Embed Size (px)
DESCRIPTION
documento que contiene informacion sobre lipidos, aminoacidos entreo otras biomoleculas
Citation preview
FACULTAD DE QUIMICOFARMACOBIOLOGIA
2010
BIOQUIMICA I QUIMICA BIOLOGICA
Ernesto Lucas Orbe
2
UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO
FACULTAD DE QUIMICOFARMACOBIOLOGIA
BIOQUIMICA I (QUIMICA BIOLOGICA)
PROFESOR: Q.F.B. SOSA RUIZ TELLITUD HILARIO
ALUMNO: LUCAS ORBE ERNESTO
Editorial orbe
Calle 5 # 297 col. Matamoros
Morelia, mich. Mex. Julio 2010
3
PRÓLOGO
Esta obra está elaborada con el propósito de realizar una recopilación de los
temas tratados y estudiados durante el sexto semestre de la carrera de
químicofarmacobiologia, retomando en ella los temas e investigándolos un poco
más a fondo para ayudar con ello en la complementación para una utilización a
futuro.
Dentro del desarrollo de la obra se tocaran los temas y subtemas correspondiente
a bioquímica I, la cual da un punto de vista químico del proceso biológico
realizado, en cada uno de los seres vivos y en las células que lo conforman.
En un contexto primario se desarrolla concretamente la conformación,
composición, la estructura fundamental y la importancia funcional de las proteínas,
carbohidratos y lípidos, así como de las moléculas que le derivas como son
enzimas y metabolitos.
Finalmente la importancia de estas biomoleculas fundamentales están resaltadas
en algunas de las principales reacciones del metabolismo catabólico.
Para la complementación de esta obra se muestran algunos ejercicios aplicados a
estos temas como son: determinaciones de puntos isoeléctricos de proteínas,
codificación de aminoácidos a partir de cadenas de nucleótidos, los productos de
reacciones para identificación de aminoácidos, etc.
4
INDICE INTRODUCCION ...........................................................................................................................5
BIOQUIMICA (CAPITULO I) ..........................................................................................................6
CONCEPTO DE BIOQUIMICA ....................................................................................................7
BIOMOLECULAS ........................................................................................................................8
ACIDOS NUCLEICOS (CAPITULO II) ............................................................................................9
ACIDOS NUCLEICOS ...............................................................................................................10
TIPOS DE ACIDOS NUCLEICOS..............................................................................................10
CODIGO GENETICO ...............................................................................................................13
PROTEINAS (CAPITULO III) ........................................................................................................16
AMINOACIDOS.........................................................................................................................17
CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS ....................................................................................24
ENZIMAS .................................................................................................................................29
CLASIFICACION Y NOMENCLATURA DE LAS ENZIMAS .......................................................30
CINETICA ENZIMATICA ..........................................................................................................34
CARBOHIDRATOS (CAPITULO IV) .............................................................................................40
CLASIFICACION DE LOS CARBOHIDRATOS .........................................................................41
FUNCION DE LOS CARBOHIDRATOS.....................................................................................43
LIPIDOS (CAPITULO V) ...............................................................................................................45
CLASIFICACION DE LOS LIPIDOS .........................................................................................46
FUNCION DE LOS LIPIDOS ....................................................................................................51
METABOLISMO (CAPITULO VI) ..................................................................................................52
CATABOLISMO ........................................................................................................................53
BIOENERGIA Y ATP .................................................................................................................53
GLUCOLISIS ............................................................................................................................55
RUTA DE LAS PENTOSAS .......................................................................................................58
FORMACION DE ACETIL COENZIMA A..................................................................................60
CICLO DE KREBS O DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS ....................................................62
CICLO DEL GLIOXILATO .........................................................................................................65
FOSFORILACION OXIDATIVA .................................................................................................66
EJERCICIOS (CAPITULO VII) ......................................................................................................68
GLOSARIO...................................................................................................................................73
REFERENCIAS ............................................................................................................................75
5
INTRODUCCION
La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan un gran número de substancias de alto peso molecular o macromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando por resultado un
número muy grande de reacciones coordinadas que producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de todos los componentes de los organismos vivos y la reproducción celular.
Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llama metabolismo.
Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de las
macromoléculas de mayor importancia biológica, los ácidos nucleicos y las proteínas, lo que ha permitido entender a nivel molecular sus funciones biológicas.
Gracias al conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos, se esclarecieron los mecanismos de transmisión de la información genética de generación a
generación, y también los mecanismos de expresión de esa información, la cual determina las propiedades y funciones de las células, los tejidos, los órganos y los organismos completos.
Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas.
El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en el
almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así como las reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores. No todas las células contienen y
expresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas prácticamente idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especies. Los
virus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con un
metabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir y expresarse dentro de las células que invaden.
Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas
estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistema
muy complejo y altamente organizado.
6
7
BIOQUIMICA GENERALIDADES Capitulo I
CONCEPTO DE BIOQUÍMICA
La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres
vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las
moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.
La bioquímica puede dividirse en tres aéreas principales:
1.- La química estructural de los componentes de la materia viva y la relación de la función biológica con la estructura química.
2.- El metabolismo, la totalidad de las reacciones químicas que se producen en la materia viva.
3.- La química de los procesos y las sustancias que almacenan y transmiten la información biológica.
El tercer campo también es el área de la genética molecular, que pretende
conocer la herencia y la expresión de la información genética en términos moleculares.
Historia de la bioquímica
El comienzo de la bioquímica puede ser el descubrimiento de la primera enzima, la
diastasa, en 1893 por Anselme Payen. En 1828 Friedrich Wöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando que los compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste con la creencia, comúnmente
aceptada durante mucho tiempo, que la generación de estos compuestos era posible sólo en el interior de los seres vivos.
Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del
siglo XX con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas
moléculas y rutas metabólicas de las células, como la glucólisis y el ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico).
Hoy, los avances de la bioquímica son usados en cientos de áreas, desde la genética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina.
Probablemente una de las primeras aplicaciones de la bioquímica fue la producción de pan usando levaduras, hace 5.000 años.
8
BIOQUIMICA GENERALIDADES Capitulo I
El pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedades
de las proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas la bioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, en importantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuya
función es la de identificar y registrar todo el código genético humano), se dirigen hacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de la membrana celular y los ciclos energéticos
Biomoleculas
Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatro bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, representando alrededor del 99% de la masa de la mayoría
de las células. Estos cuatro elementos son los principales componentes de las biomoléculas debido a que:
1.-Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendo
electrones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad. Estos enlaces son muy estables, la fuerza de enlace es directamente proporcional a las masas de los átomos unidos.
2.- Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletos
tridimensionales –C-C-C- para formar compuestos con número variable de carbonos.
3.-Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre C y C, C y O,
C y N, así como estructuras lineales ramificadas cíclicas, heterocíclicas, etc.
4.- Permiten la posibilidad de que con pocos elementos se den una enorme variedad de grupos funcionales con propiedades químicas y físicas diferentes.
Clasificación de las biomoleculas
Según la naturaleza química, las biomoléculas pueden ser:
Biomoléculas inorgánicas: Son biomoléculas no formadas por los seres vivos, pero imprescindibles para ellos, como el agua, la biomoléculas más abundante, los gases (oxígeno, dióxido de carbono) y las sales inorgánicas: aniones como fosfato
(HPO4−), bicarbonato (HCO3
−) y cationes como el amonio (NH4+).
Biomoléculas orgánicas o principios inmediatos: Son sintetizadas solamente por los seres vivos y tienen una estructura a base de carbono. Están constituidas
principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, y con frecuencia están también presentes nitrógeno, fósforo y azufre. Pueden agruparse en cuatro grandes tipos: ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos.
9
10
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
ACIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición
de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se
forman, así, largas cadenas o polinucleótidos, lo que hace que algunas de estas
moléculas lleguen a alcanzar tamaños gigantes (de millones de nucleótidos de
largo).
El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher, quien en
el año 1869 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamó
nucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico
Tipos de ácidos nucleicos
Existen dos tipos de ácidos nucleicos el acido ribonucleico (RNA) y el acido
desoxirribonucleico (ADN). Cada uno de ellos es una cadena polimérica, en la que
las unidades manoméricas están conectadas por enlaces covalentes. Las
estructuras de las unidades manoméricas del RNA y DNA son las siguientes:
En cada caso, la unidad manomérica contiene un azúcar de cinco carbonos, la
ribosa en el RNA y la 2’-desoxirribosa en el ADN. Los átomos de carbono se
designan con primas (1’,2’,3’, etc.) para diferenciarlo de los átomos de las bases.
La diferencia entre los dos azucares radica únicamente en el grupo hidroxilo 2’ de
la ribosa en el RNA, que esta sustituido por el hidrogeno en el DNA. La conexión
entre las sucesivas unidades manoméricas de los ácidos nucleicos se realiza
mediante un residuo fosfato unido al hidroxilo del carbono 5’ de una unidad y al
hidroxilo 3’ de la siguiente.
4'
O
3'
1'
2'
5'
Base
O
P O
O-
O
Fosfato
2'-desoxirribosa
DNA
4'
O
3'
1'
2'
5'
OOH
Base
O
P OO-
Fosfato
Ribosa
RNA
11
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
Formando así un enlace fosfodiéster entre los dos residuos de azúcar. De esta
forma, se construyen cadenas largas de ácidos nucleico, que a veces contiene
centenares de millones de unidades.
Los residuos de azúcar unidos mediante enlace fosfodiéster constituyen el
armazón de la molécula de acido nucleico. En sí, el armazón es una estructura
repetitiva, incapaz de codificar información. La importancia de los ácidos nucleicos
en el almacenamiento y la transmisión de la información derivan de que son
heteropolimeros. Cada monómero de la cadena contiene una base heterocíclica,
que siempre va unida al carbono 1’ del azúcar.
Las estructuras de las principales bases existentes en los ácidos nucleicos son las
siguientes:
Existen dos tipos de bases heterocíclicas, que se denominan purinas y pirimidinas.
El ADN tiene dos purinas, adenina y guanina, y dos pirimidinas, citosina y timina.
El RNA posee las mismas bases excepto que la timina esta sustituida por uracilo.
N
N
N
NH
NH2
NH
N
N
NH
O
NH2
Adenina (A) Guanina (G)
(DNA/RNA) (DNA/RNA)
PURINAS
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
O
ONH
N
NH2
O
Citosina (C) Timina (T) Uracilo (U)(DNA/RNA) (DNA) (RNA)
PIRIMIDINAS
12
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
Propiedades de los nucleótidos
Los nucleótidos son ácidos bastante fuertes, en los que la ionización primaria del
fosfato se produce con un valor de pKa de aproximadamente 1. Tanto la ionización
secundaria del fosfato como la protonacion o desprotonacion de algunos de los
grupos de las bases de los nucleótidos pueden observarse a valores de pH
bastante próximos a la neutralidad.
Las bases son capaces de experimentar una conversión entre formas tautomeras
o isómeros estructurales.
Como consecuencia de los sistemas de los dobles enlaces conjugados de los
anillos de purina y pirimidina, las bases y todos sus derivados absorben la luz en
la región del espectro ultravioleta cercano. Esta absorción depende del pH, debido
a las reacciones de ionización de las bases.
Estructura de los ácidos nucleicos
Estructura primaria de los ácidos nucleicos: formada por la secuencia de
nucleótidos. No existe ninguna restricción respecto a la secuencia de bases.
Estructura secundaria de los ácidos nucleicos: tridimensional, mantenida por
interacciones débiles. Modelo estructural de la doble hélice propuesto por Watson
y Crick. Se basaron en las experiencias de Chargaff en cuanto a la composición
de bases. Descubrió que la cantidad de adenina era igual a la de timina y que la
de citosina igual a la de guanina, basándose en difracción de rayos X. Propusieron
un modelo de cadenas antiparalelas ordenadas en una estructura helicoidal
dextrógira, el modelo de la doble hélice. Resultó que una timina siempre tenía
delante una adenina, y una citosina tenía una guanina. Además T-A tiene 2
puentes de hidrógeno y C-G tiene 3, por lo que las bases estarán formando
puentes de hidrógeno que dan estabilidad a la molécula. Al organizarse en una
hélice el esqueleto, que es hidrofílico, medio acuoso se queda hacia fuera con las
bases (hidrofóbicas) hacia dentro. La disposición de las bases es perpendicular al
eje de la hélice. Además de los puentes de hidrógeno otras interacciones débiles
aportan estabilidad: Interacciones hidrofóbicas de las bases, Fuerzas de Van der
Waals entre las bases, La carga negativa de los fosfatos.
Tipos de RNA
ARN mensajero. El ARN mensajero (ARNm o RNAm) lleva la información sobre la
secuencia de aminoácidos de la proteína desde el ADN, lugar en que está inscrita,
13
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
hasta el ribosoma, lugar en que se sintetizan las proteínas de la célula. Es, por
tanto, una molécula intermediaria entre el ADN y la proteína y el apelativo de
"mensajero" es del todo descriptivo. En eucariotas, el ARNm se sintetiza en el
nucleoplasma del núcleo celular y de allí accede al citosol, donde se hallan los
ribosomas, a través de los poros de la envoltura nuclear.
ARN de transferencia. Los ARN de transferencia (ARNt o tRNA) son cortos
polímeros de unos 80 nucleótidos que transfiere un aminoácido específico al
polipéptido en crecimiento; se unen a lugares específicos del ribosoma durante la
traducción. Tienen un sitio específico para la fijación del aminoácido (extremo 3') y
un anticodón formado por un triplete de nucleótidos que se une al codón
complementario del ARNm mediante puentes de hidrógeno.
