Tema 3 Composición Química de los Seres Vivos (III) - Lípidos PDF

TEMA 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS (III). LÍPIDOS. 1. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. 2. FUNCIONES. 3. ÁCIDOS GRASOS. 3.1. PROPIEDADES. A. PROPIEDADES FÍSICAS. B. PROPIEDADES QUÍMICAS. 4. LÍPIDOS SIMPLES SAPONIFICABLES. 4.1. ACILGLICEROLES O ACILGLI...

TEMA 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS (III). LÍPIDOS. 1. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. 2. FUNCIONES. 3. ÁCIDOS GRASOS. 3.1. PROPIEDADES. A. PROPIEDADES FÍSICAS. B. PROPIEDADES QUÍMICAS. 4. LÍPIDOS SIMPLES SAPONIFICABLES. 4.1. ACILGLICEROLES O ACILGLICÉRIDOS. A. FUNCIONES. 4.2. CÉRIDOS O CERAS. 5. LÍPIDOS COMPLEJOS SAPONIFICABLES. 5.1. GLICEROFOSFOLÍPIDOS. 5.2. ESFINGOLÍPIDOS A. ESFINGOMIELINAS. B. GLUCOESFINGOLÍPIDOS. C. OTRAS FUNCIONES DE LOS ESFINGOLÍPIDOS. 6. LÍPIDOS INSAPONIFICABLES. 6.1. TERPENOS. 6.2. ESTEROIDES. A. ESTEROLES. B. HORMONAS ESTEROIDEAS. 7. LIPOPROTEÍNAS. Biología (2º Bachillerato). 2 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). 1. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. Los lípidos (del griego lypos = grasa) constituyen un grupo de biomoléculas estructuralmente muy heterogéneo aunque con características comunes: - Son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos (disolventes no polares), como el éter, el cloroformo, el benceno, etc. - Poseen baja densidad. La citada heterogeneidad estructural de los lípidos dificulta su clasificación. Se consideran dos grandes grupos: - Lípidos saponificables: por hidrólisis originan ácidos grasos. Químicamente son ésteres. Se subdividen en: Lípidos simples, que incluyen acilgliceroles y céridos. Lípidos complejos, que agrupan a glicerofosfolípidos y esfingolípidos. - Lípidos insaponificables: no contienen ácidos grasos. Comprenden terpenos y esteroides. 2. FUNCIONES. Los lípidos desempeñan dos funciones principales en todos los seres vivos: - Función de reserva. Constituyen depósitos de energía a largo plazo. - Función estructural. Forman las membranas celulares. Además, pueden desarrollar otras funciones como: - Función reguladora. - Función protectora. - Función de aislante térmico. 3. ÁCIDOS GRASOS. Son ácidos carboxílicos con un número par de átomos de carbono, que varía desde 4 hasta 30; los más comunes son los ácidos grasos de 16 a 18 carbonos. Suelen ser de cadena lineal. O sea, los ácidos grasos son largas cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo en el extremo. Pueden ser de dos tipos: - Saturados: sin dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada. Por ejemplo, los ácidos palmítico y esteárico. HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Ácido esteárico (C18) Biología (2º Bachillerato). 3 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). - Insaturados: con uno o más dobles enlaces. Este es el caso de los ácidos oleico y linoleico. La presencia de un doble enlace cis hace que la molécula se doble por la cadena hidrocarbonada. HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Ácido oleico (C18) Los ácidos grasos que requieren los mamíferos los consiguen mediante síntesis metabólica o a través de la dieta. Sin embargo, existen unos ácidos grasos, denominados esenciales, que el organismo no puede fabricar y que, por tanto, tiene que adquirirlos necesariamente por medio de la dieta. Para los humanos son el linoleico y el linolénico. Nombre común Fórmula Palmítico CH3-(CH2)14-COOH Saturados Esteárico CH3-(CH2)16-COOH Oleico CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH Linoleico CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)2-(CH2)6-COOH Insaturados Linolénico CH3-CH2-(CH=CH-CH2)3-(CH2)6-COOH Araquidónico CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)4-(CH2)2-COOH Algunos de los ácidos grasos más frecuentes. 3.1. PROPIEDADES. A. PROPIEDADES FÍSICAS. - Se pueden ionizar. A pH fisiológico el grupo carboxilo (-COOH) está ionizado (-COO-), por lo que es frecuente referirse a ellos como formas ionizadas: palmitato, oleato, etc. - Pueden ser sólidos o líquidos. El punto de fusión aumenta con el tamaño del ácido graso y disminuye con el grado de insaturación (número de dobles enlaces). Ácidos grasos Mezcla de ácidos grasos saturados saturados e insaturados Biología (2º Bachillerato). 