Bioquímica: Carbohidratos (Medicina 1º B)

MEDICINA, 1º B. BIOQUÍMICA UNIDAD TEMÁTICA IV: CARBOHIDRATOS. Los carbohidratos son sustancias orgánicas ampliamente distribuidas en la naturaleza. El nombre “carbohidrato” induce la falsa creencia de que las moléculas de estas sustancias se ciñen estrictamente a la siguiente fórmula general:...

MEDICINA, 1º B. BIOQUÍMICA UNIDAD TEMÁTICA IV: CARBOHIDRATOS. Los carbohidratos son sustancias orgánicas ampliamente distribuidas en la naturaleza. El nombre “carbohidrato” induce la falsa creencia de que las moléculas de estas sustancias se ciñen estrictamente a la siguiente fórmula general: Cn (H2O)n esto es, que se trata de “n” átomos de carbono unidos de manera covalente a “n” moléculas de agua. Si bien en muchos casos esto es cierto (por ejemplo, la molécula de glucosa está compuesta por seis átomos de carbono, doce de hidrógeno y seis de oxígeno), en otros no es correcta. Por ejemplo, la 2- desoxirribosa, que forma parte de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), está constituida por cinco átomos de carbono, 11 de hidrógeno y cuatro de oxígeno. Sin embargo, el nombre “carbohidrato” está tan arraigado, que los libros de Bioquímica lo siguen utilizando. Un nombre alternativo es el de glúcidos. 1. Definición. Desde el punto de vista químico, un carbohidratos o glúcido es un derivado aldehídico o cetónico de un alcohol polihidroxilado, o bien, una sustancia que, cuando es hidrolizada, libera este tipo de derivados. Derivado aldehídico, significa que tiene un grupo aldehído (- CH = O); derivado cetónico es aquél que posee un grupo funcional ceto (>C = O); alcohol polihidroxilado es el que tiene dos o más grupos hidroxilo (- OH). 2. Funciones biológicas. Las tres funciones biológicas genéricas de los carbohidratos son: Energética. Por ejemplo, la oxidación de la glucosa proporciona energía a las células. Estructural. Por ejemplo, la celulosa, el carbohidrato más abundante en la naturaleza, es el componente principal de la pared celular que rodea y protege a la célula vegetal. Señalización. Los carbohidratos pueden participar en procesos de reconocimiento, comunicación intercelular y señalización. Ejemplo: los antígenos eritrocitarios del sistema ABO. Las diferencias entre los antígenos A, B y O se deben a una composicion diferente de carbohidratos. 3. Clasificación. De acuerdo con su grado de polimerización, los carbohidratos se clasifican en monosacáridos o azúcares simples, oligosacáridos y polisacáridos. Los oligosacáridos y polisacáridos están formados por la unión covalente de dos o más residuos de monoacáridos. El enlace covalente entre monosacáridos es conocido como enlace glucosídico. En este curso, se van a considerar como oligosacáridos a los que estan formados por 2-10 residuos de monosacáridos. Los polisacáridos, en consecuencia, son aquéllos constituidos por más de 10 residuos de monosacáridos (en algunos casos pueden ser cientos o miles de éstos). 1 4. Monosacáridos. Se les conoce también como azúcares simples, dado que muchos tienen sabor dulce. Otro nombre alternativo es el de osas, que es el sufijo o terminación de sus nombres. Los monosacáridos son los “bloques” de construcción de los oligosacáridos y los polisacáridos. Individualmente, algunos de ellos cumplen funciones específicas (ya se mencionó el ejemplo de la glucosa, cuya oxidación provee energía a las células). 4.1 Los monosacáridos (osas) suelen ser clasificados de acuerdo a dos criterios: Por el grupo reductor que poseen, se les divide en aldosas (grupo aldehído: -CH=O) y cetosas (grupo ceto: >C=O). (Reductor = donador de electrones). Por el número de átomos de carbono que posee su molécula, se les divide en triosas (C3), tetrosas (C4), pentosas (C5), hexosas (C6), etc. Estas clasificaciones se pueden combinar; así, se tienen aldotriosa y cetotriosa, aldotetrosa y cetotetrosa, aldopentosa y cetopentosa, aldohexosa y cetohexosa, etc. 4.2 Estereoisomería. La aldosa mas simple, la aldotriosa gliceraldehído, posee un carbono quiral (con cuatro sustituyentes distintos). Esto quiere decir que el gliceraldehído presenta enantiomería, esto es, forma dos imágenes en espejo que no se pueden superponer. El gliceraldehído tiene dos configuraciones estereoisoméricas: L-gliceraldehído y D-gliceraldehído. En este curso, se va a representar al D-gliceraldehído con el hidroxilo del carbono quiral dispuesto a la derecha; si lo dibujamos hacia la izquierda, entonces se trata del L-gliceraldehído. Este tipo de representación se denomina proyección de Fischer. ¿Cuál es la importancia de este asunto? En los sistemas biológicos predominan los monosacáridos de la serie estereoisomérica D. Esto no quiere decir que no participen los L-monosacáridos; ya se mencionarán algunos ejemplos. 2 Si, mediante un procedimiento químico (síntesis de Kiliani - Fischer), que no se va a detallar aquí, se le añade al D-gliceraldehído (C3) un nuevo átomo de carbono quiral justo por debajo del grupo reductor (aldehído), se pueden generar dos aldotetrosas (C4): D-treosa y D-eritrosa. ¿Cuál es la diferencia entre ellas? Pues que en el nuevo átomo de carbono quiral, el hidroxilo puede estar orientado hacia la derecha (D-eritrosa) o hacia la izquierda (D-treosa): ¿Cómo sbera que estas dos tetrosas pertenecen a la familia “D”? Porque el carbono quiral más alejado del grupo reductor, está en configuración D (hidroxilo orientado a la derecha). Mediante el mismo procedimiento, a partir de estas dos D-tetrosas (C4) se pueden generar cuatro D- pentosas (C5) y, a partir de éstas, ocho D-hexosas (C6), conformando la familia de las D-aldosas. 4.4 Familia de las D-aldosas. El esquema siguiente muestra la famila de las D-aldosas (una aldotriosa, dos aldotetrosas, cuatro aldopentosas y ocho aldohexosas). Todas pertenecen a esta familia porque el átomo de carbono quiral más alejado del grupo reductor, está en configuración D (hidroxilo hacia la derecha. 3 4.4 Familia de las D-cetosas. Es menos numerosa, debido a que la molécula de la cetotriosa dihidroxiacetona no tiene un átomo de carbono quiral. Cuando, mediante la síntesis de Kiliani – Fischer, se introduce un átomo de carbono quiral por debajo del grupo reductor (grupo ceto), se generan dos cetotetrosas (C4), la L-eritrulosa (que no nos interesa), y la D-eritrulosa, a partir de la cual se pueden producir dos D-cetopentosas (C5) y cuatro cetohexosas (C6). Se conoce que se trata de D-cetosas porque el átomo de carbono quiral más alejado del grupo reductor, está en configuración D (hidroxilo hacia la derecha). 4 4.5 Epímeros. Los epímeros son monosacáridos que difieren entre sí en la configuración de un solo átomo de carbono quiral. Compare el siguiente par de D-aldohexosas: La D-alosa y la D-altrosa difieren entre sí en la configuración del átomo de carbono No. 2. En los demás, son iguales. Se dice, entonces, que la D-alosa y la D- altrosa son 2-epímeros (el número identifica la posición el átomo de carbono quiral en cuya configuración son diferentes). Ahora, observe el siguiente par de D-cetopentosas: La D-ribulosa y la D- xilulosa, difieren entre sí en la configuración de un solo átomo de carbono quiral, el carbono No. 3. Por ello se dice que son 3-epímeros. En cambio, la D-manosa y la D-gulosa no son epímeros ya que difieren entre sí en la configuración de tres átomos de carbono quirales. Examine con detenimiento los esquemas de las familias de D-aldosas y D-cetosas, y trate de ubicar más pares de epímeros. Por ejemplo, la D-glucosa y la D-manosa son 2-epímeros, en tanto que la D-galactosa y la D-glucosa son 4-epímeros. 4.6 Formas cíclicas. En solución acuosa, las osas de cinco o más átomos de carbono tienden a adoptar formas cíclicas (ciclización). Esto se debe a que los átomos de carbono del grupo reductor (aldehído o cetona) pueden reaccionar con los grupos hidroxilo de los demás carbonos, formando hemiacetales o hemicetales: 5 Así, por ejemplo, en la molécula de D-glucosa (aldohexosa), puede ocurrir la reacción entre el hidroxilo del carbono No. 5 y el carbono del grupo reductor (No. 1), formando el hemiacetal correspondiente y constituyendo un monosacárido cíclico (anillo con cinco carbonos y un oxígeno). En cambio, si en la molécula de D-fructosa (cetohexosa) ocurre la reacción entre el hidroxilo del carbono No. 5 y el carbono del grupo reductor (No. 2), se forma el hemicetal correspondiente, constituyendo un monosacárido cíclico (anillo con cuatro carbonos y un oxígeno). Estas reacciones son reversibles: El anillo puede volver a abrirse exponiendo el grupo reductor. El anillo de seis miembros es semejante al del compuesto orgánico pirano, por lo que a las formas cíclicas de los monosacáridos que adoptan dicha estructura se les denomina piranosas. En el ejemplo de la D-glucosa, esta forma cíclica recibe el nombre de D- glucopiranosa. 6 Por su parte, el anillo de cinco miembros es semejante al del compuesto orgánico furano; por lo tanto, a las formas cíclicas de los monosacáridos que adoptan dicha estructura se les denomina furanosas. En el ejemplo de la D-fructosa, esta forma cíclica recibe el nombre de D- fructofuranosa. ¿Qué sucedió con el carbono del grupo reductor (carbono No. 1) de la D-glucosa? Al adoptar la forma cíclica, se convirtió en un carbono quiral, con cuatro sustituyentes diferentes. A este carbono quiral, que sólo existe en la forma cíclica, se le denomina carbono anomérico y presenta dos configuraciones estereoisoméricas: alfa (a) y beta (b). El carbono anomérico en configuración a, tiene el hidroxilo orientado hacia abajo; si la configuración es b, el hidroxilo se orienta hacia arriba. Así, la D-glucosa puede adoptar dos formas cíclicas de tipo piranosa: a-D-glucopiranosa y b-D- glucopiranosa: Es importante señalar que ambas formas anoméricas son interconvertibles, ya que en todo momento el anillo puede abrirse, reasumiendo la forma de cadena abierta (a la izquierda). 