ARN ribosómico. El ARN ribosómico (ARNr o RNAr) se halla combinado con
proteínas para formar los ribosomas, donde representa unas 2/3 partes de los
mismos. En procariotas, la subunidad mayor del ribosoma contiene dos moléculas
de ARNr y la subunidad menor, una. En los eucariotas, la subunidad mayor
contiene tres moléculas de ARNr y la menor, una. En ambos casos, sobre el
armazón constituido por los ARNr se asocian proteínas específicas. El ARNr es
muy abundante y representa el 80% del ARN hallado en el citoplasma de las
células eucariotas. Los ARN ribosómicos son el componente catalítico de los
ribosomas; se encargan de crear los enlaces peptídicos entre los aminoácidos del
polipéptido en formación durante la síntesis de proteínas; actúan, pues, como
ribozimas.
Código genético
Desde que se demostró, que las proteínas eran producto de los genes, y que cada
gen estaba formado por fracciones de cadenas de ADN, los científ icos llegaron a
la conclusión de que, debe haber un código genético, mediante el cual, el orden de
las cuatro bases nitrogenadas en el ADN, podría determinar la secuencia de
aminoácidos en la formación de polipéptidos. En otras palabras, debe haber un
proceso mediante el cual las bases nitrogenadas transmitan la información que
dicta la síntesis de proteínas. Este proceso podría explicar cómo los genes
controlan las formas y funciones de las células, tejidos y organismos. Como en el
ADN sólo hay cuatro tipos de nucleótidos, y, sin embargo, las proteínas se
constituyen con 20 clases diferentes de aminoácidos, el código genético no podría
basarse en que un nucleótido especificara un aminoácido. Las combinaciones de
dos nucleótidos sólo podrían especificar 16 aminoácidos (42 = 16), de manera que
el código debe estar formado por combinaciones de tres o más nucleótidos
14
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
sucesivos. El orden de los tripletes, o como se han denominado, codones, podría
definir el orden de los aminoácidos en el polipéptido. Diez años después de que
Watson y Crick determinaran la estructura del ADN, el código genético fue
descifrado y verificado. Su solución dependió en gran medida de las
investigaciones llevadas a cabo sobre otro grupo de ácidos nucleicos, los ácidos
ribonucleicos (ARN). Se observó que la obtención de un polipéptido a partir del
ADN se producía de forma indirecta a través de una molécula intermedia conocida
como ARN mensajero (ARNm). Parte del ADN se desenrolla de su
empaquetamiento cromosómico, y las dos cadenas se separan en una porción de
su longitud. Una de ellas actúa como plantilla sobre la que se forma el ARNm (con
la ayuda de una enzima denominada ARN polimerasa).
Tabla del código genético de acuerdo al aminoácido que produce cada codón
donde el inicio siempre es triptófano y stop el final de cada cadena de aminoácido.
Síntesis de proteínas
El ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, es
decir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos.
15
ACIDOS NUCLEICOS Capitulo II
La síntesis o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Los
aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt), específico
para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero (ARNm), dónde se
aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por
complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúa en la posición que les
corresponde.
Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y
puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice
una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN
mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente.
Los ARNt desempeñan un papel central en la síntesis de las proteínas: La síntesis
proteica tiene lugar en el ribosoma, que se arma en el citosol a partir de dos
subunidades ribonucleoproteicas provenientes del nucléolo. En el ribosoma el
ARN mensajero (ARNm) se traduce en una proteína, para lo cual se requiere
también la intervención de los ARN de transferencia (ARNt). El trabajo de los ARNt
consiste en tomar del citosol a los aminoácidos y conducirlos al ribosoma en el
orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema
La síntesis de las proteínas comienza con la unión entre sí de dos aminoácidos y
continúa por el agregado de nuevos aminoácidos de a uno por vez en uno
extremos de la cadena.
Como se sabe la clave de la traducción reside en el código genético, compuesto
por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos o tripletes en el ARNm. Los
distintos tripletes se relacionan específicamente con tipos de aminoácidos usados
en la síntesis de las proteínas. Cada triplete constituye un codón: existen en total
64 codones, 61 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar el
cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los
cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden
generarse 64 (43).Dado que existen más codones, (61) que tipos de aminoácidos
(20), casi todos pueden ser reconocidos por más de un codón, por lo que algunos
tripletes a como "sinónimos". Solamente el triptófano y la metionina dos de los
aminoácidos menos frecuentes en las proteínas son codificados, cada uno, por un
solo codón.
16
17
PROTEINAS Capítulo III
AMINOÁCIDOS
Un aminoácido, como su nombre indica, es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxílico (-COOH; ácido). Los aminoácidos más
frecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación que libera agua formando un enlace peptídico. Estos dos "residuos" aminoacídicos forman un
dipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así, sucesivamente, para formar un polipéptido. Esta reacción ocurre de manera natural en los ribosomas, tanto los que están libres en el citosol como los
asociados al retículo endoplasmático.
Todos los aminoácidos componentes de las proteínas son alfa-aminoácidos, lo que indica que el grupo amino está unido al carbono alfa, es decir, al carbono
contiguo al grupo carboxilo. Por lo tanto, están formados por un carbono alfa unido a un grupo carboxilo, a un grupo amino, a un hidrógeno y a una cadena (habitualmente denominada R) de estructura variable, que determina la identidad y
las propiedades de los diferentes aminoácidos; existen cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de aminoácidos diferentes, pero sólo 20 forman parte de las proteínas y tienen codones específicos en el código genético.
La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos o
simplemente péptidos, que se denominan proteínas cuando la cadena polipeptídica supera los 50 aminoácidos o la masa molecular total supera las 5.000 uma.
Clasificación de los aminoácidos
Existen muchas formas de clasificar los aminoácidos; las tres formas que se presentan a continuación son las más comunes.
Según las propiedades de su cadena
Los aminoácidos se clasifican habitualmente según las propiedades de su cadena
lateral:
Neutros polares, polares o hidrófilos : Serina (Ser, S), Treonina (Thr, T), Cisteína (Cys, C), Asparagina (Asn, N), Glutamina (Gln, Q) y Tirosina (Tyr, Y).
Neutros no polares, apolares o hidrófobos: Glicina (Gly, G), Alanina (Ala, A),
Valina (Val, V), Leucina (Leu, L), Isoleucina (Ile, I), Metionina (Met, M), Prolina (Pro, P), Fenilalanina (Phe, F) y Triptófano (Trp, W).
18
PROTEINAS Capítulo III
Con carga negativa, o ácidos: Ácido aspártico (Asp, D) y Ácido glutámico (Glu, E).
Con carga positiva, o básicos: Lisina (Lys, K), Arginina (Arg, R) e Histidina (His,
H).
Aromáticos: Fenilalanina, Tirosina y Triptófano. (Ya incluidos en los grupos neutros polares y neutros no polares).
Según su obtención: A los aminoácidos que necesitan ser ingeridos por el cuerpo
para obtenerlos se los llama esenciales; la carencia de estos aminoácidos en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células
de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Para el ser humano, los aminoácidos esenciales son: Valina, Leucina, Treonina, Lisina, Triptófano, Histidina, Fenilalanina, Isoleucina, Arginina, Metionina.
A los aminoácidos que pueden ser sintetizados por el cuerpo se los conoce como
no esenciales y son: Alanina, Prolina, Glicina, Serina, Cisteína, Asparagina, Glutamina, Tirosina, Ácido aspártico, Ácido glutámico.
Estructura de los aminoácidos
NO POLARES:
NH3
+
CH3 O-
OCH3
CH3
NH3
+
O-
O
CH3
CH3
NH3
+
O-
OCH3
CH3
NH3
+
O-
O
NH2+
O-
O
CH3
S
NH3
+
O-
O
NH
NH3
+O
-
O
NH3
+
O-
O
Alanina Valina Leucina Isoleucina
ProlinaMetionina
Triptofano
Fenilalanina
NH3
+
O-
O
Glicina
19
PROTEINAS Capítulo III
POLARES:
ACIDOS:
BASES:
OH
NH3
+
O-
O
SH
NH3
+
O-
O
O
NH2
NH3
+
O-
OO
NH2 NH3
+
O-
O
OH
NH3
+
O-
O
CH3
OH
NH3
+
O-
O
Tirosina
CisteinaGlutamina
Asparagina
Serina Treonina
O
OH
NH3
+
O-
O
O
OHNH3
+
O-
O
Acido AsparticoAcido Glutamico
NH2
NH3
+
O-
O
NH
NH
NH2NH3
+
O-
O
N NH
NH3
+O
-
O
Lisina Arginina Histidina
20
PROTEINAS Capítulo III
Punto isoeléctrico y pKa de los aminoácidos
El punto isoeléctrico es el pH al que una sustancia anfótera tiene carga neta cero.
El concepto es particularmente interesante en los aminoácidos y también en las
proteínas. A este valor de pH la solubilidad de la sustancia es casi nula. Para
calcularlo se deben utilizar los pKa.
El pKa de un compuesto es el PH (logaritmo negativo de la concentración de
hidrogeniones) al cual la fracción no ionizada de este corresponde al 50% y el otro
50% está ionizada. Es necesario recordar que la fracción no ionizada es la que
puede penetrar a la célula.
Tabla de pKa de los 20 aminoácidos
AMINOACIDO pK1 pK2 pK3
Glicina 2.34 9.6
Alanina 2.34 9.69
Valina 2.32 9.62
Leucina 2.36 9.6
Isoleucina 2.36 9.6
Serina 2.21 9.15
Treonina 2.63 10.43
Metionina 2.28 9.21
Fenilalanina 1.83 9.13
Triptófano 2.83 9.39
Asparagina 2.02 8.8
Glutamina 2.17 9.13
Prolina 1.99 10.6
Cisteína 1.71 10.78 8.33
Histidina 1.82 9.17 6
Acido aspártico 2.09 9.82 3.86
Acido glutámico 2.19 9.67 4.25
Tirosina 2.2 9.11 10.07
Lisina 2.18 8.95 10.79
Arginina 2.17 9.04 12.48
pI =pKa1 + pKa2
2
21
PROTEINAS Capítulo III
Reacciones de identificación de aminoácidos
Existen diversas reacciones que ayudan a la identificación de los aminoácidos
presentes en una solución o mezcla de ellos como las siguientes:
1.- reacción con ninhidrina, usada en la cromatografía de aminoácidos.
2.- reacción de EBMAN
3.- reacción de SANGER
4.- reducción con BH4Li, reacción específica para carboxilo.
F
N+ OO
-
N+O
-
O
+
R
NH3
+O
-
O NH
R
OH
ON+ OO
-
N+O
-
O
Dinitro-fluoro-bencenoDNB-aminoacido
- HF
O
O
OH
OH+
R
NH3
+O
-
O
N
O O
OOH
Purpura de ruhemmans
CO2 + H2O
R COH+
N S
+
R
NH3
+O
-
O NH NH
S R
OH
O
Isotiocinato de fenilo Feniltioidantoina del aminoacido
+
R
NH3
+O
-
O
Aminoalcohol
BH4Li
R
NH2 OH
22
PROTEINAS Capítulo III
5.- cloruro de dansilo
6.- reacción con hidracina, reacción para carboxilos excepto el terminal.
7.- reacción de los tiogrupos
8.- reacción HOPKINS – COLE, especifica para triptófano.
Además de estas reacciones existen otras en las que intervienen enzimas por lo
que se denomina reacciones enzimáticas.
+R
NH3
+O
-
O
NCH3CH3
SO O
Cl
NCH3CH3
SO O
NHR
OH O
- HCl
NH2 NH2
R1NH
NH3
+
O R2
O
O-
+R2
NH2
O
OH
+R1
NH2 NH
O
NH2
+R SH 2 NaOH R OH + +Na2S OH2
Pb(CH3COO)2 PbS 2 CH3COONa +R= estructura del aminoacido
Triptofano1.- Acido Glioxilico
2.- H2SO4
solido (pp) negro
23
PROTEINAS Capítulo III
Tabla de las enzimas que intervienen en las reacciones para la identificación de
aminoácidos por hidrólisis, donde se muestra a que aminoácidos corta y en la
posición que tiene que estar para tener actividad.
ENZIMA AMINOACIDOS QUE CORTA POSICION DEL Aa
Tripsina lisina y arginina 1
Pepsina Fenilalanina, tirosina, triptófano y leucina 1
Quimiotripsina pH = 7 Fenilalanina, tirosina, triptófano y leucina 1
Quimiotripsina pH > 7 Isoleucina, valina, triptófano y histidina 1
Termolisina Fenilalanina, tirosina, triptófano, leucina,
2 isoleucina y valina
Bromuro de cianógeno Metionina 1
Hidroxilamina Asparagina 1
Hidroxilamina Glicina 2
Tiocianobenzoato Cisteína 2
Trombina Arginina 1
Trombina Prolina Dif. 2
Papaína Arginina y lisina 1
Bromelaina Lisina, alanina, tirosina y glicina 1
Carboxipeptidasa (A) Todo los carboxilos terminales
PROTEINAS
Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. El nombre proteína proviene de la palabra griega πρώτα ("prota"), que significa "lo primero" o del dios Proteo, por la cantidad de formas que pueden
tomar.
Las proteínas desempeñan un papel fundamental para la vida y son las
biomoléculas más versátiles y más diversas. Son imprescindibles para el crecimiento del organismo. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las que destacan: Estructural (colágeno y queratina), Reguladora (insulina y
hormona del crecimiento), Transportadora (hemoglobina), Defensiva (anticuerpos), Enzimática (sacarasa y pepsina), Contráctil (actina y miosina).