4 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). 1 Los ácidos grasos saturados tienden a unir sus cadenas lateralmente por fuerzas de van der Waals quedando en una ordenación espacial empaquetada propia de un estado sólido. En los ácidos grasos insaturados el número de interacciones de este tipo es menor debido a los “codos” que presentan en su cadena hidrocarbonada, por lo que la temperatura necesaria para separarlas es menor. - Se orientan en el agua ya que poseen una cabeza polar (hidrófila, el grupo carboxilo) y una cola apolar (hidrófoba, la cadena hidrocarbonada). Esta característica determina la aparición de monocapas, micelas y bicapas. Monocapas. Son películas superficiales sobre el agua, donde las colas se sitúan hacia el medio aéreo y las cabezas, como son hidrófilas, se introducen dentro del agua. Micelas. Son agrupaciones esféricas que se forman en el agua; en ellas, las colas se encuentran en el interior y las cabezas en el exterior. Bicapas. Son agrupaciones que separan dos medios acuosos; en ellas, las cabezas se orientan hacia los medios acuosos y las colas hacia el interior. B. PROPIEDADES QUÍMICAS. - Forman ésteres mediante reacciones de esterificación. Un éster se produce normalmente por reacción entre un ácido orgánico y un alcohol con eliminación de una molécula de agua. La reacción inversa es la hidrólisis del éster, que origina el ácido orgánico y el alcohol. - Forman sales mediante una reacción de saponificación en la que los ácidos grasos reaccionan con los álcalis dando lugar a los jabones, que son las sales de los ácidos grasos. 4. LÍPIDOS SIMPLES SAPONIFICABLES. 4.1. ACILGLICEROLES O ACILGLICÉRIDOS. Los acilgliceroles son ésteres de ácidos grasos y glicerol (glicerina). En la mayoría de ellos, los tres grupos hidroxilo del glicerol están esterificados y reciben el nombre de triacilgliceroles o triacilglicéridos; pero también hay diacilgliceroles (diacilglicéridos) y monoacilgliceroles (monoacilglicéridos). Los triacilgliceroles que contienen el mismo ácido graso en las tres posiciones se denominan triacilgliceroles simples; los triacilgliceroles mixtos contienen dos o tres ácidos grasos diferentes. Si los ácidos grasos son insaturados la molécula resultante es líquida a temperatura ambiente y recibe el nombre de aceite. Si son saturados la molécula es sólida y se denomina sebo o manteca. En plantas y animales 2 3 poiquilotermos predominan los aceites; en los animales homeotermos hay sebos. Tanto unos como otros están formados por mezclas complejas de triacilgliceroles. 1 Las fuerzas de van der Waals son fuerzas de atracción inespecíficas que surgen del movimiento de los electrones en los átomos, lo que origina dipolos instantáneos. 2 Poiquilotermos: animales cuya temperatura es semejante a la del medio ambiente en que viven. Biología (2º Bachillerato). 5 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). La formación de un triacilglicerol es una reacción de esterificación. Se trata, pues, de sustancias hidrolizables separándose los ácidos grasos del glicerol. En los seres vivos esta hidrólisis es llevada a cabo por acción de unos enzimas llamados lipasas. Cuando los triacilgliceroles se calientan con hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH) se produce una reacción de saponificación, en la que se obtiene glicerol y las sales de sodio o de potasio de los ácidos grasos. A. FUNCIONES. - Función de reserva energética. Los acilgliceroles son compuestos muy reducidos que contienen gran cantidad de energía que se extrae mediante el proceso de la oxidación de los ácidos grasos que tiene lugar en las mitocondrias. Por ello constituyen las reservas de energía de los seres vivos a largo plazo y son la principal fuente de energía durante los estados de inanición y de vida latente, mientras que los glúcidos son 4 las reservas energéticas a corto plazo. Una cierta cantidad de grasa proporciona más del doble de energía (9 Kcal/g) que la misma cantidad de glúcidos (4 Kcal/g). Por ello los acilgliceroles son más adecuados para el almacenamiento de energía que los glúcidos pues ahorran espacio y peso. Este hecho es especialmente importante para los animales, que se desplazan de forma activa. Cuando la dieta de un animal aporta glúcidos en cantidades