Bioquimica (2ed)

Los diversos compartimentos en el interior de las células eucarióticas están rodeados por membranas que son flexibles, dinámicas y absolutamente imprescindibles para la vida de la célula. Se piensa que la formación de una membrana es un acontecimiento definitorio en la historia evolutiva de la célula (véase sección 1-4); sin membranas, una célula sería incapaz de retener recursos esenciales o protegerse contra sustancias exter- nas nocivas. Para comenzar a entender cómo funcionan las membranas, se les exami- nará como estructuras compuestas que contienen tanto lípidos como proteínas. Los lípidos que constituyen la estructura física de la membrana – la bicapa lipídica– se agregan para formar láminas impermeables a iones y otros solutos. La clave de este comportamiento es la hidrofobicidad de las moléculas de lípido. La hidrofobicidad también es una característica útil de lípidos que realizan otras funciones, como almace- namiento de energía. Aunque los lípidos exhiben enorme variedad en forma y tamaño y realizan todo tipo de tareas biológicas, están relacionados por su hidrofobicidad. 8-1. Lípidos CONCEPTOS CLAVE Las moléculas que se ajustan a la definición de lípido no siguen un único patrón • Los lípidos son moléculas estructural ni comparten un conjunto común de grupos funcionales, como hacen los nucleótidos y aminoácidos. De hecho, los lípidos se definen principalmente por predominantemente hidrófobas la ausencia de grupos funcionales. Dado que constan en mayor medida de átomos que pueden esterificarse, pero no de C e H y tienen pocos o ningún grupo funcional con N u O, carecen de la capa- forman polímeros. cidad de formar enlaces de hidrógeno y por tanto son en gran medida insolubles en • Glicerofosfolípidos y esfingolípidos agua (la mayoría de los lípidos son solubles en solventes orgánicos no polares). Aun- son moléculas anfipáticas. que algunos lípidos contienen grupos polares o con carga, el grueso de su estructura • El colesterol y otros lípidos que es hidrocarburo. no forman bicapas tienen varias funciones. Los ácidos grasos contienen largas cadenas de hidrocarburo Los lípidos más simples son los ácidos grasos, ácidos carboxílicos de cadena larga (a pH fisiológico, se ionizan a la forma carboxilato). Estas moléculas pueden contener hasta 24 átomos de carbono, pero los ácidos grasos más comunes en plantas y animales son especies con número par de carbonos (16 y 18), como palmitato y estearato: O OϪ O OϪ H2C C H2C CH2 H2C C H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H3C CH2 H3C CH2 Palmitato Estearato Tales moléculas se denominan ácidos grasos saturados porque todos los carbonos de su cola están “saturados” de hidrógeno. Los ácidos grasos insaturados (que con- 216 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

tienen uno o más dobles enlaces), como oleato y linoleato, también son comunes en sistemas biológicos: O OϪ O OϪ H2C C H2C C H2C H2C H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 H2C CH2 CH2 CH2 CH CH H2C CH H2C C H H2C CH2 C H H2C CH2 H2C CH2 H2C CH CH3 H2C CH2 H3C CH2 Oleato Linoleato En estas moléculas, el doble enlace suele tener la configuración cis (en la cual los dos hidrógenos están en el mismo lado). En el cuadro 8-1 se presentan algunos ácidos grasos saturados e insaturados comunes. Los ácidos grasos libres son relativamente escasos en los sistemas biológicos. En cambio, suelen estar esterificados, por ejemplo a glicerol: CH2 CH CH2 OH OH OH Glicerol CUADRO 8-1 | Algunos ácidos grasos comunes Número de átomos Nombre común Nombre sistemáticoa Estructura de carbono Ácidos grasos saturados Ácido láurico Ácido dodecanóico CH3(CH2)10COOH 12 Ácido mirístico Ácido tetradecanóico CH3(CH2)12COOH 14 Ácido palmítico Ácido hexadecanóico CH3(CH2)14COOH 16 Ácido esteárico Ácido octadecanóico CH3(CH2)16COOH 18 Ácido araquídico Ácido eicosanóico CH3(CH2)18COOH 20 Ácido behénico Ácido docosanóico CH3(CH2)20COOH 22 Ácido lignocérico Ácido tetracosanóico CH3(CH2)22COOH 24 Ácidos grasos insaturados Ácido palmitoleico Ácido 9-hexadecenóico CH3(CH2)5CH CH(CH2)7COOH 16 Ácido oleico Ácido 9-octadecenóico CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOH 18 Ácido linoleico Ácido 9,12-octadecadienóico CH3(CH2)4(CH CHCH2)2(CH2)6COOH 18 Ácido α-linolénico Ácido 9,12,15-octadecatrienóico CH3CH2(CH CHCH2)3(CH2)6COOH 18 Ácido γ-linolénico Ácido 6,9,12-octadecatrienóico CH3(CH2)4(CH CHCH2)3(CH2)3COOH 18 Ácido araquidónico Ácido 5,8,11,14-eicosatetraenóico CH3(CH2)4(CH CHCH2)4(CH2)2COOH 20 EPA Ácido 5,8,11,14,17-eicosapentaenóico CH3CH2(CH CHCH2)5(CH2)2COOH 20 Ácido nervónico Ácido 15-tetracosenóico CH3(CH2)7CH CH(CH2)13COOH 24 a Los números indican la posición de partida del doble enlace; el carbono carboxilato está en la posición 1. 8-1. Lípidos | 217

