biomoleculas umsnh

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biomoleculas umsnh

  1. 1. FACULTAD DE QUIMICOFARMACOBIOLOGIABIOQUIMICA IQUIMICA BIOLOGICAErnesto Lucas Orbe 2010
  2. 2. UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGOFACULTAD DE QUIMICOFARMACOBIOLOGIABIOQUIMICA I (QUIMICA BIOLOGICA)PROFESOR: Q.F.B. SOSA RUIZ TELLITUD HILARIOALUMNO: LUCAS ORBE ERNESTOEditorial orbeCalle 5 # 297 col. MatamorosMorelia, mich. Mex. Julio 2010 2
  3. 3. PRÓLOGOEsta obra está elaborada con el propósito de realizar una recopilación de lostemas tratados y estudiados durante el sexto semestre de la carrera dequímicofarmacobiologia, retomando en ella los temas e investigándolos un pocomás a fondo para ayudar con ello en la complementación para una utilización afuturo.Dentro del desarrollo de la obra se tocaran los temas y subtemas correspondientea bioquímica I, la cual da un punto de vista químico del proceso biológicorealizado, 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 sonenzimas y metabolitos.Finalmente la importancia de estas biomoleculas fundamentales están resaltadasen algunas de las principales reacciones del metabolismo catabólico.Para la complementación de esta obra se muestran algunos ejercicios aplicados aestos temas como son: determinaciones de puntos isoeléctricos de proteínas,codificación de aminoácidos a partir de cadenas de nucleótidos, los productos dereacciones para identificación de aminoácidos, etc. 3
  4. 4. INDICEINTRODUCCION ...........................................................................................................................5BIOQUIMICA (CAPITULO I) ..........................................................................................................6 CONCEPTO DE BIOQUIMICA ....................................................................................................7 BIOMOLECULAS ........................................................................................................................8ACIDOS NUCLEICOS (CAPITULO II) ............................................................................................9 ACIDOS NUCLEICOS ...............................................................................................................10 TIPOS DE ACIDOS NUCLEICOS..............................................................................................10 CODIGO GENETICO ...............................................................................................................13PROTEINAS (CAPITULO III) ........................................................................................................16 AMINOACIDOS.........................................................................................................................17 CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS ....................................................................................24 ENZIMAS .................................................................................................................................29 CLASIFICACION Y NOMENCLATURA DE LAS ENZIMAS .......................................................30 CINETICA ENZIMATICA ..........................................................................................................34CARBOHIDRATOS (CAPITULO IV) .............................................................................................40 CLASIFICACION DE LOS CARBOHIDRATOS .........................................................................41 FUNCION DE LOS CARBOHIDRATOS.....................................................................................43LIPIDOS (CAPITULO V) ...............................................................................................................45 CLASIFICACION DE LOS LIPIDOS .........................................................................................46 FUNCION DE LOS LIPIDOS ....................................................................................................51METABOLISMO (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 .................................................................................................66EJERCICIOS (CAPITULO VII) ......................................................................................................68GLOSARIO...................................................................................................................................73REFERENCIAS ............................................................................................................................75 4
  5. 5. INTRODUCCIONLa bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitalesinteraccionan un gran número de substancias de alto peso molecular omacromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando por resultado unnúmero muy grande de reacciones coordinadas que producen la energía quenecesita la célula para vivir, la síntesis de todos los componentes de losorganismos vivos y la reproducción celular.Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llamametabolismo.Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de lasmacromoléculas de mayor importancia biológica, los ácidos nucleicos y lasproteínas, lo que ha permitido entender a nivel molecular sus funciones biológicas.Gracias al conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos, se esclarecieronlos mecanismos de transmisión de la información genética de generación ageneración, y también los mecanismos de expresión de esa información, la cualdetermina las propiedades y funciones de las células, los tejidos, los órganos y losorganismos completos.Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en laelucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamentetodas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas.El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en elalmacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así comolas reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde lasbacterias hasta los organismos superiores. No todas las células contienen yexpresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizanenzimas prácticamente idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellasse han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especies. Losvirus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirusestán constituidos por moléculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan alas bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con unmetabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir yexpresarse dentro de las células que invaden.Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadasestructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Lasreacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimasque las catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistemamuy complejo y altamente organizado. 5
  6. 6. 6
  7. 7. BIOQUIMICA GENERALIDADES Capitulo ICONCEPTO DE BIOQUÍMICALa bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seresvivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. La bioquímica sebasa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general lasmoléculas 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 lafunción biológica con la estructura química.2.- El metabolismo, la totalidad de las reacciones químicas que se producen en lamateria viva.3.- La química de los procesos y las sustancias que almacenan y transmiten lainformación biológica.El tercer campo también es el área de la genética molecular, que pretendeconocer la herencia y la expresión de la información genética en términosmoleculares.Historia de la bioquímicaEl comienzo de la bioquímica puede ser el descubrimiento de la primera enzima, ladiastasa, en 1893 por Anselme Payen. En 1828 Friedrich Wöhler publicó unartículo acerca de la síntesis de urea, probando que los compuestos orgánicospueden ser creados artificialmente, en contraste con la creencia, comúnmenteaceptada durante mucho tiempo, que la generación de estos compuestos eraposible sólo en el interior de los seres vivos.Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad delsiglo XX con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracciónde rayos X, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicasabrieron el camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchasmoléculas 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 lagenética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina.Probablemente una de las primeras aplicaciones de la bioquímica fue laproducción de pan usando levaduras, hace 5.000 años. 7
