LIPIDOS
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LIPIDOS GENERALIDADES Denominamos lípidos a un conjunto muy heterogéneo de biomoléculas cuya característica distintiva aunque no exclusiva ni general es la insolubilidad en agua, siendo por el contrario, solubles en disolventes orgánicos (benceno, cloroformo, éter, hexano, etc.). En muchos lípidos, esta definición se aplica únicamente a una parte de la molécula, y en otros casos, la definición no es del todo satisfactoria, ya que pueden existir lípidos soluble en agua (como los gangliósidos, por ejemplo), y a la vez existen otras biomoléculas insolubles en agua y que no son lípidos (carbohidratos como la quitina y la celulosa, o las escleroproteínas). Los lípidos pueden encontrarse unidos covalentemente con otras biomoléculas como en el caso de los glicolípidos (presentes en las membranas biológicas), las proteínas aciladas (unidas a algún ácido graso) o las proteínas preniladas (unidas a lípidos de tipo isoprenoide). También son numerosas las asociaciones no covalentes de los lípidos con otras biomoléculas, como en el caso de las lipoproteínas y de las estructuras de membrana. Una característica básica de los lípidos, y de la que derivan sus principales propiedades biológicas es la hidrofobicidad. La baja solubilidad de los lipídos se debe a que su estructura química es fundamentalmente hidrocarbonada (alifática, alicíclica o aromática), con gran cantidad de enlaces C-H y C-C. La naturaleza de estos enlaces es 100% covalente y su momento dipolar es mínimo. El agua, al ser una molécula muy polar, con gran facilidad para formar puentes de hidrógeno, no es capaz de interaccionar con estas moléculas. En presencia de moléculas lipídicas, el agua adopta en torno a ellas una estructura muy ordenada que maximiza las interacciones entre las propias moléculas de agua, forzando a la molécula hidrofóbica al interior de una estructura en forma de jaula, que también reduce la movilidad del lípido. Todo ello supone una configuración de baja entropía, que resulta energéticamente desfavorable. Esta disminución de entropía es mínima si las moléculas lipídicas se agregan entre sí, e interaccionan mediante fuerzas de corto alcance, como las fuerzas de Van der Waals. Este fenómeno recibe el nombre de efecto hidrofóbico. FUNCIONES DE LOS LIPIDOS ENERGETICA: Los lípidos (generalmente en forma de triacilgiceroles) constituyen la reserva energética de uso tardío o diferido del organismo. Su contenido calórico es muy alto (10 Kcal/gramo), y representan una forma compacta y anhidra de almacenamiento de Lípidos 1 energía. A diferencia de los hidratos de carbono, que pueden metabolizarse en presencia o en ausencia de oxígeno, los lípidos sólo pueden metabolizarse aeróbicamente. RESERVA DE AGUA: Aunque parezca paradójico, los lípidos representan una importante reserva de agua. Al poseer un grado de reducción mucho mayor el de los hidratos de carbono, la combustión aerobia de los lípidos produce una gran cantidad de agua (agua metabólica). Así, la combustión de un mol de ácido palmítico puede producir hasta 146 moles de agua (32 por la combustión directa del palmítico, y el resto por la fosforilación oxidativa acoplada a la respiración). En animales desérticos, las reservas grasas se movilizan esencialmente para producir agua (es el caso de la reserva grasa de la joroba de los camellos). PRODUCCION DE CALOR: En algunos animales (particularmente en aquellos que hibernan), hay un tejido adiposo especializado que se llama grasa parda o grasa marrón. En este tejido, la combustión de los lípidos está desacoplada de la fosforilación oxidativa, por lo que no se produce ATP en el proceso, y la mayor parte de la energía derivada de la combustión de los triacilgliceroles se destina a la producción calórica necesaria para los períodos largos de hibernación. ESTRUCTURAL: El medio biológico es un medio acuoso. Las células, a su vez, están rodeadas por otro medio acuoso. Por lo tanto, para poder delimitar bien el espacio celular, la interfase célula-medio debe ser necesariamente hidrofóbica. Esta interfase está formada por lípidos de tipo anfipático, que tienen una parte de la molécula de tipo hidrofóbico y otra parte de tipo hidrofílico. En medio acuoso, estos lípidos tienden a autoestructurarse formando la bicapa lipídica de la membrana plasmática que rodea la célula. En las células eucariotas existen una serie de orgánulos celulares (núcleo, mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, etc) que también están rodeados por una membrana constituída, principalmente por una bicapa lipídica compuesta por fosfolípidos. Las ceras son un tipo de lípidos neutros, cuya principal función es la de protección mecánica de las estructuras donde aparecen. INFORMATIVA: Los organismos pluricelulares han desarrollado distintos sistemas de comunicación entre sus órganos y tejidos. Así, el sistema endocrino genera señales químicas para la adaptación del organismo a circunstancias medioambientales diversas. Estas señales reciben el nombre de