Libro Bioquimica 374u42

INDICE UNIDAD N° 1 ...................................................................................................... 1c INTRODUCCION A LA BIOQUÍMICA ................................................................. 1c OBJETIVOS .................................................................................................... 1c Definición de Bioquímica ................................................................................. 1c Relación de la Bioquímica con otras ciencias ................................................. 2c Componentes de los Seres Vivos. ................................................................. 3c c Componentes Inorgánicos .................................................................... 4c c Compuestos Mixtos Con Sustancias Orgánicas ................................... 5c c Los Componentes Orgánicos ............................................................... 5c c Œrupos Funcionales ............................................................................. 6c c Compuestos Heterocíclicos .................................................................. 7c Relación entre Biomoléculas ........................................................................... 9c c Reactividad de las biomoléculas: ......................................................... 9c c Abundancia de las biomoléculas: ......................................................... 9c c Reactividad entre biomoléculas. ........................................................... 9c Características que identifican a la Materia Viva ........................................... 10c c Homeostasis. ...................................................................................... 11c c Factores que influyen en la homeostasis ........................................... 11c Requerimientos Nutricionales. ...................................................................... 13c Dieta. ............................................................................................................. 13c Enfermedades Nutricionales. ........................................................................ 14c TEST DE EVALUACION ............................................................................... 14c UNIDAD N° 2 .................................................................................................... 16c LA CELULA, SU ORŒANIZACIÓN BIOQUIMICA ............................................ 16c OBJETIVOS .................................................................................................. 16c Œeneralidades ............................................................................................... 16c Componentes Subcelulares. ......................................................................... 17c c Membrana Celular .............................................................................. 17c c Núcleo ................................................................................................ 18c c Citoplasma ......................................................................................... 19c c Membrana nuclear.............................................................................. 22c c lasma nuclear: .................................................................................. 22c c Nucléolo: ............................................................................................ 22c c Cromatina: .......................................................................................... 22c SEARACIÓN DE COMONENTES SUBCELULARES: Métodos .............. 23c Función Bioquímica de Componentes Celulares .......................................... 24c Ejercicios ilustrativo ....................................................................................... 24c TEST DE EVALUACIÓN ............................................................................... 25c UNIDAD N° 3: ................................................................................................... 26c EL AŒUA Y EL H ........................................................................................... 26c OJETIVOS .................................................................................................... 26c El Agua.......................................................................................................... 26c ROIEDADES DEL AŒUA ......................................................................... 26c c Constante dieléctrica .......................................................................... 26c c Capacidad calorífica ........................................................................... 27c c Calor de vaporización ......................................................................... 27c c Densidad ............................................................................................ 28c c Tensión superficial.............................................................................. 28c v

c Constante de ionización ..................................................................... 28c ropiedades Físicas del Agua. ...................................................................... 28c c Estructuras e interacciones del agua.................................................. 29c c Las moléculas de agua se asocian entre ellas a través de puentes de hidrógeno................................................................................................... 30c c El agua forma puentes de hidrógeno con solutos polares .................. 31c c Los puentes de hidrógeno le dan al agua sus propiedades inusuales 32c ropiedades químicas: olaridad, Enlace de Hidrógeno, e Iónización. ........ 33c c olaridad ............................................................................................ 33c c Enlace De Hidrógeno ......................................................................... 33c c Iónización: Disociación del agua ........................................................ 35c ropiedades Acido - Básico. ......................................................................... 35c c Titulación ácidos bases ...................................................................... 40c c Teoría de Bronsted y Lowry. .............................................................. 41c pH: Medida de Acidez. .................................................................................. 42c Ecuación de Henderson-Hasselbalch. .......................................................... 43c Soluciones Tampones o Buffer. .................................................................... 45c TEST DE EVALUACION ............................................................................... 45c UNIDAD N° 4. ................................................................................................... 46c AMINOACIDOS Y ROTEINAS ....................................................................... 46c OBJETIVOS .................................................................................................. 46c roteínas ....................................................................................................... 46c Estructura de los Aminoácidos ...................................................................... 46c Clasificación de Aminoácidos.- ..................................................................... 48c ropiedades generales de los Aminoácidos: Actividad Optica (Isomerismo). ...................................................................................................................... 49c Estereoisómeros geométricos .................................................................. 50c Estereoisómeros ópticos ........................................................................... 50c Reacciones químicas características de los aminoácidos............................. 51c ropiedades del grupo carboxilo ............................................................... 51c ropiedades del grupo amino .................................................................... 53c Reacciones especificas de algunos aminoácidos ...................................... 56c Aminoácidos Esenciales. .............................................................................. 56c c Triptófano ........................................................................................... 57c c Fenilalanina ........................................................................................ 57c c Valina ................................................................................................. 58c c Leucina ............................................................................................... 59c c Isoleucina ........................................................................................... 60c c Treonina ............................................................................................. 61c c Arginina .............................................................................................. 62c c Histidina .............................................................................................. 63c c Metionina ............................................................................................ 63c c Lisina .................................................................................................. 64c Aminoácidos no roteicos ............................................................................. 64c Nomenclatura y notación de péptidos. .......................................................... 65c Características y ropiedades de los aminoácidos ....................................... 67c ropiedades ácido-base de los aminoácidos ................................................ 68c Estructura de las roteínas. .......................................................................... 71c c Estructura rimaria ............................................................................. 71c c Estructura Secundaria ........................................................................ 72c

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c Estructura Terciaria ............................................................................ 73c c Estructura Cuaternaria ....................................................................... 73c ropiedades de las roteínas ....................................................................... 74c c Especificidad. ..................................................................................... 74c c Desnaturalización. .............................................................................. 74c Clasificación de las roteínas ....................................................................... 75c c HOLOROTEÍNAS............................................................................. 75c c HETEROROTEÍNAS ........................................................................ 75c Métodos de separación de proteínas ............................................................ 76c Funciones de las roteínas ........................................................................... 78c Enlace eptídico. .......................................................................................... 79c Conformación de las Cadenas olipeptídicas. .............................................. 81c Oligopéptidos.- .......................................................................................... 81c Dipéptidos.- ............................................................................................... 81c Tripéptidos.-............................................................................................... 81c Tetrapéptidos. ............................................................................................ 81c olipéptidos o cadenas polipeptídicas. ...................................................... 81c Funciones de roteínas Específicas: Albúminas, Œlobulina, Hemoglobina, Colágeno e Insulina. ..................................................................................... 81c c Albúmina ............................................................................................ 81c c Œlobulinas .......................................................................................... 82c c Insulina ............................................................................................... 83c c Hemoglobina ...................................................................................... 84c c Colágeno ............................................................................................ 85c Importancia Biológica de las roteínas. ........................................................ 87c TEST DE EVALUACION ............................................................................... 87c UNIDAD N°5: .................................................................................................... 89c CARBOHIDRATOS .......................................................................................... 89c OBJETIVOS .................................................................................................. 89c Características Œenerales. ............................................................................ 89c Clasificación de los Carbohidratos. ............................................................... 90c 1. Monosacáridos .......................................................................................... 90c 2. Oligosacáridos .......................................................................................... 94c 3. olisacáridos ............................................................................................. 96c 4. Mucopolisacáridos..................................................................................... 96c IMORTANCIA DELOS HETEROOLISACÁRIDOS ................................... 97c FUNCIONES DE LOS CARBOHIDRATOS ................................................... 97c c Funciones Energéticas ....................................................................... 97c c Función Estructural............................................................................. 98c c Función Informativa ............................................................................ 98c c Función De Detoxificación .................................................................. 98c ISOMERIA ..................................................................................................... 99c c Estereoisomeria de los monosacáridos. ............................................. 99c c Enantiómeros. .................................................................................... 99c c Epímeros. ........................................................................................... 99c c Tautómeros. ....................................................................................... 99c c Mutarrotación. .................................................................................... 99c c Reacción ácido/base sobre monosacáridos. .................................... 100c CONFIŒURACIÓN. ..................................................................................... 100c c ropiedades físicas. ......................................................................... 103c