  8. 8. BIOQUIMICA GENERALIDADES Capitulo IEl pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedadesde las proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas labioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, enimportantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuyafunción es la de identificar y registrar todo el código genético humano), se dirigenhacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de lamembrana celular y los ciclos energéticosBiomoleculasLas biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatrobioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno,oxígeno y nitrógeno, representando alrededor del 99% de la masa de la mayoríade las células. Estos cuatro elementos son los principales componentes de lasbiomoléculas debido a que:1.-Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendoelectrones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad. Estos enlacesson muy estables, la fuerza de enlace es directamente proporcional a las masasde los átomos unidos.2.- Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletostridimensionales –C-C-C- para formar compuestos con número variable decarbonos.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 enormevariedad de grupos funcionales con propiedades químicas y físicas diferentes.Clasificación de las biomoleculasSegún la naturaleza química, las biomoléculas pueden ser:Biomoléculas inorgánicas: Son biomoléculas no formadas por los seres vivos, peroimprescindibles para ellos, como el agua, la biomoléculas más abundante, losgases (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 porlos seres vivos y tienen una estructura a base de carbono. Están constituidasprincipalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, y con frecuencia están tambiénpresentes nitrógeno, fósforo y azufre. Pueden agruparse en cuatro grandes tipos:ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos. 8
  9. 9. 9
  10. 10. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IIACIDOS NUCLEICOSLos ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repeticiónde monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Seforman, así, largas cadenas o polinucleótidos, lo que hace que algunas de estasmoléculas lleguen a alcanzar tamaños gigantes (de millones de nucleótidos delargo).El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Friedrich Miescher, quien enel año 1869 aisló de los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamónucleína, nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleicoTipos de ácidos nucleicosExisten dos tipos de ácidos nucleicos el acido ribonucleico (RNA) y el acidodesoxirribonucleico (ADN). Cada uno de ellos es una cadena polimérica, en la quelas unidades manoméricas están conectadas por enlaces covalentes. Lasestructuras de las unidades manoméricas del RNA y DNA son las siguientes: - Fosfato FosfatoO P O - O P O O 5 O 5 Base O Base 4 1 O 4 1 3 2 OH 3 2 O Ribosa O 2-desoxirribosa RNA DNAEn cada caso, la unidad manomérica contiene un azúcar de cinco carbonos, laribosa en el RNA y la 2’-desoxirribosa en el ADN. Los átomos de carbono sedesignan 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’ dela ribosa en el RNA, que esta sustituido por el hidrogeno en el DNA. La conexiónentre las sucesivas unidades manoméricas de los ácidos nucleicos se realizamediante un residuo fosfato unido al hidroxilo del carbono 5’ de una unidad y alhidroxilo 3’ de la siguiente. 10
  11. 11. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IIFormando así un enlace fosfodiéster entre los dos residuos de azúcar. De estaforma, se construyen cadenas largas de ácidos nucleico, que a veces contienecentenares de millones de unidades.Los residuos de azúcar unidos mediante enlace fosfodiéster constituyen elarmazón de la molécula de acido nucleico. En sí, el armazón es una estructurarepetitiva, incapaz de codificar información. La importancia de los ácidos nucleicosen el almacenamiento y la transmisión de la información derivan de que sonheteropolimeros. 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 lassiguientes: PURINAS NH2 O N N N NH N N N NH2 N H H Adenina (A) Guanina (G) (DNA/RNA) (DNA/RNA) PIRIMIDINAS NH2 O O CH3 N HN HN O N O N O N H H H Citosina (C) Timina (T) Uracilo (U) (DNA/RNA) (DNA) (RNA)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. 11
  12. 12. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IIPropiedades de los nucleótidosLos nucleótidos son ácidos bastante fuertes, en los que la ionización primaria delfosfato se produce con un valor de pKa de aproximadamente 1. Tanto la ionizaciónsecundaria del fosfato como la protonacion o desprotonacion de algunos de losgrupos de las bases de los nucleótidos pueden observarse a valores de pHbastante próximos a la neutralidad.Las bases son capaces de experimentar una conversión entre formas tautomeraso isómeros estructurales.Como consecuencia de los sistemas de los dobles enlaces conjugados de losanillos de purina y pirimidina, las bases y todos sus derivados absorben la luz enla región del espectro ultravioleta cercano. Esta absorción depende del pH, debidoa las reacciones de ionización de las bases.Estructura de los ácidos nucleicosEstructura primaria de los ácidos nucleicos: formada por la secuencia denucleótidos. No existe ninguna restricción respecto a la secuencia de bases.Estructura secundaria de los ácidos nucleicos: tridimensional, mantenida porinteracciones débiles. Modelo estructural de la doble hélice propuesto por Watsony Crick. Se basaron en las experiencias de Chargaff en cuanto a la composiciónde bases. Descubrió que la cantidad de adenina era igual a la de timina y que lade citosina igual a la de guanina, basándose en difracción de rayos X. Propusieronun modelo de cadenas antiparalelas ordenadas en una estructura helicoidaldextrógira, el modelo de la doble hélice. Resultó que una timina siempre teníadelante una adenina, y una citosina tenía una guanina. Además T-A tiene 2puentes de hidrógeno y C-G tiene 3, por lo que las bases estarán formandopuentes de hidrógeno que dan estabilidad a la molécula. Al organizarse en unahélice el esqueleto, que es hidrofílico, medio acuoso se queda hacia fuera con lasbases (hidrofóbicas) hacia dentro. La disposición de las bases es perpendicular aleje de la hélice. Además de los puentes de hidrógeno otras interacciones débilesaportan estabilidad: Interacciones hidrofóbicas de las bases, Fuerzas de Van derWaals entre las bases, La carga negativa de los fosfatos.Tipos de RNAARN mensajero. El ARN mensajero (ARNm o RNAm) lleva la información sobre lasecuencia de aminoácidos de la proteína desde el ADN, lugar en que está inscrita, 12
