Lípidos | Definición, Estructura, Funciones, Tipos y Datos

¿Qué es un lípido?

Los lípidos son una clase de compuestos orgánicos diversos, que incluyen grasas, aceites, hormonas y componentes de las membranas celulares. Se agrupan porque no son solubles en agua, y algunos tipos, como los triglicéridos, se almacenan en las células adiposas como reserva de energía y aislamiento térmico.

Otros, como las hormonas esteroides, actúan como mensajeros químicos entre células y tejidos. Los lípidos también juegan un papel fundamental en la estructura y función de las membranas celulares y orgánulos, que se componen de moléculas de fosfolípidos dispuestas en dos capas delgadas.

De hecho, la función compartimentadora de las membranas y los lípidos que las forman se cree que fue esencial para el origen de la vida.

El agua es esencial para la vida, ya que es el medio biológico en el que se encuentran los componentes moleculares de las células. La mayoría de las moléculas celulares, como proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos, son hidrofílicas y se disuelven en agua.

Sin embargo, los lípidos son hidrófobos y temen al agua. Algunos lípidos son anfipáticos, lo que significa que tienen una parte hidrofílica y otra hidrofóbica en su estructura. Estos lípidos se organizan en agregados moleculares ordenados con sus extremos hidrofílicos hacia el exterior y las partes hidrofóbicas en el interior, lo que es fundamental para su papel en las membranas celulares y los orgánulos.

A pesar de que los lípidos no son polímeros macromoleculares grandes como las proteínas o los ácidos nucleicos, muchos se forman mediante la unión de moléculas constituyentes pequeñas.

Estos bloques de construcción moleculares son homólogos en estructura, lo que permite clasificar los lípidos en grupos principales como ácidos grasos, derivados de ácidos grasos, colesterol y sus derivados, y lipoproteínas.

Estas moléculas tienen diversas funciones en el cuerpo, como el almacenamiento de energía, la comunicación intercelular y la estructura celular.

Ácidos grasos

En la naturaleza, los ácidos grasos no suelen encontrarse como moléculas aisladas, sino que se encuentran en muchas moléculas lipídicas complejas, como las grasas utilizadas para almacenar energía y los fosfolípidos que conforman las membranas celulares.

La estructura de los ácidos grasos y sus propiedades físicas y químicas son explicadas en esta sección. También se describe cómo los organismos vivos adquieren ácidos grasos, tanto de sus dietas como a través de la descomposición metabólica de las grasas almacenadas en el cuerpo.

Estructura de los ácidos grasos

La presencia de enlaces dobles en la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos los convierte en ácidos grasos insaturados, mientras que la ausencia de enlaces dobles los hace saturados. Los ácidos grasos insaturados pueden ser monoinsaturados, lo que significa que tienen un solo enlace doble, o poliinsaturados, lo que significa que tienen dos o más enlaces dobles en su cadena.

El grado de insaturación afecta las propiedades físicas y químicas de los ácidos grasos, como su punto de fusión y su solubilidad en agua. Los ácidos grasos insaturados tienden a tener un punto de fusión más bajo y son más solubles en agua que los ácidos grasos saturados debido a la presencia de enlaces dobles que permiten una mayor flexibilidad en la estructura de la molécula.

Los ácidos grasos se obtienen a través de la dieta o de la descomposición de los lípidos almacenados en el cuerpo. Los animales pueden sintetizar algunos ácidos grasos, pero no pueden producir todos los que necesitan y, por lo tanto, deben obtener algunos a través de la dieta.

Las plantas, por otro lado, pueden sintetizar todos los ácidos grasos que necesitan. La mayoría de los ácidos grasos se transportan unidos a proteínas transportadoras específicas en el torrente sanguíneo para su uso por parte de las células del cuerpo. La descomposición de los lípidos almacenados, conocida como lipólisis, libera ácidos grasos que se utilizan como fuente de energía por parte de las células

Ácidos grasos saturados

Los ácidos grasos saturados más simples consisten en cadenas lineales sin ramificaciones de grupos CH2 que están unidos por enlaces sencillos carbono-carbono y tienen un grupo ácido carboxílico terminal. La saturación se refiere al hecho de que cada carbono en la molécula está unido al máximo número posible de átomos de hidrógeno.

Muchos ácidos grasos saturados tienen nombres comunes y sistemáticos, los cuales se basan en la numeración de los átomos de carbono a partir del carbono ácido. Se pueden encontrar en la tabla los nombres y fuentes biológicas típicas de los ácidos grasos saturados más comunes.

Aunque las cadenas suelen tener una longitud de entre 12 y 24 carbonos, hay ácidos grasos más cortos que son bioquímicamente importantes, como el ácido butírico y el ácido caproico que se encuentran en la leche, así como los ácidos grasos con 8 y 10 carbonos que se encuentran en el aceite de palmiste, una fuente dietética importante de grasa en algunas regiones del mundo.

Ácidos grasos insaturados

Los ácidos grasos que contienen uno o más dobles enlaces carbono-carbono se denominan insaturados. La presencia de dobles enlaces significa que no se unen tantos átomos de hidrógeno a los carbonos en la molécula como sería posible.

Estos ácidos grasos se clasifican como monoinsaturados si tienen un doble enlace y como poliinsaturados si tienen dos o más. Un ejemplo de un ácido graso monoinsaturado es el ácido oleico. Los ácidos grasos monoinsaturados comunes y sus fuentes típicas se enumeran en una tabla.

El ácido palmitoleico se nombra sistemáticamente con el prefijo cis-9, lo que indica que el doble enlace se encuentra entre los carbonos 9 y 10. Todos los ácidos grasos insaturados biológicos tienen una configuración cis en la que los dos grupos CH 2 adyacentes al doble enlace se encuentran en el mismo lado de los carbonos unidos por el doble enlace. En contraste, en la configuración trans, los dos grupos CH 2 se encuentran en lados opuestos del doble enlace.