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c Anomerización. ................................................................................. 104c c Estructura tridimensional. Conformación. ......................................... 106c c ropiedades químicas. ..................................................................... 107c IMORTANCIA BIOLÓŒICA DE LOS ŒLÚCIDOS ..................................... 111c CARBOHIDRATO FRECUENTE EN LA DIETA. ......................................... 111c FIBRAS: SU IMORTANCIA EN LA DIETA. ............................................... 112c TEST DE EVALUACIÓN ............................................................................. 113c UNIDAD N°6 ................................................................................................... 114c LIIDOS.......................................................................................................... 114c OBJETIVOS ................................................................................................ 114c Características Œenerales ........................................................................... 114c Clasificación de los Lípidos. ........................................................................ 114c c Lipidos saponificables ...................................................................... 115c LÍIDOS SIMLES ..................................................................................... 115c CERAS ........................................................................................................ 119c LÍIDOS COMLEJOS ............................................................................... 121c c Fosfolípidos ...................................................................................... 121c c Œlucolípidos ...................................................................................... 122c c Lipidos insaponificables .................................................................... 122c c rostaglandinas ................................................................................ 123c ACIDOS ŒRASOS ...................................................................................... 124c FUNCIONES DE LOS LÍIDOS .................................................................. 126c IMORTANCIA BIOLÓŒICA DE LOS LÍIDOS. ........................................ 127c TEST DE EVALUACIÓN ............................................................................. 127c UNIDAD N°7 ................................................................................................... 128c ACIDOS NUCLEICOS Y SUS COMONENTES ........................................... 128c OBJETIVOS ................................................................................................ 128c Œeneralidades. ............................................................................................ 128c BASES NITROŒENADAS........................................................................... 128c c Bases úricas .................................................................................. 128c c Bases irimidínicas .......................................................................... 129c OSAS .......................................................................................................... 131c NUCLEÓSIDOS .......................................................................................... 132c c Ribonucleosidos ............................................................................... 132c c Desoxirribonucleósidos .................................................................... 133c NUCLEÓTIDOS .......................................................................................... 134c c Ribonucleótidos ................................................................................ 134c c Desoxirribonucleotidos ..................................................................... 135c ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA).................................................. 136c c Estructura ......................................................................................... 136c ÁCIDO RIBONUCLEICO (RNA).................................................................. 143c c Estructura ......................................................................................... 143c NUCLEASAS .............................................................................................. 149c Test de Evaluación ...................................................................................... 149c UNIDAD N° 8 BIOQUIMICA ENERŒETICA ................................................... 150c OBJETIVOS ................................................................................................ 150c CICLO DEL AT. ........................................................................................ 150c c ROIEDADES DEL AT. ............................................................... 150c c rincipios de equilibrio químico. ....................................................... 151c ENERŒÍA LIBRE. ........................................................................................ 151c

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c Energía libre estándar Œ . ................................................................ 152c c Aditividad de las variaciones de energía libre estándar Œ . ............ 152c c Energía libre estándar de formación (vŒ f). .................................... 152c TRANSFERENCIA DE ENERŒÍA QUÍMICA. .............................................. 153c c Energía libre estándar de hidrólisis del AT. .................................... 153c c Termodinámica del AT. .................................................................. 153c c Respuesta termodinámica. ............................................................... 153c c Transferencia enzimática de grupos fosfatos al AD. ...................... 154c TRANSFERENCIA DE ŒRUOS FOSFATOS DESDE EL AT A DIVERSOS ACETORES. ............................................................................................. 154c TRANSFERENCIA DE ŒRUOS FOSFATOS OR OTROS NTS. ......... 155c c Características.................................................................................. 155c AEL DEL AT Y DEL IROFOSFATO. .................................................. 155c c Ruta enzimáticas de incorporación al sistema AT - AD. .............. 155c c irofosfatas inorgánica. .................................................................... 155c c Adenilato quinasa. ............................................................................ 156c ENERŒTICA DE LOS SISTEMAS ABIERTOS. ........................................ 156c c Œeneralidades. ................................................................................. 156c COMUESTOS RICOS EN ENERŒIA. ...................................................... 156c FORMACION DE AT ................................................................................ 158c TEST DE EVALUACION ............................................................................. 163c UNIDAD N°9 ................................................................................................... 164c ENZIMAS Y COENZIMAS .............................................................................. 164c OBJETIVOS ................................................................................................ 164c Œeneralidades. ............................................................................................ 164c Catalizador .................................................................................................. 164c CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS .................................................... 165c ACCIÓN DE ENZIMAS ............................................................................... 165c NOMENCLATURA DE LAS ENZIMAS........................................................ 166c CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS .......................................................... 166c c Clasificación estructural. ................................................................... 166c c Clasificación funcional. ..................................................................... 167c c Oxido-reductasas: ............................................................................ 167c .Las Transferasas.- .................................................................................. 168c Las Hidrolasas: ........................................................................................ 168c Las isomerasas: ...................................................................................... 168c .Las Liasas: ............................................................................................. 169c Las Ligasas: ............................................................................................ 169c Importancia del AT (Trifosfato de adenosina) ........................................... 170c Composición Del AT.............................................................................. 170c Funciones de las enzimas ........................................................................... 171c ROIEDADES DE LAS ENZIMAS ............................................................ 172c c Especificidad de los enzimas. .......................................................... 172c Centro activo. .......................................................................................... 172c COFACTORES. .......................................................................................... 173c Holoenzima = Apoenzima + Cofactor ..................................................... 174c CINTICA ENZIMÁTICA ............................................................................. 174c c Teoría de Michaelis y Menten. ......................................................... 174c c Constante de Michaelis y Menten (Km). ........................................... 175c c Representación de Lineweaver-Burk................................................ 175c

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c Representación de Eadie-Hofstee. ................................................... 176c c Efecto del pH sobre actividad enzimática. ........................................ 176c c Efecto de la temperatura sobre actividad enzimática. ...................... 176c c Efecto de la temperatura sobre reacciones enzimáticas. ................. 176c INHIBICIÓN DE ENZIMAS. ......................................................................... 177c c Tipos de inhibición. ........................................................................... 177c c Inhibición irreversible. ....................................................................... 178c ENZIMAS REŒULADORAS. ....................................................................... 178c c Enzimas alostéricas. ......................................................................... 179c c Enzimas homotrópicas. .................................................................... 179c c Enzimas heterotrópicas. ................................................................... 180c c Cinética de las enzimas alostéricas.................................................. 180c c Modulación covalente de las enzimas reguladoras .......................... 181c ACTIVACIÓN COVALENTE DE LOS ZIMOŒENOS. .................................. 182c ISOZIMAS. .................................................................................................. 182c VITAMINAS - COENZIMAS ........................................................................ 182c c Clasificación. .................................................................................... 182c TEST DE EVALUACIÓN ............................................................................. 187c UNIDAD N° 10 ................................................................................................ 188c METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS ....................................................... 188c OBJETIVOS ................................................................................................ 188c DIŒESTION ................................................................................................ 189c c Digestión salival................................................................................ 189c c Digestión gástrica ............................................................................. 189c c Digestión intestinal ........................................................................... 189c ARSORCION .............................................................................................. 190c EL AZUCAR DE LA SANŒRE ..................................................................... 190c HORMONAS Y CONCENTRACION SANŒUINEA DE AZUCAR ............... 191c c Insulina ............................................................................................. 192c c Œlucagon .......................................................................................... 193c c Adrenalina (epinefrina) ..................................................................... 193c c Hormonas corticosuprarrenales........................................................ 193c c Hormonas de la hipófisis anterior ..................................................... 193c ŒLUCOŒENO ............................................................................................. 194c c Œlucogénesis .................................................................................... 194c c Œlucogenólisis .................................................................................. 195c OXIDACION DE LOS CARBOHIDRATOS .................................................. 196c c Œlucólisis .......................................................................................... 197c c Vía anaerobia o de Embden-Meyerhof para la glucólisis ................. 197c c Ciclo aerobio o de Krebs .................................................................. 198c VIAS ALTERNATIVAS DE OXIDACION DE CARBOHIDRATOS ............... 201c FOTOSINTESIS .......................................................................................... 202c c La reacción a la luz........................................................................... 204c c La reacción en la obscuridad ............................................................ 205c CONTRACCION MUSCULAR .................................................................... 207c TEST DE EVALUACION ............................................................................. 207c UNIDAD N°11 ................................................................................................. 209c METABOLISMO DE LIIDOS ........................................................................ 209c OBJETIVOS ................................................................................................ 209c DIŒESTION ................................................................................................ 210c