superiores a las necesarias, se van almacenando en forma de glucógeno hasta que se satura su capacidad de almacenamiento. Luego, el exceso de glúcidos se transforma en grasas que se acumulan en el tejido adiposo, donde la capacidad de almacenamiento es casi ilimitada. En los animales hibernantes (por ejemplo los osos) las enormes reservas de grasa acumuladas antes de la hibernación sirven como depósito de energía. Los triacilgliceroles se almacenan también en las semillas de muchas plantas, proporcionando la energía que necesitan cuando germinan. - Función de aislantes térmicos. En algunos animales, los triacilgliceroles almacenados debajo de la piel sirven como aislamiento contra las temperaturas muy bajas. Las focas, morsas, pingüinos y otros animales polares de sangre caliente están ampliamente protegidos con triacilgliceroles. 3 Homeotermos: animales, también llamados de sangre caliente, que poseen mecanismos reguladores de la temperatura, la cual mantienen constante a pesar de las variaciones exteriores. 4 En los seres humanos, como en el resto de los animales, el polisacárido de reserva es el glucógeno, que se almacena principalmente en el hígado y en los músculos. Se calcula que, en una persona de 70 kg, el hígado contiene 108 g de glucógeno y el músculo 245 g. La cantidad de glucosa circulante es de 17 g, por lo que sumadas estas cantidades representan una reserva de 370 g de glúcidos en total. Como su valor energético es de 4 Kcal/g, el equivalente calórico es de 1.480 Kcal (el requerimiento calórico medio para ocupaciones sedentarias es de 2.800 Kcal/día). Es decir, la totalidad de glúcidos del cuerpo sólo proporciona las calorías necesarias para unas cuantas horas. Son, como ya hemos visto, las reservas de energía a corto plazo. Las grasas representan alrededor del 12% en peso del organismo, o sea, unos 8,4 Kg en una persona de 70 Kg. Como su valor energético es de 9 Kcal/g, el tejido adiposo contiene unas reservas de más de 75.000 Kcal. Por ello, las grasas son las reservas a largo plazo. Biología (2º Bachillerato). 6 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). 4.2. CÉRIDOS O CERAS. Los céridos o ceras biológicas son ésteres de ácidos grasos de cadena larga (de 14 a 36 átomos de carbono) con un alcohol monohidroxílico de cadena larga (de 16 a 30 átomos de carbono). Dada su consistencia e insolubilidad están muy difundidos, tanto entre los animales como entre las plantas, para proteger las superficies del cuerpo. Por ejemplo, ciertas glándulas de la piel de los vertebrados producen ceras para proteger el pelo y la piel manteniéndolos flexibles, lubricados e impermeables; los pájaros, especialmente las aves acuáticas, producen ceras para impregnar las plumas y protegerlas del agua; las hojas brillantes y los frutos de algunas plantas están revestidos por una cutícula cérea para evitar la pérdida de agua por evaporación. Igualmente los panales que construyen las abejas son de cera. 5. LÍPIDOS COMPLEJOS SAPONIFICABLES. 5 Son compuestos de carácter anfipático , que forman parte de las membranas celulares, por lo que también se conocen como lípidos de membrana, junto con el colesterol, que es un lípido insaponificable de carácter neutro, que estudiaremos más adelante. 5.1. GLICEROFOSFOLÍPIDOS. Los glicerofosfolípidos, a veces llamados fosfoglicéridos, son los lípidos más abundantes en las membranas de la mayoría de las células. Se trata de moléculas en las que dos ácidos grasos están unidos al glicerol mediante un enlace éster, en C 1 y C2, mientras que el tercer grupo hidroxilo se halla esterificado por ácido fosfórico. La molécula resultante es el ácido fosfatídico, que es la unidad estructural de la cual derivan los distintos tipos de glicerofosfolípidos al unirse, mediante un enlace éster, un alcohol al ácido fosfórico. Los glicerofosfolípidos son moléculas anfipáticas, en las que se distinguen dos zonas: - Región hidrófoba, formada por las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos esterificados con el glicerol. - Región hidrófila, formada por el alcohol unido al ácido fosfórico. La importancia de este hecho radica en que son moléculas que, en presencia de agua, se orientan: las regiones hidrófobas tienden a alejarse del contacto con el agua, mientras que las hidrófilas tienden a ponerse en contacto con ella. Tanto el citoplasma como el medio extracelular contienen mucha agua y los glicerofosfolípidos se 5 Moléculas anfipáticas: tienen una región polar (hidrófila) y otra apolar (hidrófoba). Biología (2º Bachillerato). 