  13. 13. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IIhasta el ribosoma, lugar en que se sintetizan las proteínas de la célula. Es, portanto, 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 elnucleoplasma del núcleo celular y de allí accede al citosol, donde se hallan losribosomas, a través de los poros de la envoltura nuclear.ARN de transferencia. Los ARN de transferencia (ARNt o tRNA) son cortospolímeros de unos 80 nucleótidos que transfiere un aminoácido específico alpolipéptido en crecimiento; se unen a lugares específicos del ribosoma durante latraducción. Tienen un sitio específico para la fijación del aminoácido (extremo 3) yun anticodón formado por un triplete de nucleótidos que se une al codóncomplementario del ARNm mediante puentes de hidrógeno.ARN ribosómico. El ARN ribosómico (ARNr o RNAr) se halla combinado conproteínas para formar los ribosomas, donde representa unas 2/3 partes de losmismos. En procariotas, la subunidad mayor del ribosoma contiene dos moléculasde ARNr y la subunidad menor, una. En los eucariotas, la subunidad mayorcontiene tres moléculas de ARNr y la menor, una. En ambos casos, sobre elarmazón constituido por los ARNr se asocian proteínas específicas. El ARNr esmuy abundante y representa el 80% del ARN hallado en el citoplasma de lascélulas eucariotas. Los ARN ribosómicos son el componente catalítico de losribosomas; se encargan de crear los enlaces peptídicos entre los aminoácidos delpolipéptido en formación durante la síntesis de proteínas; actúan, pues, comoribozimas.Código genéticoDesde que se demostró, que las proteínas eran producto de los genes, y que cadagen estaba formado por fracciones de cadenas de ADN, los científicos llegaron ala conclusión de que, debe haber un código genético, mediante el cual, el orden delas cuatro bases nitrogenadas en el ADN, podría determinar la secuencia deaminoácidos en la formación de polipéptidos. En otras palabras, debe haber unproceso mediante el cual las bases nitrogenadas transmitan la información quedicta la síntesis de proteínas. Este proceso podría explicar cómo los genescontrolan las formas y funciones de las células, tejidos y organismos. Como en elADN sólo hay cuatro tipos de nucleótidos, y, sin embargo, las proteínas seconstituyen con 20 clases diferentes de aminoácidos, el código genético no podríabasarse en que un nucleótido especificara un aminoácido. Las combinaciones dedos nucleótidos sólo podrían especificar 16 aminoácidos (42 = 16), de manera queel código debe estar formado por combinaciones de tres o más nucleótidos 13
  14. 14. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IIsucesivos. El orden de los tripletes, o como se han denominado, codones, podríadefinir el orden de los aminoácidos en el polipéptido. Diez años después de queWatson y Crick determinaran la estructura del ADN, el código genético fuedescifrado y verificado. Su solución dependió en gran medida de lasinvestigaciones llevadas a cabo sobre otro grupo de ácidos nucleicos, los ácidosribonucleicos (ARN). Se observó que la obtención de un polipéptido a partir delADN se producía de forma indirecta a través de una molécula intermedia conocidacomo ARN mensajero (ARNm). Parte del ADN se desenrolla de suempaquetamiento cromosómico, y las dos cadenas se separan en una porción desu longitud. Una de ellas actúa como plantilla sobre la que se forma el ARNm (conla ayuda de una enzima denominada ARN polimerasa).Tabla del código genético de acuerdo al aminoácido que produce cada codóndonde el inicio siempre es triptófano y stop el final de cada cadena de aminoácido.Síntesis de proteínasEl ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, esdecir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos. 14
  15. 15. ACIDOS NUCLEICOS Capitulo IILa síntesis o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Losaminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt), específicopara cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero (ARNm), dónde seaparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, porcomplementariedad de bases, y de ésta forma se sitúa en la posición que lescorresponde.Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre ypuede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finaliceuna proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARNmensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente.Los ARNt desempeñan un papel central en la síntesis de las proteínas: La síntesisproteica tiene lugar en el ribosoma, que se arma en el citosol a partir de dossubunidades ribonucleoproteicas provenientes del nucléolo. En el ribosoma elARN mensajero (ARNm) se traduce en una proteína, para lo cual se requieretambién la intervención de los ARN de transferencia (ARNt). El trabajo de los ARNtconsiste en tomar del citosol a los aminoácidos y conducirlos al ribosoma en elorden 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 ycontinúa por el agregado de nuevos aminoácidos de a uno por vez en unoextremos de la cadena.Como se sabe la clave de la traducción reside en el código genético, compuestopor combinaciones de tres nucleótidos consecutivos o tripletes en el ARNm. Losdistintos tripletes se relacionan específicamente con tipos de aminoácidos usadosen la síntesis de las proteínas. Cada triplete constituye un codón: existen en total64 codones, 61 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar elcese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: loscuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que puedengenerarse 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 algunostripletes a como "sinónimos". Solamente el triptófano y la metionina dos de losaminoácidos menos frecuentes en las proteínas son codificados, cada uno, por unsolo codón. 15
  16. 16. 16
  17. 17. PROTEINAS Capítulo IIIAMINOÁCIDOSUn aminoácido, como su nombre indica, es una molécula orgánica con un grupoamino (-NH2) y un grupo carboxílico (-COOH; ácido). Los aminoácidos másfrecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Dosaminoácidos se combinan en una reacción de condensación que libera aguaformando un enlace peptídico. Estos dos "residuos" aminoacídicos forman undipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así,sucesivamente, para formar un polipéptido. Esta reacción ocurre de maneranatural en los ribosomas, tanto los que están libres en el citosol como losasociados al retículo endoplasmático.Todos los aminoácidos componentes de las proteínas son alfa-aminoácidos, loque indica que el grupo amino está unido al carbono alfa, es decir, al carbonocontiguo al grupo carboxilo. Por lo tanto, están formados por un carbono alfa unidoa un grupo carboxilo, a un grupo amino, a un hidrógeno y a una cadena(habitualmente denominada R) de estructura variable, que determina la identidad ylas propiedades de los diferentes aminoácidos; existen cientos de cadenas R porlo que se conocen cientos de aminoácidos diferentes, pero sólo 20 forman partede las proteínas y tienen codones específicos en el código genético.La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos osimplemente péptidos, que se denominan proteínas cuando la cadenapolipeptídica supera los 50 aminoácidos o la masa molecular total supera las5.000 uma.Clasificación de los aminoácidosExisten muchas formas de clasificar los aminoácidos; las tres formas que sepresentan a continuación son las más comunes.Según las propiedades de su cadenaLos aminoácidos se clasifican habitualmente según las propiedades de su cadenalateral: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). 17
  18. 18. PROTEINAS Capítulo IIICon 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 neutrospolares y neutros no polares).Según su obtención: A los aminoácidos que necesitan ser ingeridos por el cuerpopara obtenerlos se los llama esenciales; la carencia de estos aminoácidos en ladieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las célulasde los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Parael 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 comono esenciales y son: Alanina, Prolina, Glicina, Serina, Cisteína, Asparagina,Glutamina, Tirosina, Ácido aspártico, Ácido glutámico.Estructura de los aminoácidosNO POLARES: - O H3C CH3 O O O +H3N O + H3C NH3 - - H3C O H3C O -H3C O + + NH3 H3C NH3 Al anina Val ina Leuci na Isol eucina O + - NH3 O O + - H3N O O O H2+ N S - - O H3C O + NH3 Proli na N Meti onina H Feni lal anina Triptofano O + H3N - O Gl ici na 18
  19. 19. PROTEINAS Capítulo IIIPOLARES: + NH3 O O + O - NH3 O H2N O HS O O - O - - O + O NH2 NH3 + NH3 OH Cisteina Asparagina Glutamina Tirosina + O NH3 - H3C O HO O + - NH3 OH O Serina TreoninaACIDOS: + O O NH3 + NH3 O HO HO - O - O O Acido Aspartico Acido GlutamicoBASES: NH O NH2 - O + H2N NH + H3N + NH3 NH3 O O - - N NH O O Lisina Arginina Histidina 19