Las proteínas de todos los seres vivos están determinadas mayoritariamente por
su genética (con excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis no ribosomal), es decir, la información genética determina en gran medida qué proteínas tiene una célula, un tejido y un organismo.
Las proteínas se sintetizan dependiendo de cómo se encuentren regulados los genes que las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores
24
PROTEINAS Capítulo III
externos. El conjunto de las proteínas expresadas en una circunstancia determinada es denominado proteoma.Las proteínas están formadas por
aminoácidos.
Clasificación de las proteínas
Según su forma
Fibrosas: presentan cadenas polipeptídica largas y una estructura secundaria
atípica. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas. Algunos ejemplos de éstas son queratina, colágeno y fibrina.
Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica
apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína y
grupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventes
polares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas
y proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares.
Mixtas: posee una parte fibrilar (comúnmente en el centro de la proteína) y otra
parte globular (en los extremos).
Según su composición química
Simples u holoproteinas: su hidrólisis sólo produce aminoácidos. Ejemplos de estas son la insulina y el colágeno (globulares y fibrosas).
Conjugadas o heteroproteínas: su hidrólisis produce aminoácidos y otras
sustancias no proteicas llamadas grupo prostético, como pueden ser
carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos, etc.
Estructura de las proteínas
Es la manera como se organiza una proteína para adquirir cierta forma. Presentan
una disposición característica en condiciones fisiológicas, pero si se cambian estas condiciones como temperatura, pH, etc. pierde la conformación y su función, proceso denominado desnaturalización. La función depende de la conformación y
ésta viene determinada por la secuencia de aminoácidos.
Para el estudio de la estructura es frecuente considerar una división en cuatro niveles de organización, aunque el cuarto no siempre está presente.
Conformaciones o niveles estructurales de la disposición tridimensional:
25
PROTEINAS Capítulo III
Estructura primaria: es la forma de organización más básica de las proteínas. Está
determinada por la secuencia de aminoácidos de la cadena proteica, es decir, el número de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados por medio de enlaces peptídicos. Las cadenas laterales de los aminoácidos se extienden a
partir de una cadena principal. Por convención, (coincidiendo con el sentido de síntesis natural en RER) el orden de escritura es siempre desde el grupo amino-terminal hasta el carboxilo-terminal.
Estructura secundaria: es el plegamiento regular local entre residuos
aminoacídicos cercanos de la cadena polipeptídica. Se adopta gracias a la formación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas laterales (radicales) de aminoácidos cercanos en la cadena.
α-Hélice: Los aminoácidos en una hélice α están dispuestos en una estructura helicoidal dextrógira, con unos 3.6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácido supone un giro de unos 100° en la hélice, y los Carbonos α de dos aminoácidos
contiguos están separados por 1.5Å. La hélice está estrechamente empaquetada; de forma que no hay casi espacio libre dentro de la hélice. Todas las cadenas laterales de los aminoácidos están dispuestas hacia el exterior de la hélice.
El grupo N-H del aminoácido (n) puede establecer un enlace de hidrógeno con el
grupo C=O del aminoácido (n+4). De esta forma, cada aminoácido (n) de la hélice forma dos puentes de hidrógeno con su enlace peptídico y el enlace peptídico del aminoácido en (n+4) y en (n-4). En total son 7 enlaces de hidrógeno por vuelta.
Esto estabiliza enormemente la hélice. Esta dentro de los niveles de organización de la proteína.
Algunos aminoácidos, llamados disruptores de hélices, pueden desestabilizar la
estructura helicoidal. Uno de ellos es la prolina, que al ser un iminoácido, el N de su enlace peptídico no tiene unido un H para formar un enlace de hidrógeno con el aminoácido en (n+4). Además el metileno unido al N del enlace peptídico también
provoca impedimentos estéricos que hacen que la hélice tienda a romperse en el punto donde esté la prolina, aunque no lo hará si ésta es suficientemente larga y estable. La glicina al tener una gran flexibilidad puesto que su cadena lateral es
sólo un H, suele estar en los acodamientos al final de la hélice.
β-Laminar: es una de las estructuras secundarias posibles adoptada por las proteínas. Se forma por el posicionamiento paralelo de dos cadenas de
aminoácidos dentro de la misma proteína, en el que los grupos N-H de una de las cadenas forman enlaces de hidrógeno con los grupos C=O de la opuesta. Es una estructura muy estable que puede llegar a resultar de una ruptura de los enlaces de hidrógeno durante la formación de la hélice alfa. Los grupos R de esta
estructura están posicionados sobre y bajo el plano de las láminas. Estos R no deben ser muy grandes, ni crear un impedimento estérico, ya que se vería
afectada la estructura de la lámina.
26
PROTEINAS Capítulo III
Tipos
Cadenas paralelas. Aquellas que ambas van de grupo amino a carboxilo.
Cadenas antiparalelas. Aquellas que unas van de amino a carboxilo y otra de carboxilo a amino.
Los enlaces de hidrógeno aportan estabilidad a la proteína. Se presenta en las
proteínas fibrosas y en las globulares.
Estructura terciaria: es el modo en el que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio. Es la disposición de los dominios en el espacio. La estructura terciaria se
realiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia el exterior. Esta estructura es de forma globular.
La estructura terciaria de las proteínas está estabilizada por enlaces puentes disulfuro entre Cys, puentes de hidrógeno entre cadenas laterales, interacciones
iónicas entre cadenas laterales, interacciones de van der Waals entre cadenas laterales y el efecto hidrófobo (exclusión de las moléculas de agua, evitando su contacto con los residuos hidrófobos, que quedan empaquetados en el interior de
la estructura).
Estructura cuaternaria: Esta estructura informa de la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria,
para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero.
El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que
consta de 60 unidades proteicas.
Desnaturalización de proteínas
Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de
orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena
polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura
tridimensional fija.
En una proteína cualquiera, la estructura nativa y la desnaturalizada tan sólo
tienen en común la estructura primaria, es decir, la secuencia de AA que la
componen. Los demás niveles de organización estructural desaparecen en la
estructura desnaturalizada.
27
PROTEINAS Capítulo III
La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: cambios en las
propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el
coeficiente de difusión, una drástica disminución de su solubilidad, ya que los
residuos hidrofóbicas del interior aparecen en la superficie y la pérdida de las
propiedades biológicas.
Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Por
este motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible ya que es la
estructura primaria la que contiene la información necesaria y suficiente para
adoptar niveles superiores de estructuración. El proceso mediante el cual la
proteína desnaturalizada recupera su estructura nativa se llama renaturalización.
Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aislamiento y
purificación de proteínas, ya que no todas la proteínas reaccionan de igual forma
ante un cambio en el medio donde se encuentra disuelta. En algunos casos, la
desnaturalización conduce a la pérdida total de la solubilidad, con lo que la
proteína precipita. La formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide su
renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible.
Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes
desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes,
disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica). Como en algunos casos el fenómeno de
la desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de manera
selectiva mediante cambios en: la polaridad del disolvente, la fuerza iónica, el pH y
la temperatura.
Métodos de purificación de proteínas
Para separar las moléculas, el bioquímico aprovecha las diferencias que existen
entre ellas. Tales diferencias pueden ser de solubilidad, tamaño, masa, carga
eléctrica o afinidad por las moléculas. En herramientas de la bioquímica se ha
presentado la electroforesis que utiliza las diferencias de carga para la separación.
Pero la electroforesis es principalmente una herramienta analítica, mas que un
medio de preparación de muestras. Aunque en ocasiones se utiliza para purificar
pequeñas cantidades de proteínas, su capacidad es limitada; la preparación de las
cantidades de sustancias necesarias para la caracterización y el estudio precisa
otros métodos. Para pasar desde las células o los tejidos a un material purificado
solemos utilizar otras técnicas entre las que destacan:
28
PROTEINAS Capítulo III
Solubilidad: es una de las formas más antigua, simple y bastante eficaz para llevar
a cabo la separación de una mezcla de proteínas, donde se utiliza la solubilidad
diferente en disoluciones salinas concentradas.
Centrifugación zonal: se separan partículas con distinto coeficiente de
sedimentación por la acción de determinados tampones. Bajo fuerza centrifuga las
partículas comenzaran a sedimentar a través del gradiente, moviéndose cada
partícula a diferentes velocidades dependiendo de su masa.
Cromatografía: gran parte de la bioquímica moderna se basa en la utilización de
los métodos de la cromatografía en columna para separar las moléculas. Los
métodos cromatográficos comportan el paso de una solución (fase móvil) a través
de un medio (fase estacionaria) que presenta una absorción selectiva para los
distintos componentes disueltos. La rapidez con la que pasa cada componente de
la fase móvil depende de manera inversa de la fuerza con la que interactué con la
fase estacionaria. Métodos de cromatografía en columna:
Cromatografía de intercambio iónico: Es utilizada para separar moléculas de
acuerdo con su carga eléctrica. Se utilizan resinas de intercambio iónico, que son
polianiones o policationes.
Cromatografía de afinidad: es ideal para aislar una o unas pocas proteínas de una
mezcla compleja. Se aprovecha la fuerte interacción de algunas proteínas con
otras moléculas.
Cromatografía liquida de alta resolución: esta técnica puede presentar algunos
daños a productos sensibles, aun que es un proceso rápido y con alta resolución.
Filtración en gel: es un tipo de cromatografía en el que la base de la separación es
el tamaño molecular, en lugar de las propiedades químicas.
Es posible obtener membranas semipermeables con poros los suficientemente
grandes para permitir que las moléculas pequeñas pasen libremente pero que sea
una barrera para las proteínas y otras macromoléculas. Este tipo de membranas
se utilizan en:
Diálisis: se utiliza para eliminar las pequeñas moléculas contaminantes. Se coloca
una bolsa cerrada fabricada con una membrana y se sumerge en una mayor
disolución amortiguadora. Después de un tiempo los contaminantes de peso
molecular bajo salen fuera.
29
PROTEINAS Capítulo III
Ultrafiltración: se utiliza para concentrar disoluciones de macromoléculas. Se
utiliza una membrana semipermeable, donde se le aplica presión para hacer salir
el disolvente y moléculas pequeñas a través de esta, concentrando las
macromoléculas o proteínas.
Salting in: es el fenómeno por el cual la concentración de sal aumenta la
solubilidad de la proteína.
Salting out: a altas fuerzas iónicas, la solubilidad de la proteína disminuye.
ENZIMAS
Las enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones
químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se
convierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones
enzimáticas.
Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece sólo con algunas reacciones, el conjunto (set) de enzimas
sintetizadas en una célula determina el tipo de metabolismo que tendrá cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión génica.
Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación (ΔG‡) de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente la tasa
de reacción. Las enzimas no alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que se
produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada.
Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por
las reacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.
La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan dicha
actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su
30
PROTEINAS Capítulo III
actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, la
actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propia enzima y del sustrato, y otros factores físico-químicos.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos y productos domésticos de limpieza. Además, son ampliamente
utilizadas en diversos procesos industriales, como son la fabricación de alimentos, distinción de jeans o producción de biocombustibles.
Componentes
Sitio activo: es la zona de la enzima a la que se une el sustrato para ser
catalizado. La reacción específica que una enzima controla depende de un área
de su estructura terciaria. Dicha área se llama sitio activo y en ella ocurren las
actividades con otras moléculas. Debido a esto, el sitio activo puede sostener
solamente ciertas moléculas. Las moléculas del sustrato se unen al sitio activo,
donde tiene lugar la catálisis. La estructura tridimensional de éste es lo que
determina la especificidad de las enzimas. En el sitio activo sólo puede entrar un
determinado sustrato (ni siquiera sus isómeros). El acoplamiento es tal que E.
Fisher enunció: "el sustrato se adapta al centro activo o catalítico de una enzima
como una llave a una cerradura". El sitio activo está formado por las cadenas
laterales de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglo
tridimensional particular, diferente al resto de la proteína
Sitio alostérico: Los sitios alostéricos son zonas de la enzima con capacidad de
reconocer y unir determinadas moléculas en la célula. Las uniones a las que dan
lugar son débiles y no covalentes, y generan un cambio en la conformación
estructural de la enzima que repercute en el sitio activo, afectando así a la
velocidad de reacción de la enzima. Las interacciones alostéricas pueden tanto
inhibir como activar enzimas, y son una forma muy común de controlar las
enzimas en las células.
Clasificación y nomenclatura
El nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reacción química
que cataliza, con la palabra terminada en -asa. Por ejemplo, lactasa proviene de
su sustrato lactosa; alcohol deshidrogenasa proviene de la reacción que cataliza
que consiste en "deshidrogenar" el alcohol; ADN polimerasa proviene también de
la reacción que cataliza que consiste en polimerizar el ADN.
Las enzimas se clasifican en seis grupos de acuerdo a la función que realizan:
31
PROTEINAS Capítulo III
1.-Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción o redox. Precisan la
colaboración de las coenzimas de oxido-reducción (NAD+, NADP+, FAD) que
aceptan o ceden los electrones correspondientes. Tras la acción catalítica, estas
coenzimas quedan modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben ser
recicladas antes de volver a efectuar una nueva reacción catalítica. Ejemplos:
deshidrogenasas, peroxidasas.
2.- Transferasas: transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas
moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de
interconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc. Ejemplos: transaminasas,
quinasas.
3.- Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de
monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los alimentos,
previamente a otras fases de su degradación. La palabra hidrólisis se deriva de
hidro (agua) y lisis (disolución). Ejemplos: glucosidasas, lipasas, esterasas.