Los ácidos grasos poliinsaturados, que contienen más de un doble enlace carbono-carbono, se encuentran en cantidades relativamente pequeñas. Estos dobles enlaces múltiples están casi siempre separados por un grupo CH 2 (―CH 2 ―CH=CH―CH 2 ―CH=CH―CH 2 ―), un patrón de espaciado regular que es el resultado del proceso biosintético por el cual se introducen los dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada. 

De particular interés es el ácido araquidónico (C 20 ), que es el precursor de una familia de moléculas conocidas como eicosanoides (del griego eikosi, que significa “veinte”), que incluyen prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos.

Estas moléculas, producidas por las células bajo ciertas condiciones, tienen propiedades fisiológicas poderosas, como se explica en la sección sobre mensajeros intracelulares y extracelulares.

Los animales no pueden sintetizar dos ácidos grasos importantes, el ácido linoleico (un ácido graso omega-6) y el ácido alfa-linolénico (un ácido graso omega-3), que son los precursores de los eicosanoides y, por lo tanto, deben obtenerlos de fuentes vegetales en su dieta. Es por esta razón que estos precursores se denominan ácidos grasos esenciales.

Se sabe que los mamíferos no producen ácidos grasos poliinsaturados trans de manera biosintética, pero estos pueden ser producidos por microorganismos en el intestino de animales rumiantes como vacas y cabras. Además, las grasas trans también se producen sintéticamente por hidrogenación parcial de grasas y aceites durante la fabricación de margarina y otros productos similares.

Sin embargo, se ha descubierto que la ingestión de grasas trans puede tener efectos metabólicos negativos en el cuerpo humano. Por lo tanto, se recomienda limitar la ingesta de grasas trans tanto como sea posible para mantener una dieta saludable.

Grupos sustituyentes

Además de los ácidos grasos comunes con cadenas hidrocarbonadas lineales saturadas o insaturadas, existen muchos ácidos grasos que son químicamente modificados con sustituyentes. Por ejemplo, los patos secretan un ácido graso con una cadena de 10 carbonos y grupos metilo (CH3) en los carbonos 2, 4, 6 y 8.

Algunas bacterias producen ácidos grasos con un grupo metilo en el carbono más alejado del grupo ácido o en el penúltimo carbono, mientras que otras incorporan un anillo de ciclopropano en la cadena de acilo. La bacteria responsable de la tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis, produce una familia de ácidos grasos que contienen ciclopropano llamados ácidos α-micólicos.

Los ácidos grasos con un grupo hidroxilo (OH) son comunes en bacterias y se encuentran en cantidades pequeñas tanto en plantas como en animales.

Propiedades físicas de los ácidos grasos

Los ácidos grasos puros forman cristales que consisten en capas apiladas de moléculas, con cada capa del grosor de dos moléculas extendidas. En una capa, las cadenas hidrofóbicas de hidrocarburos se sitúan en el interior y los grupos hidrofílicos de ácido carboxílico en las dos caras.

Sin embargo, para un ácido graso específico, los detalles del empaquetamiento molecular pueden variar, dando lugar a diferentes formas cristalinas conocidas como polimorfos.

En comparación con los ácidos grasos saturados, las moléculas monoinsaturadas y poliinsaturadas tienen temperaturas de fusión más bajas debido a la presencia de dobles enlaces carbono-carbono en sus cadenas hidrocarbonadas, que se encuentran cerca del centro de la cadena. En consecuencia, estas moléculas forman líquidos viscosos a temperatura ambiente.

A pesar de que el grupo ácido carboxílico es hidrofílico, el carácter hidrófobo de la cadena hidrocarbonada de la mayoría de los ácidos grasos biológicos hace que su solubilidad en agua sea muy baja. La solubilidad en agua disminuye exponencialmente con la adición de cada átomo de carbono a la cadena hidrocarbonada, lo que refleja la energía requerida para transferir la molécula de un solvente de hidrocarburo puro al agua.

Con cada grupo CH2 adicional, se requiere más energía para ordenar las moléculas de agua alrededor de la cadena hidrocarbonada del ácido graso, lo que resulta en un efecto hidrofóbico.

Propiedades químicas de los ácidos grasos

El grupo carboxilo (COOH) presente en los ácidos grasos es la parte más reactiva desde un punto de vista químico. Cuando reacciona con alcoholes (R′OH), forma ésteres (RCOOR′) y libera agua. Este enlace éster es el principal enlace covalente que une los restos de ácidos grasos con otros grupos en lípidos más complejos.

En contraste, los enlaces éter (R′―O―R) son menos comunes en los lípidos biológicos que contienen ácidos grasos y son más estables que los enlaces éster.

En general, la porción de hidrocarburo de una molécula de ácido graso es resistente a la reactividad química, excepto en presencia de dobles enlaces carbono-carbono. Estos dobles enlaces pueden reaccionar con diferentes tipos de moléculas, como el gas hidrógeno y los halógenos, para formar ácidos grasos saturados.

Además, pueden reaccionar con el oxígeno en procesos no enzimáticos o en reacciones de oxidación catalizadas enzimáticamente, produciendo una variedad de productos que pueden contribuir al olor rancio en productos cárnicos y vegetales en mal estado. En general, los ácidos grasos más insaturados son más propensos a la oxidación.

Fuentes biológicas

Los ácidos grasos pueden ser adquiridos a través de la dieta, ya sea como ácidos grasos libres o como componentes de lípidos de origen animal o vegetal. Además, el cuerpo humano es capaz de sintetizar ácidos grasos a partir de precursores metabólicos, como el ácido acético y el ácido butírico, en un proceso conocido como lipogénesis.