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ABSORCION............................................................................................... 210c LIIDOS SANŒUINEOS ............................................................................. 210c ALMACENAMIENTO DE ŒRASA ............................................................... 211c SINTESIS DE LIIDOS TISULARES .......................................................... 212c LIOLISIS ................................................................................................... 212c OXIDACION DE ACIDOS ŒRASOS ........................................................... 213c SINTESIS DE ÁCIDOS ŒRASOS ............................................................... 215c SINTESIS DE TRIŒLICERIDOS ................................................................. 216c FORMACION DE CUEROS CETONICOS ............................................... 216c METABOLISMO DE FOSFOLIIDOS......................................................... 217c METABOLISMO DE ESTEROLES ............................................................. 218c CORRELACION DEL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS Y EL DE ŒRASA........................................................................................................ 220c REŒUNTAS .............................................................................................. 221c UNIDAD N°12 ................................................................................................. 223c METABOLISMO DE ROTEINAS .................................................................. 223c OBJETIVOS ................................................................................................ 223c DIŒESTION ................................................................................................ 223c ARSORCION .............................................................................................. 224c ESTADO DINAMICO DE LA ROTEINA CORORAL ............................... 225c SÍNTESIS DE ROTEÍNA........................................................................... 225c c Aminoácidos esenciales ................................................................... 225c c Mecanismo de la síntesis de proteína .............................................. 226c REACCIONES METABOLICAS DE AMINOACIDOS .................................. 230c c Desaminación ................................................................................... 230c c Transaminación ................................................................................ 230c c Formación de urea ........................................................................... 232c METABOLISMO DE NUCLEOROTEINAS ............................................... 233c c Metabolismo de purinas ................................................................... 234c c Metabolismo de pirimidinas .............................................................. 235c c Síntesis de ácidos nucleicos ............................................................ 235c CREATINA Y CREATININA ........................................................................ 236c ERRORES INNATOS DEL METABOLISMO DE AMIN0ACID0S ................ 236c c Femicetonuria ................................................................................... 237c c Alcaptonuria ..................................................................................... 238c c Tirosinemia ....................................................................................... 239c CORRELACION ENTRE METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS, LIIDOS Y ROTEINAS ............................................................................................ 240c REŒUNTAS .............................................................................................. 240c UNIDAD N° 13 ................................................................................................ 242c LIQUIDOS CORORALES ............................................................................. 242c OBJETIVOS ................................................................................................ 242c SANŒRE ..................................................................................................... 244c CELULAS DE LA SANŒRE ........................................................................ 245c SUERO Y LASMA .................................................................................... 245c c roteínas del plasma ........................................................................ 245c ENZIMAS SERICAS ................................................................................... 246c c Electrólitos del plasma ...................................................................... 247c HEMOŒLOBINA ......................................................................................... 251c c Respiración ...................................................................................... 252c

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ORINA ......................................................................................................... 253c c Formación de orina........................................................................... 253c c oder regulador de riñón .................................................................. 254c c Balance de agua............................................................................... 255c c Balance de electrólitos ..................................................................... 255c c Balance acidobásico......................................................................... 255c TEST DE EVALUACION ............................................................................. 257c BIBLIOŒRAFIA ............................................................................................... 258c ŒLOSARIO ..................................................................................................... 260c

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Relacionar los conocimientos adquiridos en los cursos anteriores con los nuevos. Concientizar a los estudiantes de la importancia que tiene esta unidad como base para comprender la asignatura. Estudiar los constituyentes químicos de los seres vivos, sus funciones y transformaciones. Introducir el lenguaje de la bioquímica con explicaciones sobre el significado, origen e importancia de los términos. roporcionar un conocimiento del contexto físico, químico y biológico en el que opera cada biomolécula, reacción o ruta metabólica.

La Bioquímica es la ciencia que estudia las diversas moléculas y las reacciones químicas que ocurren en las células y organismos vivos. Los estudiantes de la carrera de biología deben de adquirir sólidos conocimientos de la asignatura para poder enfrentarse a la práctica y a la investigación de los procesos bioquímicos.  (del griego Bios vida). Como la célula es la unidad estructural de los sistemas vivientes, podemos definir a la bioquímica como la ciencia que se ocupa de los constituyentes químicos de la célula viva y de las reacciones y procesos que experimentan. La Bioquímica abarca áreas de la biología celular y de la biología molecular. El objetivo de la Bioquímica es describir y explicar en términos moleculares todos los procesos químicos de la célula viva, por lo tanto es necesario conocer su estructura. El interés principal de la bioquímica es la comprensión completa a nivel molecular de todos los procesos relacionados con la célula viva. ara lograr este objetivo los bioquímicos han necesitado aislar las numerosas moléculas de que se compone la célula, determinar sus estructura y analizar la forma en que funciona, por ejemplo, los esfuerzos que hacen para comprender la base 1

molecular de la contractibilidad, para ello han purificado muchas moléculas simples y complejas, seguido por estudios de estructura función. A través de estos esfuerzos, se han descubierto algunas características de la contracción muscular. Otro ejemplo, es la regulación de las actividades de genes y encimas proveniente de estudios realizados en bacterias y hongos. El campo del DNA recombinante surgió del estudio en bacterias y virus. La Bioquímica es esencial en todas las ciencias de la vida, como la genética, la fisiología, la inmunología, la farmacología, la farmacia, la toxicología, patología, todas estas ciencias se apoyan en las bases bioquímicas. Los procesos bioquímicos normales son la base de la salud. La Organización Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como un ³estado físico y social completo y no únicamente como la ausencia de enfermedad o dolencia´. La Bioquímica define a la salud como una situación en donde las miles de reacciones intra y extra celular que ocurren en el cuerpo proceden a velocidades acordes con su supervivencia máxima en el estado fisiológico. La investigaciones bioquímicas modifican la nutrición. La ingestión dietética optima de ciertos números de componentes químicos entre ellos las vitaminas, varios aminoácidos, ácidos grasos, minerales y el agua son el objeto de estudio de la bioquímica. Los seres vivos son agregados de moléculas con ciertas particulares que están formados por los mismos átomos y obedecen a las mismas leyes que rigen el comportamiento de cualquier otro tipo de moléculas.