4.- Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan grupos H2O, CO2 y NH3
para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace. Ejemplos:
descarboxilasas, liasas.
5.- Isomerasas: actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus
isómeros funcionales o de posición, es decir, catalizan la racemización y cambios
de posición de un grupo en determinada molécula obteniendo formas isoméricas.
Suelen actuar en procesos de interconversión. Ejemplo: epimerasas (mutasa).
6.- Ligasas: catalizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados
"fuertes" mediante el acoplamiento a moléculas de alto valor energético como el
ATP. Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.
Enzimas alostéricas
Son invariablemente proteínas con múltiples subunidades, con múltiples lugares
activos. Presentan cooperatividad de unión del sustrato (homoalosterismo) y una
regulación de su actividad con otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).
Cofactores y coenzimas
Cofactor: es un componente no proteico, termoestable y de bajo peso molecular, necesario para la acción de una enzima. El cofactor se une a una estructura
32
PROTEINAS Capítulo III
proteica denominada apoenzima, y a este complejo se le denomina holoenzima.
Entre los cofactores mencionables se encuentran: Iones metálicos (Fe2+, Cu2+, K+, Mn2+, Mg2+, entre otros) y moléculas orgánicas (flavin, hemo, etc.). Aquellos cofactores que están fuertemente unidos a la apoenzima son denominados grupos
prostéticos; en otros casos los que están unidos débilmente a la apoenzima y actúan fundamentalmente como uno de los sustratos específicos de la reacción, se llaman coenzimas.
El ion metálico puede actuar como: centro catalítico primario, grupo puente para
reunir el sustrato y la enzima, formando un complejo de coordinación o como agente estabilizante de la conformación de la proteína enzimática en su forma catalíticamente activa.
Las enzimas que precisan de iones metálicos se llaman a veces metaloenzimas.
Coenzimas: son cofactores orgánicos no proteicos, termoestables, que unidos a una apoenzima constituyen la holoenzima o forma catalíticamente activa de la
enzima. Tienen en general baja masa molecular (al menos comparada con la apoenzima) y son claves en el mecanismo de catálisis, por ejemplo, aceptando o donando electrones o grupos funcionales, que transportan de un enzima a otro.
A diferencia de las enzimas, las coenzimas se modifican y consumen durante la
reacción química; por ejemplo, el NAD+ se reduce a NADH cuando acepta dos electrones (y un protón) y por tanto se agota; cuando el NADH libera sus electrones se recupera el NAD+, que de nuevo puede actuar como coenzima.
Muchas vitaminas y sus derivados actúan como coenzimas como es el caso de la riboflavina.
Las coenzimas más comunes son:
FAD (Flavín adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
FMN (Flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones.
NAD+ (nicotín adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
NADP+ (nicotín adenín dinucleótido fosfato): transferencia de electrones y protones.
Coenzima A: transferencia de grupos acetilo (por ejemplo, en la descarboxilación del ácido pirúvico) y de grupos acilo en general.
Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria.
Coenzima B12: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre moléculas.
33
PROTEINAS Capítulo III
TPP (Pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte, entre
otros, del complejo piruvato deshidrogenasa.
Vitamina C
PLP (fosfato de piridoxal): transferencia de grupos amino.
PMP (fosfato de piridoxamina): transferencia de grupos amino.
FH4 (ácido tetrahidrofólico): transferencia de grupos formilo, metenilo y metileno.
Biocitina: transferencia de dióxido de carbono.
Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.
Especificidad
Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan
como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un
elevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.
Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son aquellas involucrados en la replicación y expresión del genoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de
errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto. Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da como
resultado una media de tasa de error increíblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamíferos. Este tipo de mecanismos de comprobación también han sido observados en la ARN
polimerasa, en la ARNt aminoacil sintetasa y en la actividad de selección de los aminoacil-tRNAs.
Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadas
promiscuas, ya que pueden actuar sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.
Modelos
Llave-cerradura
34
PROTEINAS Capítulo III
Las enzimas son muy específicas, como sugirió Emil Fisher en 1894. En base a
sus resultados dedujo que ambas moléculas, enzima y sustrato, poseen complementariedad geométrica, es decir, sus estructuras encajan exactamente una en la otra, por lo que ha sido denominado como modelo de la "llave-
cerradura", refiriéndose a la enzima como a una especie de cerradura y al sustrato como a una llave que encaja de forma perfecta en dicha cerradura. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al intentar
explicar la estabilización del estado de transición que logran adquirir las enzimas.
Ajuste inducido
En 1958 Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y así el sitio activo podría
cambiar su conformación estructural por la interacción con el sustrato. Como resultado de ello, la cadena aminoacídica que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su función
catalítica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo. El sitio activo continua dicho cambio hasta que el sustrato está completamente unido, momento en el cual
queda determinada la forma y la carga final.
Cinética enzimática
Estudia la velocidad de las reacciones químicas que son catalizadas por las enzimas. El estudio de la cinética y de la dinámica química de una enzima permite
explicar los detalles de su mecanismo catalítico, su papel en el metabolismo, cómo es controlada su actividad en la célula y cómo puede ser inhibida su actividad por fármacos o venenos o potenciada por otro tipo de moléculas.
La reacción catalizada por una enzima utiliza la misma cantidad de sustrato y genera la misma cantidad de producto que una reacción no catalizada. Al igual que ocurre en otros tipos de catálisis, las enzimas no alteran en absoluto el
equilibrio de la reacción entre sustrato y producto.1 Sin embargo, al contrario que las reacciones químicas, las enzimas se saturan. Esto significa que a mayor cantidad de sustrato, mayor número de centros catalíticos estarán ocupados, lo
que incrementará la eficiencia de la reacción, hasta el momento en que todos los sitios posibles estén ocupados. En ese momento se habrá alcanzado el punto de saturación de la enzima y, aunque se añada más sustrato, no aumentará más la
eficiencia.
Las dos propiedades cinéticas más importantes de una enzima son: el tiempo que tarda en saturarse con un sustrato en particular y la máxima velocidad de reacción que pueda alcanzar. El conocimiento de estas propiedades hace posible
hipotetizar acerca del comportamiento de una enzima en el ambiente celular y predecir cómo responderá frente a un cambio de esas condiciones.
35
PROTEINAS Capítulo III
Cinética de michaelis-menten
Describe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas. Su nombre
es en honor a Leonor Michaelis y Maude Menten. Este modelo sólo es válido cuando la concentración del sustrato es mayor que la concentración de la enzima, y para condiciones de estado estacionario, o sea que la concentración del
complejo enzima-sustrato es constante.
Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la concentración de sustrato [S] se aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de formación
de producto. Esa es la velocidad máxima (Vmax) de la enzima. En ese caso, los sitios activos de la enzima están saturados con sustrato.
Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis-Menten.
La velocidad V indica el número de reacciones por segundo que son catalizadas
por una enzima. Con concentraciones crecientes de sustrato [S], la enzima va acercándose asintóticamente su velocidad máxima Vmax, pero nunca la alcanza.
Por esta razón, no hay un [S] determinado para la Vmax. De todas formas, el
parámetro característico de la enzima está definido por la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima (Vmax/2).
Constante y ecuación de Michaelis-menten
Entonces, aunque la concentración de sustrato a Vmax no puede ser medida
exactamente, las enzimas pueden ser caracterizadas por la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima.
Esta concentración de sustrato se conoce como constante de Michaelis-Menten (KM).
Esta constante representa (para enzimas que exhiben una cinética de Michaelis-
Menten simple), la constante de disociación (la afinidad del complejo enzima-sustrato (ES) por el sustrato). Valores bajos indican que el complejo ES está unido
36
PROTEINAS Capítulo III
muy fuertemente y raramente se disocia sin que el sustrato reaccione para dar
producto.
Así para estos casos, se obtendrá una diferente KM, según el sustrato específico,
en que actúe cada enzima (como sucede en el caso de enzimas que actúan en sustratos análogos); y las condiciones de reacción en que se realice las
mediciones.
V =VMax [s]
Km + [s]
Donde V es la velocidad de reacción, Km es la constante de Michaelis-Menten, Vmax es la velocidad máxima, y [S] es la concentración de sustrato.
Lineweaver-Burk
El diagrama de Lineweaver-Burk se emplea como herramienta gráfica para calcular los parámetros cinéticos de una enzima.
Su utilidad consiste en que el recíproco de la cinética de Michaelis-Menten es
fácilmente representable y que de él emanan mucha información de interés.
Cuyo recíproco es:
Donde V es la velocidad de reacción, Km es la constante de Michaelis-Menten, Vmax es la velocidad máxima, y [S] es la concentración de sustrato.
37
PROTEINAS Capítulo III
La representación gráfica de Lineweaver-Burk permite identificar el Km y Vmax; el
punto de corte con el eje de ordenadas es el equivalente a la inversa de Vmax, y el de abscisas es el valor de -1/Km.
Inhibición enzimática
La actividad enzimática puede ser disminuida o eliminada por la acción de ciertas
sustancias a las cuales se les conoce con el nombre de inhibidores enzimáticos. Mediante el uso de inhibidores enzimáticos se ha obtenido información muy valiosa sobre la conformación del centro activo de algunas enzimas.
Las distintas formas de interacción se traducen en varios tipos de inhibición perfectamente diferenciables experimentalmente.
Inhibición enzimática reversible: en este tipo de inhibición, el inhibidor interactúa
con la enzima o con el complejo enzima-sustrato de una manera reversible.
Inhibición enzimática irreversible: se produce generalmente por modificación covalente de la enzima.
Inhibición competitiva: el inhibidor está relacionado estructuralmente con el
sustrato; estos análogos del sustrato compiten con el sustrato real por el centro activo de la enzima; el grado de inhibición depende de la relación inhibidor-sustrato más que de la concentración del inhibidor.
38
PROTEINAS Capítulo III
1/V
1/[s]
E + S
E + I
Inhibicion competitiva
Inhibición no competitiva: la unión del inhibidor con la enzima se realiza en un sitio
diferente a su centro activo; el inhibidor puede reaccionar con la enzima libre o con
el complejo enzima-sustrato. Una inhibición no competitiva se presenta, con frecuencia, en enzimas que contienen grupos -SH.
1/V
1/[s]
E + S
E + I
Inhibicion no competitiva
Inhibición acompetitiva: el inhibidor reacciona solamente con el complejo enzima-
sustrato. Este tipo de inhibiciones se presentan frecuentemente en reacciones bi-
sustrato; es muy poco frecuente en reacciones de un solo sustrato.
39
PROTEINAS Capítulo III
1/V
1/[s]
E + S
E + I
Inhibicion acompetitiva
Regulación enzimática
El metabolismo consiste en una serie de reacciones catalizadas por enzimas,
donde los productos de una reacción se convierten en los reactivos de la
siguiente, lo que se conoce como vías metabólicas. Las células deben poder
regular estas vías metabólicas y lo hacen a través de reguladores enzimáticos.
Los inhibidores naturales regulan el metabolismo mientras que los artificiales son
utilizados por la medicina, para destruir plagas, etc.
40
41
CARBOHIDRATOS Capítulo IV
CARBOHIDRATOS
Los glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono o azucares son moléculas
orgánicas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son solubles en agua y
se clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos o por el grupo funcional que
tienen adherido. Son la forma biológica primaria de almacenamiento y consumo de
energía. Otras biomoléculas energéticas son las grasas y, en menor medida, las
proteínas.
Los glúcidos pueden sufrir reacciones de esterificación, aminación, reducción,
oxidación, lo cual otorga a cada una de las estructuras una propiedad especifica,
como puede ser de solubilidad.
Los glúcidos tienen enlaces químicos difíciles de romper llamados covalentes,
mismos que poseen gran cantidad de energía, que es liberada al romperse estos
enlaces. Una parte de esta energía es aprovechada por el organismo consumidor,
y otra parte es almacenada en el organismo.
En la naturaleza se encuentran en los seres vivos, formando parte de
biomoléculas aisladas o asociadas a otras como las proteínas y los lípidos.
Clasificación de los carbohidratos
Los carbohidratos se clasifican de acuerdo:
En base al grupo funcional los monosacáridos se clasifican en dos grupos:
Aldosas: Contienen en su estructura un grupo formilo (grupo de aldehídos). Como
la glucosa.
Cetosas: Contienen en su estructura un grupo oxo (grupo de cetonas).como la
fructosa.
Por el número de átomos de carbono los monosacáridos se clasifican en:
Triosas: tres átomos de carbono, ejemplo: gliceraldehido.
Tetrosas: cuatro átomos de carbono, ejemplo: eritrosa.
Pentosas: cinco átomos de carbono, ejemplo: ribosa.
Hexosas: seis átomos de carbono, ejemplo: glucosa.
42
CARBOHIDRATOS Capítulo IV
De acuerdo al número de azucares que lo conforman:
Monosacáridos: están formados por una sola molécula, no pueden ser
hidrolizados a glúcidos más pequeños. La fórmula química general de un
monosacárido no modificado es (CH2O)n, donde n es cualquier número igual o
mayor a tres, su límite es de 7 carbonos. Los monosacáridos poseen siempre un
grupo carbonilo en uno de sus átomos de carbono y grupos hidroxilo en el resto,
por lo que pueden considerarse polialcoholes.
Glucosa: es una aldohexosa conocida también conocida con el nombre de
dextrosa. Es el azúcar más importante. Es conocida como “el azúcar de la
sangre”, ya que es el más abundante, además de ser transportada por el torrente
sanguíneo a todas las células de nuestro organismo. Es el carbohidrato de reserva
de los humanos y se realiza en el hígado. El aumento en el torrente sanguíneo de
produce hiperglucemia, mientras que la disminución produce una hipoglucemia.
