¿Qué son los ácidos grasos?
Los ácidos grasos son macromoléculas orgánicas de naturaleza lipídica, derivadas de hidrocarburos, compuestas por largas cadenas de átomos de carbono e hidrógeno que tienen carácter hidrofóbico (son liposolubles) y son la base estructural de las grasas y los lípidos.
Son moléculas muy diversas que se distinguen unas de otras por la longitud de sus cadenas hidrocarbonadas y la presencia, el número, la posición y/o configuración de sus dobles enlaces.
En los lípidos de animales, plantas, hongos y microorganismos como las bacterias y las levaduras, se han descrito más de 100 clases de ácidos grasos diferentes, y se considera que son especie y tejido específicos en la mayor parte de los seres vivos.
Los aceites y las grasas que el humano consume diariamente, sean de origen animal o vegetal, están compuestas mayoritariamente por ácidos grasos.
Características de los ácidos grasos
- Estructura química. Son moléculas formadas por cadenas de carbono (generalmente de 4 a 24 átomos de carbono) con un grupo funcional carboxilo (-COOH) en un extremo.
- Hidrofóbicos. Esto significa que repelen el agua y son solubles en solventes orgánicos, como el éter y el cloroformo.
- Saturación. Pueden ser saturados o insaturados. Los ácidos grasos saturados no tienen enlaces dobles en su cadena de carbono y son sólidos a temperatura ambiente. Los insaturados tienen uno o más enlaces dobles en su cadena de carbono y son líquidos a temperatura ambiente. Los ácidos grasos insaturados pueden ser monoinsaturados (un enlace doble) o poliinsaturados (más de un enlace doble).
- Longitud de la cadena. Pueden variar en longitud de cadena, desde ácidos grasos cortos, con solo unos pocos átomos de carbono, hasta ácidos grasos largos, con cadenas carbonadas más extensas.
- Función biológica. Son esenciales para la función biológica en los seres vivos. Son componentes fundamentales de las membranas celulares y se utilizan como fuentes de energía. También desempeñan un papel importante en la regulación del metabolismo y la señalización celular.
- Clasificación. Se clasifican según su longitud de cadena, grado de saturación y posición de los enlaces dobles. Algunos ejemplos incluyen ácidos grasos saturados, como el ácido palmítico, y ácidos grasos insaturados, como los ácidos oleico y linoleico.
- Fuentes alimenticias. Se encuentran en una variedad de alimentos, incluyendo aceites vegetales, grasas animales, nueces, pescado y aguacates. La composición de ácidos grasos en la dieta puede tener un impacto significativo en la salud.
- Omega-3 y omega-6. Los ácidos grasos omega-3 y omega-6 son tipos específicos de ácidos grasos poliinsaturados, esenciales para la salud humana. Se llaman “esenciales” porque el cuerpo no puede producirlos y deben obtenerse a través de la dieta. Los omega-3 se encuentran en alimentos como el pescado graso, y los omega-6 en aceites vegetales.
Estructura de los ácidos grasos
Los ácidos grasos son moléculas anfipáticas, es decir, poseen dos regiones químicamente definidas: una región polar hidrofílica y una región apolar hidrofóbica.
La región hidrofóbica está conformada por una larga cadena hidrocarbonada que, en términos químicos, es poco reactiva. La región hidrofílica, por otra parte, está compuesta por un grupo carboxilo (-COOH) terminal, que se comporta como un ácido.
Este grupo carboxilo terminal, o ácido carboxílico, se ioniza en solución, es altamente reactivo (químicamente hablando) y es muy hidrófilo, por lo que representa un sitio de unión covalente entre el ácido graso y otras moléculas.
La longitud de las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos usualmente posee números pares de átomos de carbono, y está estrechamente relacionado con el proceso biosintético por el cual estos son producidos, puesto que su crecimiento ocurre de a pares de carbonos.
Los ácidos grasos más comunes poseen cadenas de entre 16 y 18 átomos de carbono, y en los animales, estas cadenas no están ramificadas.
Clasificación de los ácidos grasos
Los ácidos grasos se clasifican en dos grandes grupos, según la presencia de enlaces sencillos o dobles entre los átomos de carbono de sus cadenas hidrocarbonadas: ácidos grasos saturados e insaturados.