! ! "# $ $ La bioquímica es esencial en todas las ciencias de la vida, incluyendo la medicina. Los fundamentos de la genética descansan en la bioquímica de los ácidos nucleicos; a su vez, el uso de enfoques genéticos ha dilucidado numerosas áreas de bioquímica. La fisiología, estudio de la función corporal, se traslapa casi por completo con la bioquímica. La inmunología emplea numerosas técnicas bioquímicas y muchos de los aspectos inmunológicos han encontrado uso extenso entre bioquímicos. Farmacología y farmacia se apoyan en un conocimiento sólido de bioquímica y fisiología; en particular, la mayor parte de los fármacos son metabolizados por reacciones catalizadas por enzimas y las complejas interacciones entre fármacos se comprenden mejor desde el punto de vista bioquímico. Los venenos actúan por medio de reacciones o procesos 2

bioquímicas y éste es el tema de la toxicología. Enfoques bioquímicos se emplean cada vez más en el estudio de aspectos básicos de la patología (estudio de la enfermedad), como inflamación, lesión celular y cáncer. Muchos profesionales en microbiología, zoología y botánica emplean métodos bioquímicos casi en forma exclusiva. Estas relaciones no sorprenden, debido a que la vida como se conoce depende de reacciones y procesos bioquímicos. De hecho, las viejas barreras entre ciencias de la vida han caído y la bioquímica se torna cada vez más su lenguaje común. Una relación recíproca entre bioquímica y medicina ha estimulado adelantos mutuos. Las dos preocupaciones principales de los estudiosos de ciencias de la salud, en particular médicos, son (1) la comprensión y conservación de la salud y (2) la comprensión y tratamiento eficaz de enfermedades. La bioquímica tiene un impacto tremendo en ambos. De hecho, la interrelación de bioquímica y medicina es un amplio camino de doble sentido. Los estudios bioquímicos han iluminado numerosos campos de salud y enfermedad y, de manera inversa, el estudio de éstas ha abierto áreas nuevas en bioquímica. La relación entre medicina y bioquímica tiene implicaciones filosóficas importantes para la primera. Hasta donde el tratamiento médico se asiente en el conocimiento de la bioquímica y otras ciencias básicas pertinentes (como, fisiología, microbiología, nutrición), la práctica de la medicina tendrá una base racional que puede acomodar nuevos conocimientos. Esto contrasta con cultos de salud no ortodoxos, que a menudo se elevan a poco más que un mito sin base intelectual alguna.

%"$!$#$&$' La naturaleza ha seleccionado de entre los elementos existentes algunos que se combinan entre sí mediante enlaces químicos adecuados, formando grupos químicos definidos, los llamados grupos funcionales o bien moléculas con determinadas características. La siguiente tabla contiene los elementos más comunes que intervienen en la composición de los seres vivos.

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Hidrógeno Boro Carbono Nitrógeno Oxigeno Sodio Magnesio Fósforo Azufre Cloro otasio Calcio Manganeso Hierro Cobaito Cobre Cinc Selenio Molibdeno Yodo

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H B C N O Na Mg S Cl K Ca Mn Fe Co Cu Zn Se Mo I

1.008 10.831 12.000 14.007 15.999 22.990 24.312 30.974 32.064 35.463 39.102 40.080 54.938 55.847 58.933 63.540 65.370 78.960 95.940 126,904

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1 5 6 7 8 11 12 15 16 17 19 20 25 26 27 29 30 34 42 53

0 6 6 7 8 12 12 16 16 18 20 20 29 30 32 34 35 45 54 73

Tanto en la naturaleza como en los seres vivos, los diferentes elementos se encuentran distribuidos en diferentes proporciones y los patrones de distribución muestran grandes diferencias. De los elementos que interviene en la composición de los seres vivos , solo abundan en forma libre el nitrógeno y el oxígeno (79 y 21% de cada uno en el aire respectivamente), el nitrógeno para ser utilizado requiere de sistemas relativamente complicado El carbono otro de los elementos fundamentales en la composición de los seres vivos tampoco puede utilizarse directamente en forma libre lo mismo ocurre con el hidrógeno El oxígeno es el único elemento que se incorpora en forma libre al organismo. Si se exceptúan los componentes de las sales minerales, la incorporación de los elementos químicos a los seres vivos se hace en su mayor parte en forma de compuesto de estructura relativamente complicada, que para su formación requiere de de sistema a su vez complicados. |omponentes Inorgánicos Los componentes inorgánicos son las sustancias más simples de extraordinaria importancia para la vida, lo cual se pone de manifiesto por sus funciones, tales sustancias son los ácidos, las bases y las sales. Estas moléculas participan en enlaces tipo electrovalentes para la transferencias de electrones de unos átomos a otros, estos se separan llevando consigo una pérdida o una ganancia

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de electrones o una carga positiva o negativa, estas sustancias son los aniones y cationes que son relativamente simples. El papel que desempeñan los iones en las células consiste en su posibilidad de interacción con las demás moléculas del organismo. Estas interacciones pueden hacer modificaciones importantes en el funcionamiento de las enzimas. Un caso muy particular de un catión capaz de interactuar con otras moléculas y modificar notablemente sus funciones y su estructura es el ión hidrógeno, cuya concentración en las células deben de mantenerse dentro de los rangos estrechos. El ambiente iónico de la célula o de unos organismos presenta en gran parte el medio que debe mantenerse dentro de una composición definida para permitir la vida.

|ompuestos Mixtos |on Sustancias Orgánicas Hay compuestos en que las moléculas inorgánicos se combinan con moléculas orgánicas, mediante enlace covalente para producir otra moléculas orgánicas diferentes a las originales. Estas moléculas son intermediarios de las vías metabólicas y principalmente en el caso de los carbohidratos o nucleótidos, que actúan como compuestos de extraordinaria importancia en el metabolismo energético y en la composición de los ácidos nucleicos. El ácido fosfórico es quizás el compuesto inorgánico que con mayor frecuencia interviene en este tipo de compuestos, con relativa frecuencia el ácido sulfúrico, a partir del cual se forman los sulfatos de moléculas orgánicas principalmente con los carbohidratos. Hay unos grupos de elementos integrantes de moléculas complejas, con funciones importantes como el hierro en la hemoglobina y en los citocromos; el cobre, el zinc, el yodo, algunos de estos elementos participan en cantidades sumamente pequeñas, sin embargo son esenciales para sus funcionamientos.

os |omponentes Orgánicos La química orgánica abarca un campo de gran amplitud, puede decirse que la bioquímica comprende un importante sector de ella, esto se debe a que el tipo de compuestos que se encuentran en los seres vivos corresponden a aquellos que se encargan la química orgánica, en cuya composición interviene el carbono y sus componentes. La bioquímica estructural también es química orgánica pero se ocupa de la composición de las moléculas de los seres vivos.

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La base de la química orgánica es el conocimiento de los compuestos del carbono. Este elemento tiene la particularidad de formar un gran número de compuesto que tiene como base las cadenas de átomos del mismo, unidos unos con otros, a los cuales se les agregan otros elementos en disposiciones diversas, lo que da lugar a una infinidad de compuestos. Esta cadena puede ser lineal o cíclica y se la denomina de acuerdo al número de átomo del que esta formada. En los compuestos más sencillos se forman cadenas lineales de manera que cada átomo emplea una de sus valencias para combinarse con el siguiente, las valencias restantes se satisfacen con átomos de hidrógeno para dar lugar a los compuestos alifáticos, tanto lineales como cíclicos.

Œrupos Funcionales A los átomos o grupos de átomos que combinados con una molécula determinada le confieren ciertas propiedades se les llama grupos funcionales, por ejemplo la sustitución de un hidrógeno de un compuesto alifático por un oxidrilo (-OH) se convierte en otra sustancia que pertenece al grupo de los alcoholes, si la sustitución es por un grupo carboxilo, se convierte en un miembro del grupo de los ácidos .En la tabla siguiente se presentan una lista de cinco tipo de compuestos.