7 Ahora bien, si la formación del hemiacetal hubiese ocurrido entre el hidroxilo del carbono No. 4 y el carbono del grupo reductor (No. 1) la forma cíclica adoptada por la D-glucosa sería la furanosa. Por supuesto, habría dos anómeros posibles, a-D-glucofuranosa y b-D-glucofuranosa, como se muestra en la ilustración siguiente. La forma cíclica más estable y preferida por las aldohexosas es la piranosa. Al disover D-glucosa en agua a 25 oC, las formas cíclicas se interconvierten de manera rápida. Al alcanzar el equilibrio, la solución de glucosa contiene los porcentajes indicados. Predominan las piranosas y, de éstas, la b-D-glucopiranosa. Aunque la D-fructosa (y otras cetohexosas) pueden, en solución adoptar formas cíclicas de piranosa y furanosa, ésta última es la más estable: 8 Las aldopentosas como la D-ribosa, en solución acuosa adoptan formas cíclicas de tipo furanosa: La actividad óptica [a]D de una sustancia puede ser determinada con un polarímetro, a una temperatura de referencia. Se expresa en grados (o). 9 Si la desviación ocurre a la izquierda, se asigna a la sustancia la letra l o el signo de menos (-). Si es dextrógira, se le asigna la letra d o el signo de más (+). Así las cosas, la D-glucosa es dextrógira, de ahí su nombre alterno de dextrosa. Por su parte, la D- fructosa es una sustancia levógira, por lo que también se le conoce como levulosa. 4.8 Formas de representación. Existen tres maneras de representar la estructura de un monosacárido: forma lineal (proyección de Fischer), proyección de Haworth (anillo de furanosa o piranosa) y conformación. Aunque éste no es un curso de Química Orgánica, es importante conocer las diferentes formas de representación de los monosacéridos porque en los libros de Bioquímica son utilizadas indistintamente. Por ejemplo, a la D-glucosa se le puede representar: Lineal (proyección de Fischer). Proyección de Haworth. El anillo es rígido y el borde más grueso se proyecta hacia el lector los sustituyentes (- H y - OH) se proyectan hacia arriba y abajo del plano del anillo. Conformación. Debido a la geometría tetraédrica de los átomos de carbono saturados, el anillo de piranosa no es plano y adopta dos clases de conformación, denominadas “silla” (mostrada en la figura), y “bote” (no mostrada, menos favorable desde el punto de vista energético). En la forma de silla, los sustituyentes (- H y - OH) tienen dos orientaciones: axial (vertical) y ecuatorial. 4.9 Monosacáridos de interés. Si bien todos los monosacáridos son importantes para el organismo que los produce o consume, algunos son de particular interés para este curso. 4.9.1 Triosas. El D-gliceraldehído, al igual que la dihidroxiacetona, son intermediarios metabólicos (metabolitos), es decir sustancias que aparecen transitoriamente en el metabolismo. 4.9.2 Tetrosas. La D-eritrosa también es un intermediario metabólico. 10 4.9.3 Pentosas. D-ribosa (aldopentosa). Forma parte de la estructura de los ribonucleótidos y ácidos ribonucleicos (ARN), así como de algunas coenzimas. Es el precursor de la 2-desoxi-D-ribosa (ADN). D-ribulosa (cetopentosa). Intermediario metabólico. D-arabinosa (aldopentosa). Forma parte de la estructura de glucoproteínas. D-xilosa (aldopentosa). Forma parte de la estructura de glucoproteínas. D-xilulosa (cetopentosa). Intermediario metabólico. 4.9.4 Hexosas. D-glucosa (dextrosa). Esta aldohexosa es el único monosacárido que normalmente circula en la sangre. Su oxidación provee energía a las células. Se encuentra libre en los jugos de frutas, pero también se puede obtener por hidrólisis del almidón, la D-maltosa, la D-lactosa o la D-sacarosa. D-galactosa (aldohexosa). Es fácilmente incorporada al metabolismo de la D-glucosa. Puede ser sintetizada en la glándula mamaria. Forma parte de glucoesfingolípidos y glucoproteínas. Se le puede obtener por hidrólisis de la D-lactosa (azúcar de la leche). D-manosa (aldohexosa). Forma parte de la estructura de glucoproteínas. Se puede obtener por hidrólisis de mananos vegetales (polisacáridos constituidos por D-manosa). D-fructosa (levulosa). Esta cetohexosa es el monosacárido natural más dulce que se conoce. Las células hepáticas la incorporan la metabolismo de la glucosa. Se le puede obtener por hidrólisis de la D- sacarosa y de la inulina. Como se verá más delante, este azúcar es el gran “villano” de la epidemia mundial de sobrepeso y obesidad. 4.10 Derivados de monosacáridos. Al igual que los aminoácidos, los monosacáridos también pueden experimentar modificaciones químicas. En esta sección hablaremos de algunos de estos derivados, a saber: desoxiazúcares, aminoazúcares, derivados ácidos, polioles y ácidos siálicos. 4.10.1 Desoxiazúcares. Un desoxiazúcar es un monosacárido que carece de oxígeno en alguno de sus carbonos. Ejemplos: 2-desoxi-D-ribosa. Esta aldopentosa modificada forma parte de la estructura de los desoxirribonucleótidos y ácido desoxirribonucleico. La figura muestra la 2-desoxi-b-D-ribofuranosa. 11  L-fucosa (6-desoxi-L-galactosa). Se le puede encontrar en glucoproteínas y glucolípidos de membrana. 4.10.2 Aminoazúcares. En estos monosacáridos modificados, uno de los grupos hidroxilo (-OH es sustituido por un grupo amino -NH2). Generalmente la sustitución ocurre en el carbono No. 2 del monosacárido. Tampoco es infrecuente que el grupo amino forme un enlace tipo amida con el ácido acético. Ejemplos: D-glucosamina. Es uno de los monosacáridos más abundantes en los sistemas biológicos. Es un precursor en la biosíntesis de glucoproteínas y glucolípidos. Forma parte de la estructura de la quitina, el polisacárido del exoesqueleto de los artrópodos. D-galactosamina. Forma parte de la estructura de glucoproteínas, como la hormona folículo-estimulante (FSH, follicle-stimulating hormone) y la hormona luteinizante (LH, luteinizing hormone) que participan en el ciclo ovárico. N-acetil-D-galactosamina. En los seres humanos es el residuo de monosacárido terminal del antígeno eritrocitario A. Participa en la glucosilación de proteínas y en fenómenos de señalización intercelular. 4.9.3 Derivados ácidos de monosacáridos. En este caso se trata de monosacáridos que poseen en su estructura uno o dos grupos carboxilo (-COOH, ácido). Se forman mediante la oxidación de los carbonos de los extremos de la estructura lineal del monosacárido. 12 4.9.3.1 Ácidos aldónicos. El carbono del grupo aldehído de una aldosa, se oxida transformándose en un carboxilo. Ejemplos: Ácido D-glucónico. Está presente de manera natural en frutas, miel y vino. Se le utiliza como aditivo alimenticio. Su anión (gluconato) se une fácilmente a cationes divalentes como Ca2+ y Fe2+. El gluconato de calcio en gel se emplea en el tratamiento de quemaduras por ácido fluorhídrico (HF). En solución endovenosa, se usa para introducir calcio al organismo. Ácido D-galactónico. Producto de la acción de la enzima D-galactosa deshidrogenasa. 4.9.3.2 Ácidos urónicos. En este caso, el átomo de carbono que se oxida es el más alejado del grupo reductor, de manera estos ácidos pueden adoptar formas cíclicas. Ejemplos: Ácido D-glucurónico. Precursor metabólico de la vitamina C (ácido L- ascórbico). Las células hepáticas lo utilizan para conjugar la bilirrubina, volviéndola más soluble, lo que facilita su excreción a través de la bilis. Forma parte de la estructura de glucosaminoglucanos. Ácido D-galacturónico. Componente principal de las pectinas (polisacáridos de origen vegetal). Ácido L-idurónico. Forma parte de la estructura de algunos glucosaminoglicanos (polisacáridos de la matriz extracelular). 13 4.9.3.3 Ácidos aldáricos. Los ácidos aldáricos poseen en su estructura molecular dos grupos carboxilo (- COOH). Ejemplo: Ácido D-glucárico. También se le conoce como ácido D-sacárico. Se le encuentra en muchas frutas y verduras. Es utilizado en la industria como precursor de polímeros, que incluyen poliamidas y poliésteres. 4.9.3.4 Ácido L-ascórbico (vitamina C). Es un ácido no carboxílico derivado del ácido D-glucurónico. Los seres humanos y otros primates, al igual que los cobayos, no sintetizan el ácido ascórbico, debido a la carencia de la enzima L-gluconolactona oxidasa. Es un antioxidante poderoso. Participa como cofactor en las reacciones de hidroxilación de los residuos de prolina y lisina de la colágena y otras proteínas, por lo que, si no se recibe vitamina C en la alimentación, la colágena no es sintetizada de manera correcta y se desarrolla la enfermedad denominada escorbuto. 4.9.4 Polioles. Los polioles son el producto de la reducción de los grupos aldehído y cetona de las aldosas y cetosas, respectivamente. Ejemplos: D-sorbitol (D-glucitol). Puede ser obtenido por la reducción de D-glucosa o D- fructosa. Tiene sabor muy dulce y no es absorbido significativamente por las células de la mucosa intestinal. Se le utiliza en la industria alimentaria como edulcorante. Su consumo en exceso puede provocar diarrea (efecto laxante osmótico). 14 Se le ha implicado en el desarrollo de cataratas (opacidades del cristalino) en personas diabéticas. D-galactitol (D-dulcitol). Producto de la reducción de la D-galactosa. Se cree que es el responsable del desarrollo de cataratas en pacientes galactosémicos no tratados. Se utiliza en medios de cultivo bacterianos. D-manitol. Se obtiene mediante reducción de la D-manosa. Se utiliza como edulcorante en alimentos industrializados dado que es pobremente absorbido por la mucosa intestinal. En exceso, produce efecto laxante de tipo osmótico. Como medicamento, se puede administrar por vía endovenosa para disminuir el edema cerebral en pacientes con traumatismos craneoencefálico (efecto osmótico). D-xilitol. Proviene de la reducción de la D-xilosa. Se le utiliza como edulcorante en la fabricación de goma de mascar, ya que las bacterias presentes en la boca no pueden fermentarlo. Consumido en exceso, tiene efecto laxante. 