Lípido
y membranas
Lípido:
Un compuesto orgánico insoluble en agua (o moderadamente soluble) encontrado en
los sistemas biológicos, que se puede extraer mediante el uso de solventes
orgánicos relativamente no polares.
Son
una gran tercera clase de macromoléculas. Los lípidos tienen gran solubilidad
en solventes orgánicos no polares. Son hidrofóbicos (no polares) o bien son anfipáticos
(contienen regiones polares y no polares al mismo tiempo).
Los
lípidos más simples son los ácidos grasos, y tienen la fórmula general R—COOH,
donde R representa una cadena de hidrocarburo. Los ácidos grasos son componentes
de muchos tipos más complejos de lípidos, incluyendo los triglicéridos o triacilgliceroles,
los glicerofosfolípidos y los esfingolípidos.
Los
Los
lípidos, llevan a cabo múltiples funciones. Alguna de ellas, las grasas, se
utilizan para el almacenamiento de energía y el aislamiento térmico. Sin
embargo, la porción más grande de los lípidos, en la mayor parte de las
células, se emplea para formar membranas, los tabiques que dividen los
compartimientos y separan a la célula de sus alrededores.
Ácidos grasos
Son
una cadena larga de hidrocarburos alifáticos con un solo grupo carboxilo en un
extremo. Los ácidos grasos son el tipo más sencillo de lípido, y son
componentes de lípidos mucho más complejos, incluyendo los triacilgliceroles,
los glicerofosfolípidos, los esfingolípidos y las ceras.
Los
ácidos grasos pueden indicarse ya sea por sus nombres establecidos por la Unión
Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, International Union of Pure and
Applied Chemistry) o por sus nombres comunes. Los nombres comunes se usan para los
ácidos grasos que se encuentran con más frecuencia.
La
cantidad de átomos de carbono en los ácidos grasos más abundantes va de 12 a
20, y casi siempre es par. En la nomenclatura de IUPAC, al carbono carboxílico
se le considera el C-1 y los demás átomos de carbono se numeran en secuencia.
En la nomenclatura común se usan letras griegas para identificar a los átomos de
carbono. El carbono adyacente al carbono carboxílico (C-2, en la nomenclatura
de IUPAC) se le denomina alfa, y los demás carbonos tienen las siguientes
letras griegas. La letra griega omega especifica el átomo de carbono más
alejado del grupo carboxilo, cualquiera que sea la longitud de la cola de
hidrocarburo. (v es la última letra del alfabeto griego).
Los
ácidos grasos que no contienen dobles enlaces carbono-carbono se llaman saturados,
en tanto que los que tienen al menos un doble enlace carbono-carbono se
clasifican como no saturados o insaturados. Los ácidos grasos no saturados que
sólo tienen un doble enlace carbono-carbono se llaman monoinsaturados, en tanto
que los que tienen dos o más se denominan poliinsaturados.
Las
propiedades físicas de los ácidos grasos saturados y no saturados son muy variadas.
Típicamente, los ácidos grasos saturados son sólidos céreos a temperatura ambiente
(22 °C), en tanto que los ácidos grasos no saturados son líquidos a esta
temperatura.
Aunque
los ácidos grasos desempeñan funciones importantes en el metabolismo, nunca se
encuentran en las células vivas grandes cantidades de los ácidos libres ni de
sus aniones. En lugar de ello, estos compuestos se encuentran casi siempre como
componentes de lípidos más complejos.
Triacilgliceroles
Lípido
que contiene tres residuos de acil grasos esterificados en glicerol. Las grasas
y los aceites son mezclas de triacilgliceroles. Antes se conocían como triglicéridos.
En
general, los ácidos grasos se almacenan en forma de lípidos neutros llamados
triacilgliceroles o triglicéridos.
Los
triacilgliceroles son muy hidrofóbicos. En consecuencia, a diferencia de otros
carbohidratos, se pueden almacenar en células en forma anhidra, esto es, las
moléculas no están solvatadas por agua, lo cual ocuparía espacio y añadiría
masa, reduciendo la eficiencia del almacenamiento de energía. Las grasas y los
aceites son mezclas de triacilgliceroles. Pueden ser sólidos (grasas) o líquidos
(aceites), dependiendo de sus composiciones de ácidos grasos y de la
temperatura.
Los
triacilgliceroles que sólo contienen grupos acilo graso saturado y de cadena larga
tienden a ser sólidos a la temperatura corporal, y los que contienen grupos
acilo graso no saturados o de cadena corta, tienden a ser líquidos.