Galactosa: no se encuentra libre, forma parte de la lactosa de la leche. En las
glándulas mamarias se sintetiza para formar parte de la leche materna. Existe una
enfermedad conocida como galactosemia, que es la incapacidad del individuo
para metabolizar la galactosa. Este problema se resuelva eliminando la galactosa
de la dieta, pero si la enfermedad no es detectada oportunamente el indivuduo
puede morir.
Fructosa: también se conoce como azúcar de frutas o levulosa. Este es el más
dulce de los carbohidratos. Tiene casi el doble dulzor que el azúcar de mesa
(sacarosa).
Ribosa: es una aldopentosa presente en el adenosin trifosfato (ATP) que es una
molécula de alta energía química, la cual es utilizada por el organismo. La ribosa y
uno de sus derivados, la desoxirribosa, son componentes de los ácidos nucleicos
ARN y ADN respectivamente.
Disacáridos: Los disacáridos son glúcidos formados por dos moléculas de
monosacáridos y, por tanto, al hidrolizarse producen dos monosacáridos libres.
Los dos monosacáridos se unen mediante un enlace covalente conocido como
enlace glucosídico, tras una reacción de deshidratación que implica la pérdida de
un átomo de hidrógeno de un monosacárido y un grupo hidroxilo del otro
monosacárido, con la consecuente formación de una molécula de H2O, de manera
que la fórmula de los disacáridos no modificados es C12H22O11.
43
CARBOHIDRATOS Capítulo IV
Sacarosa: Este disacárido está formado por una unidad de glucosa y otra de
fructuosa, y se conoce comúnmente como azúcar de mesa. La sacarosa se
encuentra libre en la naturaleza; se obtiene principalmente de la caña de azúcar.
Lactosa: Es un disacárido formado por glucosa y galactosa. Es el azúcar de la
leche.
Oligosacaridos: están compuestos por entre tres y nueve moléculas de
monosacáridos que al hidrolizarse se liberan. No obstante, la definición de cuan
largo debe ser un glúcido para ser considerado oligo o polisacárido varía según los
autores. Según el número de monosacáridos de la cadena se tienen los
trisacáridos (como la rafinosa ), tetrasacárido (estaquiosa), pentasacáridos, etc.
Los oligosacáridos se encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando las
glicoproteínas, como una forma común de modificación tras la síntesis proteica.
Estas modificaciones post traduccionales incluyen los oligosacáridos de Lewis,
responsables por las incompatibilidades de los grupos sanguíneos, el epítope alfa-
Gal responsable del rechazo hiperagudo en xenotrasplante y O-GlcNAc
modificaciones.
Polisacáridos: son cadenas, ramificadas o no, de más de diez monosacáridos. Los
polisacáridos representan una clase importante de polímeros biológicos. Su
función en los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura o
almacenamiento. El almidón es usado como una forma de almacenar
monosacáridos en las plantas, siendo encontrado en la forma de amilosa y la
amilopectina (ramificada). En animales, se usa el glucógeno en vez de almidón el
cual es estructuralmente similar pero más densamente ramificado. Las
propiedades del glucógeno le permiten ser metabolizado más rápidamente, lo cual
se ajusta a la vida activa de los animales con locomoción. La celulosa y la quitina
son ejemplos de polisacáridos estructurales.
Funciones de los carbohidratos
Los glúcidos desempeñan diversas funciones, entre las que destacan la
energética y la estructural.
Glúcidos energéticos: Los mono y disacáridos, como la glucosa, actúan como
combustibles biológico, aportando energía inmediata a las células; es la
responsable de mantener la actividad de los músculos, la temperatura corporal, la
44
CARBOHIDRATOS Capítulo IV
tensión arterial, el correcto funcionamiento del intestino y la actividad de las
neuronas.
Glúcidos estructurales: Algunos polisacáridos forman estructuras esqueléticas muy
resistentes, como las celulosa de las paredes de células vegetales y la quitina de
la cutícula de los artrópodos.
Otras funciones: la ribosa y la desoxirribosa son constituyentes básicos de los
nucleótidos, monómeros del ARN y del ADN. Los oligosacáridos del glicocáliz
tienen un papel fundamental en el reconocimiento celular.
Metabolismo de los carbohidratos
Las principales rutas metabólicas de los glúcidos son:
Glicólisis: Oxidación de la glucosa a piruvato.
Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos.
Glucogénesis: Síntesis de glucógeno.
Ciclo de las pentosas: Síntesis de pentosas para los nucleótidos.
En el metabolismo oxidativo encontramos rutas comunes con los lípidos como son
el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. Los oligo y polisacáridos son
degradados inicialmente a monosacáridos por enzimas llamadas glucósido
hidrolasas. Entonces los monosacáridos pueden entrar en las rutas catabólicas de
los monosacáridos.
La principal hormona que controla el metabolismo de los hidratos de carbono es la
insulina.
45
46
LIPIDOS Capitulo V
LIPIDOS
Los lípidos son un conjunto de moléculas orgánicas, la mayoría biomoléculas,
compuestas principalmente por carbono e hidrógeno y en menor medida oxígeno,
aunque también pueden contener fósforo, azufre y nitrógeno, que tienen como
característica principal el ser hidrofóbicas o insolubles en agua y sí en disolventes
orgánicos como la bencina, el alcohol, el benceno y el cloroformo. En el uso
coloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas son
sólo un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen funciones
diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética
(triglicéridos), la estructural (fosfolípidos de las bicapas) y la reguladora
(esteroides).
Los Lípidos también funcionan para el desarrollo de la Materia gris, el metabolismo
y el crecimiento.
Los lípidos son biomoléculas muy diversas; unos están formados por cadenas
alifáticas saturadas o insaturadas, en general lineales, pero algunos tienen anillos
(aromáticos). Algunos son flexibles, mientras que otros son rígidos o semiflexibles
hasta alcanzar casi una total flexibilidad molecular; algunos comparten carbonos
libres y otros forman puentes de hidrógeno.
La mayoría de los lípidos tiene algún tipo de carácter polar, además de poseer una
gran parte apolar o hidrofóbico ("que le teme al agua" o "rechaza al agua"), lo que
significa que no interactúa bien con solventes polares como el agua. Otra parte de
su estructura es polar o hidrofílica ("que ama el agua" o "que tiene afinidad por el
agua") y tenderá a asociarse con solventes polares como el agua; cuando una
molécula tiene una región hidrófoba y otra hidrófila se dice que tiene carácter
anfipático. La región hidrófoba de los lípidos es la que presenta solo átomos de
carbono unidos a átomos de hidrógeno, como la larga "cola" alifática de los ácidos
grasos o los anillos de esterano del colesterol; la región hidrófila es la que posee
grupos polares o con cargas eléctricas, como el hidroxilo (–OH) del colesterol, el
carboxilo (–COO–) de los ácidos grasos, el fosfato (–PO4–) de los fosfolípidos, etc.
Clasificación de los lípidos
Los lípidos son un grupo muy heterogéneo que usualmente se clasifican en dos grupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (lípidos saponificables) o no lo posean (lípidos insaponificables).
47
LIPIDOS Capitulo V
Lípidos saponificables
Simples: Lípidos que sólo contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.
Acilglicéridos: cuando son sólidos se les llama grasas y cuando son líquidos a
temperatura ambiente se llaman aceites.
Céridos (ceras)
Complejos: Son los lípidos que además de contener en su molécula carbono,
hidrógeno y oxígeno, también contienen otros elementos como nitrógeno, fósforo,
azufre u otra biomolécula como un glúcido. A los lípidos complejos también se les
llama lípidos de membrana pues son las principales moléculas que forman las
membranas celulares.
Fosfolípidos, fosfoglicéridos, fosfoesfingolípidos, glucolípidos, cerebrósidos,
Gangliósidos.
Lípidos insaponificables
Terpenoides, Esteroides, Eicosanoides
Lípidos saponificables
Ácidos grasos
Son las unidades básicas de los lípidos saponificables, y consisten en moléculas
formadas por una larga cadena hidrocarbonada con un número par de átomos de carbono (12-24) y un grupo carboxilo terminal. La presencia de dobles enlaces en el ácido graso reduce el punto de fusión. Los ácidos grasos se dividen en
saturados e insaturados.
Saturados: sin dobles enlaces entre átomos de carbono; por ejemplo, ácido
láurico, ácido mirístico, ácido palmítico, acido margárico, ácido esteárico, ácido
araquídico y ácido lignogérico.
Insaturados: se caracterizan por poseer dobles enlaces en su configuración
molecular. Éstas son fácilmente identificables, ya que estos dobles enlaces hacen
que su punto de fusión sea menor que en el resto. Se presentan ante nosotros como líquidos, como aquellos que llamamos aceites. Este tipo de alimentos disminuyen el colesterol en sangre y también son llamados ácidos grasos esenciales. Los animales no son capaces de sintetizarlos, pero los necesitan para
desarrollar ciertas funciones fisiológicas, por lo que deben aportarlos en la dieta. La mejor forma y la más sencilla para poder enriquecer nuestra dieta con estos
48
LIPIDOS Capitulo V
alimentos, es aumentar su ingestión, es decir, aumentar su proporción respecto
los alimentos que consumimos de forma habitual. Por ejemplo, ácido palmitoleico, ácido oleico, ácido elaídico, ácido linoleico, ácido linolénico y ácido araquidónico y acido nervónico.
Propiedades de los ácidos grasos:
Carácter Anfipático: ya que el ácido graso está formado por un grupo carboxilo y una cadena hidrocarbonada, esta última es la que posee la característica hidrófoba; siendo responsable de su insolubilidad en agua.
Punto de fusión: depende de la longitud de la cadena y de su número de insaturaciones, siendo los ácidos grasos insaturados los que requieren menor energía para fundirse.
Esterificación: los ácidos grasos pueden formar ésteres con grupos alcohol de
otras moléculas
Saponificación: por hidrólisis alcalina los ésteres formados anteriormente dan lugar a jabones (sal del ácido graso).
Autooxidación: los ácidos grasos insaturados pueden oxidarse espontáneamente,
dando como resultado aldehídos donde existían los dobles enlaces covalentes.
Acilglicéridos
Los acilglicéridos o acilgliceroles son ésteres de ácidos grasos con glicerol
(glicerina), formados mediante una reacción de condensación llamada esterificación. Una molécula de glicerol puede reaccionar con hasta tres moléculas de ácidos grasos, puesto que tiene tres grupos hidroxilo.
Según el número de ácidos grasos que se unan a la molécula de glicerina, existen
tres tipos de acilgliceroles:
Monoglicéridos: sólo existe un ácido graso unido a la molécula de glicerina.
Diacilglicéridos: la molécula de glicerina se une a dos ácidos grasos.
Triacilglicéridos: llamados comúnmente triglicéridos, puesto que la glicerina está
unida a tres ácidos grasos; son los más importantes y extendidos de los tres.
Los triglicéridos constituyen la principal reserva energética de los animales, en los que constituyen las grasas; en los vegetales constituyen los aceites. El exceso de
lípidos es almacenado en grandes depósitos en el tejido adiposo de los animales.
49
LIPIDOS Capitulo V
Céridos
Las ceras son moléculas que se obtienen por esterificación de un ácido graso con
un alcohol monovalente lineal de cadena larga. Por ejemplo la cera de abeja. Son sustancias altamente insolubles en medios acuosos y a temperatura ambiente se presentan sólidas y duras. En los animales las podemos encontrar en la superficie
del cuerpo, piel, plumas, cutícula, etc. En los vegetales, las ceras recubren la epidermis de frutos, tallos, junto con la cutícula o la suberina, que evitan la pérdida de agua por evaporación.
Fosfolípidos
Los fosfolípidos se caracterizan por poseer un grupo fosfato que les otorga una
marcada polaridad. Se clasifican en dos grupos, según posean glicerol o
esfingosina.
Los fosfoglicéridos están compuestos por ácido fosfatídico, una molécula compleja
compuesta por glicerol, al que se unen dos ácidos grasos (uno saturado y otro
insaturado) y un grupo fosfato; el grupo fosfato posee un alcohol o un
aminoalcohol, y el conjunto posee una marcada polaridad y forma lo que se
denomina la cabeza polar del fosfoglicérido; los dos ácidos grasos forman las dos
colas hidrófobas; por tanto, los fosfoglicéridos son moléculas con un fuerte
carácter anfipático que les permite formar bicapas, que son la arquitectura básica
de todas las membranas biológicas.
Los principales alcoholes y aminoalcoholes de los fosfoglicéridos que se
encuentran en las membranas biológicas son la colina (para formar la
fosfatidilcolina o lecitina), la etanolamina (fosfatidiletanolamina o cefalina), serina
(fosfatidilserina) y el inositol (fosfatidilinositol).
Los fosfoesfingolípidos son esfingolípidos con un grupo fosfato, tienen una
arquitectura molecular y unas propiedades similares a los fosfoglicéridos. No
obstante, no contienen glicerol, sino esfingosina, un aminoalcohol de cadena larga
al que se unen un ácido graso, conjunto conocido con el nombre de ceramida; a
dicho conjunto se le une un grupo fosfato y a éste un aminoalcohol; el más
abundante es la esfingomielina, en la que el ácido graso es el ácido lignocérico y
el aminoalcohol la colina; es el componente principal de la vaina de mielina que
recubre los axones de las neuronas.
