Un artículo informativo sobre grasas y enzimas.
Grasas y compuestos similares a las grasas
Según su origen natural, se distinguen grasas animales y vegetales:
Las grasas animales son, por ejemplo, manteca de cerdo, crema y grasa de mantequilla. Además, todos los productos cárnicos y embutidos contienen entre un 5 y un 45% de grasa "oculta". Las grasas vegetales incluyen aceite de oliva, aceite de girasol, grasa de coco y aceite de germen de trigo. A temperatura ambiente, las grasas pueden ser líquidas o sólidas; las grasas líquidas se llaman aceites (comestibles).
Grasas neutras (Triglicéridos)
El grupo más grande de grasas naturales está formado por mezclas de los llamados triglicéridos, también conocidos como grasas neutras.
Tri = 3; cada triglicérido está compuesto por una molécula de glicerina y tres moléculas de ácidos grasos.
El cuerpo humano almacena grasa en forma de triglicéridos en el citoplasma de las células adiposas. El propósito biológico de esta forma de almacenamiento es mantener una gran reserva de energía para "tiempos difíciles": las grasas proporcionan más del doble de energía que los carbohidratos (9,3 kcal por gramo en lugar de 4,1 kcal).
Una persona de 70 kg con 11 kg de reservas de grasa posee así aproximadamente 100,000 kcal (!) en forma de triglicéridos.
Además, el tejido adiposo, especialmente el tejido adiposo subcutáneo, cumple funciones de aislamiento y protección.
Los ácidos grasos son largas cadenas de hidrocarburos, generalmente con 16 o 18 átomos de carbono. Dependiendo de si el esqueleto de carbono de los ácidos grasos tiene enlaces dobles, se distinguen
- ácidos grasos saturados: poseen únicamente enlaces simples,
- ácidos grasos monoinsaturados: tienen un enlace doble; y
- ácidos grasos poliinsaturados: con dos, tres o más enlaces dobles.
Los ácidos grasos pueden ser absorbidos a través de la dieta o ser sintetizados por las células, aunque solo se puede incorporar un máximo de un enlace doble.
Ácidos grasos poliinsaturados
Los ácidos grasos con más de un enlace doble, como el ácido linoleico, el ácido linolénico y el ácido araquidónico, no pueden ser sintetizados por el organismo y por lo tanto se denominan ácidos grasos esenciales; deben estar presentes en la dieta.
Estos ácidos grasos poliinsaturados son esenciales para los humanos, ya que son precursores para la formación de varias sustancias propias del cuerpo. En los aceites vegetales (aceite de girasol, aceite de soja, aceite de linaza) así como en los aceites de pescado, los ácidos grasos poliinsaturados están presentes en concentraciones mucho más altas que en las grasas animales.
Solubilidad en grasa y solubilidad en agua
Al igual que otros ácidos, un ácido graso se disocia parcialmente en agua; se forman iones H+, por lo que la solución se vuelve ácida. Además, se forma el llamado anión de ácido graso. Esta molécula combina dos propiedades opuestas:
- La larga "cola" es altamente soluble en grasa y poco soluble en agua, se le llama lipófila (amiga de la grasa) o hidrofóbica (que evita el agua).
- La pequeña "cabeza", por otro lado, es bien soluble en agua (hidrofílica) y poco soluble en grasa (lipofóbica).
Debido a estas dos propiedades opuestas, los ácidos grasos pueden emulsionar sustancias lipofílicas, es decir, dispersarlas en agua. Los jabones también están hechos de ácidos grasos y funcionan según el mismo principio.
Ácidos grasos como portadores de energía
Después de la glucosa, los ácidos grasos son el segundo combustible más importante para la obtención de energía celular. Se generan bajo la influencia de hormonas como la adrenalina mediante la descomposición de las grasas neutras almacenadas en las células grasas en glicerina y ácidos grasos (lipólisis).
A través de una secuencia repetitiva de reacciones en las mitocondrias, la llamada β-oxidación, la cadena de ácidos grasos se acorta en dos átomos de carbono, produciendo NADH, FADH2 y acetil-CoA. El acetil-CoA luego ingresa al ciclo del citrato y se procesa allí junto con las coenzimas reducidas. A partir del ácido palmítico, un ácido graso con 18 átomos de carbono, se pueden regenerar un total de 131 moléculas de ATP.
Esto demuestra nuevamente que la formación de acetil-CoA, el ciclo del citrato y la cadena respiratoria son rutas metabólicas interconectadas que no solo sirven para la descomposición de metabolitos de glucosa.
Fisiológicamente, no todas las moléculas de acetil-CoA producidas durante la descomposición de grasas se introducen en el ciclo del citrato. Una parte se utiliza para la síntesis de los llamados cuerpos cetónicos, que también pueden ser utilizados para el suministro de energía.