hormonas. Muchas de estas hormonas (esteroides, prostaglandinas, leucotrienos, calciferoles, etc) tienen estructura lipídica. CATALITICA: Hay una serie de sustancias que son vitales para el correcto funcionamiento del organismo, y que no pueden ser sintetizadas por éste. Por lo tanto deben ser necesariamente suminsitradas en su dieta. Estas sustancias reciben el nombre de vitaminas. La función de muchas vitaminas consiste en actuar como cofactores de enzimas (proteínas que catalizan reacciones biológicas). En ausencia de su cofactor, el enzima no puede funcionar, y la vía metabólica queda interrumpida, con todos los perjuicios que ello pueda ocasionar. Ejemplos son los retinoides (vitamina A), los tocoferoles (vitamina E), las naftoquinonas (vitamina K) y los calciferoles (vitamina D). CLASIFICACION DE LOS LIPIDOS Lípidos 2 La heterogeneidad estructural de los lípidos dificulta cualquier clasificación sistemática. El componente lipídico de una muestra biológica puede ser extraído con disolventes orgánicos. Los lípidos pueden ser entonces sometidos a un criterio empírico básico para su clasificación, que es la reacción de saponificación. La saponificación consiste en la hidrólisis alcalina de la preparación lipídica (con KOH o NaOH). Los lípidos derivados de ácidos grasos (ácidos monocarboxílicos de cadena larga) dan lugar a sales alcalinas (jabones) y alcohol, que son fácilmente extraíbles en medio acuoso. No todos los lípidos presentes en una muestra biológica dan lugar a la reacción de saponificación. Se distinguen por tanto dos tipos de lípidos: (1) los saponificables y (2) los insaponificables. Los lípidos saponificables agrupan a los derivados por esterificación u otras modificaciones de ácidos grasos, y se sintetizan en los organismos a partir de la aposición sucesiva de unidades de dos átomos de carbono. En este grupo se incluyen: (1) los ácidos grasos y sus derivados, (2) los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos), (3) los lípidos neutros (acilgliceroles y ceras) y (4) los lípidos anfipáticos (glicerolípidos y esfingolípidos). Los lípidos insaponificables son derivados por aposición varias unidades isoprénicas, y se sintetizan a partir de una unidad básica de 5 átomos de carbono: el isopreno. En este grupo de lípidos se incluyen: (1) los esteroides (esteroles, sales y ácidos biliares, hormonas esteroideas etc) y (2) los terpenos (retinoides, carotenoides, tocoferoles, naftoquinonas, dolicoles, etc). Existen otros lípidos insaponificables que no están relacionados estructuralmente con el isopreno, y son (1) los hidrocarburos y (2) los lípidos pirrólicos. A) LIPIDOS SAPONIFICABLES 1.- ACIDOS GRASOS Son ácidos monocarboxílicos de cadena larga. Por lo general, contienen un número par de átomos de carbono, normalmente entre 12 y 24. Ello se debe a que su síntesis biológica tiene lugar mediante la aposición sucesiva de unidades de dos átomos de carbono. Sin embargo también existen ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono, que probablemente derivan de la metilación de un ácido graso de cadena par. Las propiedades químicas de los ácidos grasos derivan por una parte, de la presencia de un grupo carboxilo, y por otra parte por la existencia de una cadena hidrocarbonada. La coexistencia de ambos componentes en la misma molécula, convierte a los ácidos grasos en moléculas débilmente anfipáticas (el grupo COOH es hidrofílico y la cadena hidrocarbonada es hidrofóbica). El carácter anfipático es tanto mayor cuanto menor es la longitud de la cadena hidrocarbonada. Lípidos 3 El grupo carboxílico de la molécula convierte al ácido graso en un ácido débil (con un pKa en torno a 4,8). También presenta las reacciones químicas propias del grupo COOH: esterificación con grupos OH alcohólicos, formación de enlaces amida con grupos NH2, formación de sales (jabones), etc. El grupo COOH es capaz de formar puentes de hidrógeno, de forma que los puntos de fusión de los ácidos grasos son mayores que los de los hidrocarburos correspondientes. Es la cadena hidrocarbonada la que confiere a la molécula su carácter hidrofóbico. La solubilidad en agua decrece a medida que aumenta la longitud de la cadena. Según la naturaleza de la cadena hidrocarbonada, los ácidos grasos pueden ser saturados, insaturados, lineales, ramificados o alicíclicos, y además pueden contener sustituyentes como grupos hidroxilo o grupos oxo. ACIDOS GRASOS SATURADOS Desde el punto de vista químico, son muy poco reactivos. Por lo general, contienen un número par de átomos de carbono. En la nomenclatura de los ácidos grasos se utilizan con más frecuencia los nombres triviales que los sistemáticos. La nomenclatura abreviada es muy útil para nombrar los ácidos grasos. Consiste en una C, seguida de dos números, separados por dos puntos. El primer número indica la longitud de la cadena hidrocarbonada, mientras que el segundo indica el número de dobles enlaces que contiene (Figura 1). Los ácidos grasos saturados más abundantes son el palmítico (hexadecanoico, o C16:0) y el esteárico (octadecanoico, o