4.9.5 Ácidos siálicos. Ácido siálico es el término genérico que se aplica a los derivados del ácido neuramínico, un desoxi-azúcar ácido de nueve carbonos (nonosa), que posee un grupo amino que suele estar acetilado. El ácido siálico más frecuentemente encontrado en las estructuras biológicas es el ácido N-acetil-neuramínico. Si se examina la imagen, se observa que se trata de un desoxiazúcar de 9 carbonos (nonosa), con un grupo carboxilo y un grupo amino acetilado. Los ácidos siálicos están ampliamente distribuidos en los tejidos animales y, en menor grado en otros organismos formando parte de glucoproteínas (sialoglucoproteínas) y de ganglósidos (estos son glucolípidos que estudiaremos); están unidos al final de las cadenas de oligosacáridos. En los seres humanos, el cerebro tiene la más alta concentración de ácidos siálicos, donde al parecer desempeñan un rol importante en la transmisión de los impulsos nerviosos y la sinaptogénesis (formación de sinapsis entre neuronas). 15 5. Oligosacáridos (oligósidos). Los oligosácaridos están constituidos por 2 – 10 residuos de monosacáridos unidos de manera covalente. El enlace covalente entre monosacáridos recibe el nombre genérico de O-glucosídico, o simplemente, enlace glucosídico, el cual es un enlace de tipo éter (la O denota que los dos monosacáridos están unidos mediante un átomo de oxígeno). Cuando en el enlace glucosídico participan uno o dos carbonos anoméricos, es importante señalar en qué configuración está(n). Ejemplos: Enlace a(1,4) glucosídico. En este caso, uno de los dos monosacáridos aporta al enlace glucosídico su carbono 1, anomérico, en configuración a. El carbono 4 corresponde al segundo monosacárido. Enlace a(1,6) glucosídico. Uno de los dos monosacáridos aporta al enlace glucosídico su carbono 1, anomérico, en configuración a. El carbono 6 corresponde al segundo monosacárido, cuyo carbono anomérico está libre. Enlace b(1,4) glucosídico. En este caso, uno de los dos monosacáridos aporta al enlace glucosídico su carbono 1, anomérico, en configuración b. El carbono 4 corresponde al segundo monosacárido. Enlace a1→b2 glucosídico. En este caso, los dos carbonos anoméricos están participando en el enlace. 16  De los oligosacáridos, algunos de los más interesantes para este curso son los disacáridos, formados por dos unidades de monosacáridos (iguales o diferentes. Los disacáridos pueden ser reductores o no reductores. Hay que recordar que los monosacáridos pueden tener un grupo reductor aldehído o cetona y que, a partir de cierto tamaño, en solución acuosa adoptan formas cíclicas (furanosas o piranosas) en equilibrio con la cadena abierta, la cual tiene expuesto su grupo reductor. Cuando en un disacárido sólo participa en el enlace glucosídico uno de los dos carbonos anoméricos, el que queda libre permite que se exponga el grupo reductor, por lo que este disacárido es reductor. Un disacárido es no reductor cuando los dos carbonos anoméricos están unidos mediante el enlace glucosídico. Ejemplos de oligosacáridos de interés. Maltosa. Disacárido reductor constituido por dos unidades de D-glucosa. Enlace: a(1,4) glucosídico. Es digerible por el humano. Se obtiene por hidrólisis del almidón. Los cereales en germinación contienen una buena cantidad. Isomaltosa. Disacárido reductor constituido por dos unidades de D-glucosa. Enlace: a(1,6) glucosídico. Es digerible por el humano. Se obtiene por hidrólisis del almidón. Sacarosa. Azúcar de la caña o la remolacha. Junto con el almidón, es la principal fuente de carbohidratos en nuestra alimentación. Digerible por el humano. Disacárido no reductor, constituido por D-glucosa y D- fructosa, unidos mediante un enlace a1→b2 glucosídico. 17  Lactosa. Azúcar de la leche. Disacárido reductor constituido por D-galactosa y D-glucosa, unidas mediante un enlace b(1,4) glucosídico. No todos los seres humanos pueden digerirlo. En la intolerancia a la lactosa, la persona carece de la enzima digestiva lactasa, normalmente asociada a las microvellosidades de las células de la mucosa intestinal. Al no poder ser digerida, la lactosa atrae agua (fenómeno osmótico) y funciona como un laxante. Además, la lactosa es aprovechada por las bacterias de la microbiota intestinal, quienes la fermentan y generan sustancias ácidas y una gran cantidad de gas, el cual se acumula en el intestino, provocando distensión abdominal (meteorismo) acompañada de diarrea explosiva y heces con pH ácido. En un niño pequeño, cuyo alimento base es la leche, ello puede ser el indicio de que padece intolerancia a la lactosa por deficiencia hereditaria de lactasa intestinal. Al químico que trabaja en un laboratorio se le puede solicitar el análisis coprológico del excremento recogido en el pañal de un paciente con esta sintomatología. En específico, se le pide que reporte si el pH es ácido y si se detectan o no azúcares reductores. Trehalosa. Los champiñones y otros hongos producen este disacárido no reductor, digerible, constituido por dos residuos de D-glucosa, unidos mediante un enlace a1→a1 glucosídico. Celobiosa. Este disacárido reductor, obtenido mediante hidrólisis de la celulosa, está constituido por dos residuos de D-glucosa unidos a través de un enlace b(1,4) glucosídico. No es digerible por el humano. Pero no solamente hay disacáridos. Por ejemplo, la rafinosa es un trisacárido presente en concentración elevada en algunos alimentos de origen vegetal como las leguminosas (por ejemplo, el frijol y la soya) y las crucíferas (por ejemplo, el repollo y el brócoli). 18 Este trisacárido no reductor, está constituido por D-galactosa, D-glucosa y D-fructosa (en otras palabras, se trata de una molécula de sacarosa que tiene unido un residuo de D- galactosa). Al carecer de una enzima a-galactosidasa, los humanos no pueden digerir la rafinosa de manera adecuada, pero las bacterias intestinales la fermentan y producen una gran cantidad de gases que causan meteorismo, dolor abdominal, flatulencias (expulsión de gases a través del ano) e, incluso, la imperiosa necesidad de defecar. La rafinosa no es el único carbohidrato que causa este efecto desagradable. También el consumo excesivo de inulina u otros carbohidratos no digeribles pueden causarlo. Cabe señalar que no sólo hay oligosacáridos libres, como los mencionados. Muchas proteínas tienen oligosacáridos unidos de manera covalente (glucoproteínas). También existen lípidos que los contienen: los glucoesfingolípidos como los gangliósidos y globósidos. 6. Polisacáridos (poliósidos). Constituidos por muchos residuos de monosacáridos (pueden ser cientos o miles. Se les subdivide en homopolisacáridos y heteropolisacáridos. 6.1 Homopolisacáridos (homopoliósidos). Están constituidos por un solo tipo de monosacárido: glucanos, mananos, galactanos, fructanos, arabanos, xilanos etc., constituidos, respectivamente, por glucosa, manosa, galactosa, fructosa, arabinosa, xilosa, etc. También hay homopolisacáridos de azúcares modificados, como la N-acetil-glucosamina. Como ejemplos, revisaremos el almidón, el glucógeno, la celulosa, la inulina y la quitina. Ejemplos: Almidón. Es también conocido como fécula. El almidón es una mezcla de dos homopolisacáridos de D-glucosa (glucanos), que suelen ser digeribles por el humano: amilosa y amilopectina. De origen vegetal, su función en las plantas es de reserva energética. Constituye una fuente importante de carbohidratos en nuestra alimentación, sea en alimentos de origen natural (ejemplo: papas) o industrializados (ejemplo: pan elaborado con harina de trigo). En esta mezcla de polisacáridos, el más abundante es la amilopectina (75-80%, dependiendo de la fuente), cuya molécula es muy grande (hasta 200,000 residuos de glucosa), insoluble en agua, y está ramificada, esto es, tiene porciones lineales en los que los residuos de glucosa están unidos entre sí mediante enlaces a(1,4) glucosídicos, y cada 24-30 monosacáridos aparecen los puntos de ramificación, en los que el enlace es a(1,6) glucosídico (ver el esquema). 19 La amilosa, es más pequeña (300-3000 residuos de glucosa), soluble en agua y es esencialmente lineal. Los enlaces predominantes son a(1,4) glucosídicos. 20 La amilosa adopta una disposición helicoidal. La hidrólisis parcial del almidón produce dextrinas, mezclas de polisacáridos de menor tamaño, utilizados como pegamentos solubles en agua, como aditivos para espesar los alimentos y como agentes aglutinantes en la industria farmacéutica. No hay que confundir las dextrinas con el dextrano, homopolisacárido de glucosa, complejo y ramificado, que tiene diversos usos industriales y médicos, y que es sintetizado por ciertas bacterias a partir de la sacarosa. Glucógeno. Es el polisacárido de reserva energética de los animales. Aunque varios tipos celulares pueden sintetizarlo y almacenarlo, en el cuerpo humano la mayor cantidad se almacena en el hígado (hepatocitos). Si bien cada célula muscular almacena una pequeña cantidad de glucógeno, debido a la gran masa muscular que poseemos, en este tejido también se deposita una cantidad significativa del polisacárido. El glucógeno es un homopolisacárido de glucosa, ramificado, digerible, cuya estructura es semejante a la de la amilopectina: porciones lineales con enlaces a(1,4) glucosídicos y enlaces a(1,6) glucosídicos en los puntos de ramificación. La diferencia entre amilopectina y glucógeno estriba en que éste es más ramificado (cada 8-12 residuos de glucosa se presenta un punto de ramificación). 21 Dos cuestiones importantes: (i) debido al gran tamaño de las moléculas de glucógeno y a que adsorben agua, la capacidad de las células para almacenarlo es limitada; y, (ii) el glucógeno hepático es hidrolizado durante el ayuno para liberar glucosa hacia la sangre, en tanto que el glucógeno muscular es para el consumo exclusivo de este tejido (esto es, el músculo no libera glucosa a la circulación sanguínea). Celulosa. Es el polisacárido más abundante en la naturaleza. De origen vegetal, su función es estructural: es el componente principal de la pared celular que rodea a las células de las plantas. La celulosa es un homopolisacárido lineal de glucosa. La asociación de estos polímeros lineales forma fibras largas y resistentes. Los residuos de glucosa están unidos entre sí mediante enlaces b(1,4) glucosídicos. Fibrillas de celulosa ® 22 No es digerible por el humano, esto es, forma parte de la llamada fibra de los alimentos, importante para el funcionamiento adecuado del aparato digestivo. Además, tiene muchos usos en nuestra vida diaria; por ejemplo, la fibra de algodón está compuesta en gran medida por celulosa, al igual que el papel o los muebles de madera. Inulina. Es un homopolisacárido lineal de fructosa, de origen vegetal. De sabor dulce y poco digerible por el humano, es utilizado en la industria alimentaria como edulcorante. Consumido en exceso, puede tener efecto laxante, además de que las bacterias intestinales pueden fermentarla, con la consecuente producción de gases. En medicina, se le utiliza para la valoración del funcionamiento renal ya que, al no ser metabolizada por las células, la inulina inyectada es eliminada a través de la orina. Quitina. Carbohidrato que forma parte el exoesqueleto de los artrópodos (insectos, crustáceos, arácnidos, miriápodos). Después de la celulosa, es el homopolisacárido más abundante en la naturaleza. Es lineal y está constituido por residuos de N-acetil-D-glucosamina. Enlaces: b(1,4) glucosídicos. 