Los ácidos grasos también pueden ser degradados a través de la beta-oxidación en la mitocondria, liberando energía para la producción de ATP. La regulación cuidadosa de la síntesis y degradación de los ácidos grasos es crucial para el mantenimiento de un equilibrio energético adecuado en el cuerpo y para la prevención de enfermedades relacionadas con el metabolismo de los lípidos.

Digestión de los ácidos grasos

Los triglicéridos, conocidos como grasas, son la principal fuente de ácidos grasos en la dieta. En humanos, pueden representar hasta el 45% de la ingesta energética en algunos países. Estos compuestos están formados por tres moléculas de ácidos grasos unidas por un enlace éster a una molécula de glicerol.

Después de pasar por el estómago y llegar al intestino delgado, el hígado secreta sales biliares para dispersar las grasas en micelas. Las lipasas pancreáticas hidrolizan las grasas para obtener monoglicéridos y ácidos grasos libres, que se absorben en las células del intestino delgado.

Estos compuestos se vuelven a sintetizar en triglicéridos y se secretan en lipoproteínas, que se transportan a los órganos receptores a través de la linfa y la sangre. El proceso de absorción de las grasas varía según la especie animal y es bastante complejo.

Almacenamiento de los ácidos grasos

Los triglicéridos transportados en la circulación son hidrolizados nuevamente a ácidos grasos en el tejido adiposo, donde son almacenados como gotitas. El tejido adiposo está compuesto principalmente de células que contienen estas gotitas de grasa.

Los triglicéridos almacenados en estas gotitas están disponibles para el cuerpo según sea necesario, lo que es comunicado por mensajeros hormonales al tejido adiposo. Los animales almacenan triglicéridos de diferentes maneras, como en el hígado de los tiburones o alrededor de las fibras musculares en los peces óseos.

Los insectos almacenan grasa en un órgano llamado cuerpo graso, mientras que solo los animales superiores tienen verdadero tejido adiposo desarrollado.

Biosíntesis 

Los mamíferos tienen la capacidad de sintetizar ácidos grasos a partir de la glucosa en un proceso complejo que ocurre en las células adiposas y hepáticas. Este proceso implica la oxidación de los seis carbonos de una molécula de glucosa en dos fragmentos de ácido carboxílico de dos carbonos, conocidos como acetato.

La biosíntesis comienza con la unión de un grupo acetato a una molécula de CoA, seguida de la adición secuencial de fragmentos de dos carbonos del acetato de CoA para generar un ácido graso saturado de 16 carbonos como el palmitato.

La enzima responsable de catalizar este proceso es la ácido graso sintasa. Posteriormente, otros sistemas enzimáticos alargan la cadena de carbono y añaden dobles enlaces carbono-carbono. Este proceso es similar en todos los organismos, desde bacterias hasta humanos.

Derivados de ácidos grasos

Triglicéridos 

Estructura

Los triglicéridos son compuestos que se utilizan como principal forma de almacenamiento de ácidos grasos en los sistemas biológicos. Consisten en glicerol, que es un alcohol trihidroxilado de tres carbonos, unido a un ácido graso por un enlace éster en cada uno de sus tres grupos OH.

Un ejemplo de triglicérido es la triestearina, que es un triglicérido simple porque contiene solo un tipo de ácido graso. Sin embargo, la mayoría de los triglicéridos naturales contienen más de un tipo de ácido graso, lo que los hace triglicéridos mixtos.

Hay tres moléculas posibles para cualquier combinación específica de tres ácidos grasos, dependiendo de cuál de los tres ácidos grasos está unido al carbono central del glicerol. Con la gran cantidad de ácidos grasos comunes saturados, monoinsaturados y poliinsaturados, se puede observar que existen numerosos tipos diferentes de triglicéridos.

Propiedades físicas 

Los triglicéridos son lípidos neutros y no tienen cargas eléctricas, lo que los hace hidrofóbicos y solubles solo en algunos solventes orgánicos.

En la estructura molecular de algunos triglicéridos, las cadenas de acilo en los carbonos 1 y 2 del glicerol se extienden en una línea recta, mientras que el carbono 3 se pliega en un ángulo recto y su cadena de acilo se coloca junto a la cadena de acilo en el carbono 1. Cuando se juntan, las moléculas de triglicéridos forman cristales en capas que se parecen a un diapasón.

Las temperaturas de fusión de los triglicéridos mixtos son un promedio de las temperaturas de fusión de sus ácidos grasos constituyentes. En los triglicéridos simples, las temperaturas de fusión aumentan a medida que se alarga la cadena de acilo, pero disminuyen al aumentar el número de dobles enlaces.

Los triglicéridos fundidos son aceites viscosos y fluidos que deben mantener su fluidez a la temperatura corporal para permitir su rápida movilización como fuente de energía y para que las grasas almacenadas subcutáneas no interfieran con la movilidad del organismo y sus partes.

Ceras

Otro grupo importante de lípidos neutros son las ceras, que se componen de un ácido graso de cadena larga unido a través de un éster de oxígeno a un alcohol de cadena larga. A diferencia de los triglicéridos, las ceras son completamente insolubles en agua y generalmente sólidas a temperaturas biológicas.

Debido a su naturaleza hidrofóbica, las ceras funcionan como repelentes de agua en las hojas de algunas plantas, en las plumas y cutículas de ciertos insectos. Además, sirven como sustancias de almacenamiento de energía en el plancton y en los miembros superiores de la cadena alimentaria acuática.

La biosíntesis de ceras en el plancton se utiliza para ajustar su densidad flotante y, por lo tanto, su profundidad en el océano. Las ceras también son almacenadas en grandes cantidades por ballenas y muchos peces. Se ha sugerido que la deposición de plancton muerto rico en cera durante largos períodos de tiempo es una fuente importante de petróleo que se encuentra en los sedimentos de aguas profundas.