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Los grupos funcionales más frecuentes son alcoholes, ácidos, aldehídos. Son los más frecuentes de los compuestos bioquímicos Sin embargo no se suele encontrar casos en los cuales existan un solo tipo de grupo funcional, por ejemplo en los monosacáridos que son las moléculas más sencillas de los carbohidratos coinciden en una hexosa cinco grupos alcohólicos y un grupo aldehídicos o cetónico. En la siguiente figura, se presentan diferentes clases de moléculas biológicas

De igual manera en los compuestos de estructura cíclica hay patrones que se repiten con frecuencia desde los más simples con cadenas cerradas de átomos de carbonos y ligaduras sencillas entre los átomos como el ciclohexano. También se encuentran los principales de los compuestos cíclicos aromáticos en los que existe doble ligadura conjugados.

|ompuestos Heterocíclicos Dentro de los compuestos de estructura cíclica se encuentran los llamados heterocíclicos que son moléculas en cuyo ciclo participan otros átomos (el nitrógeno), algunos de estos anillos son la base de moléculas de los compuestos biológicos. En la figura siguiente se muestran algunos de estos anillos

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A pesar del gran número de moléculas diferentes que se encuentran en los seres vivos la mayoría de ellos han sido clasificados dentro de cuatro grupos fundamentales: los carbohidratos, los lípidos, las proteínas, y los ácidos nucleicos. Cada una de estas categorías comprende una serie de moléculas más o menos complicadas, como moléculas más simples, que son las que participan en su composición, y que pueden considerarse como unidades estructurales que intervienen en su formación. Algunos compuestos como los esteroles y ciertas vitaminas se han incluido dentro del grupo de los lípidos sin otra base que su solubilidad. Otras pertenecen a la vez a diferentes grupos por ejemplo, el glicerol pertenece al grupo de carbohidratos, al mismo tiempo es el componente de diferente lípidos, la pentosa, la ribosa, y la desoxirribosa son componentes de los carbohidratos y también de los ácidos nucleicos. Esta clasificación permite incluir a la mayor parte de los compuestos biológicos dentro de un grupo más o menos uniforme desde el punto de vista de su estudio estructural y sirve como punto de referencia en cuanto a las propiedades, funciones, localizaciones.

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! "# !/! $ ÷eactividad de las biomoléculas: Depende de los grupos funcionales: Hidroxilo, carbonilo, carboxilo, aldehído, amino, imino, tiol, fosfato, pirofosfato, fosforito. Todas las reacciones de la célula están catalizadas de manera específica, tanto que distinguen hasta estereoisómeros. or ello de todas las reacciones posibles sólo ocurren algunas. ?bundancia de las biomoléculas: El 70% del peso de una célula es agua.. Las moléculas más abundantes son: macromoléculas 20% (hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos) y moléculas pequeñas e iones en menor proporción. Las moléculas pueden ser muy grandes como el DNA porque porta mucha información, si una proteína debe unir varios ligandos ha de ser grande. ara sintetizar moléculas grandes hacen falta muchas reacciones y muchos intermediarios, que ocupan espacio. or ello las macromo-léculas están formadas por monómeros. ÷eactividad entre biomoléculas. En la célula hay muchas moléculas juntas, por lo que hay muchas reacciones posibles. 0# 1 Hay reacciones que degradan las moléculas convirtiendo los polímeros en monómeros que se pueden volver a utilizar o hidrolizarlos para obtener energía. "$$1 Se sintetizan monómeros y luego a partir de ellos polímeros, igual para estructuras supramoleculares. Sintetizar algo implica aumentar el orden, los seres vivos se ordenan y mantienen su orden. Los procesos desfavorecidos termodinámicamente se hacen a expensas del entorno, desordenándolo por cesión de calor. Es necesario un aporte continuo de energía para impulsar procesos no favorables. La energía se extrae del entorno, se transforma y se usa para trabajos de la célula (movimiento, síntesis).

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# "#$" $" ! "# & Las moléculas presentes en todos los seres vivos son iguales, lo que hace pensar en un ancestro común. !"$# % #"!$$#$&&$1 Tienen que ser escogidos del entorno, formando parte de la corteza terrestre o de la atmósfera. La primera limitación es la composición de la corteza y la atmósfera. Los criterios son que sea abundante y asequible. La composición de un ser vivo no es la misma que la de la corteza o la atmósfera sino que unos elementos se escogen antes que otros. Elementos más abundantes: son abundantes y necesarios para los seres vivos. C, N , H y O. Elementos traza: presentes en mínima proporción, como el Al. El He es inerte, no forma parte de los seres vivos. El C abunda mucho porque es capaz de formar moléculas muy largas con enlaces distintos, lo que da lugar a muchos compuestos diferentes. El Si también forma cadenas pero más cortas (menos variación) y la energía del enlace Si-O es muy alta, formando moléculas muy estables, prácticamente inmutables e imposibles de sintetizar. $%$" #" ! 0 1 La vida transcurre en entorno acuoso por lo que si un elemento debe formar parte de una célula debe responder bien al agua. El Al está en forma de hidróxidos muy insolubles, pero como el Fe es más soluble se escoge antes. !"$1 Se escogen los elementos más pequeños de cada grupo porque forman enlaces más estables. El Co o el V son más grandes pero cumplen funciones especiales. - El y el S son componentes de todos los seres vivos (S de proteínas y de ácidos nucleicos). - Iones: Na, Mg, Cl, K, Ca... Al y Si: a pesar de ser abundantes no son mayoritarios de seres vivos. - Elementos traza: Fe, Cu, Co, Zn, Mn, presentes en todos los organismos en pequeña cantidad. Y, Mo sólo en algunos. Enlaces:

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C-H, C-C, C=C, O-H, C-O, C=O, N-H, C-N, C=N, -O, =O Los enlaces no covalentes son muy importantes para la estructura tridimensional de la proteína. Enlaces esenciales: Amida: aminoácidos para dar proteínas. -N-COTioéster: aporta energía en metabolismos. -C-S-COFosfoanhidro: aporta energía en metabolismos. O-

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Homeostasis. El término homeostasis deriva de la palabra griega "homeo" que significa "igual", y "stasis", que significa "posición". Homeostasis es el estado de equilibrio dinámico o el conjunto de mecanismos por los que todos los seres vivos tienden a alcanzar una estabilidad en las propiedades de su medio interno y por tanto de la composición bioquímica de los líquidos, células y tejidos, para mantener la vida, siendo la base de la fisiología. or lo tanto toda la organización estructural y funcional de los seres vivos tiende hacia un equilibrio dinámico. Esta característica de dinamismo, en la que todos los componentes están en constante cambio para mantener dentro de unos márgenes el resultado del conjunto (frente a la visión clásica de un sistema inmóvil), hace que algunos autores prefieran usar el término homeocinesis para nombrar este mismo concepto. Las tres propiedades que rigen un sistema homeostático son: 1. Estabilidad: Sólo se permiten pocos cambios en el tiempo. 2. Equilibrio: Los sistemas homeostáticos requieren una completa organización interna, estructural y funcional para mantener el equilibrio. 3. Impredecible: El efecto preciso de una determinada acción a menudo tiene el efecto opuesto al esperado.

Factores que influyen en la homeostasis La homeostasis responde a cambios efectuados en: r

El medio interno: El metabolismo produce múltiples sustancias, algunas de ellas de deshecho que deben ser eliminadas. ara realizar esta función los organismos poseen sistemas de excreción. or ejemplo en el

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r

hombre el aparato urinario. Los seres vivos pluricelulares también poseen mensajeros químicos como neurotransmisores y hormonas que regulan múltiples funciones fisiológicas. Medio externo: La homeostasis más que un estado determinado es el proceso resultante de afrontar las interacciones de los organismos vivos con el medio ambiente cambiante cuya tendencia es hacia desorden o la entropía. La homeostasis proporciona a los seres vivos la independencia de su entorno mediante la captura y conservación de la energía procedente del exterior. La interacción con el exterior se realiza por sistemas que captan los estímulos externos como pueden ser los órganos de los sentidos en los animales superiores o sistemas para captar sustancias o nutrientes necesarios para el metabolismo como puede ser el aparato respiratorio o digestivo..