Ácidos grasos saturados
Los ácidos grasos saturados poseen únicamente enlaces simples carbono-carbono y todos sus átomos de carbono están “saturados” o unidos a moléculas de hidrógeno. Usualmente, tienen entre 4 y 26 átomos de carbono unidos por enlaces sencillos. Su punto de fusión es directamente proporcional al largo de la cadena, es decir, a su peso molecular.
Los ácidos grasos que poseen entre 4 y 8 carbonos son líquidos a 25 °C y componen los aceites comestibles, mientras que los que tienen más de 10 átomos de carbono son sólidos.
Entre los más comunes está el ácido láurico (abundante en aceites de semilla de palma y de coco), el ácido palmítico (en la palma, el cacao y la manteca de porcinos), y el ácido esteárico (en el cacao y los aceites hidrogenados).
Los saturados tienen mucha más estabilidad que los insaturados, especialmente frente a oxidación, al menos en condiciones fisiológicas.
Gracias a que los enlaces sencillos carbono-carbono pueden rotar con libertad, los ácidos grasos saturados son moléculas muy flexibles, aunque el impedimento estérico hace que la estructura completamente extendida sea la más estable energéticamente hablando.
Ácidos grasos insaturados
Los ácidos grasos insaturados presentan uno o más dobles enlaces carbono-carbono y no todos estos están unidos a un átomo de hidrógeno. Estos ácidos grasos son altamente reactivos y propensos a la saturación y oxidación. Son comunes en plantas y en organismos marinos. Los que poseen un solo doble enlace se conocen como monoinsaturados, y los que poseen más de dos se conocen como poliinsaturados.
La presencia de dobles enlaces es habitual entre los átomos de carbono entre las posiciones 9 y 10, pero no quiere decir que no se encuentren ácidos grasos monoinsaturados con una insaturación en otra posición.
A diferencia de los saturados, los insaturados se enumeran no a partir del grupo carboxilo terminal, sino de acuerdo con la posición del primer enlace doble C-C. Así, estos se dividen en dos grupos, los ácidos omega-6, o ω6, y los omega-3, o ω3.
Los ácidos omega-6 tienen el primer doble enlace en el carbono número 6, y los ácidos omega-3 lo tienen en el carbono número 3. La denominación ω se da por el doble enlace más cercano al grupo metilo final.
Los dobles enlaces pueden hallarse, además, en dos configuraciones geométricas, conocidas como cis y trans. La mayor parte de los ácidos grasos insaturados naturales poseen configuración cis, y los dobles enlaces de los ácidos grasos presentes en las grasas comerciales (hidrogenadas) se encuentran en trans.
En los ácidos grasos poliinsaturados, dos dobles enlaces están usualmente separados entre sí al menos por un grupo metilo, es decir, un átomo de carbono unido a dos átomos de hidrógeno.
Funciones de los ácidos grasos
- Componentes de las membranas celulares. Los ácidos grasos forman la estructura básica de las membranas celulares. Junto con otros lípidos, como los fosfolípidos, los ácidos grasos ayudan a mantener la integridad y la fluidez de las membranas, esencial para el funcionamiento adecuado de las células.
- Fuente de energía. Cuando se descomponen en el proceso de oxidación, liberan una cantidad significativa de energía. Esto los convierte en una fuente importante de combustible para el cuerpo, especialmente en situaciones de ayuno o ejercicio prolongado.
- Almacenamiento de energía. El exceso de energía en forma de ácidos grasos se almacena en el tejido adiposo como triglicéridos. Estos triglicéridos pueden movilizarse y utilizarse como fuente de energía cuando el cuerpo lo necesita.
- Regulación de procesos metabólicos. Algunos ácidos grasos actúan como moléculas señalizadoras que regulan procesos metabólicos importantes. Por ejemplo, los insaturados, como el ácido araquidónico, están involucrados en la respuesta inflamatoria.
- Transporte de vitaminas liposolubles. Son necesarios para el transporte y la absorción de vitaminas liposolubles, como A, D, E y K. Estas vitaminas se unen a los ácidos grasos en el intestino y se transportan a través del sistema linfático.
- Regulación de la función celular y la señalización. Algunos ácidos grasos, como los eicosanoides derivados de ácidos grasos poliinsaturados, cumplen un papel importante en la regulación de la función celular y la señalización. Estos compuestos participan en la respuesta inflamatoria, la coagulación sanguínea y otros procesos.