C18:0). Los ácidos grasos saturados de menos de 10 átomos de C son líquidos a temperatura ambiente y parcialmente solubles en agua. A partir de 12 C, son sólidos y prácticamente insolubles en agua. En estado sólido, los ácidos grasos saturados adoptan la conformación alternada todo-anti, que da un máximo de simetría al cristal, por lo que los puntos de fusión son elevados. El punto de fusión aumenta con la longitud de la cadena. Los ácidos grasos de cadena impar probablemente derivan de la metilación de un ácido graso de cadena par. En ellos, la simetría del cristal no es tan perfecta, y los puntos de fusión son menores. Ejemplos son el ácido propiónico (C3:0), valeriánico (pentanoico, o C5:0) y pelargónico (nonanoico, o C9:0). Los lípidos ricos en ácidos grasos saturados constituyen las grasas. Conviene en este punto hacer una distinción entre los términos lípidos, grasas y aceites. Grasas son aquellos lípidos que son sólidos a temperatura ambiente, mientras que aceites son aquellos lípidos que son líquidos a temperatura ambiente. Tanto los aceites como las grasas son lípidos. ACIDOS GRASOS INSATURADOS Lípidos 4 Con mucha frecuencia, aparecen insaturaciones en los ácidos grasos, mayoritariamente en forma de dobles enlaces, aunque se han encontrado algunos con triples enlaces. Cuando hay varios dobles enlaces en la misma cadena, estos no aparecen conjugados (alternados), sino cada tres átomos de carbono. En la nomenclatura abreviada, se indica la longitud de la cadena y el número de dobles enlaces (Figura 1). La posición de los dobles enlaces se indica como un superíndice en el segundo múmero. Así, el ácido oleico (9-octadecenoico) se representa como C18:19, y el linoleico (9,12octadecadienoico) como C18:29,12, y el linolénico (9,12,15-octadecatrienoico) como C18:39,12,15. Por lo general, las insaturaciones de los ácidos grasos son del tipo cis. Esto hace que la disposición de la molécula sea angulada, con el vértice en la insaturación. Esta angulación hace que los puntos de fusión de las ácidos insaturados sean más bajos que los de sus homólogos saturados. Los dobles enlaces en trans distorsionan poco la simetría cristalina, que es muy parecida a la de los ácidos grasos saturados (Figura 2). La configuración en cis o en trans de un doble enlace en la cadena hidrocarbonada también puede indicarse en la nomenclatura abreviada. Así, el ácido araquidónico (5,8,11,14eicosatetraenoico) se representa como C20:45c,8c,11c,14c ó C20:4 (5c, 8c, 11c, 14c). Algunos ácidos grasos poliinsaturados (linoleico, linolénico y araquidónico) no pueden ser sintetizados por los animales superiores (incluído el hombre), y como su función biológica es fundamental, deben ser suministrados en la dieta. Por este motivo reciben el nombre de ácidos grasos esenciales. Los ácidos grasos insaturados manifiestan las propiedades inherentes al doble enlace: - Reaccionan fácilmente con ácido sulfúrico para dar sulfonatos, que se emplean frecuentemente como detergentes domésticos. - Los dobles enlaces pueden adicionar hidrógeno. La hidrogenación catalítica (completa) de los ácidos grasos insaturados constituye la base de la transformación industrial de aceites en grasas sólidas (la margarina es el resultado de la hidrogenación de aceites vegetales). - Los dobles enlaces pueden autooxidarse con el oxígeno del aire. Es una reacción espontánea en la que se producen radicales peróxido y radicales libres, muy reactivos, que provocan en conjunto el fenómeno de enranciamiento de las grasas, que resulta en la formación de una compleja mezcla de compuestos de olor desagradable. DERIVADOS DE ACIDOS GRASOS Lípidos 5 Con mucha menor frecuencia, aparecen en la Naturaleza ácidos grasos cuya estructura difiere en mayor o medida de la que hemos visto hasta ahora. Entre ellos podemos destacar: - JABONES: Son las sales de los ácidos grasos. Debido a la polaridad del anión carboxilato tienen un fuerte carácter anfipático, y son muy miscibles con el agua, especialmente los jabones de metales alcalinos. En general, los jabones adoptan en medio acuoso estructuras micelares en equilibrio con formas libres. Las grandes micelas esféricas pueden incluir en su interior grasas neutras, por lo que los jabones tienen poder detergente. Las sales de los metales pesados y alcalino-térreos (calcio, magnesio) son insolubles, y carecen de utilidad como jabones. - HIDROXIACIDOS GRASOS: contienen grupos hidroxilo en la cadena hidrocarbonada (Figura 3). Ejemplos son el ácido cerebrónico (2-hidroxi C24:0), el hidroxinervónico (2-hidroxi C26:115), ambos presentes en el tejido nervioso, y el ácido ricinoleico (12-hidroxi C18:19), presente en el aceite de ricino. - ACIDOS GRASOS RAMIFICADOS: contienen uno o varios grupos metilo como sustituyentes en la cadena hidrocarbonada (Figura 3). Un ejemplo es el ácido tuberculoesteárico (10-metil esteárico, o 10-metil C18:0), presente en el bacilo de la tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis). - ACIDOS GRASOS CICLICOS son el lactobacílico y el chaulmógrico (Figura 3). - ACIDOS GRASOS CON TRIPLES ENLACES son los antibióticos micomicina y ácido nemotínico (Figura 3). 