7 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). orientan formando una doble capa o bicapa lipídica que se cierra sobre sí misma y constituye la estructura básica de las membranas celulares (separan el interior y el exterior de las células). Así pues, los glicerofosfolípidos poseen función estructural. 5.2. ESFINGOLÍPIDOS. Los esfingolípidos, la segunda clase más importante de lípidos de membrana, tienen también una cadena polar y dos colas apolares pero, a diferencia de los glicerofosfolípidos, no contienen glicerol. Los esfingolípidos están compuestos por una molécula de esfingosina (un amino-alcohol de cadena larga). Los esfingolípidos son moléculas anfipáticas con dos colas no polares (hidrófobas), formadas por una molécula de ácido graso de cadena larga unida a una molécula de esfingosina mediante un enlace amida. La molécula resultante es una ceramida, la unidad estructural de los esfingolípidos. A la ceramida se unen diversos compuestos, que constituyen la cadena polar (hidrófila) de los distintos esfingolípidos, que se agrupan en dos clases: esfingomielinas y glucoesfingolípidos. A. ESFINGOMIELINAS. Resultan de la esterificación de la ceramida con el ácido fosfórico y un amino-alcohol (colina o etanolamina). Se encuentran en la mayoría de las membranas de las células animales y son los componentes mayoritarios de las vainas de mielina que rodean algunas fibras nerviosas. B. GLUCOESFINGOLÍPIDOS. Son lípidos formados por la unión de la ceramida con una o varias unidades glucídicas. Así, pues, estos lípidos no contienen ácido fosfórico y su cabeza polar está constituida por glúcidos. Los glucoesfingolípidos se subdividen en dos grupos: cerebrósidos y gangliósidos. - Cerebrósidos. Tienen un único monosacárido (glucosa o galactosa) unido a la ceramida. Los que contienen galactosa son característicos de las membranas plasmáticas de células del sistema nervioso mientras que los que contienen glucosa se hallan en las membranas plasmáticas de células de tejidos no nerviosos. Biología (2º Bachillerato). 8 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). - Gangliósidos. Contienen cabezas polares formadas por varias unidades glucídicas (oligosacáridos). Son componentes importantes de las membranas celulares, especialmente de las neuronas. C. OTRAS FUNCIONES DE LOS ESFINGOLÍPIDOS. Cuando a finales del siglo XIX Johann Thudicum descubrió los esfingolípidos, su papel biológico parecía tan 6 enigmático como la Esfinge , por lo que los bautizó de este modo. Se sabe ahora que los esfingolípidos actúan en diversos procesos de reconocimiento en la superficie celular. Por ejemplo, los determinantes de los grupos sanguíneos A, B y 0 son glucoesfingolípidos. 6. LÍPIDOS INSAPONIFICABLES. Constituyen un grupo de lípidos muy heterogéneo, con funciones muy diversas, que no poseen ácidos grasos, por lo que no forman jabones. Vamos a considerar dos grupos: terpenos y esteroides. 6.1. TERPENOS. Son lípidos que resultan de la polimerización del isopreno. Los más importantes son los carotenoides, formados por ocho moléculas de isopreno. Son compuestos coloreados presentes tanto en las plantas como en los animales, entre los que destacan: - Carotenos: pigmentos muy abundantes en algunos vegetales, a los que dan el color rojo (tomate) o anaranjado (zanahoria). - Xantofilas: pigmentos responsables de la mayor parte de los colores amarillentos de las plantas. 6 Animal fabuloso, de cuerpo leonino y cabeza humana, oriundo de Egipto, que tenía la función primordial de custodiar las tumbas de los faraones. En Grecia se convirtió en un ente enigmático, de rostro y busto de mujer, cuerpo de león y alas. Biología (2º Bachillerato). 9 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). Las xantofilas y los carotenos desempeñan un papel clave en la fotosíntesis al absorber energía luminosa de longitudes de onda distintas a las que capta la clorofila. Otros terpenos de gran importancia biológica son: - La vitamina A (antixeroftálmica). Es un derivado de los carotenos formado por cuatro moléculas de isopreno. - El fitol, formado también por cuatro moléculas de isopreno, forma parte de la molécula de clorofila. 