  20. 20. PROTEINAS Capítulo IIIPunto isoeléctrico y pKa de los aminoácidosEl 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 lasproteínas. A este valor de pH la solubilidad de la sustancia es casi nula. Paracalcularlo se deben utilizar los pKa. pKa1 + pKa2 pI = 2El pKa de un compuesto es el PH (logaritmo negativo de la concentración dehidrogeniones) al cual la fracción no ionizada de este corresponde al 50% y el otro50% está ionizada. Es necesario recordar que la fracción no ionizada es la quepuede 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 20
  21. 21. PROTEINAS Capítulo IIIReacciones de identificación de aminoácidosExisten diversas reacciones que ayudan a la identificación de los aminoácidospresentes en una solución o mezcla de ellos como las siguientes:1.- reacción con ninhidrina, usada en la cromatografía de aminoácidos. O O O R O CO2 + H2O OH + N + R COH OH + - H3N O O OH O Purpura de ruhemmans2.- reacción de EBMAN O N S R O NH NH OH + + - S R H3N O Isotiocinato de fenilo Feniltioidantoina del aminoacido3.- reacción de SANGER - - O + O O + O N N O F R O NH - HF OH O - + + + - O - + R N H3N O N O O DNB-aminoacido Dinitro-fluoro-benceno4.- reducción con BH 4Li, reacción específica para carboxilo. R O R BH4Li + + - H3N O H2N OH Aminoalcohol 21
  22. 22. PROTEINAS Capítulo III5.- cloruro de dansilo H3C CH3 N H3C CH3 N R O - HCl + + - H3N O O S O O S O R NH Cl HO O6.- reacción con hidracina, reacción para carboxilos excepto el terminal. O R2 - R2 O R1 O R1 OH2N NH2 + NH + + NH3 O H2N OH H2N NH NH27.- reacción de los tiogruposR SH + 2 NaOH R OH + Na2S + H2OR= estructura del aminoacido Pb(CH3COO)2 2 CH3COONa + PbS 8.- reacción HOPKINS – COLE, especifica para triptófano. 1.- Acido Glioxilico Triptofano solido (pp) negro 2.- H2SO4Además de estas reacciones existen otras en las que intervienen enzimas por loque se denomina reacciones enzimáticas. 22
  23. 23. PROTEINAS Capítulo IIITabla de las enzimas que intervienen en las reacciones para la identificación deaminoácidos por hidrólisis, donde se muestra a que aminoácidos corta y en laposición 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 Fenilalanina, tirosina, triptófano, leucina, Termolisina 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 terminalesPROTEINASLas proteínas son macromoléculas formadas por cadenas lineales deaminoácidos. El nombre proteína proviene de la palabra griega πρώτα ("prota"),que significa "lo primero" o del dios Proteo, por la cantidad de formas que puedentomar.Las proteínas desempeñan un papel fundamental para la vida y son lasbiomoléculas más versátiles y más diversas. Son imprescindibles para elcrecimiento del organismo. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes,entre las que destacan: Estructural (colágeno y queratina), Reguladora (insulina yhormona del crecimiento), Transportadora (hemoglobina), Defensiva (anticuerpos),Enzimática (sacarasa y pepsina), Contráctil (actina y miosina).Las proteínas de todos los seres vivos están determinadas mayoritariamente porsu genética (con excepción de algunos péptidos antimicrobianos de síntesis noribosomal), es decir, la información genética determina en gran medida quéproteínas tiene una célula, un tejido y un organismo.Las proteínas se sintetizan dependiendo de cómo se encuentren regulados losgenes que las codifican. Por lo tanto, son susceptibles a señales o factores 23
  24. 24. PROTEINAS Capítulo IIIexternos. El conjunto de las proteínas expresadas en una circunstanciadeterminada es denominado proteoma.Las proteínas están formadas poraminoácidos.Clasificación de las proteínasSegún su formaFibrosas: presentan cadenas polipeptídica largas y una estructura secundariaatípica. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas. Algunos ejemplos deéstas son queratina, colágeno y fibrina.Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esféricaapretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína ygrupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventespolares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonasy proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares.Mixtas: posee una parte fibrilar (comúnmente en el centro de la proteína) y otraparte globular (en los extremos).Según su composición químicaSimples u holoproteinas: su hidrólisis sólo produce aminoácidos. Ejemplos deestas son la insulina y el colágeno (globulares y fibrosas).Conjugadas o heteroproteínas: su hidrólisis produce aminoácidos y otrassustancias no proteicas llamadas grupo prostético, como pueden sercarbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos, etc.Estructura de las proteínasEs la manera como se organiza una proteína para adquirir cierta forma. Presentanuna disposición característica en condiciones fisiológicas, pero si se cambianestas condiciones como temperatura, pH, etc. pierde la conformación y su función,proceso denominado desnaturalización. La función depende de la conformación yésta viene determinada por la secuencia de aminoácidos.Para el estudio de la estructura es frecuente considerar una división en cuatroniveles de organización, aunque el cuarto no siempre está presente.Conformaciones o niveles estructurales de la disposición tridimensional: 24
  25. 25. PROTEINAS Capítulo IIIEstructura primaria: es la forma de organización más básica de las proteínas. Estádeterminada por la secuencia de aminoácidos de la cadena proteica, es decir, elnúmero de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados por mediode enlaces peptídicos. Las cadenas laterales de los aminoácidos se extienden apartir de una cadena principal. Por convención, (coincidiendo con el sentido desíntesis 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 residuosaminoacídicos cercanos de la cadena polipeptídica. Se adopta gracias a laformación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas laterales (radicales) deaminoácidos cercanos en la cadena.α-Hélice: Los aminoácidos en una hélice α están dispuestos en una estructurahelicoidal dextrógira, con unos 3.6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácidosupone un giro de unos 100° en la hélice, y los Carbonos α de dos aminoácidoscontiguos están separados por 1.5Å. La hélice está estrechamente empaquetada;de forma que no hay casi espacio libre dentro de la hélice. Todas las cadenaslaterales 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 elgrupo C=O del aminoácido (n+4). De esta forma, cada aminoácido (n) de la héliceforma dos puentes de hidrógeno con su enlace peptídico y el enlace peptídico delaminoácido 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 organizaciónde la proteína.Algunos aminoácidos, llamados disruptores de hélices, pueden desestabilizar laestructura helicoidal. Uno de ellos es la prolina, que al ser un iminoácido, el N desu enlace peptídico no tiene unido un H para formar un enlace de hidrógeno con elaminoácido en (n+4). Además el metileno unido al N del enlace peptídico tambiénprovoca impedimentos estéricos que hacen que la hélice tienda a romperse en elpunto donde esté la prolina, aunque no lo hará si ésta es suficientemente larga yestable. La glicina al tener una gran flexibilidad puesto que su cadena lateral essólo un H, suele estar en los acodamientos al final de la hélice.β-Laminar: es una de las estructuras secundarias posibles adoptada por lasproteínas. Se forma por el posicionamiento paralelo de dos cadenas deaminoácidos dentro de la misma proteína, en el que los grupos N-H de una de lascadenas forman enlaces de hidrógeno con los grupos C=O de la opuesta. Es unaestructura muy estable que puede llegar a resultar de una ruptura de los enlacesde hidrógeno durante la formación de la hélice alfa. Los grupos R de estaestructura están posicionados sobre y bajo el plano de las láminas. Estos R nodeben ser muy grandes, ni crear un impedimento estérico, ya que se veríaafectada la estructura de la lámina. 25