6.2 Heteropolisacáridos (heteropoliósidos). Formados por dos o más tipos de monosacáridos. Nuestro ejemplo lo constituyen los glucosaminoglucanos (anteriormente conocidos como mucopolisacáridos ácidos), componentes de la llamada matriz extracelular, abundante en el tejido conectivo. 6.2 Heteropolisacáridos (heteropoliósidos). Formados por dos o más tipos de monosacáridos. Ejemplo: Gucosaminoglucanos (también conocidos como mucopolisacáridos). Están presentes fundamentalmente en la matriz extracelular de los tejidos conectivos. Tienen numerosas cargas negativas y son sustancias muy higroscópicas; al hidratarse, forman un gel. 23 Son heteropolisacáridos lineales, compuestos generalmente por una unidad repetitiva de disacárido: [azúcar ácido-aminoazúcar]n. Cada dímero está unido al siguiente mediante un enlace b(1,4) glucosídico, lo que le confiere resistencia. El azúcar ácido puede ser ácido D-glucurónico o ácido L-idurónico. El aminoazúcar puede ser D-glucosamina o D-galactosamina; el grupo amino suele estar acetilado, para eliminar la carga positiva que aparece cuando el amino capta un hidrogenión. También, el aminoazúcar puede llevar un grupo sulfato (carga negativa) en el carbono 4 o 6, o en un nitrógeno no acetilado. Los glucosaminoglucanos se clasifican en: Þ Estructurales. Ejemplos: ácido hialurónico, sulfato de condroitina, sulfato de heparán, sulfato de dermatán, sulfato de queratán. Þ De secreción. El más importante es la heparina, sustancia con efecto anticoagulante. Almacenado en los gránulos de secreción de las células cebadas (mastocitos). Los glucosaminoglucanos se asocian a proteínas, constituyendo los proteoglucanos: 24 Los glucosaminoglucanos son componentes fundamentales de los tejidos conectivos. Hidratan la matriz extracelular, proporcionándole resistencia a la compresión y favorecen una tasa elevada de difusión de sustancias entre las células. Como suele suceder en las estructuras biológicas, existen excepciones: Þ El ácido hialurónico no forma proteoglucanos (no se asocia a proteínas) y es el único que no está sulfatado. Þ El sulfato de queratán no contiene azúcar ácido sino galactosa. 7. Heterósidos (glucósidos). Un heterósido es una sustancia cuya molécula está compuesta por carbohidrato (glicona) y una porción que no es carbohidrato (aglicona o genina). El reino vegetal es particularmente rico en esta clase de sustancias, muchas de las cuales tienen aplicaciones médicas. Ejemplos: 25  Salicina. Este heterósido es producido por la corteza del sauce (Salix). Su glicona es una molécula de D-glucosa; su genina (aglicona), es el alcohol salicílico. Al consumir salicina, el organismo la hidroliza y el alcohol salicílico se convierte en ácido salicílico, que actúa como anti-inflamatorio, analgésico (disminuye el dolor) y antipirético (disminuye la fiebre). La compañía Bayer, modificó estructuralmente el ácido salicílico para convertirlo en el mundialmente conocido ácido acetilsalicílico (Aspirina®). Esteviósido. Es un glucósido producido por la planta estevia (Stevia rebaudiana), originaria de América del Sur. Se utiliza como edulcorante no calórico, más dulce que la sacarosa (hasta 300 veces). La aglicona es el esteviol, al cual se unen tres residuos de glucosa. 26 8. Fibra de la dieta. La fibra de los alimentos está constituida por todas las partes no digeribles, fundamentalmente polisacáridos y otras sustancias de origen vegetal (celulosa, hemicelulosa, pectinas, gomas, agares, lignina, etc.) que, si bien pueden ser parcialmente fermentados por las bacterias intestinales, contribuyen a dar volumen a las heces y a modificar su consistencia, ya que retiene agua en la luz intestinal. El consumo de una cantidad moderada de fibra asegura el buen funcionamiento del aparato gastrointestinal. Fuentes: 1. Rodwell, V.W., Bender, D.A., Botham, K.M., Kennelly, P.J. & Weil, P.A. (2016). Harper. Bioquímica Ilustrada. McGRAW-HILL Interamericana Editores. México. pp. 152-160. 2. McKEE, T. y McKEE, J.R. (2013): Bioquímica. Las bases moleculares de la vida, 5ª ed., McGraw Hill, México. pp. 209-227. 3. NELSON, D.L. y COX, M.M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry, 6th ed., W.H. Freeman, New York. pp 243-276. 4. BERG, J.M., TYMOCZKO, J.L, GATTO, G.J. & STRYER, L. (2013). Biochemistry, 8th ed., W.H. Freeman, New York. pp. 315-337. 27 MEDICINA 1º B. BIOQUÍMICA. UNIDAD TEMÁTICA V: LÍPIDOS Y MEMBRANAS BIOLÓGICAS. LÍPIDOS Los lípidos son un grupo numeroso y heterogéneo de sustancias, ampliamente distribuidas en la naturaleza, que comparten la característica de ser poco o nada solubles en agua y muy solubles en solventes no polares (éter, benceno, tolueno, etc.). 1. Funciones biológicas. Se pueden dividir en tres apartados: Energética. Ejemplo: la oxidación de ácidos grasos provee energía a las células. Estructural. Ejemplo: los fosfoglicéridos son componentes de la porción lipídica de las membranas celulares. Regulatoria. Ejemplo: La vitamina D estimula la absorción intestinal de calcio y fosfato. 2. Clasificación. Los lípidos pueden ser clasificados de diversas maneras. Por ejemplo, se habla de lípidos saponificables y no saponificables. La palabra saponificable significa “que se puede convertir en jabón”. Los jabones son sales de sodio o potasio de ácidos grasos de cadena larga. Los lípidos saponificables, contienen en su estructura ácidos grasos. Pueden ser simples (por ejemplo, los triglicéridos) o complejos (por ejemplo, los glucoesfingolípidos). Los lípidos no saponificables, no contienen en su estructura ácidos grasos. Por ejemplo, los terpenos y los esteroides. En este curso, se va a dividir a los lípidos en seis grupos, a saber: 1. Ácidos grasos y derivados eicosanoides; 2. Ésteres de glicerol; 3. Esfingolípidos; 4. Terpenos; 5. Esteroles; y, 6. Ceras. 1 La tabla siguiente muestra algunas características y funciones de estas clases de lípidos. Clase de lípidos Función (es) 1. Ácidos grasos. Energética y estructural (“bloques” de construcción de lípidos saponificables). - Sustancias eicosanoides: prostaglandinas, Regulan procesos celulares. tromboxanos, leucotrienos). Derivadas de ciertos ácidos grasos insaturados de 20 carbonos (el prefijo “eicosa” significa 20). 2. Ésteres de glicerol (contienen el trialcohol glicerol). Se subdividen en: 2.1 Acilgliceroles (acilglicéridos) Reserva energética. Los triglicéridos son la principal forma de almacenamiento de ácidos grasos. 2.2 Fosfoglicéridos Principal componente de la bicapa de lípidos de las membranas biológicas. 3. Esfingolípidos. Contienen el amino-alcohol esfingosina. Se subdividen en: Los esfingolípidos también forman parte de la bicapa de 3.1 Esfingomielinas lípidos de las membranas biológicas. 3.2 Glucoesfingolípidos (glucolípidos) 4. Terpenos. Son precursores metabólicos de los esteroles (clase 5). En este grupo se encuentran tres de las cuatro vitaminas liposolubles: 4.1 Vitamina A Necesaria para la visión, crecimiento y desarrollo, etc. 4.2 Vitamina E Antioxidante. 4.3 Vitamina K Coagulación sanguínea. 5. Esteroles. De interés particular: 5.1 Colesterol Estructura de las membranas de células de animales. 5.2 Derivados del colesterol: 5.2.1 Ésteres de colesterol Saponificables. Almacenamiento intracelular de colesterol. 5.2.2 Vitamina D3 (colecalciferol) Estimula la absorción intestinal de calcio y fosfato. 5.2.3 Ácidos biliares Necesarios para la digestión y absorción de lípidos. 5.2.4 Hormonas esteroides. Regulan procesos celulares 6. Ceras Recubren y protegen superficies. 2 1. Ácidos grasos. Los ácidos grasos son sustancias anfipáticas. Los hay con estructuras lineales, cíclicas, ramificadas, hidroxiladas, etc. De interés para este curso son los ácidos grasos cuya estructura es lineal y consta de una cadena hidrocarbonada (no polar) de longitud variable y un grupo carboxilo (ácido, polar), de manera tal que se corresponden con la estructura general R–COOH. Por ejemplo, en el ácido hexadecanoico (ácido palmítico) tiene la estructura siguiente: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH Los ácidos grasos de ocurrencia natural suelen tener un número par de átomos de carbono. La razón de esto es que las célula sintetizan los ácidos grasos uniendo fragmentos de 2 carbonos. 1.1 Clasificación. Criterios: Tamaño: - Ácidos grasos de cadena corta (2-4 átomos de carbono). Ejemplo: ác. butírico (C4) - Ácidos grasos de cadena media (6-10 átomos de carbono). Ejemplo: ác. cáprico (C10) - Ácidos grasos de cadena larga (12 o más átomos de carbono). Ejemplo: ác. araquídico (C20) Presencia de dobles enlaces: - Ácidos grasos saturados (sin dobles enlaces). Ejemplo: ác. esteárico (18:0) - Ácidos grasos monoinsaturados o monoenoicos (1 doble enlace). Ejemplo: ác. oleico (18:1). - Ácidos grasos polinsaturados o polienoicos (2 o más dobles enlaces). Ejemplo: ác. linoleico (18:2). Isomería cis-trans. Los dobles enlaces son rígidos y no permiten la libre rotación a su alrededor. Esto da origen a una clase de estereoisómeros conocidos como isómeros geométricos o isómeros cis y trans. Consideremos el caso del 2-buteno: CH3 - CH = CH - CH3. Esta molécula puede adoptar una de las dos configuraciones estereoisoméricas siguientes: El isómero que tiene los dos hidrógenos del mismo lado, se denomina cis. El que los tiene en lados opuestos, es el isómero trans. 