2.- EICOSANOIDES Este término agrupa a una serie de compuestos derivados de ácidos grasos poliinsaturados de 20 átomos de carbono (de donde deriva su nombre), como el ácido araquidónico. Todos ellos tienen una amplia gama de actividades biológicas, bien como señales químicas (hormonas) o como efectores fisiológicos (en procesos inflamatorios). Son el prototipo de mediadores locales, liberados in situ ante diversos estímulos. En esta categoría se incluyen las prostaglandinas, los tromboxanos y los leucotrienos. PROSTAGLANDINAS Son los primeros miembros conocidos del grupo. Las prostaglandinas (PG) se consideran derivados de un hipotético ácido prostanoico (no existe como tal en la naturaleza), de 20 átomos de C, con un anillo pentagonal entre los carbonos 8 y 12 (Figura 4). Se conocen varias familias de PG, que se denominan con una letra adicional (PGA, PGB, PGC, PGD, PGE, PGF, etc), en función de los sustituyentes del anillo Lípidos 6 ciclopentano de su estructura. A menudo, la letra mayúscula va seguida de un subíndice que indica el número de dobles enlaces presentes en la molécula. Se conocen unas 20 PG, cuya función es la de regular la acción hormonal. La PGI2 (también llamada prostaciclina) es un vasodilatador que actúa principalmente sobre las arterias coronarias y que impide la agregación plaquetaria. Las PGG y PGH son mediadores de la reacción inflamatoria. Compuestos como el ácido acetilsalicílico (aspirina) y los glucocorticoides (cortisol, dexametasona) inhiben la síntesis de estas PG, y de ahí sus efectos antiinflamatorios. Las PGE y PGF provocan la contracción de la musculatura lisa, en especial en el aparato reproductivo, de ahí que sean utilizadas para inducir el aborto. TROMBOXANOS Son eicosanoides descritos por primera vez en las plaquetas sanguíneas, aunque su distribución es muy general. Se caracterizan por tener un anillo piranósico. El tromboxano A2 (TXA2) se sintetiza en las plaquetas y tiene efectos opuestos a la prostaciclina: contrae las arterias y desencadena la agregación plaquetaria (Figura 5). LEUCOTRIENOS Son derivados eicosanoides que aparecen frecuentemente combinados con el tripéptido glutatión. Deben su nombre a que poseen tres dobles enlaces conjugados (Figura 6). Son mediadores locales en reacciones de tipo alérgico e inflamatorio, en especial el LTC4. 3.- LIPIDOS NEUTROS Son ésteres de ácidos grasos con alcoholes. No tienen ningún otro tipo de componentes. En la Naturaleza encontramos dos tipos: los acilgliceroles y las ceras. ACILGLICEROLES Los acilgliceroles o glicéridos son ésteres de ácidos grasos con glicerol (propanotriol). Constituyen el contingente mayoritario de los lípidos de reserva energética, y son muy abundantes en el tejido adiposo animal y en las semillas y frutos de las plantas oleaginosas. El glicerol o propanotriol presenta tres grupos alcohólicos, y por tanto puede aparecer esterificado en una, dos o tres posiciones, dando lugar respectivamente, a monoacilgliceroles (monoglicéridos), diacilgliceroles (diglicéridos) y triacilgliceroles (triglicéridos) (Figura 7). En su inmensa mayoría se presentan como triésteres, aunque los mono y diacilgliceroles aparecen esporádicamente como intermediarios en la biosíntesis o degradación de triglicéridos, o como segundos mensajeros hormonales. Los triglicéridos son moléculas muy hidrofóbicas, mientras que los mono y diacilgliceroles presentan carácter anfipático debido a los grupos OH no esterificados. Lípidos 7 Las tres posiciones de esterificación pueden aparecer con 3 ácidos grasos iguales, dos iguales y uno distinto, o los tres diferentes. Por este motivo, el carbono del alcohol secundario del glicerol puede resultar asimétrico. En algunos casos (cuando los sustituyentes en C1 y C3 son iguales), es imposible distinguir entre el C1 y el C3 del glicerol, y por lo tanto se recurre a la numeración estereoquímica de los carbonos del glicerol, que se denota anteponiendo el prefijo sn- al número del carbono (Figura 8). Según esta numeración, si se sitúa el OH del alcohol secundario a la izquierda, se considera como carbono 1 al que queda arriba utilizando la proyección de Fischer. Para nombrarlos se indican los radicales de ácidos grasos, seguido de glicerol. Así, el nombre sn-1 palmitoil sn-2 oleil sn-3 estearoil glicerol representa un triacilglicerol con ácido palmítico en posición sn-1, ácido oleico en posición sn-2 y ácido esteárico en posición sn-3. Los ácidos grasos más frecuentes en los acilgliceroles son palmítico y esteárico (entre los saturados); y oleico y linoleico (entre los insaturados). Con bastante frecuencia, la posición sn-2 de los triacilgliceroles está ocupada por un ácido graso insaturado. Los triglicéridos animales poseen mayor porcentaje de ácidos grasos saturados, por lo que suelen ser sólidos a temperatura ambiente (grasas). Los triglicéridos vegetales y de los animales marinos tienen un alto contenido de ácidos grasos insaturados, y son líquidos a temperatura ambiente (aceites). CERAS Son ésteres de ácidos grasos con alcoholes primarios de cadena larga (entre 14 y 32 átomos de carbono, y completamente saturados), también llamados alcoholes grasos (Figura 9). Desde el punto de vista químico son bastante inertes. Su función principal es estructural, cubriendo y protegiendo diversas estructuras, contribuyendo al carácter hidrofóbico de los tegumentos de animales y plantas. La cera de las abejas es palmitato de miricilo (30C). En los pelos de mamíferos, la lanolina contiene alcohol laúrico. El palmitato de cetilo (16C) es una cera presente en las ballenas, y que contribuye a su flotabilidad. 