  26. 26. PROTEINAS Capítulo IIITiposCadenas paralelas. Aquellas que ambas van de grupo amino a carboxilo.Cadenas antiparalelas. Aquellas que unas van de amino a carboxilo y otra decarboxilo a amino.Los enlaces de hidrógeno aportan estabilidad a la proteína. Se presenta en lasproteínas fibrosas y en las globulares.Estructura terciaria: es el modo en el que la cadena polipeptídica se pliega en elespacio. Es la disposición de los dominios en el espacio. La estructura terciaria serealiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y lospolares hacia el exterior. Esta estructura es de forma globular.La estructura terciaria de las proteínas está estabilizada por enlaces puentesdisulfuro entre Cys, puentes de hidrógeno entre cadenas laterales, interaccionesiónicas entre cadenas laterales, interacciones de van der Waals entre cadenaslaterales y el efecto hidrófobo (exclusión de las moléculas de agua, evitando sucontacto con los residuos hidrófobos, que quedan empaquetados en el interior dela estructura).Estructura cuaternaria: Esta estructura informa de la unión, mediante enlacesdébiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria,para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicasrecibe el nombre de protómero.El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro comoen la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, queconsta de 60 unidades proteicas.Desnaturalización de proteínasSe llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras deorden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadenapolipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructuratridimensional fija.En una proteína cualquiera, la estructura nativa y la desnaturalizada tan sólotienen en común la estructura primaria, es decir, la secuencia de AA que lacomponen. Los demás niveles de organización estructural desaparecen en laestructura desnaturalizada. 26
  27. 27. PROTEINAS Capítulo IIILa desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: cambios en laspropiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye elcoeficiente de difusión, una drástica disminución de su solubilidad, ya que losresiduos hidrofóbicas del interior aparecen en la superficie y la pérdida de laspropiedades biológicas.Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Poreste motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible ya que es laestructura primaria la que contiene la información necesaria y suficiente paraadoptar niveles superiores de estructuración. El proceso mediante el cual laproteína desnaturalizada recupera su estructura nativa se llama renaturalización.Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aislamiento ypurificación de proteínas, ya que no todas la proteínas reaccionan de igual formaante un cambio en el medio donde se encuentra disuelta. En algunos casos, ladesnaturalización conduce a la pérdida total de la solubilidad, con lo que laproteína precipita. La formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide surenaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible.Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentesdesnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes,disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica). Como en algunos casos el fenómeno dela desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de maneraselectiva mediante cambios en: la polaridad del disolvente, la fuerza iónica, el pH yla temperatura.Métodos de purificación de proteínasPara separar las moléculas, el bioquímico aprovecha las diferencias que existenentre ellas. Tales diferencias pueden ser de solubilidad, tamaño, masa, cargaeléctrica o afinidad por las moléculas. En herramientas de la bioquímica se hapresentado la electroforesis que utiliza las diferencias de carga para la separación.Pero la electroforesis es principalmente una herramienta analítica, mas que unmedio de preparación de muestras. Aunque en ocasiones se utiliza para purificarpequeñas cantidades de proteínas, su capacidad es limitada; la preparación de lascantidades de sustancias necesarias para la caracterización y el estudio precisaotros métodos. Para pasar desde las células o los tejidos a un material purificadosolemos utilizar otras técnicas entre las que destacan: 27
  28. 28. PROTEINAS Capítulo IIISolubilidad: es una de las formas más antigua, simple y bastante eficaz para llevara cabo la separación de una mezcla de proteínas, donde se utiliza la solubilidaddiferente en disoluciones salinas concentradas.Centrifugación zonal: se separan partículas con distinto coeficiente desedimentación por la acción de determinados tampones. Bajo fuerza centrifuga laspartículas comenzaran a sedimentar a través del gradiente, moviéndose cadapartícula a diferentes velocidades dependiendo de su masa.Cromatografía: gran parte de la bioquímica moderna se basa en la utilización delos métodos de la cromatografía en columna para separar las moléculas. Losmétodos cromatográficos comportan el paso de una solución (fase móvil) a travésde un medio (fase estacionaria) que presenta una absorción selectiva para losdistintos componentes disueltos. La rapidez con la que pasa cada componente dela fase móvil depende de manera inversa de la fuerza con la que interactué con lafase estacionaria. Métodos de cromatografía en columna:Cromatografía de intercambio iónico: Es utilizada para separar moléculas deacuerdo con su carga eléctrica. Se utilizan resinas de intercambio iónico, que sonpolianiones o policationes.Cromatografía de afinidad: es ideal para aislar una o unas pocas proteínas de unamezcla compleja. Se aprovecha la fuerte interacción de algunas proteínas conotras moléculas.Cromatografía liquida de alta resolución: esta técnica puede presentar algunosdaños 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 esel tamaño molecular, en lugar de las propiedades químicas.Es posible obtener membranas semipermeables con poros los suficientementegrandes para permitir que las moléculas pequeñas pasen libremente pero que seauna barrera para las proteínas y otras macromoléculas. Este tipo de membranasse utilizan en:Diálisis: se utiliza para eliminar las pequeñas moléculas contaminantes. Se colocauna bolsa cerrada fabricada con una membrana y se sumerge en una mayordisolución amortiguadora. Después de un tiempo los contaminantes de pesomolecular bajo salen fuera. 28
  29. 29. PROTEINAS Capítulo IIIUltrafiltración: se utiliza para concentrar disoluciones de macromoléculas. Seutiliza una membrana semipermeable, donde se le aplica presión para hacer salirel disolvente y moléculas pequeñas a través de esta, concentrando lasmacromoléculas o proteínas.Salting in: es el fenómeno por el cual la concentración de sal aumenta lasolubilidad de la proteína.Salting out: a altas fuerzas iónicas, la solubilidad de la proteína disminuye.ENZIMASLas enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reaccionesquímicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacerque el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, lasenzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales seconvierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos losprocesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasassignificativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reaccionesenzimáticas.Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y suvelocidad crece sólo con algunas reacciones, el conjunto (set) de enzimassintetizadas en una célula determina el tipo de metabolismo que tendrá cadacélula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión génica.Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía deactivación (ΔG ‡) de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente la tasade reacción. Las enzimas no alteran el balance energético de las reacciones enque intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, peroconsiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que seproduce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza elequilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada.Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas porlas reacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, lasenzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimascatalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Losinhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad delas enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan dichaactividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su 29