3 1.2 Cis y trans. Los isómeros cis y trans tienen diferente geometría, como se observa en la imagen siguiente. El doble enlace cis hace que la estructura que lo contiene adquiera un doblez más pronunciado que su isómero trans, el cual es prácticamente rectilíneo, como los ácidos grasos saturados. Es por ello que los ácidos grasos insaturados cis muestran un punto de fusión menor que el de sus homólogos trans. IMPORTANTE Los ácidos grasos insaturados presentes en las células, habitualmente tienen dobles enlaces en configuración cis. El consumo de ácidos grasos insaturados trans puede provocar daño a la salud. Por otra parte, a mayor longitud de la cadena hidrocarbonada, mayor es el punto de fusión del ácido graso. Pero la insaturación lo disminuye. Es por ello que: Las grasas de origen animal, ricas en ácidos grasos saturados de cadena larga, son sólidas a temperatura ambiente (ejemplos: manteca, mantequilla, sebo): en tanto que Las grasas de origen vegetal, con un mayor contenido de ácidos grasos insaturados son líquidas a temperatura ambiente (ejemplos: aceites de cártamo, girasol, etc.). Las grasas vegetales pueden ser sometidas a un proceso industrial de hidrogenación, el cual elimina dobles enlaces, haciendo que su consistencia pase de líquida a sólida (ejemplo: margarina). El problema es que este procedimiento provoca un incremento en el contenido de ácidos grasos insaturados trans. Si examinan las etiquetas nutrimentales que, por ley, deben tener los alimentos industrializados, pueden constatar que uno de los rubros mencionados es el porcentaje de grasas trans. 1.3 Nomenclatura. Conforme fueron descubiertos, los ácidos grasos recibieron un nombre trivial que poco o nada dice acerca de su estructura química (ejemplos: ácido caproico, ácido mirístico, ácido erúcico). Es por ello que también se les asigna un nombre sistemático, que indica el número de átomos de carbono y la cantidad de dobles enlaces. 4 Por ejemplo, el ácido esteárico, un ácido graso saturado con 18 carbonos y 0 dobles enlaces (18:0) es el ácido octadecanoico, cuya estructura es la siguiente: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH Otro asunto son los sistemas de identificación de los átomos de carbono de los ácidos grasos. En Bioquímica, hay tres sistemas vigentes: Letras griegas: es el más antiguo, y consiste en asignar una letra minúscula del alfabeto griego, asignando la letra a al átomo de carbono al que está unido el carboxilo, b al siguiente, etc. Al metilo terminal se le asigna la letra omega (w), independientemente de la longitud del ácido graso: w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH Numeración D (delta, letra griega mayúscula): los átomos se numeran asignando el 1 al carboxilo, el 2 al siguiente, etc. w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D Numeración omega (w): Los átomos de carbono son numerados del metilo al carboxilo. w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Estos sistemas de numeración o identificación de los átomos de carbono, son útiles para describir la ubicación de los dobles enlaces de un ácido graso insaturado. Ejemplo: ácido palmitoleico, un ácido graso hexadecamonoenoico (16:1): w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH = CH–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 De acuerdo con la numeración D, la posición del doble enlace es D9, y este ácido puede ser caracterizado como el ácido 16:1D9 hexadecamonoenoico. Utilizando la numeración w, se describe a esta molécula como el ácido 16:1w-7 hexadecamonoenoico. En los ácidos grasos polinsaturados, los dobles enlaces consecutivos están separados uno de otro por un metileno (–CH2–). Por ejemplo, si se introduce un segundo doble enlace en el ácido, la estructura es la siguiente: w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH = CH–CH2–CH = CH–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 5 Se lo puede describir, alternativamente, como el ácido 16:2D6,9 hexadecadienoico, o como el ácido 16:2w-7 hexadecadienoico. Aquí se observa una peculiaridad de los sistemas de numeración: con la numeración D, se acostumbra enumerar todas las posiciones de los dobles enlaces, en tanto que en la numeración w, sólo se señala la posición del primer doble enlace. La razón tiene que ver con la manera en que las células alargan los ácidos grasos y les añaden dobles enlaces: siempre es por el lado del grupo carboxilo. Si se añaden (por la derecha), dos nuevos átomos de carbono al ácido graso, se transforma en el ácido octadecadienoico (18:2). w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH = CH–CH2–CH = CH–CH2–CH2–CH2–CH2– CH2– CH2–COOH 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Se observa que las letras griegas cambiaron de posición. Así mismo en el sistema D, se tienen que renumerar los átomos de carbono y los dobles enlaces cambiaron de ubicación; ahora se trata del ácido 18:2D8,11 octadecadienoico. En cambio, con la numeración w, basta añadir los números de los carbonos adicionales y se observa que la posición del primer doble enlace no varió: w-7, por lo que este ácido lo podemos denominar 18:2w-7 octadienoico. Un último ejemplo: considerar la estructura de un ácido graso polinsaturado precursor de la mayoría de las sustancias eicosanoides: el ácido araquidónico. De acuerdo con la numeración w, se trata del ácido 20:4w-6 eicosatetraenoico. w g b a CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH = CH–CH2–CH = CH–CH2–CH = CH–CH2– CH = CH–CH2–CH2– CH2–COOH 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18. 19. 20 De acuerdo con el sistema de numeración D, es el ácido 20:4D5,8,11,14 eicosatetraenoico. 1.3 Familias de ácidos grasos insaturados. En los sistemas biológicos hay cuatro familias de ácidos grasos insaturados (w-3, w-6, w-7, w-9) que no son interconvertibles. La razón de esto es que los sistemas enzimáticos que introducen dobles enlaces a las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos, no lo permiten. La tabla siguiente muestra las cuatro familias de ácidos grasos insaturados, y el ácido graso progenitor de cada una de ellas. A partir del ácido progenitor, las células pueden generar los demás integrantes de la familia. 6  Familia Ácido graso progenitor w-3 Ácido a-linolénico (18:3 w-3 octadecatrienoico) w-6 Ácido linoleico (18:2 w-6 octadecadienoico) w-7 Ácido palmitoleico (16:1 w-7 hexadecamonoenoico) w-9 Ácido oleico (18:1 w-9 octadecamonoenoico) 1.4 Ácidos grasos esenciales. Las plantas pueden producir ácidos grasos de las cuatro familias, ya que poseen diversos sistemas enzimáticos de Insaturación (desaturasas) que lo posibilitan. El ser humano y otros animales sólo pueden producir por sí mismos ácidos grasos de las familias w-7 y w-9, pero no poseen sistemas enzimáticos que les permitan ubicar el primer doble enlace en w-3 y w- 6, por lo que en su alimentación deben estar presentes los ácidos grasos progenitores de esas familias: ácido a-linolénico (w-3) y ácido linoleico (w-6), los cuales son esenciales. A partir de estos progenitores, nuestras células son capaces de producir los demás integrantes de dichas familias. Familia w-6: 18:2 w-6 (ácido linoleico), progenitor 18:3 w-6 (ácido g-linolénico) 20:2 w-6 (ácido eicosadienoico) 20:4 w-6 (ácido araquidónico) 22:2 w-6 (ácido docosadienoico) 22:5 w-6 (ácido docosapentaenoico) Fuentes: nueces, cereales, mayoría de aceites vegetales, huevo, aves de corral, soya, aguacate. Familia w-3: 18:3 w-3 (ácido a-linolénico, ALA), progenitor 18:4 w-3 (ácido estearidónico) 20:4 w-3 (ácido eicosatetraenoico) 20:5 w-3 (ácido eicosapentaenoico, EPA) 22:5 w-3 (ácido docosapentaenoico, DPA) 22:6 w-3 (ácido docosahexaenoico, DHA) Las siglas corresponden a sus nombres en inglés. Fuentes: peces de agua fría (ejemplos: atún, salmón, sardina), semillas de linaza, semillas de chía (ricas en ALA), semillas de calabaza, alimentos fortificados (leche, leche de soya). Familia w-9: 18:1 w-9 (ácido oleico). Progenitor. Presente en el aceite de oliva. 22:1 w-9 (ácido erúcico). Presente en la canola y la mostaza. 24:1 w-9 (ácido nervónico). Ácido graso abundante en la sustancia blanca del cerebro y el tejido nervioso periférico (forma parte de la estructura de los cerebrósidos). Familia w-7: 16:1 w-7 (ácido palmitoleico). Progenitor. Forma parte de los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo. Su oxidación se relaciona con el proceso de envejecimiento. 7 1.5 Sustancias eicosanoides. Se trata de sustancias derivadas de ácidos grasos polinsaturados de 20 carbonos, particularmente del ácido araquidónico (20:4 w-6). Entre ellas, se encuentran las prostaglandinas, los tromboxanos y los leucotrienos, que cumplen funciones regulatorias en las células que las producen (efecto autócrino) y/o en las células adyacentes (efecto parácrino). Prostaglandinas. Recibieron ese nombre por estar presentes en el componente prostático del líquido seminal; posteriormente se las encontró en diferentes partes del organismo. Las prostaglandinas son simbolizadas por las siglas PG y sus distintas clases se les asigna una letra mayúscula y un subíndice (PGI2, PGD2, PGF2, etc.). Estas sustancias producen efectos diversos, a menudo contrapuestos, actuando sobre el sistema nervioso, el músculo liso, el aparato reproductivo y otros. Ejemplo: PGE2. Esta prostaglandina es la más abundante en el cuerpo humano. Es producida principalmente en riñón, bazo y corazón. Efectos fisiológicos: produce vasodilatación, induce la agregación plaquetaria y la contracción uterina. En obstetricia se le ha utilizado para inducir el trabajo de parto. Tromboxanos. Son producidos por las plaquetas activadas. El tromboxano A2 (TXA2), es el más potente. Induce la agregación plaquetaria y la vasoconstricción. Es transformado rápidamente en TXB2 (inactivo). 