4.- LIPIDOS ANFIPATICOS Cuando la molécula de un lípido posee un grupo fuertemente polar además de la cadena hidrocarbonada hidrofóbica se dice que se trata de un lípido anfipático. Se representan de forma esquemática como una línea (recta o quebrada, que representa a la cadena hidrocarbonada hidrofóbica), que acaba en un círculo (que representa la cabeza polar, hidrofílica) (Figura 10). En presencia de agua, y debido a la exclusión de ésta por la parte apolar, las colas hidrofóbicas tienden a interaccionar entre sí, creando un espacio hidrofóbico del que el agua es excluída y en el que pueden quedar atrapadas otras moléculas Lípidos 8 hidrofóbicas, mientras que la cabeza polar interacciona con el agua, y en disolución, se encuentra solvatada, preservando a la parte hidrofóbica de todo contacto con el agua. De esta forma, en presencia de agua, los lípidos anfipáticos tienen la importante propiedad de la autoestructuración. La autoestructuración es consecuencia del llamado efecto hidrofóbico, y da lugar a tres tipos de estructuras distintas: las monocapas, las micelas y las bicapas. Las monocapas se forman en la interfase aire-agua (Figura 11). La cola hidrofóbica se orienta hacia el aire, mientras que la cabeza polar lo hace hacia el agua. Las monocapas son susceptibles de compresión lateral mecánica, de forma que las moléculas quedan totalmente empaquetadas en la interfase. Las micelas se forman en medio acuoso. En ellas, las colas hidrofóbicas quedan hacia el interior mientras que las cabezas polares están en la superficie, en contacto con el agua (Figura 12). Puede considerarse como una minúscula gota de lípido delimitada por grupos polares en contacto con el agua. Los lípidos no solubles en agua quedan atrapados en el interior de la micela, y ésta puede ser arrastrada por la disolución. Es el llamado efecto detergente. Las disoluciones micelares reciben el nombre de emulsiones, y las moléculas que pueden formarlas se llaman emulsionantes o detergentes. En los seres vivos, los lípidos anfipáticos forman bicapas, cuya importancia es enorme, dado que constituyen la base de las estructuras de membrana, que delimitan la interfase célula-medio o separan diversos compartimentos intracelulares (Figura 13). Se puede considerar una bicapa como dos monocapas superpuestas, unidas por sus zonas hidrofóbicas. La parte hidrofílica de la bicapa flanquea por ambos lados a la zona hidrofóbica, y evita su contacto con el medio acuoso. En el laboratorio se pueden formar bicapas artificiales, que sirven como modelo para el estudio de las propiedades biológicas de las membranas. Estas bicapas reciben el nombre de liposomas (Figura 14). CLASIFICACION Los lípidos anfipáticos se clasifican en función de su grupo polar. Hay muchas formas de hacerlo, todas válidas. La clasificación que se presenta a continuación distingue dos grandes grupos: los glicerolípidos y los esfingolípidos, en función de la naturaleza del alcohol al que se encuentran esterificados los ácidos grasos. En los glicerolípidos, los ácidos grasos están esterificados a los carbonos 1 y 2 del glicerol. En los esfingolípidos, los ácidos grasos están esterificados a la esfingosina. GLICEROLIPIDOS Están formados por glicerol esterificado en posiciones sn-1 y sn-2 con ácidos grasos. El OH del carbono sn-3 del glicerol puede estar esterificado (1) con un azúcar Lípidos 9 (glicoglicerolípidos) o (2) con ácido ortofosfórico (fosfoglicerolípidos), que a su vez puede presentar otros sustituyentes. GLICOGLICEROLIPIDOS Son lípidos compuestos por glicerol, ácidos grasos y un azúcar. En ellos, el glicerol está esterificado en los C1 y C2 a ácidos grasos (el ácido linolénico es uno de los más abundantes). El grupo OH del C3 del glicerol está esterificado con un grupo OH de un azúcar. Uno de los más abundantes es el β-galactosildiacilglicerol, que está presente en las membranas de los cloroplastos (Figura 15). FOSFOGLICEROLIPIDOS También llamados fosfolípidos. En ellos, los C1 y C2 del glicerol se encuentran esterificados a ácidos grasos. El C3 del glicerol se encuentra esterificado a su vez, con ácido ortofosfórico. Esta molécula es el ácido fosfatídico, y puede considerarse como la molécula a partir de la cual se construyen los distintos tipos de fosfoglicerolípidos (Figura 16). El ácido fosfatídico puede estar esterificado a un segundo alcohol, originando distintos tipos de fosfolípidos (Figura 17). Cuando el segundo alcohol es un alcohol nitrogenado como la colina, la etanolamina o el aminoácido serina se obtienen, respectivamente, la fosfatidilcolina (también llamada lecitina), la fosfatidiletanolamina (o cefalina) y la fosfatidilserina (Figura 17). El segundo alcohol puede ser un polialcohol cíclico, como el inositol, con lo que se origina un fosfoinosítido o fosfoinositol. Estos lípidos forman parte de las membranas, y al ser atacados por las fosfolipasas, liberan inositol fosfato, una molécula que actúa como segundo mensajero en la acción hormonal (Figura 17). El segundo alcohol puede ser otra molécula de glicerol, con lo que se originan los fosfatidilgliceroles (Figura 17). Puede darse el caso de que el grupo fosfato del ácido fosfatídico esté esterificado con otra molécula de fosfatidilglicerol, con lo cual se tiene un difosfatidilglicerol (o cardiolipina) (Figura 17). Son especialmente abundantes en las membranas bacterianas y en la membrana interna mitocondrial. Otros compuestos pueden ser considerados como derivados de los fosfoglicerolípidos. Los fosfoglicerolípidos pueden perder uno de sus ácidos grasos, y dan lugar a un lisofosfoglicerolípido (también llamado lisolecitina) (Figura 18). Las lisolecitinas tienen actividad detergente, y destruyen con facilidad las estructuras de membrana. Lípidos 10 En algunos casos, los radicales grasos en posición sn-1 y sn-2 del glicerol no aparecen en forma de éster. Cuando los radicales grasos son aldehídos, forman con el glicerol enlaces del tipo 1-alquenil-éter, dando lugar a los llamados plasmalógenos (Figura 19). Los plasmalógenos son especialmente abundantes en las membranas del retículo sarcoplásmico. En otros casos, son alcoholes grasos los que se unen al glicerol mediante enlaces de tipo éter, dando lugar a los eterfosfátidos (Figura 20). Este tipo de derivados se encuentra en la membrana plasmática de bacterias termófilas y halófilas, y es extraordinariamente resistente a las reacciones de hidrólisis. ESFINGOLIPIDOS Están compuesto por un alcohol nitrogenado llamado esfingosina (Figura 21). La esfingosina aparece normalmente N-sustituída, formando un enlace amida con un ácido graso (que generalmente está insaturado). Esta N-acil esfingosina recibe el nombre de cerámido o ceramida (Figura 22). La esfingosina tiene una gran analogía estructural con un monoacilglicerol, ya que una larga cadena hidrofóbica de 15 carbonos está unida a un extremo polar con tres carbonos, con dos funciones hidroxilo y una función amina. El cerámido, asímismo, es análogo a un diacilglicerol, con dos largas cadenas hidrofóbicas y un residuo polar tricarbonado, que recuerda al glicerol. Los lípidos que contienen cerámidos se clasifican en dos grupos: los glicoesfingolípidos y los fosfoesfingolípidos. En los glicoesfingolípidos el cerámido está unido mediante un enlace β-glicosídico a un monosacárido o a un oligosacárido. En los fosfoesfingolípidos, el cerámido está esterificado con ácido fosfórico, que a su vez se une mediante enlaces ester a alcoholes nitrogenados (colina, etanolamina, etc.). GLICOESFINGOLIPIDOS Están formados por un cerámido unido por enlace β-glicosídico a un azúcar (monosacárido u oligosacárido). El cerámido suele contener ácidos grasos de cadena muy larga, como el lignocérico, el nervónico o cerebrónico. Los monosacáridos que aparecen en estos lípidos son glucosa, galactosa, L-fucosa, N-acetilglucosamina, Nacetilgalactosamina y ácido siálico. Se han descrito hasta 130 variedades distintas, y a menudo están implicados en funciones de reconocimiento en superficie (antígenos de grupos sanguíneos, receptores de bacterias y virus, marcadores tumorales, etc). Si el azúcar es un monosacárido, se trata de un cerebrósido (Figura 23). Los cerebrósidos más abundantes contienen glucosa o galactosa. Los hidroxilos glicídicos en posición 3 pueden aparecer esterificados con grupos sulfato, dando lugar a los sulfátidos o sulfolípidos. Por hidrólisis del enlace amida de los cerebrósidos se obtienen las psicosinas (β-esfingosilglicósidos). Si el cerámido está unido a un oligosacárido de entre 5 y 7 unidades, el compuesto resultante se llama globósido (Figura 23). Si el oligosacárido contiene ácido Lípidos 11 siálico, el glicoesfingolípido resultante recibe el nombre de gangliósido (Figura 23). Son moléculas heterogéneas y complejas, donde la fracción glicídica puede presentarse ramificada, y parecen estar implicados en la transmisión del impulso nervioso. Algunos gangliósidos son solubles en agua gracias a las propiedades de su fracción glicídica. FOSFOESFINGOLIPIDOS En muchas clasificaciones son encuadrados en el grupo de los fosfolípidos. Están formados por un cerámido (esfingosina unida a un ácido graso por medio de un enlace amida) esterificado con un grupo fosfato, que a su vez se esterifica con alcoholes nitrogenados (colina, etanolamina). Los más abundantes son los análogos estructurales de la fosfatidilcolina y de la fosfatidiletanolamina, que se llaman ceramidofosforilcolina y