Como ya se mencionó, la mayoría de las células del cuerpo prefieren glucosa como fuente de energía, sin embargo, existen excepciones:
Las células del músculo cardíaco y las células de la corteza renal prefieren utilizar cuerpos cetónicos en lugar de glucosa. Se sabe que las células nerviosas pueden reemplazar su combustible preferido por cuerpos cetónicos durante una deficiencia prolongada de glucosa.
Lipogénesis
Como se ha mencionado varias veces, el cuerpo puede almacenar el exceso de energía en forma de grasa. Esto también se aplica a un exceso de carbohidratos o proteínas. La grasa se puede formar a partir de glucosa en el organismo de la siguiente manera (lipogénesis):
A partir de un producto intermedio de la glucólisis, el gliceraldehído-3-fosfato, se forma el componente de glicerina de las grasas neutras. El otro componente, los ácidos grasos, puede ser sintetizado a partir de acetil-coenzima A.
Otros lípidos
Además de las grasas neutras descritas, los lípidos (grasas y sustancias similares a las grasas) incluyen otras sustancias con las siguientes propiedades comunes:
- Se disuelven mal en agua
- y bien en disolventes orgánicos como cloroformo o éter.
Los dos representantes más importantes de este grupo son el colesterol y los llamados fosfolípidos.
Colesterol
El colesterol es un compuesto importante para el organismo, que se produce en el cuerpo y también se ingiere a través de alimentos de origen animal. No se encuentra en las plantas.
El colesterol es
- un componente esencial de las membranas celulares,
- precursor de las hormonas esteroides (ver más abajo) y
- materia prima de los ácidos biliares (ver más abajo).
Hormonas esteroides
Las hormonas esteroides se derivan de un sistema de anillos de hidrocarburos, el esqueleto esteroide, y se pueden clasificar según el número de átomos de carbono.
Las hormonas esteroides más importantes son los llamados adrenocorticosteroides hidrocortisona, cortisona, aldosterona y progesterona, así como las hormonas sexuales estrógeno y testosterona.
La síntesis de las hormonas esteroides, que tiene lugar en la corteza suprarrenal y las glándulas sexuales, parte del colesterol. Su descomposición ocurre en el hígado.
Dado que las hormonas esteroides son lipofílicas, penetran en la célula y se unen allí a receptores hormonales específicos. El complejo hormona-receptor resultante llega al núcleo celular, activa la transcripción de ciertos genes y, por lo tanto, la producción de las proteínas correspondientes. Las hormonas esteroides están ampliamente distribuidas y se han encontrado, por ejemplo, en levaduras y plantas superiores.
Los esteroides sintéticos son
- anticonceptivos (medicamentos que suprimen la ovulación),
- cortisona y numerosos derivados sintéticos de cortisona, los esteroides más utilizados,
así como anabólicos, que estimulan la síntesis de proteínas y se administran para el desarrollo muscular. Son derivados de la hormona sexual masculina testosterona. Hoy en día, se utilizan anabólicos en atletas de alto rendimiento (dopaje). El riesgo para la salud es muy alto, ya que estos esteroides provocan efectos secundarios físicos y psicológicos graves. El Comité Olímpico Internacional (COI) prohibió el uso de anabólicos en 1974. Numerosos atletas han sido excluidos de competiciones debido a pruebas positivas.
Ácidos biliares
Los ácidos biliares son compuestos similares a los esteroides que se encuentran en la bilis humana.
En las células hepáticas, a partir del colesterol se forman los ácidos biliares primarios ácido cólico y ácido quenodesoxicólico, que tras una transformación adicional se convierten en "ácidos biliares conjugados" y se liberan como bilis hepática en el intestino. A través de la "hidroxilación" bacteriana en el intestino, se forman los ácidos biliares secundarios ácido desoxicólico y ácido litocólico.
Los ácidos biliares son indispensables para la emulsificación de las grasas, la activación de las lipasas, la absorción de los ácidos grasos y otras sustancias, como vitaminas, en el intestino. Aproximadamente el 90-95% de los ácidos biliares excretados son reabsorbidos en el intestino delgado y regresan al hígado a través de la vena porta, desde donde vuelven a entrar en la bilis (ciclo enterohepático).
Idealmente, hay un equilibrio entre el colesterol ingerido o producido y el colesterol excretado o procesado. Si esta regulación falla, los niveles de colesterol en el suero sanguíneo aumentan.
Fosfolípidos
Los fosfolípidos tienen una estructura similar a las grasas neutras (triglicéridos). El fosfolípido más conocido es lecitina.
Su función más importante es como componentes de las membranas celulares.