8  Leucotrienos. Producidos por leucocitos (monocitos, basófilos, neutrófilos, eosinófilos), mastocitos y, células epiteliales. Por ejemplo, el leucotrieno D4 (LTD4) es un constrictor del músculo liso; provoca broncoconstricción (cierre de las vías aéreas) y vasoconstricción, con incremento de la permeabilidad vascular. Si se examina su estructura, se observa que el leucotrieno tiene unido un dipéptido (cisteinil-glicina). 2. Ésteres de glicerol. El glicerol es un trialcohol. Cada uno de los grupos hidroxilo puede formar un enlace éster con un ácido. Los ésteres de glicerol se subdividen en acilgliceroles (acilglicéridos) y fosfoglicéridos. 2.1 Acilgliceroles (acilglicéridos). Están constituidos por glicerol + 1, 2 o 3 ácidos grasos (R-COOH), de composición muy variada. Pueden ser monoacilglicéridos (monoglicéridos), diacilglicéridos (diglicéridos) y triacilglicéridos (triglicéridos). Los mono- y diglicéridos son lípidos anfipáticos; son intermediarios metabólicos que aparecen cuando un triglicérido se forma o es degradado. Los triglicéridos son completamente hidrófobos y se almacenan en el interior celular. Los triglicéridos constituyen una reserva de energía; son almacenados en gran cantidad en el tejido adiposo. 9 2.2 Fosfoglicéridos. Grupo numeroso y diverso de lípidos anfipáticos, que son los componentes principales de la fracción lipídica de las membranas biológicas En su composición participan: glicerol + dos ácidos grasos de composición variada (esterificados en los carbonos 1 y 2 del glicerol + ácido fosfórico (ocupa la posición 3) + una sustancia polar X (alcohol), que forma un enlace éster con el ácido fosfórico. De acuerdo con la naturaleza de la sustancia X, los fosfoglicéridos se dividen en: fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina (lecitina), fosfatidilinositol, difosfatidilglicerol, etc. 10 Ejemplo de una fosfatidilcolina (lecitina): 2.2.1 Plasmalógenos. Constituyen 10 - 30% de los fosfolípidos del cerebro y el corazón. Su estructura es semejante a la de la fosfatidiletanolamina, pero poseen un enlace de éter en el carbono 1 del glicerol en lugar del enlace éster que se encuentra en los acilgliceroles. El radical alquilo suele ser un alcohol insaturado. En algunos casos, la etanolamina es sustituida por colina, serina o inositol 3. Esfingolípidos. Son lípidos anfipáticos que participan en la estructura de las membranas biológicas. Formados por el aminoalcohol esfingosina + un ácido graso de cadena larga + una sustancia polar X. Esfingosina ® 11  Si a la esfingosina, se le une de manera covalente un ácido graso de cadena larga (enlace amida), se forma una ceramida. Esfingosina + ácido graso = ceramida De acuerdo con la naturaleza de la sustancia polar X, los esfingolípidos se clasifican en esfingomielinas y glucoesfingolípidos: 3.1 Esfingomielinas. Contienen fosforilcolina. Ceramida + fosforilcolina = esfingomielina 3.2 Glucoesfingolípidos. No contienen fósforo. La sustancia polar X es un monosacárido u oligosacárido. Ceramida + monosacárido u oligosacárido = glucoesfingolípido (glucolípido). Los glucoesfingolípidos, a su vez, se subdviden en: 12 3.2.1 Glucoesfingolípidos neutros (no contienen ácido siálico) Cerebrósídos: contienen monosacáridos. Globósidos: contienen oligosacáridos. ¬ Globósido (lactosil ceramida). 3.2.2 Glucoesfingolípidos ácidos. Su estructura está compuesta por una ceramida + oligosacárido + ácido siálico (una o más moléculas). Reciben el nombre de gangliósidos. Gangliósidos GM (monosialilados) 13 4. Terpenos. Son un grupo numeroso de lípidos, particularmente abundantes en las plantas. Son precursores de los esteroles (grupo 5). Muchos tienen un olor, un sabor o un color característicos. Su estructura molecular se constituye por múltiplos de 5 átomos de carbono. Estas unidades C5 reciben el nombre de isoprenos, por su parecido con el 2-metil-1,3-butadieno (isopreno): A esta sustancia también se le puede representar así. A uno de los extremos se le denomina “cabeza”; al otro, “cola”. Las unidades isopreno pueden unirse de dos maneras: unión regular (“cola”-“cabeza”) o, unión irregular (“cola”-“cola”). Los terpenos pueden tener estructuras acíclicas (lineales), cíclicas o mixtas. De acuerdo con el número de átomos de carbono que poseen, los terpenos se clasifican en: Clase No. de unidades isopreno No. de carbonos Monoterpenos 2 10 Sesquiterpenos 3 15 Diterpenos 4 20 Triterpenos 6 30 Tetraterpenos 8 40 Politerpenos N 5N 14 Ejemplos: Monoterpenos (C10) Sesquiterpenos (C15) 15  Diterpenos (C20) Triterpenos (C30) El escualeno (acíclico) y el lanosterol (cíclico) son precursores del colesterol: Escualeno Lanosterol 16  Tetraterpenos (C40) Finalmente, tres ejemplos de politerpenos: Cis-1,4 poli-isopreno, trans-1,4 poli-isopreno y la mezcla de ambos. 17 4.1 Vitaminas derivadas de los terpenos. Tres de las cuatro vitaminas liposolubles, son derivadas de los terpenos: las vitaminas A, E y K. El término vitamina deriva del vocablo inglés vitamine y éste, a su vez, de la fusión del latín vita (vida) y el sufijo amina. Dicho nombre fue acuñado por Casimir Funk (1912). NO TODAS LAS VITAMINAS CONTIENEN NITRÓGENO IMPORTANTE: Las vitaminas son nutrimentos esenciales requeridos en pequeñas cantidades (micronutrimentos). Su deficiencia (hipovitaminosis) puede causar enfermedad. En algunos casos, la ingestión en exceso puede provocar manifestaciones de toxicidad (hipervitaminosis). Su fuente son alimentos de origen natural. Los alimentos pueden ser enriquecidos o fortificados con vitaminas. Muchas vitaminas han sido purificadas o sintetizadas; pueden ser ingeridas en forma de suplementos alimenticios. Se denomina vitámero a un integrante de una familia de vitaminas. Por ejemplo, la vitamina A tiene tres vitámeros, y la vitamina D, dos. Una provitamina es un compuesto que el organismo puede transformar en una vitamina activa. De las 13 vitaminas requeridas por el humano, Cuatro son liposolubles (no polares): vitamina A (retinol, retinal, ácido retinoico), vitamina D (calciferol), vitamina E (tocoferoles y tocotrienoles) y vitamina K (filoquinona, menaquinona). Nueve son hidrosolubles (polares): la vitamina C (ácido ascórbico) y las ocho vitaminas del complejo B: vitamina B1 (tiamina), vitamina B2 (riboflavina), vitamina B3 (niacina), vitamina B5 (ácido pantoténico), vitamina B6 (piridoxina), vitamina B7 (biotina), vitamina B9 (ácido fólico) y vitamina B12 (cobalamina). 4.1.1 Vitamina A. La vitamina A tiene tres formas moleculares o vitámeros, a saber: retinol (vitamina A1), retinaldehído o retinal (vitamina A2) y ácido retinoico. Los tres vitámeros son diterpenos (C20). La vitamina A es necesaria para la visión, el crecimiento y desarrollo y, el mantenimiento de los epitelios. Al igual que otras vitaminas liposolubles, se almacena en los tejidos. Es importante señalar que, cuando se excede esta capacidad de almacenamiento, aparecen las manifestaciones de toxicidad. 18  Retinol (vitamina A1). Es la forma de almacenamiento de la vitamina A. En el hígado se almacena esterificado a un ácido graso de cadena larga. Retinal (vitamina A2). Participa en el ciclo visual, formando parte de la rodopsina, pigmento visual presente en los bastones y conos de la retina. Ácido retinoico. Responsable de los demás efectos biológicos de la vitamina A. La deficiencia de vitamina A (hipovitaminosis A), se manifiesta al agotarse las reservas corporales. La primera manifestación es la pérdida de la capacidad de adaptarse a la luz tenue, conocida como ceguera nocturna. Posteriormente, los ojos se resecan (xeroftalmia) y la córnea se reblandece (queratomalacia), pudiendo sufrir ulceraciones e, incluso perforación, con lo que se abre la puerta a la infección y, a la eventual pérdida de la visión. Al examinar la figura del tetraterpeno b-caroteno, comparándola con la correspondiente al retinol, se observa que, si se parte el caroteno por mitad, se obtienen dos moléculas de retinol. Por ello se dice que las sustancias carotenoides funcionan como provitamina A. ¬ b-caroteno Cuando se ingiere vitamina A en exceso, por ejemplo, en forma de comprimidos con sabores y formas atractivas para los niños, se pueden presentar manifestaciones de toxicidad (hipervitaminosis A): Toxicidad aguda: náusea, cefalea, anorexia, fatiga, piel seca, descamación y edema cerebral. Toxicidad crónica: piel seca, prurito y descamación, anorexia, pérdida de peso, cefalea, edema cerebral, hepatomegalia, esplenomegalia, dolor de huesos y articulaciones. El daño hepático puede desembocar en trastornos hemorrágicos y coma. 19 4.1.2 Vitamina E. Las sustancias con actividad de vitamina E, son denominados tocoferoles y tocotrienoles. Hay cuatro clases de tocoferoles (a,b,g,d) y, cuatro de tocotrienoles (a,b,g,d). Su función es antioxidante. a -tocoferol ® 4.1.3 Vitamina K. Se le asignó esta letra porque es la inicial de la palabra danesa koagulation. La vitamina K es necesaria para que los residuos de ácido glutámico (glutamato) de algunos factores proteínicos de la coagulación sanguínea (II, VII, IX y X), se transformen en g-carboxilglutamato, lo que posibilita que se unan más ávidamente al ión Ca2+ (factor IV). La vitamina K tiene dos vitámeros de origen natural, a saber: filoquinona (vitamina K1), producida por las plantas y, menaquinona (vitamina K2), que producen bacterias que habitan en nuestro intestino (microbiota intestinal). La vitamina K2 es absorbida por las células de la mucosa intestinal. Cuando nace un niño o niña, su intestino es estéril, por lo que es necesario inyectarle una dosis intramuscular de vitamina K1. La deficiencia de vitamina K se manifiesta por alteraciones de la coagulación sanguínea. ¬ Filoquinona (vitamina K1). Menaquinona (vitamina K2); n = 1-14. ® 20 5. Esteroles (esteroides). Son un grupo de sustancias derivadas de los terpenos. Los esteroles de origen vegetal reciben el nombre de fitosteroles (ejemplo: b-sitosterol). El colesterol, de origen animal, es el de mayor interés para nuestro curso. Todos los esteroles comparten una característica estructural: un núcleo de anillos derivado del ciclopentano-perhidro-fenantreno (C17). Los átomos de carbono de los cuatro anillos, se numeran en la manera que muestra la figura siguiente: El colesterol, es un lípido anfipático que posee 27 átomos de carbono. Forma parte de la estructura de las membranas de las células de los animales. El colesterol es almacenado en el interior celular, en forma de éster de colesterol (colesterol + ácido graso de cadena larga). 