En la homeostasis intervienen todos los sistemas y aparatos del organismo desde el sistema nervioso, sistema endocrino, aparato digestivo, aparato respiratorio, aparato cardiovascular, hasta el aparato genitourinario. La homeostasis fue descubierta por Claude Bernard en el siglo XIX, pero el término homeostasis fue acuñado por el biólogo Walter Cannon (1871-1945), que recibió el remio Nobel por definir en 1932, en el libro "The Wisdom of the Body", las características que rigen la homeostasis que son: 1. Importancia del sistema nervioso como del endocrino en el mantenimiento de los mecanismos de regulación. 2. Nivel tónico de actividad: Los agentes tanto del medio interno como del medio externo mantienen una moderada actividad que varía ligeramente hacia arriba o abajo, como rodeando un valor medio en un intervalo de normalidad fisiológica. 3. Controles antagónicos: Cuando un factor o agente cambia un estado homeostático en una dirección, existe otro factor o factores que tiende a contrarrestar al primero con efecto opuesto. Es lo que se llama retroalimentación negativa o ³feed-back´ negativo. 4. Señales químicas pueden tener diferentes efectos en diferentes tejidos corporales Las funciones de los seres vivos están encaminadas a la supervivencia individual o colectiva en distintas condiciones de medio ambiente, o sea a la adaptación del individuo y la especie al medio en que viven. Las reacciones de los organismos vivos tienden a sobre ponerse a las alteraciones del medio en que viven, de tal manera que en el interior de su organismo se produzcan cambios mínimos. Cualquier modificación de temperatura, concentración de sales, de acidez, etc., es contrarrestada por una serie de mecanismo que tratan de regresar el sistema al estado previo; estos fenómenos de regulación que tienden a mantener constante la composición reciben el nombre de homeostasis y representan unas de las características de los sistemas biológicas.

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#"$ "# !$' Los seres vivos deben de satisfacer sus necesidades de nutrimentos con los materiales que se encuentran en los alimentos o que son sintetizadas a partir de diversas sustancias que se encuentran en el organismo. Las proteínas, los carbohidratos, los lípidos, son nutrimentos energéticos; las vitaminas, los minerales y el agua son nutrimentos no energéticos. Los nutrimentos dietéticamente esenciales se utilizan con atención al momento metabólico en que se encuentra el organismo; por tanto, la cantidad óptima de determinados nutrimento varia, no solo de persona a persona, sino también en el interior de un mismo sujeto y de acuerdo con muy diversas condiciones. No obstante, en Biología se busca siempre las regularidades que permitan operar dentro de ciertos límites de confiabilidad; así se acepta universalmente que los nutrimentos dietéticamente esenciales deben de consumirse en determinadas cantidades, diariamente y de acuerdo con la edad y el estado fisiológico de la persona. or requerimiento nutricional se entiende la cantidad de cada NDE necesaria para cumplir adecuadamente con las funciones biológicas del organismo. Los distintos requerimientos se han determinado con bases a estudios bioquímicos individuales y reflejan los límites dentro de los cuales el organismo puede funcionar sin alteraciones por déficit o excesos.

" ' Consiste en el uso metódico de determinadas sustancias alimenticias en el sujeto sano o enfermo, o en ambos con el propósito de conservar la vida; Es necesario hacer una valoración de la alimentación desde el punto de vista del aporte calórico que aporta al organismo independiente de la composición de la misma, en cuanto al contenido de carbohidratos, lípidos y proteínas. La base de esta valoración es el hecho de que en un momento dado, en el organismo no existe pérdida ni ganancias de materiales; el peso tiende a mantenerse constante, sobre todo en los animales superiores adultos; aún en los animales superiores en crecimiento, el aumento de peso es relativamente lento. Tampoco hay cambio en el estado energético; todos los sistemas de intercambios de energía se encuentran en equilibrio dinámico. Se puede calcular la cantidad de carbohidratos, lípidos y proteínas, necesarias para satisfacer los requerimientos energéticos de un individuo, de acuerdo a la actividad que desarrolla; toda la información al respecto ya existe; el valor calóricos de los alimentos se ha medido calorimétricamente, por la determinación del calor que se desprende al oxidarlos en presencia del oxígeno. ara los carbohidratos, el valor medido es de aproximadamente 4 Calorías por gramos; para los lípidos es aproximadamente de 9 Calorías por gramos, y para las proteínas es de 4 Calorías por gramo. Estos valores pueden variar de acuerdo a la actividad de los individuos. En los laboratorios se ha determinado el contenido aproximado de carbohidratos, de lípidos, proteínas , vitaminas y minerales de las materias primas empleadas para la elaboración de los alimentos; también se ha medido con aproximación el valor calórico de los alimentos ya elaborados, se cuenta con valores menos precisos 13

para lo que puede ser una ³ ración´ de tal o cual alimento. En la práctica se recurre a tablas ya elaboradas en las cuales se dan los valores experimentales determinados para distintos individuo de acuerdo con su alimentación

# $ "# !$' La desnutrición es la condición en la que un individuo sufre una serie de alteraciones, debido a una deficiencia de la alimentación. Desde el punto de vista nutricional son diversos los factores que hay que tomar en cuenta: la cantidad de alimentos, los aminoácidos esenciales, los minerales y las vitaminas. La desnutrición puede resultar por la deficiencia de cualquiera de estos elementos. El individuo que come lo que puede, difícilmente estará en posibilidades de balancear su dieta y complementarla con vitaminas y minerales. Los problemas nutricionales en los adultos son numerosos; representan una serie de alteraciones que conducen desde las alteraciones físicas hasta los estados patológicos de diversos tipos, debido a las lesiones producidas por las avitaminosis simple o mixta que pueden coexistir en los grados de mayor intensidad del cuadro. La desnutrición tiene un efecto de extraordinaria importancia durante el desarrollo de los individuos. No se trata simplemente de que un niño desnutrido padezca retraso en su desarrollo y que por medio de una alimentación adecuada se lo pueda corregir. Los períodos críticos representan etapas del desarrollo durante las cuales en necesario contar con una alimentación adecuada; si esta no existiera, pasado el período ya no es posible subsanar el daño. En un año de desnutrición puede dejar taras en un niño, en cuanto a su desarrollo mental ya que no se puede corregir, independiente de que se lo coloque en las mejores condiciones nutricionales por el resto de su desarrollo y de su vida. Las proteínas de origen animal son las de mejor calidad, pero su costo es muy alto, Se ha promovido el desarrollo del cultivo de la soya, con semillas seleccionadas que contienen alto grado de proteínas, y que contienen cantidades suficientes todos los aminoácidos esenciales , es decir que se trata de plantas que tienen un contenido elevado de proteínas completas que pueden sustituir en la alimentación a las proteínas animales

p 1. Escriba una definición de bioquímica de acuerdo a su comprensión. 2. Elabore un objetivo que ud, se propone alcanzar aprendizaje de la asignatura.

mediante el

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3. Haga una lista de los principales componentes químicos de los seres vivos. 4. Que concepto tiene ud., sobre las dietas para tener una buena salud. Elabore una dieta que dé buenos resultados para los estudiantes. 5. Cual es el papel que los iones desempeñan en la célula explique con un ejemplo. 6. Entre los compuestos heterocíclicos cuales tienen importancia biológicas. 7. En que consiste la homeostasis y como influye en los seres vivos.

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p 2 p(p 3 4 5 p

r r

Describir la naturaleza de los principales componentes subcelulares, su función y su composición química. Explicar como el microscopio electrónico y la ultracentrífuga han ayudado con el estudio de la bioquímica de la célula.

