Profesor: JAVIER SAEZ VALERO

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1 Profesor: JAVIER SAEZ VALERO 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

2 TEMA 4.1.Clasificación, estructura y propiedades de los lípidos 1.- Lípidos: Propiedades y Funciones de los lípidos Clasificación de los lípidos Lípidos simples Lípidos complejos Lípidos Isoprenoides o insaponificables Unidades básicas: ácidos grasos y alcoholes Esteres de ácidos grasos: Acilglicéridos Derivados de ácidos grasos Lípidos complejos Glicero-fosfolípidos y esfingo-fosfolípidos Glicolípidos Lípidos conjugados: lipoproteínas y lipopolisacáridos Lípidos isoiprenoides o insaponificables Terpenos Esteroides 1.8. Técnicas para el estudio de los Lípidos

3 Propiedades y Funciones 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.

4 Clasificación de los lípidos (clásicamente saponificables (ac grasos)/insaponificables) 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 Lípidos Isoprenoides o Insaponificables A-Terpenos B-Esteroides C-Otros

5 LÍPIDOS SIMPLES Unidades básicas no esterificadas: ACIDO GRASO 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 Acidos Grasos SATURADOS Mirístico (C 14 ) CH 3 -(CH 2 ) 12 -COOH Palmítico (C 16 ) Esteárico (C 18 ) Araquídico (C 20 ) CH 3 -(CH 2 ) 14 -COOH CH 3 -(CH 2 ) 16 -COOH CH 3 -(CH 2 ) 18 -COOH

6 Acidos Grasos INSATURADOS Palmitoleico ( 9 C 16:1 ) CH 3 -(CH 2 ) 5 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH Oleico ( 9 C 18:1 ) Linoleico ( 9,12 C 18:2 ) Linolénico ( 9,12,15 C 18:3 ) Araquidónico ( 5,8,11,14 C 20:4 ) CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH CH 3 -(CH 2 -CH=CH) 3 -(CH 2 ) 7 -COOH CH 3 -(CH 2 ) 3 -(CH 2 -CH=CH) 4 -(CH 2 ) 3 -COOH Sus dobles enlaces son de configuración CIS (mínimo 3C separación entre dobles enlaces) y nunca están conjugados CIS cambios de dirección

7 PROPIEDADES de los Acidos Grasos 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 - Estructuras de algunos ácidos grasos representativos Cabeza Polar (hidrofílica) Cola Apolar (hidrofóbica) CIS

8 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

9 Unidades básicas no esterificadas: ALCOHOL GRASO PRIMARIOS SECUNDARIOS unión directa al ácido graso (en acilglicéridos y fosfolípidos) forman parte de la cabeza polar de los fosfolípidos

10 Esteres de ácido grasos: Triaciglicéridos o grasas neutras Esteres del glicerol Pueden ser: *Mono- *di- acilgliceridos *tri-

11 Triaciglicéridos Aportan Energía almacenada y Aislamiento 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) Aceite oliva Mantequilla Sebo de buey Líquido sólido blando sólido duro (25ºC)

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

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14 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) Sustancias altamente insolubles en medios acuosos y se presentan sólidas y duras (Temp ambiente) 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 De aplicación en la industria farmacéutica, cosmética, etc. Lanolina, cera de abeja, otras ceras vegetales como cannauba, aceite de espermaceti, etc.

15 Derivados de Acidos Grasos: EICOSANOIDES Prostaglandinas, Tromboxanos y Leucotrienos En respuesta a ciertas señales hormonales se libera ac araquidónico de lípidos de membrana Derivados de ( 5,8,11,14 C 20:4 ) *NSAIDs: medicamentos anti-inflamatorios no esteroideos (aspirina, ibuprofeno) AINE Prostaglandinas Tromboxanos Leucotrienos -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. -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

16 EICOSANOIDES Derivados de Acidos Grasos: Prostaglandinas, Tromboxanos y Leucotrienos Efecto paracrino y tejido específico

17 Lípidos complejos: FOSFOLÍPIDOS (Glicerofosfolípidos) -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) Fosfoacilgliceridos o Glicerofosfolípidos compuestos por un glicerol, al que se le unen dos ácidos grasos (1,2-diacilglicerol) y un grupo fosfato Cabeza polar: un alcohol secundario unido a la posición 3 del glicerol mediante enlace fosfodiester Cola no polar: 1 o 2 ácidos grasos esterificados en posiciones 1 y 2 del glicerol (alcohol primario)

18 Fosfoacilgliceridos o Glicerofosfolípidos El alcohol secundario, del fostato, da nombre y propiedades específicas al Fosfoacilglicérido