Lípidos de membrana biológica 

La matriz bicapa de las membranas biológicas está compuesta principalmente por tres clases de lípidos: glicerofosfolípidos, esfingolípidos y esteroles, con el colesterol siendo el esteroide más común. La característica más importante de estas moléculas es su estructura anfipática, la cual se compone de regiones hidrofílicas y hidrofóbicas que están claramente separadas.

Estas moléculas anfipáticas, generalmente con forma alargada, tienen una cabeza hidrofílica o extremo polar, unidos a un resto hidrofóbico por una región intermedia corta de polaridad intermedia. Debido a esta segregación de polaridad y no polaridad, las moléculas anfipáticas se agregan espontáneamente en cualquier solvente, minimizando los contactos energéticamente desfavorables y maximizando los contactos favorables con el solvente. La disposición de estos agregados depende del solvente y de los detalles de la estructura anfipática del lípido.

En el agua, se pueden observar agregados como las micelas formadas por jabones, que son sales de sodio o potasio de los ácidos grasos. Estas micelas están compuestas por una porción hidrófila, que forma la superficie, y una porción hidrofóbica, que se encuentra en el interior de la micela, protegida del agua, como se detalla en la sección de Propiedades físicas de los ácidos grasos.

A diferencia de las micelas, los lípidos presentes en la membrana biológica no adoptan una estructura esférica en el agua, sino que forman estructuras laminares cerradas. Estas estructuras están compuestas por las cabezas polares de las moléculas en las dos caras de la lámina y los restos hidrofóbicos en su interior. Cada laminilla tiene dos moléculas de espesor, y las moléculas componentes se ubican de forma perpendicular al plano de la bicapa.

Existen otros tipos de agregados que pueden ser formados por ciertos lípidos anfipáticos en el agua. Uno de ellos son los liposomas, que son estructuras artificiales compuestas por lípidos organizados en una bicapa, presentando una superficie exterior e interior.

La bicapa lipídica de los liposomas forma una esfera que puede contener moléculas en su interior, lo que los hace útiles como vehículos para proteger moléculas sensibles que se administran por vía oral, por ejemplo.

Glicerofosfolípidos

Los lípidos más frecuentes en las membranas biológicas son los glicerofosfolípidos. En esta clase de lípidos, los ácidos grasos se unen mediante un éster de oxígeno a los carbonos 1 y 2 del glicerol, que es la columna vertebral de la molécula.

El fosfato se une mediante un éster al carbono 3, mientras que cualquier sustituyente posible puede estar unido al resto del fosfato. Los glicerofosfolípidos son moléculas anfipáticas, ya que el glicerol y el fosfato conforman el extremo polar, mientras que las cadenas de hidrocarburos conforman el extremo no polar.

Aunque los ácidos grasos pueden ser de cualquier tipo común en los sistemas biológicos, los que se unen al carbono 1 suelen ser saturados y los que se unen al carbono 2 suelen ser insaturados. Diferentes combinaciones de dos ácidos grasos dan lugar a numerosas moléculas distintas que tienen el mismo grupo sustituyente. Debido a esto, existen alrededor de mil tipos de glicerofosfolípidos posibles. La mayoría se encuentra en las membranas biológicas

En cuanto a las propiedades físicas, las moléculas difieren principalmente en su grupo sustituyente, debido a diferencias en tamaño y carga eléctrica. Por ejemplo, las fosfatidilcolinas y fosfatidiletanolaminas son zwitteriónicas, con una carga positiva y una negativa en el grupo sustituyente, mientras que el ácido fosfatídico, la fosfatidilserina y el fosfatidilinositol tienen una carga neta negativa.

Además, las propiedades físicas también varían entre moléculas con el mismo grupo sustituyente debido a las diferencias en la composición de los ácidos grasos. En presencia de agua en exceso, estas moléculas pueden formar agregados con diferentes geometrías, siendo la bicapa la más común.

En las bicapas lipídicas, la estructura y el comportamiento dependen del estado físico de las moléculas que las componen. Los glicerofosfolípidos y la esfingomielina, por ejemplo, pueden estar en un estado sólido-gel o líquido-cristalino.

En el estado sólido-gel, las moléculas lipídicas están organizadas en una red bidimensional con sus cadenas de acilo extendidas. Sin embargo, al aumentar la temperatura, la bicapa cambia al estado líquido-cristalino, donde las moléculas están en una red bidimensional más fluida y las cadenas de acilo experimentan un movimiento más dinámico. Este estado líquido-cristalino es característico de las bicapas en las membranas biológicas y es esencial para su función.

Esfingolípidos

Los esfingolípidos son otra clase importante de lípidos que se encuentran comúnmente en las membranas celulares. Estos lípidos están basados en un alcohol de amina de 18 carbonos llamado esfingosina, aunque también existe una variante de 20 carbonos llamada fitoesfingosina en menor cantidad.

A excepción de la esfingomielina, que contiene un grupo de fosforilcolina en lugar de un azúcar, todos los demás miembros de esta clase tienen un azúcar simple o complejo unido al carbono 1 del alcohol. Además del azúcar, todos los esfingolípidos tienen un ácido graso unido al grupo amino de la esfingosina. Aunque la esfingomielina es el único esfingolípido fosfolipídico, es un componente importante de las membranas biológicas.

Las propiedades físicas de los esfingolípidos están determinadas principalmente por el grupo sustituyente unido al carbono 1 de la esfingosina, mientras que las variaciones menores en las propiedades dependen del ácido graso presente.

Los glucoesfingolípidos, que tienen un azúcar unido al carbono 1 de la esfingosina, exhiben propiedades físicas que dependen principalmente de la complejidad y composición de este sustituyente. Dentro de los glicoesfingolípidos, hay dos tipos genéricos: los neutros, que contienen solo azúcares neutros, y los gangliósidos, que incluyen uno o más residuos de ácido siálico en el azúcar.