3# ! $ El ser humano, como todos los seres vivos, está formado de células, unos 100 billones, unidas entre sí por estructuras intercelulares de sostén. Las mismas células se comportan como pequeños seres vivos porque realizan idénticas funciones vitales que los organismos pluricelulares: necesitan nutrirse para asegurar su vida, utilizan los mismos principios inmediatos y el oxígeno para obtener energía, responden a determinados estímulos y tienen capacidad para reproducirse. Las células se clasifican en: # #" $: Los microorganismo unicelulares más sencillos y pequeños que existen son loa procariotas conocidos generalmente como bacterias, se las considera los actuales representantes de las células ancestrales que a pesar de su relativa simplicidad estructural han logrado vivir mucho más que otros organismos y a la fecha constituyen las células más abundante sobre la tierra. La razón de ello radica en su alta capacidad de adaptación, que les permite tener índice elevado de reproducción



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Las células eucariotas están representadas por organismo unicelulares o multicelulares , los primeros constituyen el grupo protista, conocidos como protozoarios o ³los primeros animales´, a pesar de su constitución relativamente simple, sus diferentes especies poseen estructuras y forma de comportamiento especializadas, como fotorreceptores, flagelos, así como la capacidad de fagocitar diversas partículas incluyendo células. or otra parte , las células de organismo multicelulares se agrupan en varios tejidos y órganos con funciones especial izadas. Estos grupos de células diferentes actúan como

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una unidad debido a la existencia de varios sistemas de comunicación intercelular.

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Membrana |elular La membrana está constituída de lípidos y proteínas. La parte lipídica de la membrana está formada por una película bimolecular que le da estructura y constituye una barrera que impide el paso de substancias hidrosolubles.

Las proteínas de la membrana están suspendidas en forma individual o en grupos dentro de la estructura lipídica, formando los canales por los cuales entran a las células, en forma selectiva, ciertas substancias.

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La selectividad de los canales de proteínas le permite a la célula controlar la salida y entrada de substancias así como los transportes entre compartimentos celulares. Las proteínas de la membrana no solo hacen que el transporte a través de ella sea selectivo, sino que también son capaces de llevar a cabo transporte activo (transferencia en contra del gradiente de concentración). Las demás funciones de la membrana, como son el reconocimiento y unión de determinadas substancias en las superficies celular están determinadas también por la parte proteica de la membrana. A estas proteínas se les llaman receptores celulares. Los receptores están conectados a sistemas internos que solo actúan cuando la sustancia se une a la superficie de la membrana. Mediante este mecanismo actúan muchos de los controles de las células, algunos caminos metabólicos no entran en acción a menos que la molécula "señal", por ejemplo, una hormona, haya llegado a la superficie celular. En la membrana se localizan unas glicoproteínas que identifican a otras células como integrantes de un individuo o como extrañas (inmunoreacción). Las interacciones entre las células que conforman un tejido están basadas en las proteínas de las membranas. Resumiendo, la estructura de las membranas depende de los lípidos y las funciones dependen de las proteínas.

Ê cleo A la membrana que envuelve el núcleo se le conoce como envolvente nuclear y consiste de dos membranas concéntricas. La membrana exterior da hacia el citoplasma y la interior hacia el nucleoplasma. La membrana nuclear tiene unos poros que casi son obstruidos por una estructura densa que se le llama anillo. Este es el conducto por medio del cual salen del núcleo hacia el citoplasma los ácidos ribonucleicos bien sean libres ( ARN mensajero o ARN de transferencia) o como subunidades ribosomales. Dentro del núcleo se encuentran unas masas de fibras formadas por ADN nuclear y proteínas. Cada molécula de ADN y sus proteínas asociadas constituyen un cromosoma. El núcleo de una célula humana contiene 46 cromosomas. Al conjunto de los cromosomas que se encuentran dentro de una célula se le llama cromatina. Dentro de la cromatina se distinguen varias estructuras que se llaman nucleolos, fibras nucleolares y gránulos nucleolares. Los nucleolos son parte de la cromatina y se especializan en el ensamble de las subunidades que constituyen los ribosomas. El núcleo es el centro de control de la célula. Desde aquí se dirige la síntesis de enzimas en los ribosomas del citoplasma y por ende se determina la actividad metabólica de la célula. Se conserva, replica y expresa la información genética

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de la célula. Como se trató anteriormente, el conjunto de enzimas que se encuentran en una célula determinan su actividad metabólica.

Estructura del Núcleo.

|itoplasma El citoplasma está constituido por los organelos y el citosol. Los organelos más importantes son los #+$ $( "# $( & ! $ y otras estructuras unidas a las membranas. Al líquido en el que sobrenadan los organelos se le conoce como citosol. +$ $' La síntesis de las proteínas tiene lugar en el citoplasma. Después de que los mARN y los tARN se sintetizan en el núcleo, pasan a través de los anillos en la envolvente nuclear y entran al citoplasma como moléculas independientes. El rARN entra al citoplasma como subunidades ribosomales. Existen dos tipos de subunidades. En el citoplasma se unen las dos subunidades con moléculas de mARN para formar ribosomas completos activos. Los ribosomas completos tienen un diámetro de 25-30 nm. Los ribosomas activos pueden estar suspendidos en el citoplasma o unidos al #"!%!6$#0$ (RER). Los ribosomas suspendidos en el citoplasma sintetizan las siguientes proteínas: a) las que formarán parte del citosol, b) las que constituirán los elementos estructurales y c) las que forman los elementos móviles del citoplasma. Los ribosomas del RER sintetizan las proteínas que van a formar parte de las membranas o del contenido de las vacuolas. "! %!6$. El RER es un conjunto de membranas interconectadas que forman un extenso sistema de canales y que tienen unidos ribosomas.

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Las proteínas sintetizadas en el RER se integran a sus membranas o las atraviesan y pasan a los canales del RER. Las proteínas que forman parte del RER eventualmente emigran para integrarse a otras membranas, entre ellas la membrana plasmática. En los canales del RER se forman las proteínas complejas (glicoproteínas, lipoproteínas, sulfoproteínas, etc.), vía la adición de los grupos prostéticos las cuales son transportadas a otras partes de la célula o enviadas al exterior de la misma. La región del RER, donde se transforman y desplazan las proteínas, tiene la forma de sacos aplanados y se le conoce con el nombre de #%$3!0. En los Cuerpos de Œolgi se sintetizan también algunas de las macromoléculas que no son proteínas. Ejemplo de estos compuestos son los polisacáridos estructurales y los de almacenamiento. La parte del retículo endoplásmico no asociado a ribosomas, se conoce como retículo endoplásmico liso. Este sistema se encarga de la degradación de grasas cuando se metabolizan para la producción de energía, o cuando se involucran en la destoxificación de substancias que hayan penetrado la célula. ! $'7 Las vacuolas son sacos que almacenan proteínas para su uso posterior dentro de la célula o para exportarse al exterior de la misma. Las vacuolas de excreción envían su contenido hacia afuera de la célula mediante el proceso de exocitosis. Las vacuolas también pueden actuar para transportar hacia el interior de las células substancias que no se pueden difundir a través de la membrana celular. El proceso se llama endocitosis y es la forma en que las células introducen macromoléculas y material corpuscular. En la exocitosis las vacuolas de excreción se acercan a la membrana celular, se funden con ella y su contenido termina en el exterior de la célula.