19 Esfingolípidos: FOSFO Esfingolípidos Base estructural la ceramida: unión de un único ácido graso con el grupo amino del C 2 de la esfingosina: enlace tipo amida CERAMIDA ESFINGOSINA Ac graso de cadena larga COLINA Cola no polar: es la ceramida ESFINGOMIELINA Cabeza polar: es una Colina (alcohol secundario) unida a la posición C 1 de esfingosina: enlace fosfodiester

20 GLICO Esfingolípidos -Constan de una unidad de CERAMIDA (esfingosina+ácido graso), a la que se une por el carbono C 1 de la esfingosina un carbohidrato de complejidad variable, mediante un enlace O-glicosídico de configuración Beta ceramida β 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)

21 Carbono anomérico: C hemiacetálico o carbonílico Enlace hemiacetálico genera un C asimétrico adicional

22 GLICO Esfingolípidos -Constan de una unidad de CERAMIDA (esfingosina+ácido graso), a la que se une por el carbono C 1 de la esfingosina un carbohidrato de complejidad variable, mediante un enlace O-glicosídico de configuración Beta ceramida β 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)

23 GLICO Glicerolípidos 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)

24 Lípidos complejos: LÍPIDOS CONJUGADOS 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. También en capa externa de la pared de bacterias Gram negativas

25 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

26 LIPIDOS ISOPRENOIDES (o Insaponificables) Isopreno ( 2-metil-butadieno) Derivados del Isopreno, cuyos dobles enlaces conjugados permiten su polimerización (de unidades de isopreno) Se dividen en Terpenos y Esteroides

27 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 Vitamina K 1 (filoquinona) en hojas verdes Vitamina K 2 : por bacterias residentes intestino delgado C 30 El escualeno, triterpeno (6 unidades de Isopreno), es procesado para generar los ESTEROIDES

28 ESTEROIDES Aun siendo derivados del isopreno, no se deduce fácilmente de su estructura. La complejidad de enlaces da lugar al anillo CICLOPENTANOPERHIDROFENANTRENO 5 Familias: 1.- Esteroles. 2.- Familia de la Vitamina D. 3.- Acidos biliares y sus conjugados. 4.- Hormonas suprarenales o corticosteroides. 5.- Hormonas sexuales.

29 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 C 3 en config β (cabeza polar) -Cadena lateral en C 17 -Doble enlace ente C 5 y C 6 Cabeza polar Es la base estructural para la síntesis de otros esteroides (corticoesteroides, Horm sex) Función estructural: regula rigidez de la membrana plasmática β

30 ESTEROIDES: Familia Vitamina D (déficit provoca raquitismo) -La vitamina D 3 (colecalciferol), deriva del 7-dehidrocolesterol (o provitamina D 3 : intermediario de la ruta de síntesis del colesterol) Se sintetiza en animales (huevos y leche) Papel en el metabolismo del calcio: desarrollo óseo -La vitamina D 2 (calciferol), es de origen vegetal Deriva del Ergosterol (colesterol vegetal)

31 ESTEROIDES: Sales biliares 24 carbonos ( con colesterol) Varios grupos OH en C 3, C 7 ó C 12 (en config α) 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

32 ESTEROIDES: Hormonas esteroideas o Corticosteroides -Se sintetizan en la Corteza suprarrenal: cortisona, cortisol, etc. 21 carbonos: cadena lateral corta 2 carbonos grupo OH ó Cetos en C 11 y C 17 (config β) Grupo ceto en C 3 Doble enlace en C 4 Cortisol -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

33 ESTEROIDES: Hormonas sexuales -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 C 3 y en C 17 doble enlace en C 4 sin poseer cadena lateral en C 17 -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 C 10 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

34 ESTEROIDES: Otros Isoprenoides que no se agrupan en los anteriores Retinoles: funciona como hormona y pigmento visual ojo vertebrados Unidades de isopreno con anillo no aromático y cadena lateral con varios enlaces conjugados El β-caroteno, que tiene propiedades antioxidantes, es precursor de la vit A 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.

35 Tocoferoles: Se asocian a membranas celulares, depósitos lipídicos y lipoproteínas de sangre. Actúa como antioxidante biológico. Unidades de isopreno 2 anillos, 1 aromático sustituido y cadena lateral isopropenoide larga y saturada Vitamina E o α-tocoferol: antioxidante Poliprenilquinonas: Componente de la cadena de transporte electrónico mitocondrial con características Red-Ox Ubiquinona o Co-enzima Q: transportador de electrones (n=4-8)

36 Homogeinización en mezclas disolventes inorgánicos (apolares) Separación lípidos de otros componentes en base a polaridad Columnas de gel de sílice Los lípidos se extraen de la fase cloroformo TÉCNICAS PARA EL ESTUDIO DE LÍPIDOS Hidrólisis ac grasos con ácidos o alcalis, o enzimática Placa recubierta de gel de sílice Separación en función de longitud y grado saturación cadena Separación por polaridad ESPECTROMETRIA DE MASAS Identificación