Las grasas y aceites presentes en animales y plantas son triacilgliceroles (a veces llamados triglicéridos), en los cuales los grupos acilo o “grasoacilo” (grupos R–CO–) de tres ácidos grasos se esterifican a los tres grupos hidroxilo del glicerol: CH2 CH CH2 Glicerol O OO C O C OC O CH2 CH2 CH2 Tres grupos grasoacilo CH3 CH3 CH3 El enlace éster que une cada grupo acilo es resultado de una reacción de condensación. Esto es lo más cerca que los lípidos llegan a estar de formar polímeros: no pueden unirse extremo con extremo para formar largas cadenas, como hacen otros tipos de moléculas biológicas. Los tres ácidos grasos de un triacilglicerol dado pueden ser iguales o diferentes. Por razones que se describen más adelante, los triacilgliceroles no forman bicapas y por ello no son componentes importantes de las membranas biológicas. Sin embargo, se agregan en grandes glóbulos, que sirven como depósitos de almacenamiento para ácidos grasos que pueden degradarse a fin de liberar energía biológica (véase sección 17-1). La naturaleza hidrófoba de los triacilgliceroles y su tendencia a agregarse significan que las células pueden almacenar gran cantidad de este material sin que interfiera con otras actividades que se realizan en un ambiente acuoso. Algunos lípidos contienen grupos con cabezas polares Entre los principales lípidos de las membranas biológicas están los glicerofosfolípidos, que contienen un esqueleto de glicerol con grupos grasoacilo esterificados en las posi- ciones 1 y 2 y un derivado de fosfato, llamado grupo cabeza, esterificado en la posición tres. Como en los triacilgliceroles, los componentes grasoacilo de los glicerofosfolípicos OϪ CH3 OϪ O P O CH2 CH2 Nϩ CH3 ϩ O P O CH2 CH2 NH3 O CH3 O CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 OO OO C OC O C OC O RR RR Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina OϪ OϪ O P O CH2 CH CH2OH O P O CH2 CH COOϪ O OH O NHϩ3 CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 OO OO C OC O C OC O RR RR Fosfatidilglicerol Fosfatidilserina 218 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas

varían de una molécula a otra. Estos lípidos suelen nombrarse con base en sus OϪ Fosfolipasa D grupos cabeza, como se muestra en la figura de la página anterior por ejemplo: Nótese que los glicerofosfolípidos no son del todo hidrófobos: son OPOX anfipáticos, con colas hidrófobas unidas a grupos cabeza polares o con Fosfolipasa C carga. Como se verá, su estructura es ideal para formar bicapas. O Los enlaces que unen los diversos componentes de un glicerofosfolí- H2C CH CH2 pido pueden ser hidrolizados por fosfolipasas para liberar las cadenas acilo o porciones del grupo cabeza (figura 8-1). Estas reacciones enzimá- Fosfolipasa A1 OO Fosfolipasa A2 ticas no son sólo para degradar lípidos. Algunos productos derivados de lípidos de membrana actúan como moléculas señalizadoras dentro de las OC C O células o entre células vecinas. RR Las membranas también contienen lípidos anfipáticos conocidos Figura 8-1. Sitios de acción de las como esfingolípidos. Las esfingomielinas, con grupos cabeza fosfocolina o fosfoe- fosfolipasas. tanolamina, son similares desde el punto de vista estérico a sus contrapartes glicero- fosfolípido. La principal diferencia es que las esfingomielinas no se construyen sobre un esqueleto de glicerol. En cambio, su componente básico es esfingosina, un deri- vado de la serina y ácido graso palmitato. En un esfingolípido, un segundo grupo grasoacilo se une mediante un enlace amida al nitrógeno de la serina (figura 8-2). Algunos esfingolípidos tienen grupos cabeza que constan de uno o más grupos car- bohidrato. Estos glucolípidos se conocen como cerebrósidos y gangliósidos. Los lípidos realizan diversas funciones fisiológicas Además de glicerofosfolípidos y esfingolípidos, en las membranas y en otras partes de la célula existen otros tipos de lípidos. Uno de éstos es el colesterol, una molécula de cuatro anillos con 27 carbonos: CH3 CH3 CH CH CH2 CH2 CH2 H3C CH3 H3C HO Colesterol El colesterol es un componente importante de las membranas y también es un pre- cursor metabólico de hormonas esteroideas como estrógeno y testosterona. El colesterol es uno de muchos tipos de terpenoides, o isoprenoides, lípidos construidos a partir de unidades de cinco carbonos con el mismo esqueleto de car- bono que el isopreno: CH3 H2C CH C CH2 Isopreno Por ejemplo, el isoprenoide ubiquinona es un compuesto que se reduce y oxida de manera reversible en la membrana mitocondrial (véase sección 12-2): O H3CO CH3 CH3 H3CO (CH2 CH C CH2)10 H O Unidades isoprenoides Ubiquinona 8-1. Lípidos | 219

(a) OH (b) Esfingosina HO CH CH CH2 De la OϪ CH3 serina O P O CH2 CH2 Nϩ CH3 CH ϩNH3 O CH3 HO CH CH CH2 Del CH palmitato CH NH (CH2)12 CH C O Grupo acilo CH3 Fosfocolina (H2C)12 R CH3 Una esfingomielina (c) HOCH2 (d) CH2OH HO H O O H CHOH O CH2 H3C C NH O OH H CHOH COOϪ HOCH2 HH O H OH H H CH2OH HH O CH2 HO CH CH H H HO O CH NH OH H HO H H OH CH C O OH H H HO HO CH CH (H2C)12 R H HO CH NH CH C O CH3 Un gangliósido (H2C)12 R Un cerebrósido CH3 Figura 8-2. Esfingolípidos. a) El esqueleto de esfingosina deriva de serina y palmitato. b) La unión de un segundo grupo acilo y un grupo cabeza fosfocolina (o fosfoetanolamina) genera una esfingomielina. Compare esta estructura con las de los glicerofosfolípidos mostrados en la página 218. c) Un cerebrósido tiene un monosacárido como grupo cabeza en vez de un derivado fosfato. d) Un gangliósido incluye un grupo cabeza oligosacárido. Las moléculas conocidas como vitaminas A, D, E y K son todas isoprenoides que realizan diversas funciones fisiológicas no relacionadas con la estructura de las mem- branas (recuadro 8-A). ¿Qué otras funciones tienen los lípidos que no se emplean para construir bicapas? Debido a su hidrofobicidad, algunos lípidos funcionan como agentes impermeables; por ejemplo, las ceras producidas por las plantas protegen las superficies de hojas y frutos contra la pérdida de agua. La cera de abeja contiene un éster de palmitato y un alcohol de 30 carbonos que hace a esta sustancia extremadamente insoluble en agua. O H3C (CH2)14 C O (CH2)29 CH3 En el humano, algunos derivados del ácido graso C20 araquidonato son moléculas de señalización que ayudan a regular presión arterial, dolor e inflamación (véase sección 10-4). Muchos lípidos vegetales funcionan como sustancias atrayentes para polini- zadores y como repelentes de herbívoros. Por ejemplo, algunas plantas con flores 220 | CAPÍTULO 8 Lípidos y membranas