En
los mamíferos, la mayor parte de la grasa se almacena en el tejido adiposo,
formado por células especializadas llamadas adipocitos. Cada adipocito contiene
una gota grande de grasa que forma casi todo el volumen de la célula.
Adipocito
El almacenamiento de grasas en los
animales tiene tres funciones distintas:
1.
Producción de energía: La mayor parte de la grasa de la mayoría de los
animales se oxida para generar ATP e impulsar los procesos metabólicos.
2. Producción
de calor: Algunas células especializadas (por ejemplo las de la “grasa
parda” de los animales homeotermos) oxidan los triacilgliceroles para producir
calor, en lugar de para formar ATP.
3. Aislamiento: En los animales que viven en un
entorno frío, las capas de células adiposas situadas debajo de la piel actúan
como un aislante térmico. Un ejemplo obvio es la grasa de las ballenas.
Glicerofosfolípidos
Lípido
compuesto por dos grupos grasos de acilo unidos al C-1 y C-2 de glicerol
3-fosfato y, en la mayoría de los casos, un sustituto polar unido a la mitad
del fosfato.
Cada
tipo de glicerofosfolípido consiste en una familia de moléculas con el mismo grupo
en la cabeza polar, y distintas cadenas de acilo graso.
Esfingolípidos
Lípido
anfipático con un esqueleto de esfingosina (trans-4-esfingenina). Los
esfingolípidos, los cuales incluyen esfingomielinas, cerebrósidos y
gangliósidos, están presentes en las membranas de plantas y animales y son
particularmente abundantes en los tejidos del sistema nervioso central.
De
ellos, sólo las esfingomielinas contienen fosfato, y se clasifican como
fosfolípidos; los cerebrósidos y los gangliósidos contienen residuos de
carbohidrato y se clasifican como glicoesfingolípidos.
El
respaldo estructural de los esfingolípidos es la esfingosina
(trans-4-esfingenina), un alcohol no ramificado de C18, con un doble enlace
trans entre el C-4 y C-5, un grupo amino en el C-2 y grupos hidroxilo en el C-1
y C-3.
La
ceramida está formada por un grupo acilo graso unido al grupo amino del C-2 en
la esfingosina, por un enlace de amida.
Las
ceramidas son los precursores metabólicos de todos los esfingolípidos.
Enfingomielinas:
Esfingolípido
compuesto por fosfocolina unida al grupo hidroxilo del C-1 de una ceramida. La esfingomielina
está presente en las membranas plasmáticas de la mayoría de las células de los
mamíferos y son un componente principal de las vainas de mielina.
Cerebrósido: glicoesfingolípido
que contiene un residuo de monosacárido unido por medio del enlace beta-glucosídico
al C-1 de una ceramida. Los cerebrósidos abundan en el tejido nervioso y se
encuentran en las vainas de mielina.
Gangliosido: Glicoesfingolípido
en el cual las cadenas de oligosacáridos que contienen un ácido N-acetilneuramínico
se unen a una ceramida. Los gangliósidos están presentes en la superficie celular
y proporcionan células con marcadores de superficie distintivos que pueden
servir para el reconocimiento celular y para la comunicación entre células.
Esteroides
Lípido
que contiene una estructura isoprenoide de cuatro anillos combinados.
Los
esteroides son una tercera clase de lípidos que se encuentran en las membranas
de los eucariotas, y muy rara vez en las bacterias. Los esteroides, junto con
las vitaminas lipídicas y los terpenos, se clasifican como isoprenoides porque
sus estructuras se relacionan con la molécula de isopreno, de cinco carbonos.
La
estructura anular característica se deriva del escualeno.
El esteroide
colesterol es el componente importante de las membranas plasmáticas animales,
pero sólo se encuentra rara vez en las plantas, y nunca en los procariotas,
protistas u hongos. En realidad, el colesterol es un esterol porque tiene un
grupo hidroxilo en el C-3. Otros esteroides son los de las plantas, hongos y
levaduras (que también tienen un grupo hidroxilo en el C-3); las hormonas
esteroides de mamíferos (como estrógenos, andrógenos, progestinas y
corticosteroides suprarrenales), y las sales biliares.
El
colesterol se acumula con frecuencia en depósitos lipídicos (placas) en las
paredes de los vasos sanguíneos. Se han identificado esas placas en las
enfermedades cardiovasculares, que pueden provocar ataques al corazón.
