Biofisicoquímica Anfifilos Dr. Eduardo Prieto edprieto@quimica.unlp.edu.ar Dr. Ariel Alvarez aariel@iflysib.unlp.edu.ar Instituto de Ciencias de la Salud Universidad Nacional Arturo Jauretche Av. Lope de Vega 106, Florencio Varela – Buenos Aires – Argentina

Hidratación e interacción Hidrofóbica Soluto no polar Agua estructurada ¿De dónde saldría el Delta S? En el caso de los sistemas con sustancias no-polares disueltas en agua, sabemos que el agua pierde “movilidad” en las proximidades inmediatas de las sustancias no-polares. Estas moléculas de agua no se comportan como el resto de las moléculas de agua que están alejadas de las superficies no-polares. En este tipo de sistemas es característico encontrar un Cp muy elevado dado justamente por la presencia de este tipo de “hidratación”. Cuando las sustancias no-polares se “ocultan”, esto es, disminuye la superficie expuesta al agua, por ejemplo en el plegado de una proteína, las moléculas de agua que estaban formando parte de la capa de hidratación, recuperan su movilidad con un consiguiente aumento de entropía. Hidratación Hidrofóbica Interacción Hidrofóbica

Moléculas Anfifílas Poseen Claramente una región Hidrofílica (polar), y una región Hidrofóbica (no polar) Anfifilos simples: detergentes, fosfolípidos Anfifilos complejos: Proteínas, ácidos nucleícos

Se Denominan También: tensioactivos Comportamiento de Anfifilos en soluciones Las moléculas anfifílicas en la interface agua/aire forman monocapas Las fuerzas que intervienen en la formación de estas monocapas en la superficie son débiles: Van der Waals, hidrofóbicas, electrostáticas. Las monocapas son muy flexibles y modifican la tensión superficial del líquido. Se Denominan También: tensioactivos

Tensión superficial Las fuerzas cohesivas entre las moléculas del liquido son responsables del fenómeno de la tensión superficial. Las moléculas de la superficie no están rodeadas por otras moléculas de liquido, en consecuencia tienen fuerzas de cohesión mas fuertes que las moléculas del bulk. Esto forma una especie de capa superficial resistente La tensión superficial γ tiene unidades de din/cm, es la fuerza en dinas requerida para romper una capa o film de 1 cm de longitud. Equivalentemente puede ser definida como una energía de superficie U=γA en ergios por cm2. A 20°C el agua tiene una tensión superficial de 72.8 din/cm, el alcohol etílico 22.3, y el mercurio 465

Ejemplo de Tensión Superficial Medida de la tensión superficial en la interfase aire/líquido Técnica de Whilhelmy γ

Técnica de Whilhelmy

Fenómeno de Tensión Superficial: Isoterma de Gibbs Zona I: la gran mayoría de las moléculas de surfactante se adsorben en la superficie agua-aire, y la concentración superficial crece rápidamente. Zona II: La tensión interfacial decrece linealmente con el logaritmo de la concentración C; según la isoterma de Gibbs, esto indica que la concentración superficial permanece constante. Г es la concentración de exceso en la superficie En la zona II la superficie es por lo tanto saturada y las moléculas de surfactante que se añaden deben solubilizarse en la fase acuosa, lo que es poco favorable desde el punto de vista energético. Zona III: En esta región, cualquier molécula suplementaria de surfactante se encuentra encima de su límite de "saturación" en fase acuosa, y su "solubilización" ocurre en agregados de tipo coloidal llamados micelas.

Anfifílos simples: detergentes, fosfolípidos A partir de cierta concentración (concentración micelar critica), las interacciones hidrófobicas entre moléculas de surfactantes se tornan suficientemente importantes respecto a las interacciones hidrofílicas surfactante/agua para que se forme espontáneamente una asociación

Otro tipo de detergentes.

Concentración micelar crítica Concentración micelar crítica (CMC): concentración de anfifilo en la que las moléculas individuales se agregan para formar micelas.

¿Que forma tienen los agregados? Los agregados van a depender de las características de la superficie hidrofóbica y de la cabeza polar

¿Que factores afectan la CMC? Presencia de CO-Soluto Temperatura El mismo efecto Rojo: determinación de la cmc en agua pura Azul: determinación de la cmc en presencia de glucosa Dos Anfifilos con diferente propiedades en la cabeza Polar: uno iónico (el SDS) y otro no iónico

Efecto de la presión en la formación de micelas

En resumen Favorecen la formación de micelas (favorecen el efecto hidrofóbico y bajan la CMC): •Las interacciones entre la parte no polar del surfactante y el agua corresponde al efecto hidrófobo que favorece la asociación de las moléculas en una micela. Cuando más importante la parte no polar o hidrofóbica del surfactante, más fuerte la tendencia en formar micelas y por lo tanto más baja la CMC. •Agente fisicoquímico que refuerce la estructura del solvente refuerza la interacción hidrofóbica y aumenta la tendencia a formar micelas (Glucosa: favorece estructura del H2O, aumenta el efecto Hidrofóbico, aumenta la repulsión de las colas por el agua; Urea: lo contrario) Desfavorecen la formación de micelas (des favorecen el efecto hidrofóbico y aumenta la CMC): •Aquellas que favorecen la solubilización monomolecular del surfactante en el agua, esencialmente por efecto de solvatación del grupo polar. Cuando más polar este grupo, menor la tendencia en formar micelas y por lo tanto mayor la CMC. •Interacciones de tipo electrostático que resultan en una repulsión entre las partes hidrofílicas de las moléculas de surfactantes asociadas en las micelas. Si las fuerzas de repulsión son demasiado grandes, las moléculas no pueden acercarse suficientemente para que se produzca la interacción hidrófoba entre grupos lipofílicos. •Agente fisicoquímico que disminuya la estructura del solvente disminuye la interacción hidrofóbica y baja la tendencia a formar micelas

Como determinar el tamaño de los agregados Exclusión molecular Ultracentrifugación Analítica

Micelas de interés biofísicoquímico: Bicapa de fosfolípidos y proteínas integrales y periféricas de membranas

Micelas de interés biofisicoquímico: Solubilización de proteínas de membranas por detergentes Diseño de detergentes para Solubilización de proteínas

Micelas de interés biofisicoquímico: Estructuras de bicapas Auto-ensamblaje espontáneo de fosfolípidos: generación de bicapas lipídicas y membranas biológicas Estas Propiedades tienen aplicaciones farmacológicas

Anfifilos Complejos: Proteínas - Todas las conclusiones que se obtienen de Anfifilos simples es aplicable para los complejos. - Poseen más de una zona hidrofílica y mas de una zona hidrofóbica. - Algunas proteínas disminuyen la tensión superficial en la interfase aire/agua. - Esto no implica necesariamente que se auto-asocien en estructuras tipo micelas.