  30. 30. PROTEINAS Capítulo IIIactividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, laactividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propiaenzima y del sustrato, y otros factores físico-químicos.Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis deantibióticos y productos domésticos de limpieza. Además, son ampliamenteutilizadas en diversos procesos industriales, como son la fabricación de alimentos,distinción de jeans o producción de biocombustibles.ComponentesSitio activo: es la zona de la enzima a la que se une el sustrato para sercatalizado. La reacción específica que una enzima controla depende de un áreade su estructura terciaria. Dicha área se llama sitio activo y en ella ocurren lasactividades con otras moléculas. Debido a esto, el sitio activo puede sostenersolamente ciertas moléculas. Las moléculas del sustrato se unen al sitio activo,donde tiene lugar la catálisis. La estructura tridimensional de éste es lo quedetermina la especificidad de las enzimas. En el sitio activo sólo puede entrar undeterminado sustrato (ni siquiera sus isómeros). El acoplamiento es tal que E.Fisher enunció: "el sustrato se adapta al centro activo o catalítico de una enzimacomo una llave a una cerradura". El sitio activo está formado por las cadenaslaterales de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglotridimensional particular, diferente al resto de la proteínaSitio alostérico: Los sitios alostéricos son zonas de la enzima con capacidad dereconocer y unir determinadas moléculas en la célula. Las uniones a las que danlugar son débiles y no covalentes, y generan un cambio en la conformaciónestructural de la enzima que repercute en el sitio activo, afectando así a lavelocidad de reacción de la enzima. Las interacciones alostéricas pueden tantoinhibir como activar enzimas, y son una forma muy común de controlar lasenzimas en las células.Clasificación y nomenclaturaEl nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reacción químicaque cataliza, con la palabra terminada en -asa. Por ejemplo, lactasa proviene desu sustrato lactosa; alcohol deshidrogenasa proviene de la reacción que catalizaque consiste en "deshidrogenar" el alcohol; ADN polimerasa proviene también dela reacción que cataliza que consiste en polimerizar el ADN.Las enzimas se clasifican en seis grupos de acuerdo a la función que realizan: 30
  31. 31. PROTEINAS Capítulo III1.-Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción o redox. Precisan lacolaboración de las coenzimas de oxido-reducción (NAD+, NADP+, FAD) queaceptan o ceden los electrones correspondientes. Tras la acción catalítica, estascoenzimas quedan modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben serrecicladas antes de volver a efectuar una nueva reacción catalítica. Ejemplos:deshidrogenasas, peroxidasas.2.- Transferasas: transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertasmoléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos deinterconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc. Ejemplos: transaminasas,quinasas.3.- Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención demonómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los alimentos,previamente a otras fases de su degradación. La palabra hidrólisis se deriva dehidro (agua) y lisis (disolución). Ejemplos: glucosidasas, lipasas, esterasas.4.- Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan grupos H 2O, CO2 y NH 3para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace. Ejemplos:descarboxilasas, liasas.5.- Isomerasas: actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas susisómeros funcionales o de posición, es decir, catalizan la racemización y cambiosde 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 elATP. Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.Enzimas alostéricasSon invariablemente proteínas con múltiples subunidades, con múltiples lugaresactivos. Presentan cooperatividad de unión del sustrato (homoalosterismo) y unaregulación de su actividad con otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).Cofactores y coenzimasCofactor: 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 31
  32. 32. PROTEINAS Capítulo IIIproteica 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.). Aquelloscofactores que están fuertemente unidos a la apoenzima son denominados gruposprostéticos; en otros casos los que están unidos débilmente a la apoenzima yactúan fundamentalmente como uno de los sustratos específicos de la reacción,se llaman coenzimas.El ion metálico puede actuar como: centro catalítico primario, grupo puente parareunir el sustrato y la enzima, formando un complejo de coordinación o comoagente estabilizante de la conformación de la proteína enzimática en su formacatalíticamente activa.Las enzimas que precisan de iones metálicos se llaman a veces metaloenzimas.Coenzimas: son cofactores orgánicos no proteicos, termoestables, que unidos auna apoenzima constituyen la holoenzima o forma catalíticamente activa de laenzima. Tienen en general baja masa molecular (al menos comparada con laapoenzima) y son claves en el mecanismo de catálisis, por ejemplo, aceptando odonando electrones o grupos funcionales, que transportan de un enzima a otro.A diferencia de las enzimas, las coenzimas se modifican y consumen durante lareacción química; por ejemplo, el NAD+ se reduce a NADH cuando acepta doselectrones (y un protón) y por tanto se agota; cuando el NADH libera suselectrones se recupera el NAD + , que de nuevo puede actuar como coenzima.Muchas vitaminas y sus derivados actúan como coenzimas como es el caso de lariboflavina.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 yprotones.Coenzima A: transferencia de grupos acetilo (por ejemplo, en la descarboxilacióndel 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. 32
  33. 33. PROTEINAS Capítulo IIITPP (Pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte, entreotros, del complejo piruvato deshidrogenasa.Vitamina CPLP (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.EspecificidadLas enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizancomo del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y lascaracterísticas hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son losresponsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar unelevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión ensu actividad son aquellas involucrados en la replicación y expresión del genoma.Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección deerrores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción dereplicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el productoobtenido es el correcto. Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da comoresultado una media de tasa de error increíblemente baja, en torno a 1 error cada100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamíferos. Este tipode mecanismos de comprobación también han sido observados en la ARNpolimerasa, en la ARNt aminoacil sintetasa y en la actividad de selección de losaminoacil-tRNAs.Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadaspromiscuas, 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 laevolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.ModelosLlave-cerradura 33