A
pesar de su implicación en enfermedades cardiovasculares, el colesterol tiene participación
esencial en la bioquímica de los mamíferos. Es sintetizado por las células de
mamíferos. No sólo es un componente de ciertas membranas, sino también un
precursor esencial de las hormonas esteroides y de las sales biliares.
El
colesterol modula la fluidez de las membranas celulares de mamíferos.
Otros lípidos de importancia
Incluyen
distintos compuestos, como ceras, eicosanoides y algunos isoprenoides.
Las
ceras son ésteres no polares de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes
monohidroxílicos de cadena larga. Por ejemplo, el palmitato de
miricilo, uno de los principales componentes de la cera de abejas, es el éster
de palmitato (16:0) y del alcohol miricílico, de 30 carbonos.
Las
ceras están muy distribuidas en la naturaleza proporcionan cubiertas
protectoras impermeables a las hojas y frutos de ciertas plantas, y en la piel,
cuero, plumas y exoesqueletos de animales.
Los
eicosanoides son derivados oxigenados de ácidos grasos poliinsaturados de C20,
como ácido araquidónico. Las prostaglandinas son eicosanoides que tienen un
anillo de ciclopentano. La prostaglandina E2 puede causar constricción de vasos
sanguíneos, y el tromboxano A2 interviene en la formación de coágulos
sanguíneos, que en algunos casos pueden bloquear el flujo de sangre.
El
leucotrieno D4, mediador de la contracción de músculos lisos, también provoca
la constricción bronquial de los asmáticos. La aspirina (ácido
acetilsalicílico) alivia el dolor, la fiebre, la hinchazón y la inflamación, al
inhibir la síntesis de las prostaglandinas.
El
limoneno es un terpeno, lípido cíclico que principalmente es responsable del
olor característico de los limones. Otros isoprenoides son el bactoprenol (alcohol
undecaprenílico, y la hormona juvenil I, que regula la expresión de los genes
necesarios para el desarrollo en los insectos. Isoprenoides parecidos al
bactoprenol son lípidos importantes en las arqueobacterias, donde sustituyen a
los ácidos grasos en la mayor parte de los fosfolípidos de membrana.
Las
membranas biológicas están formadas por bicapas lipídicas y proteínas.
Las
membranas biológicas definen los límites externos de las células, y separan
compartimientos dentro de ellas. Son componentes esenciales de todas las
células vivas.
Una
membrana típica está formada por dos capas de moléculas de lípidos y muchas proteínas
embebidas en ella.
Las
membranas biológicas no sólo son barreras pasivas contra la difusión. Tienen una
gran variedad de funciones complejas. Algunas proteínas contenidas en las
membranas sirven como bombas selectivas que controlan en forma estricta el transporte
de iones y de moléculas pequeñas que entran y salen de la célula. Las membranas
también son responsables de generar y mantener la concentración de gradientes
de protones, esenciales para la producción de ATP.
A.
Bicapas
lipídicas
Las bicapas lipídicas son el principal componente
estructural de todas las membranas biológicas, incluyendo membranas plasmáticas
y membranas internas de células eucariotas. Una bicapa lipídica tiene en
forma típica de 5 a 6 nm de espesor, y consiste en dos hojas o monocapas (que
también se llaman hojillas). En cada hoja, los grupos polares de cabeza en los
lípidos anfipáticos están en contacto con el medio acuoso, y las colas no polares
de hidrocarburos apuntan hacia el interior de la bicapa.
B.
Modelo
fluido de mosaico para membranas biológicas
Una membrana biológica es más gruesa que una bicapa
lipídica: en forma típica tiene de 6 a 10 nm de espesor. S. Jonathan Singer y
Garth L. Nicolson propusieron en 1972 el modelo de mosaico fluido y todavía
tiene validez general para describir el arreglo de lípidos y proteínas dentro
de una membrana. Según el modelo del mosaico fluido, la membrana es una
estructura dinámica en la que se pueden difundir lateralmente o girar dentro de
la bicapa, en forma rápida y aleatoria, las proteínas y los lípidos.
Las bicapas lipídicas y las membranas
son estructuras dinámicas
Los
lípidos en una bicapa están en movimiento constante, dando a las bicapas
lipídicas muchas de las propiedades de los fluidos. Los lípidos tienen varios
tipos de movimiento molecular dentro de las bicapas. El rápido movimiento de los
lípidos dentro del plano de una monocapa es un ejemplo de difusión lateral bidimensional.