Se han descubierto cientos de diferentes tipos de glicoesfingolípidos, y es posible que existan aún más tipos desconocidos. Los glicoesfingolípidos se encuentran exclusivamente en la superficie externa de la membrana celular, donde sus fracciones de azúcar actúan como antígenos y receptores para moléculas de señalización y hormonas.

Colesterol y sus derivados

El colesterol es una molécula biológica que ha sido ampliamente estudiada debido a su importancia médica. La correlación entre niveles altos de colesterol en sangre y enfermedades como ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares lo convierte en un tema de gran interés científico.

El colesterol pertenece a una clase de lípidos llamados isoprenoides, que se forman a partir de la condensación de una molécula simple de cinco carbonos llamada isopreno. Los isoprenoides incluyen una amplia variedad de moléculas biológicas, como hormonas esteroides, esteroles, ácidos biliares, vitaminas liposolubles y otros compuestos esenciales.

Estos isoprenoides juegan papeles clave en muchos procesos biológicos, desde la fotosíntesis hasta la regulación del crecimiento y desarrollo en plantas e insectos.

Estructura y propiedades

Los esteroles, que son componentes esenciales de las membranas biológicas de los organismos eucariotas, son menos comunes en los organismos procariotas. En los animales, el esterol principal es el colesterol, mientras que en los hongos es el ergosterol y en las plantas es el sitosterol.

La característica distintiva de estas moléculas es la presencia de cuatro anillos de carbono fusionados de manera rígida que forman el núcleo esteroideo y un grupo hidroxilo (OH) unido al primer anillo. La estructura y ubicación de los dobles enlaces de carbono-carbono y la cadena lateral hidrocarbonada en el cuarto anillo diferencian una molécula de esterol de otra.

Debido a su hidrofobicidad, el colesterol y sus análogos presentan una solubilidad muy baja en agua. Aunque el grupo hidroxilo (OH) confiere cierta hidrofilicidad, no tiene un gran impacto en su hidrofobicidad general. A pesar de esto, el colesterol es capaz de insertarse en las bicapas de fosfolípidos de las membranas biológicas, gracias a su estructura rígida de anillos fusionados.

El grupo OH se posiciona en la interfaz entre el agua y la membrana, mientras que el resto de la molécula se inserta en la bicapa, aumentando su rigidez y protegiéndola de posibles rupturas mecánicas. Por esta razón, el colesterol es un componente esencial de las membranas celulares, pudiendo llegar a representar hasta un 50% de su peso.

Biosíntesis del colesterol

La síntesis del colesterol se realiza en cuatro etapas. En la primera, se produce el ácido mevalónico, un compuesto de seis carbonos, a partir de tres moléculas de acetato de dos carbonos derivadas de la oxidación de moléculas de combustible, como la glucosa.

Este proceso utiliza el mismo bloque de construcción inicial que se usa para la biosíntesis de los ácidos grasos biológicos. En la segunda etapa, el mevalonato se convierte en una molécula de cinco carbonos llamada pirofosfato de isopentenilo mediante cuatro reacciones.

En la tercera etapa, se requiere la condensación de seis moléculas de pirofosfato de isopentenilo para producir el escualeno, un compuesto de 30 carbonos. Finalmente, en la cuarta etapa, el escualeno se transforma en el colesterol de 27 carbonos mediante una secuencia compleja de reacciones que implican la formación de anillos.

Derivados biosintéticos 

Dos clases de moléculas importantes, los ácidos biliares y las hormonas esteroides, se derivan del colesterol en los vertebrados. Estos derivados se describen a continuación.

Ácidos biliares

Los ácidos biliares y sus sales son sustancias que actúan como detergentes en la emulsificación de grasas durante la digestión intestinal. Se sintetizan en el hígado a partir del colesterol a través de una serie de reacciones en las que se introduce un grupo hidroxilo en los anillos B y C, y se acorta la cadena lateral acilo del anillo D a siete carbonos, con el carbono terminal sustituido por un grupo carboxilo.

Estos ácidos biliares, como el ácido cólico y el ácido quenodesoxicólico, se encuentran comúnmente en forma de sales en las que los aminoácidos taurina y glicina se unen químicamente a la cadena lateral. Estos detergentes se secretan desde el hígado a la vesícula biliar y luego se liberan al intestino delgado para realizar su función emulsionante en la digestión de grasas.

Después de su acción, son reabsorbidos en el intestino y recirculados en un proceso cíclico llamado circulación enterohepática. La mayoría de los ácidos biliares son reutilizados, mientras que una pequeña fracción se pierde en las heces y constituye la principal ruta de excreción del colesterol.

Hormonas esteroides

Aunque consumen solo una fracción pequeña del colesterol disponible en el cuerpo, las hormonas esteroides desempeñan una función fisiológica muy importante (ver Funciones biológicas de los lípidos más abajo).

Hay cinco clases principales de hormonas esteroides, todas derivadas del colesterol: progestágenos (que son activos durante el embarazo), glucocorticoides (que promueven la síntesis de glucosa y suprimen las reacciones inflamatorias), mineralocorticoides (que regulan el equilibrio iónico), estrógenos (que promueven las características sexuales femeninas) y andrógenos (que promueven las características sexuales masculinas).

Con la excepción de la progesterona, todas estas moléculas biológicamente activas estrechamente relacionadas tienen una cadena lateral acortada en el anillo D y, en algunos casos, un grupo OH oxidado en el anillo A. Las moléculas individuales se sintetizan a pedido por la placenta durante el embarazo, por la corteza suprarrenal y por las gónadas.

Regulación del metabolismo del colesterol

El colesterol elevado en la sangre se ha identificado como un factor de riesgo importante para las enfermedades cardiovasculares. Por lo tanto, se han llevado a cabo numerosas investigaciones sobre cómo controlar la biosíntesis, transporte y almacenamiento del colesterol en el cuerpo. Los niveles de colesterol en el cuerpo son el resultado de un equilibrio entre la ingesta dietética y la producción celular, y la eliminación del colesterol del cuerpo en forma de productos metabólicos, como los ácidos biliares.