  34. 34. PROTEINAS Capítulo IIILas enzimas son muy específicas, como sugirió Emil Fisher en 1894. En base asus resultados dedujo que ambas moléculas, enzima y sustrato, poseencomplementariedad geométrica, es decir, sus estructuras encajan exactamenteuna 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 sustratocomo 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 intentarexplicar la estabilización del estado de transición que logran adquirir las enzimas.Ajuste inducidoEn 1958 Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y así el sitio activo podríacambiar su conformación estructural por la interacción con el sustrato. Comoresultado de ello, la cadena aminoacídica que compone el sitio activo es moldeadaen posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su funcióncatalítica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambialigeramente de forma para entrar en el sitio activo. El sitio activo continua dichocambio hasta que el sustrato está completamente unido, momento en el cualqueda determinada la forma y la carga final.Cinética enzimáticaEstudia la velocidad de las reacciones químicas que son catalizadas por lasenzimas. El estudio de la cinética y de la dinámica química de una enzima permiteexplicar los detalles de su mecanismo catalítico, su papel en el metabolismo, cómoes controlada su actividad en la célula y cómo puede ser inhibida su actividad porfármacos o venenos o potenciada por otro tipo de moléculas.La reacción catalizada por una enzima utiliza la misma cantidad de sustrato ygenera la misma cantidad de producto que una reacción no catalizada. Al igualque ocurre en otros tipos de catálisis, las enzimas no alteran en absoluto elequilibrio de la reacción entre sustrato y producto. 1 Sin embargo, al contrario quelas reacciones químicas, las enzimas se saturan. Esto significa que a mayorcantidad de sustrato, mayor número de centros catalíticos estarán ocupados, loque incrementará la eficiencia de la reacción, hasta el momento en que todos lossitios posibles estén ocupados. En ese momento se habrá alcanzado el punto desaturación de la enzima y, aunque se añada más sustrato, no aumentará más laeficiencia.Las dos propiedades cinéticas más importantes de una enzima son: el tiempo quetarda en saturarse con un sustrato en particular y la máxima velocidad de reacciónque pueda alcanzar. El conocimiento de estas propiedades hace posiblehipotetizar acerca del comportamiento de una enzima en el ambiente celular ypredecir cómo responderá frente a un cambio de esas condiciones. 34
  35. 35. PROTEINAS Capítulo IIICinética de michaelis-mentenDescribe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas. Su nombrees en honor a Leonor Michaelis y Maude Menten. Este modelo sólo es válidocuando la concentración del sustrato es mayor que la concentración de la enzima,y para condiciones de estado estacionario, o sea que la concentración delcomplejo enzima-sustrato es constante.Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la concentraciónde sustrato [S] se aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de formaciónde producto. Esa es la velocidad máxima (Vmax) de la enzima. En ese caso, lossitios 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 catalizadaspor una enzima. Con concentraciones crecientes de sustrato [S], la enzima vaacercándose asintóticamente su velocidad máxima Vmax, pero nunca la alcanza.Por esta razón, no hay un [S] determinado para la Vmax. De todas formas, elparámetro característico de la enzima está definido por la concentración desustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima (Vmax/2).Constante y ecuación de Michaelis-mentenEntonces, aunque la concentración de sustrato a V max no puede ser medidaexactamente, las enzimas pueden ser caracterizadas por la concentración desustrato 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 35
  36. 36. PROTEINAS Capítulo IIImuy fuertemente y raramente se disocia sin que el sustrato reaccione para darproducto.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 ensustratos análogos); y las condiciones de reacción en que se realice lasmediciones. VMax [s] V= 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-BurkEl diagrama de Lineweaver-Burk se emplea como herramienta gráfica paracalcular los parámetros cinéticos de una enzima.Su utilidad consiste en que el recíproco de la cinética de Michaelis-Menten esfácilmente 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. 36
  37. 37. PROTEINAS Capítulo IIILa representación gráfica de Lineweaver-Burk permite identificar el Km y V max; elpunto de corte con el eje de ordenadas es el equivalente a la inversa de V max, y elde abscisas es el valor de -1/Km.Inhibición enzimáticaLa actividad enzimática puede ser disminuida o eliminada por la acción de ciertassustancias a las cuales se les conoce con el nombre de inhibidores enzimáticos.Mediante el uso de inhibidores enzimáticos se ha obtenido información muyvaliosa sobre la conformación del centro activo de algunas enzimas.Las distintas formas de interacción se traducen en varios tipos de inhibiciónperfectamente diferenciables experimentalmente.Inhibición enzimática reversible: en este tipo de inhibición, el inhibidor interactúacon la enzima o con el complejo enzima-sustrato de una manera reversible.Inhibición enzimática irreversible: se produce generalmente por modificacióncovalente de la enzima.Inhibición competitiva: el inhibidor está relacionado estructuralmente con elsustrato; estos análogos del sustrato compiten con el sustrato real por el centroactivo de la enzima; el grado de inhibición depende de la relación inhibidor-sustrato más que de la concentración del inhibidor. 37
  38. 38. PROTEINAS Capítulo III 1/V E+I E+S 1/[s] Inhibicion competitivaInhibición no competitiva: la unión del inhibidor con la enzima se realiza en un sitiodiferente a su centro activo; el inhibidor puede reaccionar con la enzima libre o conel complejo enzima-sustrato. Una inhibición no competitiva se presenta, confrecuencia, en enzimas que contienen grupos -SH. 1/V E+I E+S 1/[s] Inhibicion no competitivaInhibición 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. 38
  39. 39. PROTEINAS Capítulo III 1/V E+I E+S 1/[s] Inhibicion acompetitivaRegulación enzimáticaEl metabolismo consiste en una serie de reacciones catalizadas por enzimas,donde los productos de una reacción se convierten en los reactivos de lasiguiente, lo que se conoce como vías metabólicas. Las células deben poderregular estas vías metabólicas y lo hacen a través de reguladores enzimáticos.Los inhibidores naturales regulan el metabolismo mientras que los artificiales sonutilizados por la medicina, para destruir plagas, etc. 39
  40. 40. 40
  41. 41. CARBOHIDRATOS Capítulo IVCARBOHIDRATOSLos glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono o azucares son moléculasorgánicas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son solubles en agua yse clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos o por el grupo funcional quetienen adherido. Son la forma biológica primaria de almacenamiento y consumo deenergía. Otras biomoléculas energéticas son las grasas y, en menor medida, lasproteínas.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 estosenlaces. 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 debiomoléculas aisladas o asociadas a otras como las proteínas y los lípidos.Clasificación de los carbohidratosLos 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). Comola glucosa.Cetosas: Contienen en su estructura un grupo oxo (grupo de cetonas).como lafructosa.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. 41