La
difusión transversal es el paso de una molécula de lípido o proteína de una
hojilla de bicapa lipídica a otra hojilla. A diferencia de la difusión lateral dentro
de una hojilla o bicapa, la difusión transversa es extremadamente lenta.
Difusión
lateral es el movimiento rápido de un lípido o moléculas de proteínas dentro de
un plano de una hojilla de una bicapa lipídica.
La
distribución de las proteínas de membrana se puede visualizar por microscopia electrónica
de criofractura. En esta técnica se congela rápidamente una muestra de membrana,
hasta la temperatura de nitrógeno líquido, y a continuación se rompe con una
cuchilla. La membrana se divide entre las hojillas de la bicapa lipídica, donde
las interacciones intermoleculares son más débiles. Se evapora el hielo al vacío
Tres clases de proteínas de membrana
Esas
proteínas se dividen en tres clases, según su modo de asociación con la bicapa
lipídica: proteínas integrales de membrana, proteínas periféricas de membrana y
proteínas de membrana ancladas a lípidos.
Las proteínas integrales de membrana,
llamadas también proteínas transmembranales, contienen regiones hidrofóbicas
incrustadas en el interior hidrofóbico de la bicapa lipídica. Las proteínas
integrales de membrana abarcan totalmente a la bicapa con una parte de la
proteína expuesta sobre la superficie externa, y una parte expuesta en la
superficie interna.
Las
proteínas integrales de membrana aisladas se suelen conservar en presencia del
detergente, para evitar su desnaturalización.
Las proteínas periféricas de membrana se
asocian a una cara de la membrana, mediante interacciones de carga a carga y
con puentes de hidrógeno, con las proteínas integrales de membrana o con los
grupos de cabeza polar de los lípidos de membrana. Las proteínas periféricas de
membrana se disocian con más facilidad de las membranas, con procedimientos que
no requieren romper enlaces covalentes ni romper la membrana misma. Con
frecuencia, un cambio de pH o de fuerza iónica basta para eliminar esas proteínas
de la membrana.
Las proteínas de membrana ancladas a
lípidos están unidas a una membrana mediante un enlace covalente
con un ancla lipídico. En las proteínas de membrana ancladas a lípidos más
simples, una cadena lateral de aminoácidos se une por un enlace de amida o de
éster a un grupo de acilo graso.
Transporte de membrana
Las
membranas plasmáticas separan físicamente una célula viva de su ambiente.
Además, dentro de las células eucariotas, las membranas rodean a diversos
compartimientos, como al núcleo y a las mitocondrias. Las membranas son
barreras de permeabilidad selectiva que restringen el paso libre de la mayor
parte de las moléculas.
El
tráfico de moléculas polares y de iones a través de las membranas es mediado por
tres tipos de proteínas integrales de membrana: canales y poros,
transportadores pasivos y transportadores activos. Esos sistemas de transporte
tienen distintas propiedades cinéticas y necesidades de energía.
A.
Termodinámica
del transporte en la membrana
B. Poros y canales: Los
poros y los canales son proteínas transmembranales con un paso central para
iones y moléculas pequeñas. (En general, el término poro se usa en las
bacterias, y canal para los animales). Los solutos con tamaño, carga y
estructura molecular adecuados pueden atravesar rápidamente el pasaje en
cualquier dirección, difundiéndose a favor de un gradiente de concentración.
C.
Transporte
pasivo: Las proteínas de transporte pasivo y activo se unen en
forma específica a solutos, y los transportan a través de las membranas. En el
transporte pasivo, el soluto se mueve a favor de su gradiente de concentración,
y el potencial de membrana es favorable.. En el transporte activo, el soluto se
mueve contra un gradiente de concentración, contra una diferencia de carga, o
ambas cosas. El transporte activo debe acoplarse a una reacción productora de
energía para contrarrestar el cambio desfavorable de energía libre de Gibbs,
para transporte sin ayuda. Los transportadores de membrana más simples, sean
activos o pasivos, realizan uniporte; esto es, sólo llevan un solo tipo de
soluto a través de la membrana. Muchos transportadores hacen el transporte
simultáneo de dos moléculas de diferentes solutos. Si ambas moléculas se
transportan en la misma dirección, el proceso se llama simporte. Si se
transportan en direcciones opuestas, el proceso es antiporte. El transporte pasivo también se llama
difusión facilitada, porque no requiere fuente de energía.
