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FISICOQUIMICA
Curso 2003
Modulo 14 Octubre 3 y 6
Fisicoquímica de interfases. Monocapas y bicapas
lipídicas.
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Tensión Superficial y Solutos (1)
Efecto de Solutos sobre la Tensión Superficial
I
II
IIa
3
Tensión Superficial y Solutos (2)
Solutos que son excluídos de la interfase
SOLUTOS TIPO I
Aumentan ?
Ejemplos NaCl, glicina, sales de amonio
cuaternario.
Interacciones
gt
soluto solvente Na/H2O (60 kJ/mol)
solvente solvente H2O /H2O (20 kJ/mol)
4
Tensión Superficial y Solutos (3)
Solutos que se concentran en la interfase
SOLUTOS TIPO II
Disminuyen ?
Ejemplos ácidos grasos, detergentes,
tensioactivos
Interacciones
lt
soluto solvente CH2 /H2O (10 kJ/mol)
solvente solvente H2O /H2O (20 kJ/mol)
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Soluciones de fármacos
La actividad superficial se correlaciona con la
existencia de dominios hidrofílicos e
hidrofóbicos en las moléculas de las drogas.
Variación de ? por antihistamínicos
Feniramina Bromofeniramina (Br) Difeniramina
(anillo)
? (mN m-1)
70
50
30
10-3
10-2
10-1
Log concentración (M)
En algunos casos, la actividad superficial se
correlaciona con la actividad farmacológica (por
ej. las fenotiazinas y su potencia clínica en el
tratamiento de la psicosis).
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Tensión superficial de fluídos biológicos
? (mN. m-1)
Suero 57-58 Líqui
do céfalo-raquídeo 62-65 Bilis

48 Líquido espermático
52-59 Humor acuoso
60 Orina
70-72
La disminución de g en fluídos biológicos
(respecto de agua) es comparable al efecto de
1-10 mM SDS. El efecto está dado por ácidos
grasos, prostaglandinas, sales biliares, etc.,
que favorecen el movimiento hidrodinámico de los
fluídos
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Monocapa de Adsorción
Los surfactantes disueltos en agua se acumulan en
la superficie y forman una monocapa o película.

• Determinación experimental
• Por separación de capas superficiales con
  cuchillas de micrótomo
• Por marcación de soluto con isótopo radiactivo
• La acumulación en la interfase sigue
  cuantitativamente la ecuación de Gibbs (1895).

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Exceso Interfacial ( ?i ). Gibbs (1895)
Composición especial
?
soluto i
n moles de i en la interfase (s) en exceso
comparado con el seno de la solución b (3
moléculas en la Figura). A área de interfase
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Conceptos para exceso interfacial
El espacio que tiene una composición especial
es la superficie (S) (bidimensional) que
separa las dos fases
Solvente
Solución
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Conceptos para exceso interfacial
La generación de superficie por el soluto,
requiere un trabajo, que para un cambio
infinitesimal (molecular) es
dW A .d? Considerando que se genera superficie
es de signo El que es aportado por el trabajo
químico de las moleculas del soluto, de signo
dW n2 . d?2 Interpretado como una
disminución de m2, de la energía libre y del
movimiento de las moléculas del soluto
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Deducción de la Isoterma de Adsorción de Gibbs
Igualando el trabajo interfacial positivo (A.dg )
con el trabajo químico negativo (n2.m2) del
soluto
A .d? n2 . d?2 y d? n2/A. d?2

por definición de exceso interfacial ?2 n2/A,
luego
d ? - ?2 . d?2
Isoterma de Adsorsión de Gibbs
explicitando el potencial químico del soluto
d ? - ?2 . d ( ?2 RT ln a2)
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Deducción de la Isoterma de Adsorción de Gibbs
(ctn)
?2 (- d ?). d (?2 RT (d ln a2)
d ln a a / d a d m2 d RT 0

Isoterma de Adsorsión de Gibbs
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El término siguiente tiene resolución
experimental y expresa la pendiente de la
disminución de g a cada a2
Los valores de dg/da2 permiten calcular el ?
teórico a cada a2 (que se comprueba
experimentalmente)
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Isoterma de Adsorción de Gibbs
Exceso Interfacial y Actividad de Soluto
Para un soluto único (2), en un solvente (1)
g

ö
a2
æ
-
G

ç

2,1
a2

ø
è
RT
T
,
P
Para soluciones diluídas
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Anfípatas (1)
Poseen dominios hidrofóbicos e hidrofílicos en
su estructura
?
Dominio hidrofóbico cadena hidrocarbonada (no
tiene afinidad por el agua)
?
Dominio hidrofílico grupo polar (fuerte afinidad
por el agua)
?
?
2 cargas Fosfolípidos
1 carga Acido graso
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Anfípatas (2)
Se asocian para formar agregados macromoleculares
Monocapas Micelas
Monocapas Bicapas Liposomas
Modelos de membranas biológicas
y
y
Formas farmacéuticas
Importancia fisiológica
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Formación de Micelas (1)
Agentes Tensioactivos o Surfactantes

• A baja concentración (50-200 mM) producen una
  marcada disminución de la tensión superficial.

• A mayor concentración (1-5 mM) forman en la
  solución estructuras relativamente estables,
  llamadas micelas.