- Mantenimiento de la salud de la piel y el cabello. Los ácidos grasos esenciales, como el ácido linoleico, son necesarios para mantener la salud de la piel y el cabello. También contribuyen a la barrera cutánea y ayudan a prevenir la pérdida de agua transepidérmica.
- Crecimiento y desarrollo. Son especialmente importantes durante la etapa fetal y la infancia, pues intervienen en el desarrollo del sistema nervioso y la formación de membranas celulares en crecimiento.
Biosíntesis de los ácidos grasos
La degradación de ácidos grasos se conoce como β-oxidación y ocurre en la mitocondria de las células eucariotas. La biosíntesis, por el contrario, ocurre en el citosol de las células animales y en los cloroplastos (orgánulos fotosintéticos) de las células vegetales.
Es un proceso dependiente de acetil-CoA, malonil-CoA y NADPH, ocurre en todos los organismos vivos y en los animales superiores, como los mamíferos. Por ejemplo, es muy importante en los tejidos hepáticos y adiposos, así como en las glándulas mamarias.
El NADPH empleado para esta ruta es producto, principalmente, de las reacciones de oxidación NADP-dependientes de la ruta de las pentosas fosfato, mientras que el acetil-CoA puede provenir de diferentes fuentes, por ejemplo, de la descarboxilación oxidativa del piruvato, del ciclo de Krebs y de la β-oxidación de ácidos grasos.
La ruta de biosíntesis, al igual que la de β-oxidación, está altamente regulada en todas las células por efectores alostéricos y modificaciones covalentes de enzimas que participan en la regulación.
Síntesis de malonil-coA
La ruta comienza con la formación de un intermediario metabólico, conocido como malonil-CoA, a partir de una molécula de acetil-CoA y es catalizada por una enzima multifuncional llamada acetil-CoA carboxilasa.
Esta reacción es de adición de una molécula de carboxilo (-COOH, carboxilación) dependiente de biotina y ocurre en dos pasos:
- Primero, la transferencia, dependiente de ATP, de un carboxilo derivado del bicarbonato (HCO3-) a una molécula de biotina que se encuentra como grupo prostético (no proteico) asociado a la acetil-CoA carboxilasa.
- Posteriormente, el CO2 es transferido al acetil-coA y se produce malonil-coA.
Reacciones de la ruta
En los animales, la formación de las cadenas carbohidratadas de los ácidos grasos ocurre, ulteriormente, a través de reacciones de condensación secuenciales, catalizadas por una enzima multimérica y multifuncional conocida como la ácido graso sintasa.
Esta enzima cataliza la condensación de una unidad de acetil-CoA y múltiples moléculas de malonil-CoA, producidas a partir de la reacción de la acetil-CoA carboxilasa, proceso durante el cual se libera una molécula de CO2 por cada malonil-CoA que se añade.
Los ácidos grasos en crecimiento están esterificados a una proteína denominada “proteína portadora de acilo”, o ACP, que forma tioésteres con los grupos acilo. En E. coli esta proteína es un polipéptido de 10 kDa, pero en los animales es parte del complejo ácido graso sintasa.
La ruptura de estos enlaces tioéster libera grandes cantidades de energía, que hace posible, termodinámicamente hablando, la ocurrencia de los pasos de condensación en la ruta biosintética.
Complejo ácido graso sintasa
En bacterias, la actividad ácido graso sintasa corresponde en realidad a seis enzimas independientes que emplean acetil-coA y malonil-coA para formar los ácidos grasos, y con las que se asocian seis actividades enzimáticas distintas.
En los mamíferos, por el contrario, la ácido graso sintasa es un complejo enzimático homodimérico multifuncional de alrededor de 500 kDa de peso molecular, que tiene seis actividades catalíticas diferentes y con la que se asocia la proteína portadora de acilo.
Paso 1: Reacción cebadora
Los grupos tiol en los residuos de cisteína responsables de la unión de los intermediarios metabólicos a la enzima ACP deben ser cargados, antes del comienzo de la síntesis, con los grupos acilo necesarios.
Para ello, el grupo acetilo del acetil-coA es transferido al grupo tiol (-SH) de uno de los residuos de cisteína de la subunidad ACP de la ácido graso sintasa. Esta reacción es catalizada por la subunidad ACP-acil-transferasa.
