raquitismo)

• 24 carbonos (≠ con colesterol) •Varios grupos OH en C3, C7 ó C12 (en config α)

• Sales Primarias: ácido cólico y quenodeoxicólico. Se sintetizan en hígado y secretan por la vesícula biliar. • Sales Secundarias: ácido deoxicólico y litocólico. Derivan de las primarias por pérdida de algún –OH (acción de bacterias intestinales).

Emulsionan las grasas de la dieta favoreciendo la acción de las enzimas digestivas (lipasas pancreáticas e intestinales) y la absorción intestinal de los lípidos

ESTEROIDES: Sales biliares

α

Cortisol

-Se sintetizan en la Corteza suprarrenal: cortisona, cortisol, etc. • 21 carbonos: cadena lateral corta 2 carbonos • grupo OH ó Cetos en C11 y C17 (config β) • Grupo ceto en C3 • Doble enlace en C4

-Cortisol (o hidrocortisona): con doble función metabólica: *acción glucocorticoide: metabolismo de hidratos de carbono, proteínas y grasas *acción mineralocorticoide: homeostasis del agua y los electrólitos Aumenta la producción de glucógeno en el hígado e inhibe la utilización periférica de glucosa Implicada en el aumento de la presión sanguínea, adaptación al estrés (elevando la concentracion de glucosa, aminoacidos, y lipidos ). Empleo en clínica por efecto anti-inflamatorio

ESTEROIDES: Hormonas esteroideas o Corticosteroides

-Andrógenos u Hormonas masculinas: testosterona sintetizada en los testículos (su forma activa 5-α-dihidrotestosterona) es la responsable de los caracteres sexuales masculinos caracterizada por llevar OH en C3 y en C17 doble enlace en C4 sin poseer cadena lateral en C17

-Estrógenos u Hormonas femeninas: estradiol, sintetizada en los ovarios y responsable del desarrollo sexual en las mujeres y de la regulación del ciclo menstrual muy parecida a la testosterona excepto por carecer de metilo en C10 y presentar un anillo fenólico en el anillo A

*Progesterona: también es sintetizada en los ovarios y considerada Horm sex femenina, aunque químicamente sería más parecida a las hormonas corticoesteroides

ESTEROIDES: Hormonas sexuales

Isoprenoides que no se agrupan en los anteriores Retinoles: funciona como hormona y pigmento visual ojo vertebrados

β-Caroteno (provitamina A)

Retinol (vitamina A)

-La vitamina A ayuda a la formación y mantenimiento de dientes sanos, tejidos blandos y óseos, de las membranas mucosas y de la piel. -Se conoce también como retinol, ya que genera pigmentos necesarios para el funcionamiento de la retina. -También se puede requerir para la reproducción y la lactancia.

El β-caroteno, que tiene propiedades antioxidantes, es precursor de la vit A

ESTEROIDES: Otros

con anillo no aromático y cadena lateral con varios enlaces conjugados

Unidades de isopreno

Tocoferoles: Se asocian a membranas celulares, depósitos lipídicos y lipoproteínas de sangre. Actúa como antioxidante biológico.

Poliprenilquinonas: Componente de la cadena de transporte electrónico mitocondrial con características Red-Ox

2 anillos, 1 aromático sustituido y cadena lateral isopropenoide larga y saturada

Vitamina E o α-tocoferol: antioxidante

Ubiquinona o Co-enzima Q: transportador de electrones

(n=4-8)

Unidades de isopreno

TÉCNICAS PARA EL ESTUDIO DE LÍPIDOS

Homogeinización en mezclas disolventes inorgánicos (apolares)

Los lípidos se extraen de la fase cloroformo

Hidrólisis ac grasos con

ácidos o alcalis, o enzimática

Separación en función de longitud y grado saturación cadena

Separación por polaridad

ESPECTROMETRIA DE MASAS

Columnas de gel de sílice

Placa recubierta de gel de sílice

Identificación

Separación lípidos de otros componentes en

base a polaridad