En individuos normales, un aumento en la ingesta dietética de colesterol se asocia con una disminución en la absorción intestinal y un aumento en la síntesis y excreción de ácidos biliares, que representan la mayoría de la pérdida de colesterol del cuerpo. Aunque se sabe poco sobre los detalles moleculares de estos procesos de control.

La regulación de la biosíntesis del colesterol en el hígado y otras células del cuerpo se comprende mejor ahora. La enzima que inicia la formación de mevalonato en la primera etapa de la biosíntesis está controlada por dos procesos: la inhibición de la síntesis de esta enzima por el propio colesterol o un derivado de este y la regulación de la actividad catalítica de la enzima por fosforilación/desfosforilación en respuesta a señales intracelulares.

Además, varios agentes farmacológicos también pueden inhibir la enzima, lo que resulta en una reducción temporal de los niveles de colesterol no saludables.

Transporte y almacenamiento del colesterol

El colesterol es un compuesto lipídico que se encuentra en el cuerpo humano en una cantidad promedio de 100 gramos. Sin embargo, este número puede variar significativamente entre individuos sanos. La mayor parte de este colesterol, alrededor de 60 gramos, se mueve a través del cuerpo de manera dinámica.

Dado que el colesterol es insoluble en agua, que es la base de los fluidos corporales, requiere de lipoproteínas para ser transportado a través del sistema circulatorio. Estas partículas transportadoras de la sangre son complejos microscópicos (como se describe en la sección de Lipoproteínas), que están compuestos de proteínas y lípidos, y que pueden acomodar al colesterol y mantener su solubilidad en la sangre.

Después de su absorción en las células intestinales, el colesterol se une a complejos de lipoproteínas llamados quilomicrones y se secreta en la circulación linfática. Luego, la linfa ingresa al torrente sanguíneo y las lipoproteínas se transportan al hígado.

Tanto el colesterol derivado de la dieta como el sintetizado por el hígado se transportan en la sangre en lipoproteínas (VLDL y LDL) hacia los tejidos y órganos del cuerpo. Una vez allí, el colesterol se incorpora a las membranas biológicas o se almacena como ésteres de colesterilo, que son aún más hidrofóbicos que el colesterol en sí. En las células, los ésteres de colesterol se fusionan en gotas similares a las gotas de grasa presentes en las células adiposas.

El colesterol presente en los tejidos periféricos puede ser eliminado gracias a la acción de las lipoproteínas de alta densidad (HDL) en la sangre. Estas lipoproteínas pueden recoger el exceso de colesterol de las células y llevarlo de vuelta al hígado para su eliminación.

Una vez en el hígado, el colesterol se metaboliza en ácidos biliares y sales biliares, que son secretados en la bilis y excretados en las heces. Esta es una forma importante en que el cuerpo controla los niveles de colesterol en la sangre y protege contra enfermedades del corazón.

Lipoproteínas 

Los complejos lipoproteínicos son esenciales para el transporte de lípidos en todo el cuerpo a través del sistema circulatorio. Estos complejos se componen de una capa exterior de proteínas y lípidos anfipáticos que rodea una gota de aceite formada por triglicéridos y ésteres de colesterilo, estructura similar a la de una micela.

Si la concentración de una u otra lipoproteína aumenta en exceso, una fracción del complejo se vuelve insoluble y se acumula en las paredes arteriales y capilares, dando lugar a la aterosclerosis y aumentando el riesgo de enfermedades graves como infarto de miocardio o accidente cerebrovascular.

Debido a la importancia de estas complejas estructuras, se ha dedicado mucha investigación a su estudio, enfocándose en las lipoproteínas humanas. Por lo tanto, en la siguiente discusión, se enfatizará en su estructura y función.

Clasificación y formación 

Existen cuatro clases principales de lipoproteínas circulantes en el organismo humano, cada una con una composición característica de proteínas y lípidos: quilomicrones, lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL), lipoproteínas de baja densidad (LDL) y lipoproteínas de alta densidad (HDL).

Aunque los componentes moleculares de cada clase no están unidos químicamente entre sí, se asocian de tal manera que minimizan los contactos hidrofóbicos con el agua. La cantidad relativa de lípidos y proteínas es la característica más distintiva de cada clase, lo que se refleja en su densidad, ya que las moléculas de lípidos son menos densas que las proteínas.

Debido a que la densidad es fácil de medir, se utiliza como base operativa para definir las clases de lipoproteínas. Además, la medición de la densidad es importante para separar y purificar las lipoproteínas del plasma con fines de estudio y diagnóstico.

Los principales componentes lipídicos presentes en las lipoproteínas son los triglicéridos, el colesterol, los ésteres de colesterilo y los fosfolípidos. Los componentes hidrófobos de la partícula consisten en los triglicéridos y los ésteres de colesterilo, los cuales tienen cadenas de ácidos grasos insaturados y forman una estructura líquida a la temperatura corporal.

Por otro lado, las apoproteínas son los nueve componentes proteicos diferentes presentes en las clases de lipoproteínas, y son anfipáticas, lo que les permite interactuar favorablemente tanto con los lípidos como con el agua.

Con la excepción de las lipoproteínas de baja densidad (LDL), que contiene solo un tipo de apoproteína, todas las clases de lipoproteínas tienen múltiples componentes de apoproteína. Para más detalles sobre las apoproteínas de cada clase, se puede consultar la tabla correspondiente.

Funciones biológicas de los lípidos

La mayoría de los lípidos en los sistemas biológicos tienen dos funciones principales: almacenar energía metabólica y actuar como componentes estructurales y de permeabilidad en las membranas biológicas. Sin embargo, ciertos lípidos especializados tienen una función adicional como mensajeros hormonales y feromonas intracelulares y extracelulares.