50
LIPIDOS Capitulo V
Glucolípidos
Los glucolípidos son esfingolípidos formados por una ceramida (esfingosina +
ácido graso) unida a un glúcido, careciendo, por tanto, de grupo fosfato. Al igual
que los fosfoesfingolípidos poseen ceramida, pero a diferencia de ellos, no tienen
fosfato ni alcohol. Se hallan en las bicapas lipídicas de todas las membranas
celulares, y son especialmente abundantes en el tejido nervioso; el nombre de los
dos tipos principales de glucolípidos alude a este hecho:
Cerebrósidos: son glucolípidos en los que la ceramida se une un monosacárido
(glucosa o galactosa) o a un oligosacárido.
Gangliósidos: son glucolípidos en los que la ceramida se une a un oligosacárido
complejo en el que siempre hay ácido siálico.
Los glucolípidos se localizan en la cara externa de la bicapa de las membranas
celulares donde actúan de receptores.
Lípidos insaponificables
Terpenos
Los terpenos, terpenoides o isoprenoides, son lípidos derivados del hidrocarburo isopreno (o 2-metil-1,3-butadieno). Los terpenos biológicos constan, como mínimo
de dos moléculas de isopreno. Algunos terpenos importantes son los aceites esenciales (mentol, limoneno, geraniol), el fitol (que forma parte de la molécula de clorofila), las vitaminas A, K y E, los carotenoides (que son pigmentos fotosintéticos) y el caucho (que se obtiene del árbol Hevea brasiliensis).Desde el
punto de vista farmacéutico, los grupos de principios activos de naturaleza terpénica más interesantes son: monoterpenos y sesquiterpenos constituyentes de
los aceites esenciales, derivados de monoterpenos correspondientes a los iridoides, lactonas sesquiterpénicas que forman parte de los principios amargos, algunos diterpenos que poseen actividades farmacológicas de aplicación a la
terapéutica y por último, triterpenos y esteroides entre los que se encuentran las saponinas y los heterósidos cardiotónicos.
Esteroides
Los esteroides son lípidos derivados del núcleo del hidrocarburo esterano (o ciclopentanoperhidrofenantreno), esto es, se componen de cuatro anillos fusionados de carbono que posee diversos grupos funcionales (carbonilo,
hidroxilo) por lo que la molécula tiene partes hidrofílicas e hidrofóbicas (carácter anfipático).
51
LIPIDOS Capitulo V
Entre los esteroides más destacados se encuentran los ácidos biliares, las
hormonas sexuales, las corticosteroides, la vitamina D y el colesterol. El colesterol es el precursor de numerosos esteroides y es un componente más de la bicapa de las membranas celulares. Esteroides Anabólicos es la forma como se conoce a las
substancias sintéticas basadas en hormonas sexuales masculinas (andrógenos). Estas hormonas promueven el crecimiento de músculos (efecto anabólico) así como también el desarrollo de las características sexuales masculinas (efecto
andrógeno).
Eicosanoides
Los eicosanoides o icosanoides son lípidos derivados de los ácidos grasos esenciales de 20 carbonos tipo omega-3 y omega-6. Los principales precursores
de los eicosanoides son el ácido araquidónico, el ácido linoleico y el ácido linolénico. Todos los eicosanoides son moléculas de 20 átomos de carbono y pueden clasificarse en tres tipos: prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos.
Cumplen amplias funciones como mediadores para el sistema nervioso central, los procesos de la inflamación y de la respuesta inmune tanto de vertebrados como invertebrados. Constituyen las moléculas involucradas en las redes de comunicación celular más complejas del organismo animal, incluyendo el hombre.
Funciones de los lípidos
Los lípidos desempeñan diferentes tipos de funciones biológicas:
Función de reserva energética: los triglicéridos son la principal reserva de energía de los animales ya que un gramo de grasa produce 9,4 kilocalorías en las
reacciones metabólicas de oxidación, mientras que las proteínas y los glúcidos sólo producen 4,1 kilocalorías por gramo.
Función estructural: los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol forman las
bicapas lipídicas de las membranas celulares. Los triglicéridos del tejido adiposo recubren y proporcionan consistencia a los órganos y protegen mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos.
Función reguladora, hormonal o de comunicación celular: las vitaminas liposolubles son de naturaleza lipídica (terpenos, esteroides); las hormonas esteroides regulan el metabolismo y las funciones de reproducción; los
glucolípidos actúan como receptores de membrana; los eicosanoides poseen un papel destacado en la comunicación celular, inflamación, respuesta inmune, etc.
Función transportadora: el transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y a las
lipoproteínas.
52
53
METABOLISMO Capítulo VI
METABOLISMO
Catabolismo
El catabolismo es la parte del metabolismo que consiste en la transformación de
biomoléculas complejas en moléculas sencillas y en el almacenamiento de la
energía química desprendida en forma de enlaces de fosfato y de moléculas de
ATP, mediante la destrucción de las moléculas que contienen gran cantidad de
energía en los enlaces covalentes que la forman, en reacciones químicas
exotérmicas.
El control del catabolismo en los organismos superiores se realiza por diversos
mensajeros químicos como las hormonas catabólicas clásicas que son: cortico, glucagón, adrenalina y otras catecolaminas, citocina, tiroxina.
Tanto el catabolismo como el anabolismo se pueden incluir como un medio de excreción, o bien, de transformación de desechos.
Bioenergía y ATP
El trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa,
que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato. Se encuentra incorporada en los ácidos nucleicos.
Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumido por
muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula es C10H16N5O13P3.
El ATP es la única fuente inmediata de energía para la contracción muscular. En
el músculo esquelético hay ATP almacenado con el fin de proveer la energía química necesaria para las contracciones rápidas. Ese almacén no es suficiente para satisfacer la energía demandada en actividades de mayor duración,
recurriendo el organismo a sus reservas para producir más ATP.
Vía anaeróbica aláctica: cuando el ATP es escindido en ADP + P, en la contracción muscular, instantáneamente el ATP es resintetizado a expensas del CP (fosfato de creatina) que se encuentra almacenado en las fibras musculares.
Esta resíntesis es especialmente importante cuando el ejercicio es fuerte, ej.: carrera de velocidad.
Vía anaeróbica láctica: transformación en el citosol de la célula y sin oxígeno del
Glucógeno o la Glucosa en Piruvato. La glucosa puede pasar de la sangre al
54
METABOLISMO Capítulo VI
interior celular o ser hidrolizada del glucógeno almacenado en la célula muscular
(glucogenolisis) para transformarse en ácido láctico. . A) Glucógeno (glucogenolisis): Se produce, fundamentalmente, por la acción
consecutiva de dos enzimas: Glucógeno Fosforilasa y Fosfoglucomutasa.
B) Glucosa (glucólisis):
Etapa de activación: Una molécula de Glucosa se transforma en dos moléculas de Gliceraldehido-3-P consumiéndose 2 ATP. .
Etapa de degradación: Los 2 Gliceraldehido-3-P se transforman en 2 moléculas de Piruvato, produciéndose 4 ATP y 2 NADH + H+. El Piruvato puede dar origen a:
Lactato (ácido láctico), Etanol y Acetil-CoA. . Fermentación Láctica.- Piruvato + NADH + H+ produce Lactato + NAD+ Su finalidad es regenerar el NAD+ necesario para que pueda ser utilizado de
nuevo en la glucólisis. . En condiciones aeróbicas.- El Piruvato pasa del citosol a la mitocondria donde tras sufrir una descarboxilación oxidativa se transforma en Acetil-CoA.
VÍA AERÓBICA:
HIDRATOS DE CARBONO: La división aeróbica de la glucosa produce 19 veces más ATP que la anaeróbica. En la glucólisis anaeróbica se producen 2 ATP, mientras que en la aeróbica 38. En consecuencia, una molécula de glucosa
produce en su oxidación completa 36 ATP. . Cuando el suministro de oxígeno es abundante y los músculos no están trabajando intensamente, la transformación del glucógeno o de la glucosa
comienza como en la glucólisis anaeróbica, pero las moléculas de ácido pirúvico (piruvato) no se convierten en ácido láctico (lactato), sino que pasan del sarcoplasma (citosol) a las mitocondrias, donde una serie de reacciones hacen
posible la formación de Acetil-CoA, que es el iniciador del Ciclo de Krebs. En la glucólisis, cada molécula de glucosa degradada da lugar a 2 moléculas de Ácido Pirúvico, 2 NADH y 2 ATP. En el sistema piruvato deshidrogenasa y en el
ciclo de Krebs se producen 1 GTP (equivale a 1 ATP), 4 NADH y 1 FADH2 por cada molécula de ácido pirúvico. Las coenzimas reducidas mencionadas pueden ingresar en la cadena respiratoria e inducir la fosforilación oxidativa y la formación
de ATP. Como el ATP almacena, aproximadamente, una energía de 7 kcal/mol, la degradación de 1 mol de glucosa (180 gramos) da un rendimiento energético de 266 kcal. .
GRASAS: La degradación intracelular, fundamentalmente por hidrólisis, de los lípidos da lugar a ácidos grasos. En el citoplasma celular: Ácido graso + Coenzima
A produce Acil-CoA. Para atravesar la membrana mitocondrial precisa de un
55
METABOLISMO Capítulo VI
transportador llamado Carnitina. .
En el interior de la mitocondria, el Acil-CoA sufre una serie de reacciones conocidas colectivamente como beta-oxidación. Como resultado de estas
reacciones los ácidos grasos van perdiendo fragmentos de dos carbonos (Acetil-CoA). El fragmento Acetilo de dicho Acetil-CoA se oxida por completo a CO2 y H2O, en presencia de O2, en el Ciclo de Krebs para producir ATP.
El gran problema radica en que si está aumentada la beta-oxidación no se puede oxidar toda la Acetil-CoA y se producen Cuerpos Cetónicos. Debido al carácter ácido de éstos, la cetosis es una causa de acidosis metabólica, que puede tener
consecuencias muy graves. . PROTEÍNAS:
Estas suelen no utilizarse por ser estructurales.
Glucolisis
La glucólisis o glicolisis, es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas
consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP y
dos moléculas de NADH; el ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo metabólico, mientras que el NADH puede tener diferentes destinos. Puede usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas; si hay
oxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose tres ATP; si no hay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación láctica, o a CO2 y etanol (fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.
Funciones de la glucolisis
Las funciones de la glucólisis son:
La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y
fermentación (ausencia de oxígeno).
La generación de piruvato que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.
La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser utilizados en otros procesos celulares.
56
METABOLISMO Capítulo VI
Reacciones de la glucolisis
1.-Una molécula de glucosa entra al metabolismo cuando la enzima Hexocinasa la
convierte en Glucosa 6P. Esta enzima es homotropica alosterica, que requiere de
Magnesio y que además incorpora ATP para incorporar un grupo fosfato a la
glucosa y producir ADP
2.-La segunda reacción es catalizada por la Fosfofructoisomerasa, en una
reacción reversible que la convierte en Fructuosa 6P
3.-El metabolismo de varios monosacáridos se encuentra en esta reacción, en
donde la Fosfofructocinasa incorpora un segundo grupo fosfato a la molécula en
posición 1, convirtiéndola en Fructuosa 1-6 DiP, que igualmente utiliza Magnesio y
ATP, para producir ADP. Tiene como efectores negativos el ATP, el Citrato y los
Ácidos Grasos, se activa con AMP y ADP.
4.-Una vez que se ha formado la Fructosa 1,6 DiP, la enzima Aldolasa parte la
molécula de Glucosa en el punto del Carbono 3, además, el grupo O del ciclo pasa
hacia el Carbono 5 y forma por tanto Dihidroxiacetona P y Glucosa 3P, en una
proporción 70 – 30.
5.-Una enzima denominada Triosa fosfato isomerasa, es la encargada de
mantener la proporción entre las dos triosas formadas de forma automática, y
reversible, a fin de que la Glucosa 3P pueda continuar en la ruta.
6.-G3P forma un compuesto denominado 1,3 Difosfoglicerato por medio de una
enzima denominada Fosfogliceratocinasa, que retira Hidrogenos y los incorpora a
una molécula de NAD+ que recibe los Hidrogenos produciendo NADH+H+. Es
inhibida por Mercurio y por el YodoAcetato.
7.-La siguiente reacción es inducida ampliamente por la reacción anterior, la
Fosfogliceratocinasa convierte el 1,3-Difosfoglicerato en 3-fosfoglicerato,
dependiente de Magnesio y que retira un ATP que se incluye en la molécula de
ADP para producir ATP.
8.-Una enzima de nombre 3-Fosfoglicerato mutasa traslada el grupo fosfato de la
posición 3 a la posición dos, debido a que involucra el movimiento de un grupo
fosfato, esta reacción es dependiente de Magnesio y produce 2-fosfoflicerato. Esta
reacción es reversible.
57
METABOLISMO Capítulo VI
9.-Una enzima de nombre Enolasa convierte la 2- Fosfoglicerato en un compuesto
de nombre fosfoenolpiruvato. Esta reacción es sumamente rápida y el compuesto
formado es altamente inestable, por lo que de forma automática…
10.-…la enzima Piruvato cinasa convierte el Fosfatoenolpiruvato en Piruvato,
añadiendo un grupo fosfato a un ADP para formar ATP, es dependiente de
Magnesio.