ceramidofosforiletanolamina (esfingomielinas) (Figura 23). Sus propiedades físicas y químicas son muy parecidas a las de los fosfoglicerolípidos correspondientes. Son particularmente abundantes en las vainas de mielina del tejido nervioso. B) LIPIDOS INSAPONIFICABLES Constituyen un grupo muy heterogéneo de biomoléculas, algunas de las cuales desempeñan funciones muy importantes en los seres vivos (hormonas esteroideas, vitaminas, cromóforos, etc). Muchos de estos lípidos son derivados por aposición varias unidades isoprénicas, y se sintetizan a partir de una unidad básica de 5 átomos de carbono: el isopreno. En este grupo de lípidos se incluyen: (1) los terpenos (retinoides, carotenoides, tocoferoles, naftoquinonas, dolicoles) y (2) los esteroides (esteroles, ácidos y sales biliares, hormonas esteroideas). Existen otros lípidos insaponificables que no están relacionados estructuralmente con el isopreno, y son (1) los hidrocarburos y (2) los lípidos pirrólicos. 1.- TERPENOS Suelen incluirse en este grupo moléculas formadas por condensación de unas pocas unidades de isoprenos. Químicamente, la mayoría son hidrocarburos, aunque algunos contienen funciones oxidadas. Muchas de estas moléculas son vitaminas liposolubles. Son frecuentes en los aceites esenciales de plantas. En este grupo se incluyen los retinoides (vitamina A), los carotenoides, los tocoferoles (vitamina E), las naftoquinonas (vitamina K) y los dolicoles. RETINOIDES (VITAMINA A) Lípidos 12 El retinol es un alcohol tetraprenoide, donde se distingue un anillo llamado βionona y una cadena lateral poliprenoide (Figura 24). También se llama vitamina A, y es indispensable para evitar transtornos como la ceguera nocturna (falta de acomodación visual a la oscuridad), la xeroftalmia (queratinización del epitelio de la conjuntiva del ojo) y la sequedad de los epitelios. El retinal y el ácido retinoico son derivados del retinol que además de poseer cierta actividad vitamínica están implicados en procesos como la visión y el control de la transcripción génica. CAROTENOIDES Son derivados octaprenoides que constituyen multitud de pigmentos vegetales, como el β-caroteno de la zanahoria o la cantaxantina del tomate. La luteína da su color característico amarillo al cuerpo lúteo del ovario. En los animales se almacenan en el panículo adiposo, con lo que la piel queda coloreada. El β-caroteno es un precursor del retinal, y por lo tanto también se le llama provitamina A (Figura 25). TOCOFEROLES (VITAMINA E) Son una familia de compuestos poliprenoides, cuya estructura consta de un sistema cíclico llamado cromano y una cadena poliprenoide saturada. Los distintos tocoferoles se caracterizan por los sustituyentes que aparecen en el anillo del cromano. En las ratas, previenen la esterilidad, y por eso se les llama vitamina E. Los tocoferoles son poderosos agentes antioxidantes, y previenen las reacciones de peroxidación de lípidos característica del fenómeno de enranciamiento. El enranciamiento está ligado a procesos como el envejecimiento o el tristemente famoso síndrome tóxico provocado por aceite de colza desnaturalizado. Uno de los tocoferoles más abundantes es el α-tocoferol (Figura 26). NAFTOQUINONAS (VITAMINA K) Los compuestos llamados quinonas aparecen con mucha frecuencia como cofactores en reacciones de oxidorreducción (ubiquinonas en mitocondrias y plastoquinonas en cloroplastos), ya que la reducción del anillo quinónico es reversible. Las naftoquinonas (vitamina K) tienen acción vitamínica, ya que son imprescindibles en el proceso de coagulación sanguínea (Figura 27). DOLICOLES Son compuestos poliprenoides no vitamínicos. Se trata de una familia de alcoholes isoprenoides de cadena muy larga (de 80 a 100 átomos de C). Normalmente aparece en forma del éster fosfórico dolicolfosfato, que interviene en la síntesis de los oligosacáridos que aparecen unidos a las glicoproteínas (Figura 28). Lípidos 13 2.- ESTEROIDES Son compuestos derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno (o esterano), un sistema de cuatro ciclos que se forma a partir del hidrocarburo escualeno (Figura 29). Los distintos esteroides se distinguen por (1) el grado de saturación del esterano, (2) la existencia de cadenas laterales diversas y (3) la existencia de grupos funcionales sustituyentes (hidroxilo, oxo o carbonilo). Se distinguen varios grupos de esteroides: los esteroles, los ácidos y sales biliares y las hormonas esteroideas. Para facilitar su nomenclatura, se considera que cada grupo deriva de un hipotético hidrocarburo saturado, con el número de átomos de carbono propio de cada serie. La numeración común a todos estos anillos es la que se detalla en la molécula de colesterol (Figura 30). ESTEROLES Son los más abundantes. Estructuralmente se consideran derivados del colestano (de 27 carbonos). Se caracterizan por tener (1) un grupo OH en posición β (por encima del plano del papel) en el C3, lo que les da cierto carácter anfipático y (2) una cadena lateral de 8 átomos de carbono en el C17 (Figura 31). Se presentan habitualmente en la