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Las micelas son estables cineticamente e
inestables termodinamicamente.
-
18
Formación de Micelas (2)
Concentración micelar crítica (cmc)
Es la concentración del tensioactivo en la que
las moléculas individuales se agregan para formar
micelas.
P
Propiedad
Turbidez
L
g
CMC
Concentración
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Formación de Micelas (3)
Factores que modifican la Concentración Micelar
Crítica

La CMC disminuye con

• el aumento de la fuerza iónica
• el aumento del dominio hidrofóbico
• la disminución de la temperatura

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Propiedades de las Micelas (1)
Las micelas permiten un pequeño medio interior
hidrofóbico en un medio acuoso. La
formación de micelas por los detergentes
posibilita el secuestro de moléculas grasas
en el interior de la micela (detergentes
domésticos)
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Micelas de interés fisiológico
Las micelas digestivas (A) y las lipoproteínas
(B) son componentes fisiológicos de tipo micelar
B
A
fosfolípidos colesterol (C) ésteres de C
triglicéridos apoproteína
ácidos grasos sales biliares
triglicéridos
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La lipoproteína plasmática de baja densidad (LDL)
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Propiedades de las Micelas (2)
Drogas, que son moléculas anfipáticas
relativamente grandes ( CP) se
vehiculizan en su forma farmacéutica como micelas
mixtas (microemulsiones).
CP plasma
CP - microemulsión
Emulgente
Ciclosporina (CP)
La ciclosporina como microemulsión tiene mayor
absorción gastrointestinal y mejor
biodisponibilidad
CP - suspensión
tiempo
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Monocapas de Extensión (1)
Anfípatas escasamente solubles (ácidos grasos) se
extienden, con ayuda de solventes adecuados
(benceno) sobre superficies acuosas. Si el área
lo permite forman espontáneamente una película
superficial de una molécula de espesor.
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Monocapas de Extensión (2)

• Las propiedades de las monocapas homogéneas (un
  tipo de moléculas) dan información de las
  moléculas que la forman
• tamaño
• forma
• orientación
• Las propiedades de las monocapas heterogéneas
  (mas de un tipo de moléculas) dan información
  sobre la interacción entre las moléculas.

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Medida de Presión Superficial en Monocapas
Se realizan medidas de presión superficial (f, o
?)
?f ?o - ?i
La presión superficial es una fuerza que se opone
a la tensión superficial. Tiene un origen
expansional y es una presión bidimensional ?f A
RT
? f
?g
? ? o ? del líquido puro
? ? i ? del líquido con el agregado del
componente i
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Medida de Presión Superficial en Monocapas
28
Medida de Presión Superficial en Monocapas
A través de la medida de la presión superficial
se obtiene información de las moléculas que
forman la monocapa.
Diagrama f - A de una película de ácido
palmítico
f
0.46 nm de lado corresponde en promedio a la
superficie de un grupo H-C-H
A
0.21 nm2/molécula
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Fosfolípido
Autoensamblaje de los fosfolípidos
Los fosfolípidos poseen dos cadenas
hidrocarbonadas y un dominio (cabeza) polar con
dos cargas () y (-). Esta configuración permite
el autoensamblaje espontáneo a partir de uniones
hidrofóbicas y la generación de bicapas lipídicas
y de membranas biológicas.
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Monocapas como modelo de membrana biológica
Estudio de la interacción entre lípidos de
membrana y glicoproteínas de envoltura de HIV
(Lugardon y col., JBC, 2001)
Monocapa de esfingolípido (galactosilceramida)
?f inicial A del esfingolípido
Glicoproteína de envoltura de HIV
??f final A de esf glic
Al insertarse la glicoproteína aumenta el A
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Monocapas como modelo de membrana biológica
Estudio de la interacción entre sustancias
antifúngicas y distintos componentes de membrana
(Hammache y col., JBC 1998)
f (mN m-1)
Monocapa de lecitina de huevo
2 mN m-1
Tiempo (h)
Cromofungina A
Monocapa de lecitina de huevo ergosterol
f (mN m-1)
5 mN m-1
Tiempo (h)
La presencia de ergosterol aumenta la inserción
de la cromofungina A en la monocapa
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Bicapas Lipídicas Experimentales Membranas
negras 1
Formadas espontáneamente en placas de Teflón con
orificios de 0.1 mm de diámetro al subir el nivel
de una solución de fosfolípidos. Permiten medir
las propiedades eléctricas de las membranas
1
2
3
Teflón
Teflón
Teflón
solución
nivel de la solución
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Bicapas Lipídicas Experimentales Membranas
negras 2
2
1
Teflón
Solvente (benceno)
Alternativamente, las membranas negras se
fabrican colocando una gota de solución bencénica
de fosfolípidos y dejando evaporar el solvente
(el proceso es similar a la formación de las
monocapas de extensión).
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Bicapas Lipídicas Experimentales Liposomas
Las soluciones de fosfolípidos sometidas a
ultrasonido (sonicación) producen liposomas
pequeños (unilamelares). Las mismas soluciones,
evaporado el solvente y agitados los
fosfolípidos con soluciones acuosas, producen
liposomas grandes (multilamelares).
Liposoma unilamelar
Liposoma multilamelar
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Liposomas como forma farmacéutica
Los liposomas proveen un volumen hidrofílico
encerrado en una o varias bicapas lipídicas.
SOD
Los liposomas se fusionan con membranas celulares
y permiten liberar el contenido (en este esquema,
la enzima superóxido dismutasa) hacia el interior
celular.
1
3
2
célula
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Membranas Biológicas
Constituidas por una bicapa de fosfolípidos y
proteínas integrales y periféricas (Singer y
Nicholson, 1961)