21 5.1 Derivados del colesterol. 5.1.1 Vitamina D3 (colecalciferol). La vitamina D es la cuarta vitamina liposoluble. Su función es estimular la absorción intestinal de calcio y fosfato, necesarios para la adecuada mineralización de los huesos y dientes, y otras funciones celulares. La vitamina D tiene dos vitámeros: ergocalciferol (vitamina D2), derivada del ergosterol de los hongos; y, colecalciferol (vitamina D3), producida por los animales a partir de colesterol. En las células de la piel se encuentra un derivado del colesterol, denominado 7-deshidrocolesterol. La radiación ultravioleta (UV), a la cual nos exponemos al asolearnos, produce la ruptura del anillo B de esta sustancia, que se transforma en el secosteroide colecalciferol (vitamina D3). El colecalciferol es transferido a la sangre y, a su paso por el hígado, experimenta una reacción de hidroxilación, transformándose en 25-hidroxicolecalciferol (calcidiol). 22 A su paso por los riñones, el calcidiol adquiere un tercer grupo hidroxilo, convirtiéndose en calcitriol (1,25 dihidroxicolecalciferol), que es la forma completamente activa de la vitamina D3. La deficiencia de vitamina D provoca raquitismo en los niños, y osteomalacia en los adultos (consultar el documento adjunto). En exceso es tóxica, al igual que la vitamina A. 5.1.2 Ácidos biliares. Los ácidos biliares son lípidos anfipáticos (C24), derivados del colesterol. El hígado produce los ácidos biliares primarios, a saber: ácido cólico y ácido quenodesoxicólico, que poseen un grupo carboxilo y grupos alcohol en posiciones características. ¬ Ácido cólico (hidroxilos en carbonos 3,7 y 12) Ácido quenodesoxicólico (hidroxilos en carbonos 3 y 7) ® 23 Para incrementar su solubilidad en agua, los hepatocitos conjugan los ácidos biliares con aminóacidos (glicina o taurina), transformándolos en los ácidos glicocólico, taurocólico, glicoquenodesoxicólico y tauroquenodesoxicólico (se les denomina colectivamente sales biliares). ¬ Ácido taurocólico Ácido glicoquenodesoxicólico ® Los ácidos biliares conjugados (sales biliares) son incorporados a la bilis, secreción hepática que es almacenada transitoriamente en la vesícula biliar y, posteriormente, vertida a la luz intestinal (duodeno). Los ácidos biliares son fundamentales para la digestión y absorción de los lípidos de los alimentos. En el colon (intestino grueso), las bacterias intestinales los desconjugan para aprovechar los aminoácidos, y los modifican, transformándolos, respectivamente, en los ácidos biliares secundarios desoxicólico y litocólico. ¬ Ácido desoxicólico Ácido litocólico ® 24  El 98% de los ácidos biliares son reabsorbidos y llevados nuevamente al hígado por la sangre de la vena porta. Los hepatocitos conjugan con aminoácidos a esta mezcla de ácidos biliares primarios y secundarios, y los reincorporan a la bilis. El 2% faltante, que es excretado en las heces, es repuesto por los hepatocitos, al sintetizar ácidos biliares primarios a partir de colesterol. Este trayecto entre el hígado y el intestino, y del intestino al hígado, es denominado el ciclo enterohepático de los ácidos biliares. 5.1.3 Hormonas esteroides. Las hormonas son moléculas que portan un mensaje bioquímico. Muchas de ellas son producidas en las glándulas endocrinas, así denominadas porque secretan al torrente sanguíneo las hormonas que producen. La sangre es el vehículo que transporta a la hormona hasta su célula “diana”. La célula “diana” es capaz de reconocer la presencia de la hormona gracias a que posee moléculas receptoras (proteínas) que la identifican, formando un complejo hormona-receptor que desencadena la respuesta celular. Es importante señalar que una hormona NO crea nuevas funciones en sus células “diana”; más bien, afecta procesos celulares ya existentes, activándolos o inhibiéndolos. En el caso de las hormonas derivadas del colesterol, se les denomina hormonas esteroides y se dividen en dos grandes grupos: hormonas sexuales y hormonas corticosteroides. 25 5.1.3.1 Hormonas sexuales. Son producidas y secretadas por las gónadas (testículos y ovarios). Se subdividen en: Progesterona (C21). Precursora de andrógenos y estrógenos. Participa en el ciclo ovárico, el embarazo y la embriogénesis. Andrógenos (C19). Hormonas sexuales masculinas. Estimulan el desarrollo de los caracteres sexuales del varón. La más representativa es la testosterona. Estrógenos (C18). Hormonas sexuales femeninas. Participan en el ciclo ovárico y estimulan el desarrollo de los caracteres sexuales femeninos. Características estructurales: 18 carbonos y anillo A aromático. El más potente es el estradiol (17-b-estradiol). 5.1.4 Hormonas corticosteroides. Se les llama así porque son producidas, almacenadas y secretadas por células de la parte más externa (corteza) de las glándulas suprarrenales. Se subdividen en: 5.1.4.1 Glucocorticoides (C21). Afectan de manera profunda el metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas. Disminuyen la actividad del sistema inmunitario. El glucocorticoide más característico es el cortisol. 5.1.4.2 Mineralocorticoides. Afectan la homeostasis del sodio y el potasio. Por ejemplo, la aldosterona estimula, a nivel de los túbulos distales de las nefronas, la reabsorción de iones Na+ y la excreción de iones K+. 26 6. Ceras. Las ceras son un grupo numeroso de lípidos estructurales, completamente hidrofóbicos, que recubren y protegen superficies (piel, plumas, cutícula de las plantas, cubierta de los frutos), etc., impermeabilizándolas. Desde el punto de vista químico, se trata de ésteres de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes alifáticos (grasos) de cadena larga. Por ejemplo, la cera de abeja contiene palmitato de triacontanilo, el cual es un éster del ácido palmítico (16:0) y triacontanol (30:0). Fuentes: 1. Rodwell, V.W., Bender, D.A., Botham, K.M., Kennelly, P.J. & Weil, P.A. (2016). Harper. Bioquímica Ilustrada. McGRAW-HILL Interamericana Editores. México. pp. 211-222. 2. McKEE, T. y McKEE, J.R. (2013): Bioquímica. Las bases moleculares de la vida, 5ª ed., McGraw Hill, México. pp. 340-376. 3. NELSON, D.L. y COX, M.M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry, 6th ed., W.H. Freeman, New York. pp. 357-380. 4. BERG, J.M., TYMOCZKO, J.L, GATTO, G.J. & STRYER, L. (2013). Biochemistry, 8th ed., W.H. Freeman, New York. pp. 315-337. 27 MEDICINA, 1º B. BIOQUÍMICA. RAQUITISMO, OSTEOMALACIA Y OSTEOPOROSIS La vitamina D se absorbe de los alimentos o es producida por la piel cuando se expone a la luz solar. Una persona no obtiene suficiente vitamina D de su dieta cuando: - No ingiere productos lácteos, lo cual es más frecuente en los adultos mayores. - Sigue una dieta vegetariana. - No puede absorber adecuadamente la vitamina D en el intestino. La falta de vitamina D producida por la piel puede ocurrir en una persona que: - Vive en sitios con escasa radiación solar. - Debe permanecer en el interior de su casa. - Trabaja en interiores durante las horas del día. - Usa ropa que cubre la mayor parte de su piel. - Tiene pigmentación oscura de la piel. - Usa protector solar. 1. Raquitismo. Se debe a la deficiencia de vitamina D en la niñez. La absorción intestinal de calcio es deficiente, por lo que los huesos no se mineralizan de manera adecuada afectando, incluso, a los cartílagos de crecimiento. Sus manifestaciones clínicas características son, entre otras: - retraso en el crecimiento y en el desarrollo de habilidades motrices; - dolor en la espalda, las caderas y las piernas; - debilidad muscular; y, - deformidades óseas tales como piernas arqueadas, engrosamiento de muñecas y tobillos y, proyección del esternón. 2. Osteomalacia. El hueso es un tejido conectivo especializado sujeto a una remodelación continua por la actividad de los osteoblastos y osteoclastos. Cuando la deficiencia de vitamina D ocurre en la vida adulta, la inadecuada absorción intestinal de calcio hace que los huesos se desmineralicen, provocando osteomalacia, término que significa, literalmente, reblandecimiento óseo. 1 Los síntomas más comunes son dolor que se origina en los huesos, principalmente la pelvis, columna vertebral y costillas. Pueden observarse deformidades de los huesos del tórax y disminución de los niveles de calcio en sangre que, en ocasiones, provocan tetania (contracciones rápidas e involuntarias de la musculatura estriada). Existe predisposición a las fracturas, tanto de la columna vertebral como del fémur y otros huesos. No se debe confundir la osteomalacia con la osteoporosis, que también hace que los huesos se vuelvan frágiles y haya propensión a sufrir fracturas. El hueso es un tejido vivo que, como se señaló, se remodela constantemente. 3. Osteoporosis. La osteoporosis ocurre cuando la generación de hueso nuevo es más lenta que la pérdida de hueso viejo. Esto es, aunque haya una adecuada absorción de calcio, la generación de matriz ósea (colágena) es insuficiente. Las etapas iniciales del decremento de la masa ósea suelen ser asintomáticas. Pero, una vez que se debilitan los huesos, puede haber dolor de espalda, provocado por una vértebra fracturada o aplastada; disminución de la estatura con el tiempo; postura encorvada; y, propensión a sufrir fracturas óseas. 3.1 Factores de riesgo. Los siguientes son algunos factores de riesgo para desarrollar osteoporosis: 3.1.1 Sexo. Las mujeres son más propensas a desarrollar osteoporosis que los varones. 3.1.2 Edad. A mayor edad, mayor riesgo de osteoporosis. 3.1.3 Antecedentes familiares. Tener un familiar directo con osteoporosis implica un mayor riesgo, especialmente si la madre o el padre sufrieron fractura de cadera. 2 3.1.4 Talla corporal. Los varones y las mujeres cuyas estructuras corporales son pequeñas tienen un riesgo más alto debido a que poseen menos masa ósea para utilizar a medida que envejecen. 