D. Transporte activo: el
transporte activo requiere energía para mover un soluto contra su gradiente de
concentración. En algunos casos, el transporte activo de moléculas o iones
cargados causa también un gradiente de carga a través de la membrana, y el transporte
activo mueve los iones contra el potencial de membrana.
E. Endocitosis y exocitosis:
el
transporte implica la formación de un tipo especializado de vesícula lipídica. La
endocitosis es el proceso mediante el cual las macromoléculas son rodeadas por
la membrana plasmática, y son llevadas al interior de la célula dentro de una
vesícula lipídica. La endocitosis mediada por receptor comienza con la unión de
macromoléculas a proteínas receptoras específicas en la membrana plasmática de
la célula.
Transducción de
señales extracelulares
Las membranas plasmáticas de todas las células contienen
receptores específicos que permiten que la célula responda a estímulos químicos
externos que no pueden cruzar la membrana.
En los organismos multicelulares, las células especializadas
son las que producen estímulos, como hormonas (moléculas que permiten que las
células en una parte de un organismo se comuniquen con las de otra parte del
mismo organismo), neurotransmisores (sustancias que transmiten mensajes
nerviosos en las sinapsis) y factores de crecimiento (proteínas que regulan la
proliferación celular). Estos ligandos pueden viajar hacia otros
tejidos, donde se unen a los receptores adecuados en sus superficies y producen
respuestas específicas en las células.
A. Las proteínas G son transductores de
señal:
Son receptores de
membrana interactúan con una familia de proteínas unidas a un
nucleótido de
guanina, llamadas proteínas G. Las proteínas G actúan como
transductores,
agentes que transmiten estímulos externos a enzimas efectoras.
Las proteínas G
tienen actividad de GTPasa; esto es, catalizan lentamente la
hidrólisis de
5’-trifosfato de guanosina (GTP, el análogo de guanina del ATP) para
formar
5’-difosfato de guanosina (GDP).
Cuando
el GTP está unido a una proteína G está activo para transducción de señal, y
cuando el GDP está unido a una proteína G está inactivo. La activación y
desactivación cíclica de las proteínas G. Las proteínas G que intervienen en
señalización por receptores hormonales son proteínas periféricas de membrana
que están en la superficie interna de la membrana plasmática. Cada proteína está
formada por una subunidad alfa, una beta y una y . Las subunidades a y y son proteínas de membrana ancladas a
lípido; la subunidad a es una proteína anclada en acilo graso y la subunidad y
es una proteína anclada a prenilo. El complejo de Gabg y GDP es inactivo.
Las
proteínas G se encuentran en docenas de rutas de señalización, que incluyen a la
adenilil ciclasa y las de inositol-fosfolípido.
B. La ruta de señalización con adenilil
ciclasa:
Los
nucleótidos cíclicos monofosfato de adenosina 3,5 cíclico (cAMP) y su análogo de guanina, el monofosfato de
guanosina 3,5-cíclico (cGMP) son segundos mensajeros que ayudan a transmitir
señales de fuentes externas hacia enzimas intracelulares. El cAMP se produce a
partir de ATP por acción de adenilil ciclasa y el cGMP se forma a partir del
GTP en una reacción similar.
C. La ruta de señalización
inositol-fosfolípido
Otra
de las transducciones principales produce dos segundos mensajeros diferentes,
ambos derivados de un fosfolípido de membrana plasmática llamada
fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2). El PIP2 es un
componente menor de las membranas plasmáticas ubicado en la monocapa interna.
Es sintetizado a partir de fosfatidilinositol por dos pasos sucesivos de
fosforilación catalizados por cinasas dependientes de ATP.
D.
Receptor de tirosina cinasas
Muchos
factores de crecimiento funcionan mediante una ruta de señalización que
comprende una proteína transmembranal multifuncional, llamada receptor de tirosina
cinasa. Las funciones del receptor, transductor y efector están en una sola
proteína de membrana. Cuando un ligando se une al dominio extracelular del
receptor, activa la actividad catalítica de la tirosina cinasa en el dominio
intracelular, por dimerización del receptor. Cuando se asocian dos moléculas
del receptor, cada dominio de tirosina-cinasa cataliza la fosforilación de
residuos específicos de tirosina en su compañero, proceso llamado
autofosforilación. La tirosina cinasa activada cataliza entonces la
fosforilación de ciertas proteínas citosólicas, iniciando una cascada de
eventos en la célula.