6.2. ESTEROIDES. Son lípidos derivados del esterano o ciclopentanoperhidrofenantreno. Se trata de un hidrocarburo cíclico constituido por tres anillos con seis átomos de carbono y uno con cinco. Los esteroides son sustancias muy abundantes en la naturaleza y desempeñan funciones muy variadas, de gran importancia biológica. Incluyen los esteroles y las hormonas esteroideas. A. ESTEROLES. Poseen un grupo hidroxilo en C3 y una cadena hidrocarbonada en C17. Son ejemplos de esteroles: - El colesterol. Es el principal esterol en los tejidos animales. Se trata de un componente fundamental de las membranas celulares animales a las que confiere fluidez, por lo que tiene función estructural. Además es el precursor de numerosas sustancias con funciones muy variadas. - Los ácidos biliares. Son componentes de la bilis, que se forma en el hígado y pasa al intestino delgado. Su función es emulsionar las grasas para aumentar la superficie de contacto con los enzimas digestivos y, así, facilitar su digestión. Biología (2º Bachillerato). 10 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). - La vitamina D (antirraquítica). Regula el metabolismo del calcio y su absorción intestinal. La vitamina D3 se origina a partir del colesterol de la piel por acción de los rayos solares. Por eso tomar el sol con moderación resulta beneficioso para el organismo. B. HORMONAS ESTEROIDEAS. Pertenecen a este grupo las hormonas sexuales y las hormonas de las cápsulas suprarrenales. Todas ellas tienen como precursor al colesterol. - Hormonas sexuales. Entre las hormonas sexuales masculinas (andrógenos), destaca la testosterona, responsable de los caracteres sexuales secundarios masculinos. Entre las hormonas sexuales femeninas (estrógenos), el estradiol, que controla el ciclo ovárico y el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios femeninos. También pertenecen a este grupo los gestágenos, como la progesterona, responsable de la preparación del útero para la implantación del óvulo fecundado y del mantenimiento del embarazo. - Hormonas de las cápsulas suprarrenales. La aldosterona controla la reabsorción de diversos iones en el riñón y el cortisol regula el metabolismo de glúcidos y proteínas. Ambas hormonas son producidas en la zona cortical de las cápsulas suprarrenales. 7. LIPOPROTEÍNAS. Son asociaciones de lípidos y proteínas, de las cuales existen dos tipos: los sistemas de membrana, que participan en la constitución de las membranas celulares, y las lipoproteínas de transporte del plasma sanguíneo. El colesterol, al igual que los triacilgliceroles y los fosfolípidos (glicerofosfolípidos y esfingomielinas), son insolubles en el agua del plasma sanguíneo. No obstante, estos lípidos se han de transportar desde el tejido de origen (hígado, en donde son sintetizados, o intestino, en donde son absorbidos), hasta los tejidos en donde han de ser almacenados o consumidos. El organismo supera este inconveniente recubriendo los lípidos con una proteína hidrofílica. Estas partículas constituyen las lipoproteínas de transporte, y son el mecanismo por el cual los lípidos se transfieren de un punto a otro del organismo. Biología (2º Bachillerato). 11 Tema 3. Composición química de los seres vivos (III). Las lipoproteínas de transporte se encuentran en el plasma sanguíneo en varias formas diferentes, entre las que destacan: - Los quilomicrones, que transportan los triacilgliceroles de la dieta, el colesterol y otros lípidos desde el intestino hasta el tejido adiposo y el hígado. - Las lipoproteínas de baja densidad o LDL (del inglés, Low Density Lipoprotein): funcionan como “camiones de reparto”, llevando el colesterol, fabricado por el hígado, hacia las diversas partes del cuerpo. El riesgo de enfermedad cardiovascular está ligado a los altos niveles de estas lipoproteínas; es lo que familiarmente se conoce como “colesterol malo”. - Las lipoproteínas de alta densidad o HDL (High Density Lipoprotein): funcionan como “camiones de basura”, transportando el exceso de colesterol hacia el hígado, para su degradación y excreción. Niveles elevados de estas lipoproteínas guardan relación inversa con el riesgo cardiovascular; es el llamado “colesterol bueno”.