ESQUEMA DE LA GLICOLISIS:
O
OH
OH
OHOH
OH
ATP ADP
Hexocinasa O
OH
OH
OHOH
O
POHO
OH
Glucosa Glucosa 6P
Glucosa 6P isomerasa O
O
POHO
OH
OH
OHOH
OH
Fructosa 6P
OOH
OHOH
PP
O OH
OHO
OH
OH
ATP
ADPFosfofructocinasa
OH
O
O
P
O
OHOH
Fructosa 1,6 DiP
Ruptura
Dihidroxiacetona P
TriosafosfatoIsomerasa
Gliceraldehido 3P
O
OH
O
P
O
OHOH
Pi
NADNADH + H
+
O
OH
O
P
O
OHOH
P
OH
OOH
1,3-Difosfoglicerato
O
OH
O
P
O
OHOH
OH
ATP ADP
Gliceraldehido3 fosfato
deshidrogenasa
3- Fosfoglicerato
Fosfogliceratocinasa
Fosfogliceratomutasa
P
OH
OH
O O
OH
O
OH
2-FosfogliceratoOH2
P
OH
OH
O O
CH2
O
OH
Fosfoenolpiruvato
O CH3
OOH
Piruvato
ADP
ATP
Enolasa
Piruvatocinasa
58
METABOLISMO Capítulo VI
Ruta de las pentosas
La ruta de la pentosa fosfato, también conocida como lanzadera de fosfatos de
pentosas, es una ruta metabólica estrechamente relacionada con la glucólisis durante la cual se utiliza la glucosa para generar ribosa, que es necesaria para la biosíntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. Además, también se obtiene poder
reductor en forma de NADPH que se utilizará como coenzima de enzimas propias del metabolismo anabólico.
De esta manera, este proceso metabólico, el cual es regulado por insulina, tiene
una doble función, ya que la glucosa se usa para formar NADPH, mientras que también se puede transformar en otros componentes del metabolismo, especialmente pentosas, utilizadas para la síntesis de nucleótidos y de ácidos
nucleicos. Así, se forma un puente entre rutas anabólicas y catabólicas de la glucosa.
La ruta de la pentosa fosfato tiene lugar en el citosol, y puede dividirse en dos
fases:
Fase oxidativa: se genera NADPH.
La primera reacción es la oxidación de la glucosa-6-fosfato, llevada a cabo por la
enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. En este primer paso se deshidrogena el grupo C1 para dar un grupo carboxilo, el cual, junto al C5, forma una lactona, es decir, un éster intramolecular. Es aquí donde se liberan dos hidrógenos de los
cuales se transfiere un protón y dos electrones al NADP+ que actúa como aceptor de electrones reduciéndose hasta formar la primera molécula de NADPH; el protón sobrante queda libre en el medio.
Acto seguido, se produce la hidrólisis de la lactona gracias a la actuación de la
lactonasa, con lo que se obtiene el ácido libre 6-fosfoglucanato. Seguidamente, éste último se transforma en ribulosa-5-fosfato por acción de la 6-fosfoglucanato
59
METABOLISMO Capítulo VI
deshidrogenasa. Aquí se obtiene la segunda molécula de NADPH, además de la
liberación de una molécula de CO2 debido a la descarboxilación oxidativa del ácido libre.
Finalmente, la enzima pentosa-5-fosfato isomerasa, mediante un intermediario endiol, isomeriza la ribulosa-5-fosfato y la convierte en ribosa-5-fosfato, gracias a
la transformación del grupo cetosa en aldosa. Esta última reacción prepara un componente central de la síntesis de nucleótidos para la biosíntesis de RNA, DNA y cofactores de nucleótidos. Al mismo tiempo, lleva a cabo la transición hacia la
fase no oxidativa de la ruta metabólica de la pentosa fosfato.
De este modo se acaba obteniendo dos moléculas de NADPH que, además de su uso en la biosíntesis reductiva, también es responsable del mantenimiento de un
medio reductor en la célula.
Fase no oxidativa: se sintetizan pentosas-fosfato y otros monosacáridos-fosfato.
60
METABOLISMO Capítulo VI
En este segundo proceso se encuentran una compleja secuencia de reacciones
que permiten cambiar los azúcares C3, C4, C5, C6 y C7 de las pentosas para poder formar finalmente gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato, los cuales podrán seguir directamente con la glucólisis.
Esta fase conlleva toda una serie de reacciones reversibles, el sentido de las
cuales depende de la disponibilidad del sustrato. Asimismo, la isomerización de ribulosa-5-fosfato a ribosa-5-fosfato es también reversible. Esto nos permite poder eliminar el excedente de ribosa-5-fosfato para acabar transformándolo en
productos intermediarios de la glucólisis.
La primera reacción llevada a cabo es la epimerización, regulada mediante la enzima pentosa-6-fosfato epimerasa, que convertirá la ribulosa-5-fosfato, producto
de la fase oxidativa, en xilulosa-5-fosfato, generando así el sustrato necesario para la siguiente reacción controlada por la transcetolasa, la cual actúa junto a la coenzima pirofosfato de tiamina (TPP). Ésta convertirá la xilulosa-5-fosfato en
ribosa-5-fosfato y, mediante la transferencia de una unidad de C2 de la cetosa a la aldosa, se producirá gliceraldehído-3-fosfato y sedoheptulosa-7-fosfato.
Sucedido esto, la transaldolasa, con la ayuda de un resto lisina en su centro activo, transfiere una unidad C3 de la sedoheptulosa-7-fosfato a gliceraldehído-3-
fosfato, con lo que se formarán la tetrosa eritrosa-4-fosfato, además de uno de los primeros productos finales: la hexosa fructosa-6-fosfato, la cual se dirigirá hacia la glucólisis.
Acto seguido, la enzima transcetolasa vuelve a transferir una unidad C2, desde la xilulosa-5-fosfato a eritrosa-4-fosfato, consiguiendo así formar otra molécula de fructosa-6-fosfato y un gliceraldehído-3-fosfato, ambos intermediarios de la
glucólisis. De esta manera, se cierra la fase no oxidativa de esta ruta metabólica.2
Esta fase de la ruta conectará los procesos metabólicos que generan NADPH con los que originan NADH/ATP. Por otra parte, el gliceraldehído-3-fosfato y la
fructosa-6-fosfato pueden intervenir, en vez de en el glucólisis, en la gluconeogénesis para formar una nueva síntesis de glucosa.
Formación de acetil coenzima A
Este procedimiento general lo lleva a cabo un conjunto de enzimas que se
encuentran ligadas entre sí, que reciben el nombre conjunto de “Complejo
multienzimatico de la Piruvato deshidrogenasa”, está constituida por tres enzimas:
Enzima 1.- Piruvato Carboxilasa, que utiliza como coenzima una molécula de
Tiamina Pirofosfato. TPP
61
METABOLISMO Capítulo VI
Enzima 2.- Dihidroxilipoil transacetilasa, que usa dos moléculas de la coenzima
conocida como Acido Lipoico.
Enzima 3.- Dihidroxilipoil deshidrogenasa, que utiliza una molécula de Coenzima
A, una del compuesto FAD de forma oxidada y una de NAD+ de forma oxidada
también.
1.-Inicialmente, el Piruvato se fija a la enzima 1 a través de la Tiamina pirofosfato y
el grupo Carbonilo del Carbono 2, de forma que existe la pérdida de un
equivalente a CO2 y la entrada de dos iones Hidrogeno.
2.-La enzima 2 es la encargada de recibir al grupo acetilo formado a través de él
Acido lipoico, reduciéndose para formar Acido lipoico reducido. Punto donde la
reacción puede detenerse.
3.-Esta misma enzima 2, para hacer irreversible la reacción, traslada el acetilo de
un Acido lipoico al otro, reduciéndose este otro grupo Acido lipoico hacia Acido
lipoico reducido y oxidando el Acido lipoico que inicialmente recibió al acetilo.
4.-La misma enzima 2 en un cuarto paso es capaz de incorporar Coenzima A
(CoASH) en la molécula de Acetilo, el cual se retira de la enzima 2 y fija a la
Coenzima A al mismo, formando el compuesto esperado (Acetil Coenzima A),
dejando a la enzima libre pero aun con el Acido lipoico reducido en la enzima, que
deberá continuar la reacción.
5.-La enzima 3, que tiene ligada una molécula de FAD, se encarga de recibir los
protones de la molécula de Acido lipoico reducido, oxidándola para producir Acido
lipoico, y reduciendo esta molécula para formar FADH2.
6.-En un último paso, una molécula de NAD+ interactúa con el FADH2 formado,
oxidando este y provocando la reducción del NAD hacia NADH+H+.
Nota: en la siguiente página se muestra un esquema donde se ilustra las
reacciones explicadas anteriormente.
62
METABOLISMO Capítulo VI
ESQUEMA DE LA FORMACION DE LA ACETIL COENZIMA A
O CH3
OOHTPP
2 H+
CO2
Enzima 1
E1
E2E3
TPP
CH3O
E2
2 AL E1
E2E3
TPP
CH3O
AL AL
E1
E2E3
TPP
ALRAL
O
CH3
E1
E2E3
TPP
AL ALR
OCH3
E2
FAD
E2
E1
E2E3
TPP
AL ALR
OCH3
FAD
CoAAcetil-CoA
E1
E2E3
TPP
AL AL
FADH2E2 E3
NAD
NADH + H+
E3
E1
E2E3
TPP
AL AL
FAD Interviene nuevamente en el cicloPara ahorar pasos
Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxilicos
Es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma
parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas. En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía
en forma utilizable (poder reductor y GTP).
Reacciones del ciclo de Krebs.
Una vez formada la Acetil Coenzima A, este compuesto entrara al ciclo de Krebs,
el cual se detalla a continuación.
63
METABOLISMO Capítulo VI
1.-La enzima Citrato sintetasa incorpora un grupo Acetilo a la molécula de
Oxalacetato, este grupo proviene de la molécula Acetil Coenzima A, para formar
citrato y un subproducto Coenzima A.
2.-Este citrato se isomeriza en un doble procedimiento, inicialmente este citrato
incorpora OH ( es decir, entrada de agua) en posición 1, formando un compuesto
denominado Aconitato, el cual, rápidamente se deshidrata, perdiendo un OH en
posición 2, formando Isocitrato, este proceso se lleva a cabo en un solo paso
rápido catalizado por la enzima Aconitasa.
3.-En este punto ocurre una descarboxilacion oxidativa, catalizada por la Isocitrato
Deshidrogenasa, que retira CO2, proveniente del Carbono 2, y que, en un solo
procedimiento general, retira dos protones que se incorporan a una molécula de
NAD+ para producir NADH+H+, produciendo un compuesto de nombre alfa
Cetoglutarato.
4.-Este compuesto es nuevamente oxidado, en una nueva pérdida de CO2, para
producir Succinil Coenzima A, en un proceso similar en cuanto a mecanismo a la
Piruvato deshidrogenasa, aunque el nombre de este es “Complejo Multienzimatico
de la alfa cetoglutarato deshidrogenasa”. El CO2 retirado proviene del Carbono 1,
además se incorpora Coenzima A y además entra NAD para producir NADH+H+.
5.-Esta Succinil Coenzima A formada se convierte en Succinato por medio de la
Tiocinasa, que incorpora Agua, un grupo Fosfato y GDP para generar como
subproductos GTP y Coenzima A. Además, una vez formado el GTP, este por
medio de la ATP Cinasa se convierte en ATP, con la entrada de ADP y generando
como subproducto GDP.
6.-La enzima Succinato Deshidrogenasa cataliza la reacción de Succinato a
Fumarato, con la pérdida de dos protones que se incorporan a una molécula de
FAD reduciéndose hacia FADH2.
7.-Este Fumarato Formato sufre una transformación hacia Malato, que además
incorpora una molécula de OH en la posición 2 catalizada por la enzima
Fumarasa. Esta enzima es específica y solamente puede trabajar con L-Malato y
no con D- Malato.
8.-Una Deshidrogenasa, de nombre L-Malato Deshidrogenasa, que incorpora
NAD+ para que se reduzca, regenera el Oxalacetato invertido inicialmente
provocando la pérdida de dos hidrógenos en el Carbono 2, oxidando el OH hacia
carbonilo, estos dos protones reducen al NAD+ hacia NAD reducido, con lo que se
reinicia el ciclo.
64
En este punto se han producido una cantidad importante de NAD, FAD y ATP,
estos dos primeros en estado reducido, que van a ingresar a la cadena respiratoria
y la fosforilación oxidativa para producir aun mas ATP, cada NADH+H+ produce 3
moléculas de ATP mientras que cada FADH2 produce dos ATP. El funcionamiento
es el siguiente. Este proceso se lleva a cabo en la mitocondria.
ESQUEMA DEL CICLO DE KREBS
Oxalacetato
Acetil-CoA
CoA
Citratosintasa
O
O-
O
O-
O
O-
O
O
O-
OH
O
O-
OH2
Aconitasa
O-
O
O
O-
OH
O
O-
OH
OH2
Aconitasa B
O-
O
O
O-
O
O-
OH
NAD+
CO2NADH + H
+
IsocitratoDeshidrogenasa
O
O-
O-
O
O
NADH + H+
NAD+
CoA
CO2
ComplejoMultienzimatico
De la -cetoglutaratoDeshidrogenasa
S
O
O-
O
CoA
GDPGTP + CoA
GuanindifosfatoTiosinasa
O-
O
O-
O
FAD+
FADH2 SuccinatoDeshidrogenasa
O-
O
O-
O
OH2
Fumarasa
O-
O
O-
O
OH
Malato Deshidrogenasa
NAD+
NADH + H+
Malato
Fumarato
SuccinatoSuccinil CoA
-Cetoglutarato
Isocitrato
Aconitato
Citrato
65
METABOLISMO Capítulo VI
Ciclo del Glioxilato.