Proteínas (Proteínas)
"Todo lo que el ser humano es, lo es gracias a sus proteínas."
Esta afirmación un tanto simplificada ilustra que las proteínas son de suma importancia tanto para la estructura como para la función del ser humano.
- La forma de un ser humano se basa principalmente en proteínas, ya que son los componentes principales de casi todos los órganos.
- Como componentes más importantes de los músculos, las proteínas permiten la movilidad del ser humano.
- Las proteínas forman las "puertas" de cada membrana celular y así aseguran la individualidad de la célula, al controlar el transporte de sustancias hacia y desde la célula.
Además, las proteínas en forma de enzimas son cruciales para la funcionalidad del organismo.
Las enzimas
El metabolismo acelera sus reacciones utilizando sustancias auxiliares vitales, llamadas enzimas (biocatalizadores).
Son cruciales para construir estructuras biológicas complejas en la célula y garantizar su funcionamiento ordenado.
Aminoácidos como bloques de construcción de las proteínas
Las proteínas están compuestas de diferentes aminoácidos. Todos los aminoácidos tienen básicamente la misma estructura básica. Un átomo de carbono central está unido a cuatro grupos o átomos diferentes:
- un grupo COOH,
- un grupo NH2 (grupo amino),
- un átomo de hidrógeno
- y un resto variable.
Por este resto (R) se diferencian los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas humanas.
De estos 20 aminoácidos, ocho son esenciales, es decir, no pueden ser sintetizados por el cuerpo, al igual que los ácidos grasos esenciales.
Por lo tanto, deben ser suministrados a través de la dieta. Los aminoácidos no esenciales, en cambio, pueden ser producidos por el cuerpo.
Los aminoácidos esenciales incluyen valina, fenilalanina, leucina, isoleucina, treonina, triptófano, metionina y lisina. Para los lactantes, la arginina y la histidina también son esenciales.
La concatenación de los aminoácidos
Cuando dos aminoácidos reaccionan entre sí, se forma un dipéptido. El enlace formado durante la eliminación de agua se llama enlace peptídico.
Cada péptido tiene un llamado extremo libre, al que se pueden unir más aminoácidos.
Cuando se añade un tercer aminoácido a un dipéptido, se forma un tripéptido.
Cuando se unen aminoácidos adicionales, se habla de polipéptidos (poli = muchos).
Los polipéptidos con más de 100 aminoácidos se definen como proteínas. La mayoría de las proteínas humanas están compuestas de 100 a 500 aminoácidos.
Dado que se utilizan 20 aminoácidos diferentes para la síntesis de proteínas y su secuencia es variable, resulta una enorme diversidad de proteínas diferentes.
Para la funcionalidad de una proteína, por ejemplo, como enzima, es crucial que la cadena de aminoácidos se pliegue en una estructura tridimensional.
Se puede imaginar esta estructura como un ovillo de lana. Si esta estructura espacial se pierde, por ejemplo, por calor, la proteína pierde su función biológica.
Así, durante la desinfección y esterilización, las proteínas, incluidas las proteínas virales, pueden ser inactivadas por el calor. Esto se llama desnaturalización térmica de proteínas.
Metabolismo de proteínas y aminoácidos
Durante la digestión, las proteínas se descomponen en sus componentes, los aminoácidos, que primero llegan al hígado a través de la vena porta.
También en el cuerpo, las proteínas se descomponen constantemente (catabolismo de proteínas), liberando aminoácidos.
Estos aminoácidos liberados pueden ser reutilizados de diversas maneras según las necesidades del organismo.
En primer lugar, pueden servir para la construcción de proteínas propias del cuerpo (anabolismo de proteínas), por ejemplo, durante el crecimiento o los procesos de reparación.
Para ello, algunos aminoácidos se pueden convertir en otros aminoácidos, dependiendo de cuáles falten en ese momento.
Solo los aminoácidos esenciales no pueden formarse mediante procesos de conversión, sino que deben ser proporcionados a través de la dieta.
El papel clave de las enzimas y coenzimas
La vida de cada célula del cuerpo está inseparablemente ligada a innumerables reacciones químicas que ocurren constantemente en ella.
En las reacciones anabólicas, las moléculas más pequeñas se combinan en unidades más grandes al formarse nuevos enlaces.
Estas reacciones suelen estar acopladas a un suministro de energía, que es proporcionado por el "acumulador celular" ATP.
En las reacciones catabólicas, por otro lado, los enlaces existentes se rompen, liberando energía.
Esta energía se utiliza generalmente para restaurar el ATP consumido.
Sin embargo, la eficiencia de esta conversión de energía en ATP no es completa, por lo que también se genera calor adicional.
Las reacciones anabólicas tienen una participación significativa en el metabolismo de construcción, ya que sirven para la creación de nuevas estructuras.