Se cree que los lípidos anfipáticos, que permiten que las membranas formen compartimentos, pueden haber sido uno de los precursores de la vida. Esto se apoya en estudios de organismos unicelulares simples que muestran que un tercio de su genoma codifica para proteínas de membrana y enzimas de biosíntesis de lípidos de membrana.

Fuente de energía 

En animales superiores, tanto los ácidos grasos almacenados en el tejido adiposo como la glucosa, un carbohidrato simple de seis carbonos, son fuentes importantes de energía. Sin embargo, en humanos sanos y bien alimentados, solo alrededor del 2 por ciento de la energía se deriva del metabolismo de las proteínas.

Los lípidos se almacenan en grandes cantidades en el tejido adiposo, representando aproximadamente el 25 por ciento del peso corporal en el varón promedio en los Estados Unidos, en comparación con solo el 1 por ciento correspondiente al glucógeno. Además, el metabolismo oxidativo de 1 gramo de triglicéridos produce más del doble de energía que la oxidación de un peso igual de carbohidrato como el glucógeno.

Almacenamiento de triglicéridos en células adiposas

El tejido adiposo, compuesto por adipocitos, es una parte importante del cuerpo humano y se encuentra ampliamente distribuido en todo el cuerpo, incluyendo debajo de la piel, alrededor de los vasos sanguíneos y en la cavidad abdominal.

En los peces óseos, el tejido adiposo se distribuye principalmente entre las fibras musculares, mientras que en los tiburones y otros peces cartilaginosos se almacena en el hígado. La acumulación de grasa en el tejido adiposo proviene de la dieta, en la que los excesos de grasas y carbohidratos se almacenan como triglicéridos. Sin embargo, solo una pequeña cantidad de carbohidratos en exceso se convierte en triglicéridos.

A diferencia de la conversión de exceso de carbohidratos a grasas, la conversión inversa no es posible. En los seres humanos, la ingesta excesiva de alimentos puede hacer que el tejido adiposo sea la mayor masa del cuerpo.

Los triglicéridos en exceso son transportados al tejido adiposo a través de lipoproteínas en la sangre y allí, la enzima lipoproteína lipasa hidroliza los triglicéridos a ácidos grasos libres y glicerol en la superficie externa de las células adiposas.

La enzima es activada por la apoproteína C-II y por la insulina presente en la sangre después de la ingesta de alimentos. Los ácidos grasos libres son entonces absorbidos por las células adiposas y se vuelven a sintetizar en triglicéridos que se acumulan en una gota de grasa en cada célula.

Movilización de ácidos grasos

Cuando el cuerpo necesita energía, en momentos de estrés, los ácidos grasos almacenados en las células adiposas se liberan y se movilizan. Este proceso comienza cuando las hormonas glucagón y adrenalina aumentan en la sangre y se unen a receptores específicos en las células adiposas.

Esto desencadena una serie de reacciones en la célula que resulta en la activación de una lipasa que hidroliza los triglicéridos en la gota de grasa para producir ácidos grasos libres. Los ácidos grasos se liberan al torrente sanguíneo y son transportados por una proteína llamada albúmina sérica.

Luego, son entregados al músculo esquelético y cardíaco, así como al hígado. En el tejido muscular, los ácidos grasos son absorbidos por las células y oxidados para producir energía en forma de CO2 y agua. Aunque no está claro si se necesita un mecanismo de transporte especial para permitir que los ácidos grasos libres entren en las células desde la circulación.

Los ácidos grasos también son absorbidos por el hígado en grandes cantidades y se utilizan de diversas maneras. Parte de ellos se convierten en triglicéridos y se transportan en lipoproteínas VLDL a otros tejidos, incluyendo el músculo.

Además, una fracción de los ácidos grasos se convierte en pequeñas moléculas de cetona, que se exportan a través de la circulación hacia los tejidos periféricos, donde se metabolizan para producir energía. Este proceso se conoce como cetogénesis y ocurre principalmente en el hígado en momentos de restricción de carbohidratos o cuando se requiere una fuente alternativa de energía, como durante el ayuno prolongado o en pacientes con diabetes no controlada.

Oxidación de ácidos grasos

Dentro de la célula muscular, los ácidos grasos libres se esterifican en una molécula llamada coenzima A o CoA. Esta esterificación conduce a la oxidación de los tioésteres de ácidos grasos-CoA en cuerpos vesiculares llamados mitocondrias.

Las mitocondrias son estructuras membranosas con un diámetro de 0,5 a 10 m, que difieren en tamaño y forma según el tipo de célula en la que se encuentran. Estas están rodeadas por un sistema de doble membrana que encierra un espacio interior llamado matriz, donde se encuentran las enzimas necesarias para convertir los tioésteres de ácidos grasos-CoA en CO2, agua y trifosfato de adenosina (ATP), la molécula de energía utilizada por los sistemas vivos. El proceso consta de cuatro pasos secuenciales.

Primer paso

El primer paso del proceso de oxidación de ácidos grasos en la mitocondria es el transporte del ácido graso a través de la membrana interna mitocondrial. A diferencia de la membrana externa, la membrana interna es impermeable a los tioésteres de CoA y requiere un sistema de transporte para pasar.

En este sistema, una enzima cataliza la transferencia del ácido graso de CoA a la carnitina en el lado citoplásmico de la membrana. Luego, una proteína transferasa ubicada en la membrana transporta el éster de carnitina a través de la membrana, y una segunda enzima cataliza la transferencia del ácido graso de la carnitina a la CoA en el lado de la matriz mitocondrial.

Este proceso no genera ni consume energía, aunque se requiere energía para la formación inicial del tioéster de ácido graso-CoA en el citoplasma. La carnitina se reutiliza para el siguiente transporte.