Es una variante del ciclo de Krebs que se da en algunos tejidos vegetales. Introduce materia neta en el sistema. Es menos oxidativo que el de Krebs. Sólo
tiene 2 reacciones extras al Krebs. A partir del isocitrato es diferente. La isocitratoliasa rompe la molécula de isocitrato en succinato y glioxilato. El glioxilato actúa como receptor de un segundo Acetil-
CoA, catalizado por la malatosintasa que da una molécula de 4 C, que es el malato. El malato se oxida por la malatodeshidrogenasa a oxaloacetato.
ESQUEMA DEL CICLO DEL GLIOXILATO
Oxalacetato
Acetil-CoA
CoA
Citratosintasa
O
O-
O
O-
O
O-
O
O
O-
OH
O
O-
OH2
Aconitasa
O-
O
O
O-
OH
O
O-
OH
OH2
Aconitasa B
O-
O
O
O-
O
O-
OH
O-
O
O-
O
FAD+
FADH2
SuccinatoDeshidrogenasa
O-
O
O-
O
OH2
Fumarasa
O-
O
O-
O
OH
Malato Deshidrogenasa
NAD+
NADH + H+
Malato
Fumarato Succinato
Isocitrato
Aconitato
Citrato
O-
OOAcetil-CoA
CoA
Glioxi lato
Isocitratol iasa
Malatosintasa
66
METABOLISMO Capítulo VI
Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es una ruta metabólica que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato (ATP). Aunque las diversas formas de vida utilizan una gran variedad de nutrientes, casi todas
realizan la fosforilación oxidativa para producir ATP, la molécula que provee de energía al metabolismo. Esta ruta es tan ubicua debido a que es una forma altamente eficaz de liberación de energía, en comparación con los procesos
alternativos de fermentación, como la glucólisis anaeróbica.
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones son transferidos desde un donante de electrones a un aceptor de electrones, como el oxígeno, a través de reacciones redox.
Reacción y esquema de la fosforilación oxidativa
1.-El NADH llega a las crestas mitocondriales, donde se oxida con una
flavoproteína, reduciéndola (o sea cargándola de electrones).
67
METABOLISMO Capítulo VI
2.- Posteriormente la flavoproteína se oxida y reduce a una coenzima denominada Q. Durante este proceso se libera energía que ejecuta una primera fosforilación
oxidativa de ATP.
3.- Es en este nivel donde recién ingresa el FADH. La coenzima Q que se encuentra reducida, se oxida reduciendo así a un compuesto denominado
citocromo b. Durante esta oxidación se libera energía para ejecutar la segunda fosforilación oxidativa de ATP.
Como concepto, un citocromo es una proteína rica en Fe (por lo cual se oxida y reduce fácilmente).
4.- El citocromo b se oxida, reduciendo así al citocromo c.
5.- El citocromo c se oxida, reduciendo así al citocromo a.
6.- El citocromo a se oxida con oxigeno, reduciéndolo de esta forma a agua.
Durante esta última oxidación se libera la energía para ejecutar la tercera y última fosforilación oxidativa de ATP.
Se puede decir que por cada NADH que ingresa a la "cadena respiratoria" se
consiguen 3 ATP. Mientras que por cada FADH que ingresa a la "cadena respiratoria" (a la altura de la coenzima A) se obtienen 2 ATP.
68
69
EJERCICIOS Capítulo VII
EJERCICIOS
Ejercicios correspondientes al capítulo de ácidos nucleicos y proteínas.
Ácidos nucleicos:
1.- Determinar la codificación de aminoácidos de la siguiente cadena de
nucleótidos:
AUG-UCC-AAU-CGU-AGA-GUG-UAA-AUG-UGU-AUG-ACA-GGC-UAG-CGU-UGA
Utilizando la tabla donde se muestra que aminoácidos codifica cada codón se
obtuvieron los siguientes péptidos en función de la cadena de nucleótidos.
Metionina-Serina-Asparagina-Arginina-Arginina-Valina
El siguiente codón indica el final de la cadena de aminoácidos, por lo que inicia
otro péptido el cual es:
Metionina-cisteína-metionina-Treonina-Glicina
Una vez descifrada la codificación se obtuvieron dos péptidos uno de seis
aminoácidos y otro de cinco.
2.- De acuerdo a la siguiente cadena de nucleótidos indica la cadena
polipeptídica formada.
AUG-UCC-UAU-UCU-UUA-GCG-GGG-GUG-ACC-AAU-CAG-UCA-CAU-UGG-UAG
Utilizando la tabla de codificación de proteínas se realiza la codificación de la siguiente
forma:
Metionina-Serina-Tirosina-Serina-Leucina-Alanina-Glicina-Valina-Treonina-
Asparagina-Glutamina-Serina-Histidina-Triptofano
Después de realizar el descifrado de la cadena de nucleótidos dadas se obtuvo una
cadena de 14 aminoácidos.
70
EJERCICIOS Capítulo VII
Aminoácidos:
1.- Si una solución que contiene 3 moles de valina está a pH= 4, calcula sus
concentraciones.
Si la solución se encuentra a un pH= 4, esto indica que el carboxilo de la forma
zwterionica es el que reacciona produciéndose la forma cationica, por lo que el pK
que utilizaremos es el pK1 que corresponde al carboxilo del aminoácido, el cual es
pK1= 2.2.
Primero obtendremos la relación entre las dos formas a partir de la formula:
pH= pKa Log[prod]
[reac]+
De la cual realizamos un despejamos [prod]/ [reac]:
pH pKaLog
[prod]
[reac]= - por lo tanto
[P]
[R]= 10
( pH - pKa)
Por lo que:
[P]
[R]= 10
( 4 - 2.2 )pH = 4 =
63.09
1
Una vez obtenida la relación se realiza una regla de tres para obtener la
concentración de cada forma presente del aminoácido:
=63.095 A 1 B 64.095 63.095 64.095
X 3
Sea A= forma zwterionica
X= 2.953 A
= 0.047 BSea B= forma cationica
De acuerdo al resultado obtenido se tiene que 2.953 moles corresponden a la
forma zwterionica, mientras que 0.047 moles corresponden a la forma cationica
del aminoácido.
2.- Determinar el pH de una solución que contiene valina, si la relación entre
la forma anionica y zwterionica es 0.9459.
Primero observamos el enunciado, el cual nos indica que la reacción se realiza
entre la forma aninionica y la zwterionica por lo que el pK que está involucrado en
ella es el pK2, correspondiente al grupo amino del aminoácido que es de 9.1.
71
EJERCICIOS Capítulo VII
Utilizando la fórmula para obtener pH, solo sustituimos los valores indicados en
ella, como se muestra a continuación.
pH = pKa + Log[ P ]
[ R ]sustituyendo pH = 9.1 + Log 0.9459 = 9.07
El pH de la solución de acuerdo al resultado es de 9.07 que demuestra que le
acción se está llevando a cabo entre las dos formas mencionadas al inicio.
3.- Dado el siguiente péptido que está constituido por:
Ser-Glu-Pro-Met-Ala-Pro-Val-Glu-Tir-Pro-Lis
a) Cuantos péptidos se producirán si se trata con bromuro de cianógeno,
tripsina y quimiotripsina a pH=12.
b) Si solamente se tratara con Termolisina.
Para resolver este enunciado tendremos que utilizar nuestra tabla donde se
muestran las enzimas y reactivos que rompen cadenas de aminoácidos para saber
donde cortaran según lo indicado en el problema:
1.- primero tenemos que se aplica bromuro de cianógeno el cual en metionina
cuando este es uno por lo que se nos forman 2 péptidos uno de 4 aa y uno de 7 ya
que corta entre metionina y alanina.
Ser-Glu-Pro-Met Ala-Pro-Val-Glu-Tir-Pro-Lis
2.- en segundo paso se adiciona tripsina la cual corta a lisina o arginina cuando es
1 por lo que esta no produce cambio ya que no existe arginina en la cadena
polipeptídica y la lisina es ultimo en el heptapeptido.
3.- finalmente se agrega quimiotripsina a pH=12 por lo que corta en Isoleucina,
Valina, Triptófano o Histidina cuando son 1. Por lo que observando nuestros dos
péptidos se realizara un corte entre la valina y el glutamato quedando finalmente
tres restos peptídicos formados por:
Un tetrapeptido formado de Ser-Glu-Pro-Met
Un tripéptido formado por Ala-Pro-Val
Y un tetrapeptido formado por Glu-Tir-Pro-Lis
Para resolver el inciso b se inicia con la cadena polipeptídica inicial donde nos
indica que al suministrar la Termolisina puede realizar cortes en Fenilalanina,
tirosina, triptófano, leucina, isoleucina y valina cuando son 2. Por lo que realiza
72
EJERCICIOS Capítulo VII
cortes entre el glutamato y la tirosina y entre la prolina y la valina quedando 4
restos de péptidos formados por:
Un hexapeptido formado por Ser-Glu-Pro-Met-Ala-Pro
Un dipéptido formado por Val-Glu
Y un tripéptido formado por Tir-Pro-Lis
73
GLOSARIO
AMINOACIDO: es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo
carboxílico (-COOH; ácido). Los aminoácidos más frecuentes y de mayor interés
son aquellos que forman parte de las proteínas.
ANABOLISMO: es una de las dos partes del metabolismo, encargada de la
síntesis o bioformación de moléculas orgánicas (biomoléculas) más complejas a
partir de otras más sencillas o de los nutrientes, con requerimiento de energía
(reacciones endergónicas), al contrario que el catabolismo.
BIOMOLECULAS: son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatro
bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno,
oxígeno y nitrógeno, representando alrededor del 99% de la masa de la mayoría
de las células.
CATABOLISMO: es la parte del metabolismo que consiste en la transformación de
biomoléculas complejas en moléculas sencillas y en el almacenamiento de la
energía química desprendida en forma de enlaces de fosfato y de moléculas de
ATP, mediante la destrucción de las moléculas que contienen gran cantidad de
energía en los enlaces covalentes que la forman, en reacciones químicas
exotérmicas.
COENZIMA: son cofactores orgánicos no proteicos, termoestables, que unidos a
una apoenzima constituyen la holoenzima o forma catalíticamente activa de la
enzima. Tienen en general baja masa molecular (al menos comparada con la
apoenzima) y son claves en el mecanismo de catálisis, por ejemplo, aceptando o
donando electrones o grupos funcionales, que transportan de un enzima a otro.
COFACTOR: es un componente no proteico, termoestable y de bajo peso
molecular, necesario para la acción de una enzima. El cofactor se une a una
estructura proteica denominada apoenzima, y a este complejo se le denomina
holoenzima. Entre los cofactores mencionables se encuentran: Iones metálicos
(Fe2+, Cu2+, K+, Mn2+, Mg2+, entre otros) y moléculas orgánicas
ENLACE FOSFODIESTER: es un tipo de enlace covalente que se produce entre
un grupo hidroxilo (–OH) en el carbono 3' y un grupo fosfato (H3PO4) en el carbono
5' del nucleótido entrante, formándose así un doble enlace éster.
ENLACE GLUCOSIDICO: es el enlace para unir monosacáridos con el fin de
formar disacáridos o polisacáridos. Es la unión de un carboxilo con un carbonilo
que implica la pérdida de una molecula de agua para su formación.
74
ENLACE PEPTIDICO: es un enlace covalente entre el grupo amino (–NH2) de un
aminoácido y el grupo carboxilo (–COOH) de otro aminoácido. Los péptidos y las
proteínas están formados por la unión de aminoácidos mediante enlaces
peptídicos. El enlace peptídico implica la pérdida de una molécula de agua y la
formación de un enlace covalente CO-NH. Es, en realidad, un enlace amida
sustituido.
GRUPO FUNCIONAL: los grupos funcionales son estructuras submoleculares,
caracterizadas por una conectividad y composición elemental específica que
confiere reactividad a la molécula que los contiene. Estas estructuras reemplazan
a los átomos de hidrógeno perdidos por las cadenas hidrocarbonadas saturadas
MACROMOLECULAS: son moléculas que tienen una masa molecular elevada,
formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como
la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monómeros, formando los
polímeros.
METABOLISMO: es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-
químicos que ocurren en una célula y en el organismo.1 Estos complejos procesos
interrelacionados son la base de la vida a escala molecular, y permiten las
diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus
estructuras, responder a estímulos, etc.
NUCLEOTIDOS: son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de un
monosacárido de cinco carbonos (pentosa), una base nitrogenada y un grupo
fosfato.
PEPTIDO: son un tipo de moléculas formadas por la unión de varios aminoácidos
mediante enlaces peptídicos, o enlace triple con una conjugación de ADN (ácido
desoxirribonucleico).
PROTEINA: son macromoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos.
75
REFERENCIAS
Bioquímica 3º edición, Christopher K. Mathews, editorial pearson, España
2002
http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c1-1-1.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Bioqu%C3%ADmica
http://es.wikipedia.org/wiki/Biomol%C3%A9cula
http://html.rincondelvago.com/estructura-y-organizacion-de-lo-
acidosnucleicos.html
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_nucleico
http://html.rincondelvago.com/acidos-nucleicos_3.html
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_ribonucleico
http://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna
http://usuaris.tinet.org/acas/apunts/Aminoacids.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Amino%C3%A1cido
http://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna
http://www.ehu.es/biomoleculas/proteinas/desnaturalizacion.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BAcido
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:http://es.wikipedia
.org/wiki/L%C3%ADpido
http://therunners.blogspot.com/2004/10/bioenergtica.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Fosforilaci%C3%B3n_oxidativa
76