En contraste, el metabolismo operativo ocurre predominantemente a través de reacciones catabólicas.
Para el funcionamiento del metabolismo, son cruciales los compuestos orgánicos de carbono, que reaccionan entre sí muy lentamente.
Por lo tanto, cada célula posee herramientas que aceleran casi todas las cadenas de reacciones químicas: las mencionadas enzimas (biocatalizadores).
Enzimas y coenzimas
Químicamente, los enzimas pertenecen al grupo de las proteínas. Las sustancias que son transformadas por una enzima se llaman sustratos.
Durante la reacción enzimática, el sustrato se altera químicamente, ya sea formando nuevos enlaces o rompiendo los existentes.
Se generan uno o más productos de reacción. La efectividad de una enzima depende de su centro activo.
Este se forma mediante un plegamiento especial de la cadena polipeptídica de la que está compuesta la enzima. Así, se crea en la superficie una estructura que encaja exactamente con el sustrato.
Al igual que una llave solo encaja en una cerradura específica, el sustrato solo se une al centro activo "de su" enzima.
Para que las enzimas funcionen, la mayoría necesita además un "ayudante", la llamada coenzima.
Esto es necesario porque la enzima en sí no participa directamente en la reacción química, sino que solo reúne adecuadamente a los reactantes.
Solo la coenzima se altera durante la reacción enzimática, al captar o ceder electrones o átomos del sustrato.
Las coenzimas son generalmente moléculas orgánicas de estructura compleja y, en principio, no son proteínas.
A menudo, las coenzimas derivan de vitaminas.
La velocidad con la que una sola molécula de enzima convierte sustratos en productos es enorme. Puede alcanzar varios cientos de miles de moléculas de sustrato por segundo.
Factores que influyen en las reacciones enzimáticas
Muchas enzimas no solo trabajan con coenzimas, sino también con ciertos iones como Mg2+, Fe2+ o Zn2+. Si faltan estos iones, la función enzimática se ve afectada.
Además, la temperatura corporal y el pH son muy importantes para la actividad enzimática. A medida que aumenta la temperatura, la tasa de conversión de sustrato de una enzima aumenta considerablemente.
A altas temperaturas, como fiebre por encima de 41 °C, la enzima se daña y su estructura proteica se destruye. Entonces, la tasa de conversión cae casi a cero.
La función enzimática también depende del pH. Para la mayoría de las enzimas intracelulares, un pH de aproximadamente 7,2 es óptimo.
Las enzimas que trabajan extracelularmente, como las pepsinas que descomponen proteínas en el estómago, generalmente tienen un pH óptimo significativamente diferente.
Oxidación y reducción
El funcionamiento de las enzimas y coenzimas se puede ilustrar con dos de las formas de reacción más comunes en el metabolismo:
- la oxidación (reacción de oxidación)
- y la reducción (reacción de reducción)
Se habla de oxidación cuando una molécula cede electrones. Esto suele ocurrir mediante la liberación de átomos de hidrógeno, es decir, de un electrón y un protón cada uno.
Una oxidación solo es posible si otra sustancia acepta los electrones liberados en una reacción opuesta.
La aceptación de electrones se llama reducción. A menudo, la reducción ocurre mediante la aceptación de átomos de hidrógeno, es decir, de un electrón y un protón cada uno.
En la reacción de oxidación descrita anteriormente, simultáneamente se produce la reducción del coenzima involucrado NAD+:
NAD+ + 2 H– + 2 electrones >> NADH + H+.
NAD+ (Nicotinamida-Adenina-Dinucleótido) es un coenzima de estructura compleja y deriva de la vitamina ácido nicotínico. Cumple el papel más importante en el metabolismo como transportador de electrones o átomos de hidrógeno.
En la oxidación mencionada de lactato a piruvato, el coenzima se reduce de NAD+ a NADH + H+.
En neto, NAD+ no capta ambos átomos de hidrógeno liberados, sino un protón y dos electrones.
De esto se deduce: las reacciones de oxidación y reducción están inseparablemente vinculadas, se habla de reacciones redox.
Siempre que una sustancia se oxida, otra debe ser reducida.
Bajo condiciones adecuadas, la reacción también puede ocurrir en la dirección opuesta. Entonces, el piruvato se reduce, es decir, acepta electrones o átomos de hidrógeno, y el NADH se oxida. Durante esto, el NADH cede dos electrones y un protón.
Independientemente de la dirección de la reacción, siempre está ligada a una enzima específica, en el ejemplo mencionado a la LDH (lactato deshidrogenasa).
Sin esta enzima, la reacción ocurre extremadamente lentamente y no se produce una conversión significativa del sustrato.