3.1.5 Factores hormonales. Las concentraciones sanguíneas de hormonas, también desempeñan un papel en el desarrollo de esta enfermedad, a saber: Hormonas sexuales. Sus niveles sanguíneos bajos tienden a debilitar los huesos. La disminución de los estrógenos en las mujeres menopáusicas es uno de los mayores factores de riesgo para la osteoporosis. Los hombres tienen una reducción gradual en los niveles de testosterona a medida que envejecen. Hormonas tiroideas. El hipertiroidismo puede favorecer el desarrollo de osteoporosis. Otras glándulas. La osteoporosis también se ha asociado con la hiperactividad de las glándulas paratiroides y suprarrenales. 3.1.6 Factores relacionados con la alimentación. Bajo consumo de calcio. Trastornos alimentarios. La restricción extrema de la ingesta de alimentos y el bajo peso debilitan los huesos. Cirugía gastrointestinal. La cirugía para reducir el tamaño del estómago o para extirpar parte del intestino limita la cantidad de superficie disponible para absorber nutrimentos, incluido el calcio. 3.1.7 Uso de medicamentos El empleo crónico de medicamentos corticosteroides, orales o inyectados, como la prednisona y la cortisona, interfiere en el proceso de remodelación ósea. Así mismo, el desarrollo de osteoporosis se ha asociado con medicamentos utilizados para el tratamiento o prevención de crisis convulsivas, reflujo gástrico y cáncer, entre otras afecciones. 3.1.8 Hábitos. Algunos hábitos pueden aumentar el riesgo de osteoporosis. Por ejemplo: Estilo de vida sedentario. Consumo excesivo de alcohol. Tabaquismo. 3.2 Diagnóstico La distinción entre osteomalacia y osteoporosis, sólo puede hacerla una doctora o doctor calificados, es decir, que piensen que puede tratarse de dos enfermedades diferentes. En primer lugar, la anamnesis o interrogatorio que realiza a su paciente, le permite recabar información acerca de sus síntomas y de sus antecedentes familiares y médicos. La exploración física puede ser útil, pero es muy variable de un enfermo a otro y no suelen existir signos característicos que permitan dilucidar si se trata de osteomalacia o de osteoporosis. 3  Las pruebas de laboratorio son muy importantes para determinar un diagnóstico correcto. Hay que realizar una analítica completa de sangre, para determinar, entre otras cosas, las concentraciones séricas de sustancias como el calcio, el fósforo, la vitamina D o la fosfatasa alcalina. También es útil solicitar un análisis de orina, para determinar la cantidad de calcio que se excreta por esta vía. Las pruebas de imagen son cruciales para el diagnóstico. La manifestación radiológica más frecuente de la osteomalacia por déficit de vitamina D es la disminución de la densidad ósea, que es indistinguible de la observada en la osteoporosis. También se puede determinar si hay pérdida de la estructura trabecular (esponjosa) del hueso normal. Las fracturas o la deformidad ósea pueden ser hallazgos radiológicos en estos pacientes. 3.2.1 Densitometría ósea El análisis de densidad ósea puede mostrar si una persona tiene osteoporosis y mejora la precisión del cálculo del riesgo de fracturas de huesos. En el pasado, se podía sospechar la presencia osteoporosis solamente después de una fractura ósea. Sin embargo, para entonces los huesos podrían estar muy débiles. El análisis de densidad ósea utiliza distintas técnicas de imagen para estimar cuántos gramos de calcio y otros minerales hay en un segmento de hueso. Los huesos analizados con más frecuencia son los de la columna vertebral, la cadera y, a veces, el antebrazo. Se utiliza el análisis de densidad ósea para: Identificar la reducción de la densidad ósea antes de una fractura. Determinar el riesgo de fracturas. Confirmar un diagnóstico de osteoporosis. Supervisar el tratamiento de la osteoporosis. Cuanto más alto es el contenido mineral óseo, mayor es la densidad de los huesos. Y cuanto más densos son los huesos, generalmente son más fuertes y menos propensos a fracturarse. Fuente: Mayo Clinic. Sitio web: https://www.mayoclinic.org/es-es 4 MEDICINA 1º B. BIOQUÍMICA UNIDAD TEMÁTICA V: LÍPIDOS Y MEMBRANAS BIOLÓGICAS PARTE 2: MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y ESTRUCTURAS ASOCIADAS. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Todas las células están cubiertas por una membrana, denominada membrana celular externa o membrana plasmática. Las células eucarióticas poseen organelos delimitados por membranas. 1. Funciones. Son numerosas, entre ellas: Límite o frontera. La membrana plasmática delimita el espacio intracelular con respecto del extracelular. Los organelos como el núcleo, las mitocondrias, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, etc., son compartimientos intracelulares cuyo contenido está separado del citoplasma por membranas que pueden ser sencillas (por ejemplo, retículo endoplásmico, lisosomas) o dobles (por ejemplo, mitocondrias, cloroplastos, núcleo). Protección. Las membranas protegen los contenidos que delimitan. Regulación del intercambio de sustancias. Las membranas internas y externas funcionan como barreras de permeabilidad selectiva, limitando el paso de sustancias de un compartimiento a otro, a través de distintos mecanismos. Si bien moléculas pequeñas como el amoniaco o la urea, o sustancias lipofílicas como el colesterol o la progesterona, pueden atravesarlas libremente, otras son detenidas sistemáticamente, como las sustancias ionizadas (por ejemplo, el pirofosfato) o moléculas polares de tamaño moderado o grandes (por ejemplo, la glucosa y las proteínas), a menos que en la membrana de que se trate haya proteínas transportadoras específicas (por ejemplo, el transportador de carnitina). Forma. Las membranas contribuyen al mantenimiento de la forma de los compartimientos que delimitan. Pensemos en la forma característica de los eritrocitos del humano: disco bicóncavo, perfectamente flexible); en este caso, la integridad de la membrana plasmática es fundamental ya que, si se altera, puede afectarse la forma y propiedades de la célula. Por ejemplo, en la esferocitosis hereditaria, debida a diversas mutaciones del gen de la espectrina, una proteína de membranas, los eritrocitos son esferoidales y rígidos, lo que propicia su destrucción prematura y el desarrollo de anemia hemolítica. Movilidad. Ejemplos: En células que se desplazan, como las amibas, la emisión de seudópodos involucra a la membrana celular externa. Un espermatozoide puede movilizarse gracias a su flagelo, que es una especialización de su membrana celular. 1  Señalización. Un ejemplo: la adición de residuos de manosa-6-fosfato a proteínas precursoras de hidrolasas ácidas es la etiqueta bioquímica que las conduce del aparato de Golgi a la membrana de los lisosomas (destino final). Otro ejemplo: la insulina es una hormona polipeptídica producida y secretada hacia la sangre por las células b de los islotes pancreáticos (Langerhans); actúa solamente sobre células que en su membrana externa poseen proteínas receptoras para la insulina. Un tercer ejemplo: ciertos linfocitos del sistema inmunitario monitorean continuamente las membranas de distintos tipos celulares en busca de cambios anormales en su composición de glúcidos. Transmisión de impulsos eléctricos. Pensemos en nuestras neuronas, que al excitarse alteran la permeabilidad de sus membranas externas a distintos iones, lo que se traduce en un potencial de acción que se propaga velozmente a lo largo del axón hasta llegar a la sinapsis. Ahí la neurona pre-sináptica, mediante exocitosis libera vesículas que contienen sustancias neurotransmisoras las cuales son reconocidas y captadas por la neurona post-sináptica que, a su vez, se despolariza y continúa la transmisión del impulso nervioso hasta su destino (por ejemplo, la placa neuromuscular). Transducción de energía. La energía radiante del sol (fotones) es captada por los fotorreceptores de las células fotosintetizadoras (por ejemplo, las membranas tilakoides de los cloroplastos) y transformada en energía química (moléculas de ATP) mediante las reacciones de la fase luminosa de la fotosíntesis. 2. Composición. Las membranas celulares están constituidas por lípidos, proteínas y carbohidratos. Los lípidos son de naturaleza anfipática, a saber: fosfoglicéridos, esfingomielinas, glucoesfingolípidos y, en el caso de las células animales, colesterol (fitoesteroles en las plantas). Los carbohidratos de las membranas están unidos a de manera covalente a proteínas (glucoproteínas) y lípidos (glucoesfingolípidos). 3. Organización estructural. 3.1 Lípidos anfipáticos. Están organizados en una bicapa continua, con dos superficies hidrofílicas e interior hidrofóbico. Las superficies hidrofílicas están constituidas por las porciones polares de los lípidos (por ejemplo, la fosforil-colina, los oligosacáridos), en tanto que el interior hidrófobo está conformado por las cadenas hidrocarbonadas (no polares) de los ácidos grasos. La bicapa es delgada, presenta resistencia eléctrica y su permeabilidad es muy limitada: sólo puede ser atravesada libremente por sustancias polares muy pequeñas (por ejemplo, agua) o sustancias lipofílicas (por ejemplo, hormonas esteroides). 2 Es evidente que una membrana constituida solamente por lípidos NO puede efectuar la mayoría las funciones enunciadas. Estas funciones especializadas corresponden a las proteínas membranales: catálisis, reconocimiento, movimiento, transporte transmembrana, etc. 3.2 Proteínas. Las proteínas de membrana se relacionan de manera diversa con la bicapa de lípidos. Las que la atraviesan parcial o totalmente son denominadas proteínas integrales o intrínsecas. Las que están asociadas de manera no covalente a las superficies polares de la bicapa o a las porciones superficiales de proteínas integrales, reciben el nombre de proteínas periféricas o extrínsecas. En general, las proteínas de membrana son globulares (mono- u oligoméricas). Desde el punto de vista funcional, las proteínas de membrana son receptores, proteínas transportadoras, canales iónicos, enzimas, etc. La complejidad estructural y funcional de una membrana