El grupo acetilo es luego transferido de la ACP hacia otro residuo de cisteína en el sitio catalítico de otra subunidad enzimática del complejo, que se conoce como β-cetoacil-ACP-sintasa. Así, el complejo enzimático queda “cebado” para comenzar la síntesis.
Paso 2: Transferencia de unidades de malonil-CoA
El malonil-CoA, producido por la acetil-CoA carboxilasa, es transferido al grupo tiol en la ACP y durante esta reacción se pierde la porción CoA. La reacción es catalizada por la subunidad malonil-ACP-transferasa del complejo ácido graso sintasa, que produce entonces malonil-ACP.
Durante este proceso, el grupo malonilo se encuentra unido a la ACP y a la β-cetoacil-ACP-sintasa a través de un enlace éster y otro sulfidrilo, respectivamente.
Paso 3: Condensación
La enzima β-cetoacil-ACP-sintasa cataliza la transferencia del grupo acetilo que se le unió en el paso de “cebado” hacia el carbono 2 del grupo malonilo que, en el paso anterior, fue transferido a la ACP.
Durante esta reacción se libera una molécula de CO2 que proviene del malonilo, que corresponde al CO2 aportado por el bicarbonato en la reacción de carboxilación de la acetil-CoA carboxilasa. Se produce, entonces, acetoacetil-ACP.
Paso 4: Reducción
La subunidad β-cetoacil-ACP-reductasa cataliza la reducción del acetoacetil-ACP dependiente de NADPH, con lo que se forma D-β-hidroxibutiril-ACP.
Paso 5: Deshidratación
En este paso se forma el trans-α, β-acil-ACP ó el ∆2-insaturado-acil-ACP (cratonil-ACP), producto de la deshidratación del D-β-hidroxibutiril-ACP por acción de la subunidad enoil-ACP-hidratasa.
Más adelante, el cratonil-ACP se reduce a butiril-ACP por una reacción dependiente de NADPH, catalizada por la subunidad enoil-ACP-reductasa. Con esta reacción se completa el primero de siete ciclos necesarios para producir palmitoil-ACP, precursor de casi todos los ácidos grasos.
¿Cómo siguen las reacciones de condensación posteriores?
El grupo butirilo se transfiere del ACP al grupo tiol de un residuo de cisteína en la β-cetoacil-ACP-sintasa, con lo que la ACP es capaz de aceptar otro grupo malonilo a partir el malonil-CoA.
De esta manera, la reacción que sucede es la condensación de malonil-ACP con buturil-β-cetoacil-ACP-sintasa, que da lugar al β-cetohexanoil-ACP + CO2.
El palmitoil-ACP que surge a partir de los pasos subsecuentes (luego de la adición de 5 unidades de malonilo más) puede liberarse como ácido palmítico libre gracias a la actividad de la enzima tioesterasa, puede transferirse al CoA o incorporarse al ácido fosfatídico para la ruta de síntesis de fosfolípidos y triacilglicéridos.
La ácido graso sintasa de la mayoría de los organismos se detiene en la síntesis de palmitoil-ACP, dado que el sitio catalítico de la subunidad β-cetoacil-ACP-sintasa tiene una configuración en la cual solo pueden acomodarse ácidos grasos de esa longitud.
¿Cómo se forman los ácidos grasos de números impares de átomos de carbono?
Son relativamente comunes en los organismos marinos, y también son sintetizados por un complejo ácido graso sintasa. No obstante, la reacción de “cebado” se da con una molécula más larga, el propionil-ACP, de tres átomos de carbono.
¿Dónde y cómo se forman los ácidos grasos de cadenas más largas?
El ácido palmítico sirve de precursor para muchos ácidos grasos saturados e insaturados de cadenas más largas. El proceso de “alargamiento” de los ácidos grasos ocurre en la mitocondria, mientras que la introducción de insaturaciones ocurre esencialmente en el retículo endoplásmico.
Muchos organismos convierten sus ácidos grasos saturados en insaturados, como una adaptación a bajas temperaturas medioambientales, puesto que ello les permite mantener el punto de fusión de los lípidos por debajo de la temperatura ambiente.