Segundo paso

En el segundo paso del proceso, se realiza la oxidación del ácido graso en una serie de fragmentos de acetato de dos carbonos unidos a CoA en un proceso llamado β-oxidación. Esta serie de reacciones se lleva a cabo en la matriz de la mitocondria.

En general, los ácidos grasos biológicos tienen un número par de carbonos, lo que significa que la cantidad de fragmentos de acetil-CoA derivados de un ácido graso específico es igual a la mitad del número de carbonos en la cadena de acilo. Por ejemplo, el ácido palmítico (C 16 ) produce ocho tioésteres de acetil-CoA. Sin embargo, en el caso de ácidos grasos raros no ramificados con un número impar de carbonos, se produce un éster de CoA de tres carbonos junto con los tioésteres de acetil-CoA de dos carbonos.

Luego, la energía en los sucesivos pasos de oxidación se conserva por reducción química de moléculas, como FADH 2 y NADH, que se utilizan para formar ATP. Este último es utilizado como combustible común en toda la maquinaria celular, incluyendo músculos, nervios, sistemas de transporte de membrana y sistemas biosintéticos para la formación de moléculas complejas, como el ADN y las proteínas.

Durante la oxidación, los residuos de dos carbonos de acetil-CoA se oxidan a CO 2 y agua, lo que produce una pequeña cantidad de ATP y conserva la energía química en forma de FADH 2 y NADH. Este proceso consta de nueve reacciones catalizadas por enzimas que forman un ciclo cerrado, conocido como ácido cítrico, ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs, en honor a su descubridor, el premio Nobel Sir Hans Krebs. Todo el proceso tiene lugar en el espacio de la matriz mitocondrial.

Etapa final 

En la etapa final del proceso, la energía química almacenada en NADH y FADH2 se transforma en ATP a través de la fosforilación oxidativa. La mayoría de las enzimas implicadas se encuentran en la membrana interna mitocondrial, excepto una que está en el espacio entre las membranas interna y externa.

Para que la producción de ATP ocurra, la membrana interna debe ser impermeable a los iones de hidrógeno (H + ). Durante el transporte de electrones, las moléculas de NADH y FADH2 ceden sus electrones al primer miembro de la cadena de reacciones y luego pasan por una serie de reacciones de oxidación-reducción, donde en la última reacción reducen el oxígeno molecular (O2) a agua (H2O). Este proceso se llama transporte de electrones.

La energía química disponible en estas reacciones se utiliza para bombear H+ a través de la membrana interna mitocondrial desde la matriz hasta el citoplasma, creando una batería eléctrica. La energía almacenada en esta batería se utiliza para generar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico por la acción de una enzima compleja llamada ATP sintasa, también ubicada en la membrana mitocondrial interna.

Peter Mitchell recibió el Premio Nobel de Química en 1978 por su descubrimiento de este proceso. Es interesante destacar que un proceso similar se utiliza en la fotosíntesis, el mecanismo mediante el cual las plantas convierten la energía luminosa en carbohidratos y grasas. A pesar de que se conocen muchos detalles moleculares del sistema de fosforilación oxidativa, todavía queda mucho por aprender sobre este proceso complejo y la fotosíntesis.

Dentro de los pequeños orgánulos subcelulares llamados peroxisomas en animales y glioxisomas en plantas, la β-oxidación también ocurre en menor medida. En estos casos, los ácidos grasos son oxidados a CO2 y agua, pero la energía se libera en forma de calor en lugar de ATP.

Aunque los detalles bioquímicos y las funciones fisiológicas de estos orgánulos no se comprenden completamente, se sabe que desempeñan un papel importante en la desintoxicación de los radicales libres y en la síntesis de compuestos importantes, como las hormonas esteroides y los ácidos biliares en los animales.

Además, los glioxisomas son esenciales para la germinación de semillas y la subsiguiente formación de brotes en las plantas. A medida que se avanza en la investigación, se espera aprender más sobre estas estructuras subcelulares y su papel en el metabolismo de lípidos.

Regulación de la oxidación de ácidos grasos

La oxidación de ácidos grasos está controlada por dos factores principales: la tasa de utilización de acetil-CoA, que es el producto de la β-oxidación, y la disponibilidad de ácidos grasos libres. La liberación de ácidos grasos del tejido adiposo está inhibida por hormonas como la insulina, mientras que el glucagón estimula su liberación.

En el músculo, la utilización de acetil-CoA depende de la actividad del ciclo del ácido cítrico y de la fosforilación oxidativa. Estas tasas, a su vez, están determinadas por la demanda de ATP.

El metabolismo de los ácidos grasos libres en el hígado es un reflejo del estado metabólico del animal. En animales bien alimentados, el hígado se encarga de la conversión del exceso de carbohidratos en ácidos grasos. En cambio, durante el ayuno, la oxidación de ácidos grasos se convierte en la actividad principal, lo que lleva a la formación de cetonas.

Si bien no se comprenden completamente los detalles, está claro que el metabolismo de los ácidos grasos en el hígado está estrechamente relacionado con la síntesis de ácidos grasos, con el objetivo de evitar un ciclo ineficiente de síntesis de ácidos grasos y su posterior metabolismo de regreso a acetil-CoA.

Resumen del articulo 

En resumen, los lípidos son una clase de biomoléculas esenciales para la vida y se caracterizan por ser insolubles en agua. Su estructura consiste en una cadena hidrocarbonada unida a un grupo funcional polar. Los lípidos desempeñan diversas funciones, como almacenar energía, formar las membranas celulares, actuar como moléculas señalizadoras y ser precursores de hormonas y vitaminas.

Entre los tipos de lípidos se encuentran los triglicéridos, fosfolípidos, esteroides y ceras. Los lípidos pueden ser consumidos en la dieta o sintetizados por el cuerpo. Un desequilibrio en los niveles de lípidos en el cuerpo puede llevar a enfermedades como la hipercolesterolemia.

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