membrana plasmática de todos los seres vivos (excepto las eubacterias), donde su función es la de regular la fluidez de la bicapa lipídica. El colesterol (Figura 30) está ampliamente distribuído entre los animales, y es un componente habitual de la membrana plasmática, donde contribuye a regular su fluidez. Con mucha frecuencia aparece esterificado a ácidos grasos, y es la forma en que normalmente se almacena o se transporta por la sangre. El colesterol es el precursor metabólico de otros esteroides como los calciferoles, las hormonas esteroideas y los ácidos biliares. Una vez sintetizado, el organismo animal es incapaz de romper el sistema de anillos, de modo que es excretado como tal. Por este motivo, al ser poco soluble, el colesterol tiende a precipitar en el endotelio de los vasos sanguíneos, dando lugar a la arterioesclerosis, una de las causas de mortalidad más frecuentes en los países desarrollados. Los esteroides más abundantes en las plantas superiores son el sitosterol y el estigmasterol, mientras que en levaduras y otros microorganismos eucariotas se encuentra el ergosterol. (Figura 32). Los calciferoles (vitaminas D) son esteroles implicados en la absorción de calcio por parte del intestino de los animales superiores (Figura 33). Su deficiencia provoca el raquitismo, una enfermedad donde está alterado el proceso normal de osificación. Son muy abundantes en el aceite de hígado de bacalao. ACIDOS Y SALES BILIARES Lípidos 14 Se consideran como derivados estructurales del colano, de 24 átomos de C, que se caracteriza por tener en el C17 una cadena alifática ramificada de 5 átomos de carbono (Figura 34). Son muy abundantes en la bilis. Los más característicos son el ácido cólico (Figura 35), el desoxicólico y el litocólico. Con gran frecuencia aparecen conjugados a los aminoácidos glicina y taurina. Así, el ácido cólico formará los ácidos taurocólico y glicocólico. Aunque parezca paradójico, las sales biliares no son las sales de los ácidos biliares, sino las sales sódicas o potásicas de los ácidos taurocólicos o glicocólicos (Figura 36). Las sales biliares son moléculas fuertemente anfipáticas que el organismo utiliza como emulsionantes de los lípidos que llegan al intestino, para favorecer su digestión y absorción. HORMONAS ESTEROIDEAS Son sustancias producidas por las glándulas endocrinas, que se distribuyen por el torrente sanguíneo y ejercen funciones de regulación metabólica en tejidos específicos. Se suelen distinguir 4 familias de hormonas esteroideas. Los estrógenos se consideran derivadas del estrano, de 18 átomos de carbono (no posee cadena alifática en el C17, y uno de los ciclos es aromático). Son hormonas propias de la primera mitad del ciclo sexual femenino. Un estrógeno típico es el estradiol (Figura 37). Los andrógenos se considran derivados del androstano, de 19 átomos de carbono (no posee cadena alifática en el C17). Son las hormonas sexuales masculinas. Un ejemplo es la testosterona (Figura 38). Los gestágenos derivan del pregnano, de 21 átomos de carbono (con una cadena lateral de 2 átomos de carbono en el C17). Son hormonas femeninas implicadas en el ciclo menstrual, y que adquieren especial importancia durante el embarazo. Un ejemplo es la progesterona (Figura 39). Los corticoides también derivan del pregnano, y difieren de los gestágenos porque tienen un hidroxilo en el C21. Son hormonas segregadas por la corteza suprarrenal. Un ejemplo es el cortisol (Figura 40), una hormona que afecta al metabolismo de los glícidos. 3.- HIDROCARBUROS Algunos hidrocarburos de cadena lineal o ramificada suelen estar presentes en vegetales y levaduras, formando mezclas complejas. Su papel fisiológico no está claro, aunque probablemente sean sustancias de reserva. Lípidos 15 4.- LIPIDOS PIRROLICOS Se distinguen compuestos mono y dipirrólicos (que apenas se encuentran libres porque son metabolitos intermedios) y compuestos tetrapirrólicos (de cadena abierta o cerrada). El anillo tetrapirrólico fundamental es la porfina (Figura 41), una estructura plana que posee numerosos dobles enlaces conjugados, que son los responsables de su espectro de absorción visible. El grupo más importante de compuestos tetrapirrólicos de cadena cerrada lo constituyen las porfirinas. Las porfirinas son porfinas sustituídas. De entre ellas hay que destacar la protoporfirina IX, a partir de la cual se origina un compuesto de coordinación con Fe, que se llama hemo. El hemo (Figura 42) es el grupo prostético de proteínas como la hemoglobina, mioglobina, catalasas y peroxidasas. La clorofila es una protoporfirina IX modificada y conjugada con Mg, y es el pigmento fotosintético responsable del color verde de las hojas de las plantas superiores (Figura 43). El anillo porfirínico se elimina en forma de compuestos tetrapirrólicos de cadena abierta como los pigmentos biliares (bilirrubina y biliverdina) (Figura 44). Las ficobilinas (ficocianobilina y ficoeritrobilina) son compuestos tetrapirrólicos de cadena abierta que actúan como pigmentos fotosintéticos (Figura 45). Lípidos 16