Propiedades de los ácidos grasos
Muchas de las propiedades de los ácidos grasos dependen de su longitud de cadena y de la presencia y número de insaturaciones:
- Puntos de fusión. Los ácidos grasos insaturados tienen puntos de fusión más bajos que los ácidos grasos saturados de la misma longitud.
- Fluidez. La longitud de los ácidos grasos (el número de átomos de carbono) es inversamente proporcional a la fluidez o flexibilidad de la molécula, es decir, las moléculas más “cortas” son más fluidas y viceversa.
Por lo general, las sustancias grasas fluidas están compuestas por ácidos grasos de cadenas cortas y con presencia de insaturaciones.
Las plantas poseen gran cantidad de ácidos grasos insaturados, así como los animales que viven a muy bajas temperaturas, pues estos, como componentes de los lípidos presentes en las membranas celulares, les otorgan mayor fluidez en estas condiciones.
En condiciones fisiológicas, la presencia de un doble enlace en la cadena hidrocarbonada de un ácido graso causa una curvatura de unos 30°, lo que hace que estas moléculas ocupen un espacio mayor y disminuyan la fuerza de sus interacciones de van der Waals.
La presencia de dobles enlaces en los ácidos grasos, asociados con moléculas lipídicas, tiene efectos directos en el grado de “empaquetamiento” que estos puedan tener en las membranas a las que pertenecen, y con ello tienen efectos también sobre las proteínas membranales.
La solubilidad de los ácidos grasos disminuye a medida que aumenta la longitud de su cadena, por lo que son inversamente proporcionales. En mezclas acuosas y lipídicas, los ácidos grasos se asocian en estructuras conocidas como micelas.
Una micela es una estructura en la cual se “encierran” las cadenas alifáticas de los ácidos grasos, “expulsando” todas las moléculas de agua y en cuya superficie se encuentran los grupos carboxilos.
Nomenclatura
La nomenclatura de los ácidos grasos puede ser un tanto compleja, especialmente si uno se refiere a los nombres comunes que estos reciben, que a menudo se relacionan con alguna propiedad fisicoquímica, con el lugar donde se encuentran u otras características.
Muchos autores consideran que, como gracias al grupo carboxilo terminal estas moléculas están ionizadas a pH fisiológico, uno debería referirse a ellas como “carboxilatos”, empleando para ello la terminación ato.
De acuerdo con el sistema IUPAC, la enumeración de los átomos de carbono de un ácido graso se hace a partir del grupo carboxilo en el extremo polar de la molécula, y los dos primeros átomos de carbono unidos a este grupo se denominan α y β, respectivamente. El metilo terminal de la cadena contiene el átomo de carbono ω.
Por lo general, en la nomenclatura sistemática se les otorga el nombre del hidrocarburo “parental” (el hidrocarburo con el mismo número de átomos de carbono) y se sustituye su terminación o por oico, y si se trata de un ácido graso insaturado, se añade la terminación enoico.
Considérese, por ejemplo, el caso de un ácido graso de 18 átomos de carbono (C18):
- Puesto que el hidrocarburo con la misma cantidad de átomos de carbono se conoce como octadecano, el ácido saturado se denomina ácido octadecanoico, o bien octadecanoato, y su nombre común es ácido esteárico.
- Si tiene un doble enlace entre algún par de átomos de carbono en su estructura, se conoce como ácido octadecenoico.
- Si tiene dos enlaces dobles c-c, entonces se denomina ácido octadecadienoico, y si tiene tres, ácido octadecatrienoico.
Si se quiere resumir la nomenclatura, entonces de emplea 18:0 para el ácido graso de 18 carbonos y ningún doble enlace (saturado) y, dependiendo del grado de insaturación, entonces en vez de cero se escribe 18:1 para una molécula con una insaturación, 18:2 para una con dos insaturaciones y así sucesivamente.
Si se quiere especificar entre cuáles átomos de carbono se encuentran los dobles enlaces en los ácidos grasos insaturados, se emplea el símbolo ∆ con un superíndice numérico que indica el lugar de la insaturación y el prefijo cis o trans, dependiendo de la configuración de este.
Referencias
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- Garrett, R., & Grisham, C. Biochemistry (4th ed.). CENGAGE Learning.
- Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. Biochemistry (3th ed.). Pearson.
- Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. Harper’s Illustrated Biochemistry (28th ed.). McGraw-Hill Medical.
- Rawn, J. D. Biochemistry. Neil Patterson Publishers.