  42. 42. CARBOHIDRATOS Capítulo IVDe acuerdo al número de azucares que lo conforman:Monosacáridos: están formados por una sola molécula, no pueden serhidrolizados a glúcidos más pequeños. La fórmula química general de unmonosacárido no modificado es (CH 2O) n, donde n es cualquier número igual omayor a tres, su límite es de 7 carbonos. Los monosacáridos poseen siempre ungrupo 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 dedextrosa. Es el azúcar más importante. Es conocida como “el azúcar de lasangre”, ya que es el más abundante, además de ser transportada por el torrentesanguíneo a todas las células de nuestro organismo. Es el carbohidrato de reservade los humanos y se realiza en el hígado. El aumento en el torrente sanguíneo deproduce hiperglucemia, mientras que la disminución produce una hipoglucemia.Galactosa: no se encuentra libre, forma parte de la lactosa de la leche. En lasglándulas mamarias se sintetiza para formar parte de la leche materna. Existe unaenfermedad conocida como galactosemia, que es la incapacidad del individuopara metabolizar la galactosa. Este problema se resuelva eliminando la galactosade la dieta, pero si la enfermedad no es detectada oportunamente el indivuduopuede morir.Fructosa: también se conoce como azúcar de frutas o levulosa. Este es el másdulce 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 unamolécula de alta energía química, la cual es utilizada por el organismo. La ribosa yuno de sus derivados, la desoxirribosa, son componentes de los ácidos nucleicosARN y ADN respectivamente.Disacáridos: Los disacáridos son glúcidos formados por dos moléculas demonosacáridos y, por tanto, al hidrolizarse producen dos monosacáridos libres.Los dos monosacáridos se unen mediante un enlace covalente conocido comoenlace glucosídico, tras una reacción de deshidratación que implica la pérdida deun átomo de hidrógeno de un monosacárido y un grupo hidroxilo del otromonosacárido, con la consecuente formación de una molécula de H 2O, de maneraque la fórmula de los disacáridos no modificados es C 12H 22O11. 42
  43. 43. CARBOHIDRATOS Capítulo IVSacarosa: Este disacárido está formado por una unidad de glucosa y otra defructuosa, y se conoce comúnmente como azúcar de mesa. La sacarosa seencuentra 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 laleche.Oligosacaridos: están compuestos por entre tres y nueve moléculas demonosacáridos que al hidrolizarse se liberan. No obstante, la definición de cuanlargo debe ser un glúcido para ser considerado oligo o polisacárido varía según losautores. Según el número de monosacáridos de la cadena se tienen lostrisacáridos (como la rafinosa ), tetrasacárido (estaquiosa), pentasacáridos, etc.Los oligosacáridos se encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando lasglicoproteínas, 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-GlcNAcmodificaciones.Polisacáridos: son cadenas, ramificadas o no, de más de diez monosacáridos. Lospolisacáridos representan una clase importante de polímeros biológicos. Sufunción en los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura oalmacenamiento. El almidón es usado como una forma de almacenarmonosacáridos en las plantas, siendo encontrado en la forma de amilosa y laamilopectina (ramificada). En animales, se usa el glucógeno en vez de almidón elcual es estructuralmente similar pero más densamente ramificado. Laspropiedades del glucógeno le permiten ser metabolizado más rápidamente, lo cualse ajusta a la vida activa de los animales con locomoción. La celulosa y la quitinason ejemplos de polisacáridos estructurales.Funciones de los carbohidratosLos glúcidos desempeñan diversas funciones, entre las que destacan laenergética y la estructural.Glúcidos energéticos: Los mono y disacáridos, como la glucosa, actúan comocombustibles biológico, aportando energía inmediata a las células; es laresponsable de mantener la actividad de los músculos, la temperatura corporal, la 43
  44. 44. CARBOHIDRATOS Capítulo IVtensión arterial, el correcto funcionamiento del intestino y la actividad de lasneuronas.Glúcidos estructurales: Algunos polisacáridos forman estructuras esqueléticas muyresistentes, como las celulosa de las paredes de células vegetales y la quitina dela cutícula de los artrópodos.Otras funciones: la ribosa y la desoxirribosa son constituyentes básicos de losnucleótidos, monómeros del ARN y del ADN. Los oligosacáridos del glicocáliztienen un papel fundamental en el reconocimiento celular.Metabolismo de los carbohidratosLas 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 sonel ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. Los oligo y polisacáridos sondegradados inicialmente a monosacáridos por enzimas llamadas glucósidohidrolasas. Entonces los monosacáridos pueden entrar en las rutas catabólicas delos monosacáridos.La principal hormona que controla el metabolismo de los hidratos de carbono es lainsulina. 44
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  46. 46. LIPIDOS Capitulo VLIPIDOSLos 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 comocaracterística principal el ser hidrofóbicas o insolubles en agua y sí en disolventesorgánicos como la bencina, el alcohol, el benceno y el cloroformo. En el usocoloquial, a los lípidos se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas sonsólo un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen funcionesdiversas 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 metabolismoy el crecimiento.Los lípidos son biomoléculas muy diversas; unos están formados por cadenasalifáticas saturadas o insaturadas, en general lineales, pero algunos tienen anillos(aromáticos). Algunos son flexibles, mientras que otros son rígidos o semiflexibleshasta alcanzar casi una total flexibilidad molecular; algunos comparten carbonoslibres y otros forman puentes de hidrógeno.La mayoría de los lípidos tiene algún tipo de carácter polar, además de poseer unagran parte apolar o hidrofóbico ("que le teme al agua" o "rechaza al agua"), lo quesignifica que no interactúa bien con solventes polares como el agua. Otra parte desu estructura es polar o hidrofílica ("que ama el agua" o "que tiene afinidad por elagua") y tenderá a asociarse con solventes polares como el agua; cuando unamolécula tiene una región hidrófoba y otra hidrófila se dice que tiene carácteranfipático. La región hidrófoba de los lípidos es la que presenta solo átomos decarbono unidos a átomos de hidrógeno, como la larga "cola" alifática de los ácidosgrasos o los anillos de esterano del colesterol; la región hidrófila es la que poseegrupos polares o con cargas eléctricas, como el hidroxilo (–OH) del colesterol, elcarboxilo (–COO –) de los ácidos grasos, el fosfato (–PO4–) de los fosfolípidos, etc.Clasificación de los lípidosLos lípidos son un grupo muy heterogéneo que usualmente se clasifican en dosgrupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (lípidossaponificables) o no lo posean (lípidos insaponificables). 46
  47. 47. LIPIDOS Capitulo VLípidos saponificablesSimples: Lípidos que sólo contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.Acilglicéridos: cuando son sólidos se les llama grasas y cuando son líquidos atemperatura 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 lesllama lípidos de membrana pues son las principales moléculas que forman lasmembranas celulares.Fosfolípidos, fosfoglicéridos, fosfoesfingolípidos, glucolípidos, cerebrósidos,Gangliósidos.Lípidos insaponificablesTerpenoides, Esteroides, EicosanoidesLípidos saponificablesÁcidos grasosSon las unidades básicas de los lípidos saponificables, y consisten en moléculasformadas por una larga cadena hidrocarbonada con un número par de átomos decarbono (12-24) y un grupo carboxilo terminal. La presencia de dobles enlaces enel ácido graso reduce el punto de fusión. Los ácidos grasos se dividen ensaturados e insaturados.Saturados: sin dobles enlaces entre átomos de carbono; por ejemplo, ácidoláurico, ácido mirístico, ácido palmítico, acido margárico, ácido esteárico, ácidoaraquídico y ácido lignogérico.Insaturados: se caracterizan por poseer dobles enlaces en su configuraciónmolecular. Éstas son fácilmente identificables, ya que estos dobles enlaces hacenque su punto de fusión sea menor que en el resto. Se presentan ante nosotroscomo líquidos, como aquellos que llamamos aceites. Este tipo de alimentosdisminuyen el colesterol en sangre y también son llamados ácidos grasosesenciales. Los animales no son capaces de sintetizarlos, pero los necesitan paradesarrollar 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 47

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