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En la endocitosis las moléculas que se van a introducir a la célula se unen al exterior de la membrana celular, se forma una invaginación y se constituye una vacuola. Esta vacuola puede emigrar al lugar de la célula donde su contenido se digerirá o será transformado.

$$ $'7 Son vacuolas producidas por el RER y los cuerpos de Œolgi, contienen enzimas digestivas que pueden romper la mayoría de las biomoléculas. En muchos casos las substancias obtenidas por endocitosis son llevadas a los lisosomas para su rompimiento. El contenido de los lisosomas se puede enviar al exterior de la célula para digerir substancias que se encuentren en el exterior. En algunas ocasiones se liberan las enzimas de los lisosomas hacia el interior de la célula causando la muerte celular. Esto puede ser producto de procesos patológicos, daños por tóxicos o ser parte del proceso de desarrollo embrionario. or ejemplo la pérdida de la cola de los renacuajos es producida por este tipo de muerte celular. "# .- Es un organelo complejo, unido a membranas, que cambia de forma. La forma reconocida como típica, es un corpúsculo alargado con un diámetro de aproximadamente media micra y una micra de longitud. Está rodeado de una doble membrana. La membrana exterior es lisa y continua y la membrana interior se dobla y se extiende hacia el interior en proyecciones tubulares llamadas cristas. El espacio que queda en el interior de las mitocondrias se le llama matriz. A las mitocondrias se les conoce como las centrales de fuerza de la célula, porque en ellas se llevan a cabo las reacciones de oxidación que producen la energía que utiliza las células. Las miticondrias generan la gran mayoría de los AT (adenosín-tri-fosfato) que necesita la célula, por medio de la fosforilación oxidativa del AD (adenosín-di-fosfato).

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Esquema de una Mitocondria. Las mitocondrias son prácticamente autónomas. Tienen su propio ADN y ribosomas. Actúan prácticamente igual que una bacteria. De hecho se piensa que las mitocondrias fueron bacterias que quedaron embebidas en una célula que evolucionó para convertirse en célula eucariota. Membrana nuclear Es doble y permite el paso recíproco de sustancias entre el núcleo y el citoplasma gracias a su estructura porosa.



Plasma nuclear:

Líquido claro y viscoso donde se sumergen las demás estructuras nucleares.

Êucléolo: Corpúsculo esférico, que aparece aislado o en grupos, relacionado con la formación de los ribosomas.



|romatina:

Sustancia que puede adoptar diversas tonalidades y que está formada por largos filamentos de ADN (ácido desoxirribonucleico). Estos presentan unas partículas, los genes, que contienen, cada uno de ellos, información sobre una determinada función celular.

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5 p p1/"$ Existen muchos métodos, pero uno de los más utilizados en el laboratorio consiste en separar los distintos componentes de las células, o las células mismas, aprovechando sus diferentes densidades, y el hecho de que, por lo tanto, la velocidad con que sedimentan los distintos componentes varía de acuerdo con esa densidad. La siguiente figura muestra en forma simplificada el procedimiento que puede utilizarse para separar los componentes de una célula, y que consiste esencialmente en dos sistemas; en el más usado de ellos, llamado de centrifugación diferencial, se realizan centrifugaciones a distintas velocidades y tiempos para obtener sus componentes. or ejemplo, para sedimentar las mitocondrias de células hepáticas basta con centrifugar alrededor de 10 minutos el homogeneizado a una velocidad que produzca algo así como 8 000 veces la fuerza de la gravedad. ero antes de eso, será necesario sedimentar partículas más pesadas como los núcleos. Entonces, lo que se hace primero es centrifugar a una velocidad menor y después sedimentar las mitocondrias. Si lo que se trata de obtener son los ribosomas de las células, es necesario centrifugar durante aproximadamente 30 minutos a una velocidad que genere algo así como 100 000 veces la fuerza de la gravedad.

La sedimentación de componentes celulares por centrifugación.

Otro de los procedimientos consiste en la preparación en un tubo de centrífuga de una solución que puede ser de sacarosa o de otras sustancias, en la cual la concentración de la sustancia disuelta va aumentando de arriba a abajo en el tubo. Esto equivale a que existan entonces diferentes densidades a distinta altura. Si luego se coloca un homogeneizado o una preparación un poco más pura obtenida de alguna célula, y se le somete a una centrifugación, cada una de las partículas presentes en el homogeneizado se va a detener en el punto en donde la densidad del líquido sea igual a la propia. Así, los núcleos viajarán

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hacia la parte inferior del tubo, las mitocondrias se quedarán en una zona intermedia por arriba de la anterior, y los ribosomas en una zona todavía más arriba. El procedimiento que se llama de centrifugación en un gradiente de concentración, en ocasiones permite separar componentes celulares que tienen densidades relativamente semejantes. Como ya se mencionó, las propiedades de las membranas de las partículas subcelulares pueden estudiarse utilizándolas intactas; se pueden realizar los experimentos directamente con las partículas obtenidas en la centrifugación. Sin embargo, si lo que se busca es conocer más detalladamente las propiedades de las membranas, y en especial sus componentes, es necesario en principio utilizar un procedimiento semejante al ya mencionado para la preparación de las membranas de los glóbulos rojos; el procedimiento consiste en la ruptura de las membranas y su separación posteriormente, casi siempre por centrifugación diferencial. En todos los casos, cuando se hace la ruptura, cambian las densidades respecto a las células u organelos intactos, y las velocidades de centrifugación y los tiempos utilizados tienen que ser más largos. Las técnicas para la separación de los componentes celulares y sus membranas han evolucionado a tal grado, que ya en esta época es posible obtener una preparación de membranas puras de prácticamente cualquier sistema biológico.

£ %"$ !! #$ . En el interior de las células tienen lugar numerosas reacciones químicas que les permiten crecer, producir energía y eliminar residuos. El conjunto de estas reacciones se llama metabolismo (término que proviene de una palabra griega que significa cambio). Todas las células contienen información hereditaria codificada en moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN); esta información dirige la actividad de la célula y asegura la reproducción y el paso de los caracteres a la descendencia. Estas y otras numerosas similitudes (entre ellas muchas moléculas idénticas o casi idénticas) demuestran que hay una relación evolutiva entre las células actuales y las primeras que aparecieron sobre la Tierra.

8#$!$"# "& r r

Realice la separación de algunos componentes celulares, obsérvelos al miroscopio y grafique. Basando en el esquema de separación de los componentes celulares, ¿Cómo podría Ud. estimar el volumen relativo y la densidad de los microsomas, en contraste con los núcleos y las mitocondrias?.

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r

Disponiendo de 10 gr. De tejido hepático, ¿Cómo haría Ud. para demostrar que los lisosomas de las células hepáticas hidrolizan tejido proteínico muerto?.

p 5 1. ¿Cuál es la naturaleza de la membrana celular?. ¿Qué datos hay indicando la existencia de permeabilidad selectiva a través de la membrana celular? 2. ¿Los Bioquímicos han estudiado intensamente las mitocondrias durante años, ¿orqué se interesan tanto en esta partícula subcelular? 3. En una micrografía electrónica de la célula ¿Cómo puede distinguirse el retículo endoplásmico rugoso del liso?. 4. ¿Cuál es una de las funciones principales de la forma rugosa?.

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p 91 3p:

r r r r

Estudiar las propiedades físicas y químicas, y su función dentro de los procesos bioquímicos. Comprender el papel del H y de las soluciones reguladoras en los organismos vivos. Definir el enlace de hidrógeno y explicar cómo este enlace proporciona algunas propiedades anormales a las moléculas Comprender la significación de una solución amortiguadora y su papel en bioquímica.

!0 La vida tal como se conoce en el planeta Tierra, se desarrolló siempre en un medio acuoso, incluso en los seres no acuáticos; el medio interno es esencialmente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen a las leyes fisco-químicas de las disoluciones acuosas. Efectivamente el agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la biosfera, indudablemente el agua es indispensable para la vida. La estructura del agua, así como sus propiedades físico-químicas hace que sea posible la vida, ya que esta molécula es el disolvente en el que se encuentran las sustancias que se requieren para formar una célula es el medio en el cual tienen lugar la mayor parte de las reacciones metabólicas .

3p |onstante dieléctrica El agua tiene una de las constantes dieléctricas más elevadas.

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$" "!/"# % # !0$%$"$ Constante Compuesto dieléctrica () A 298 K H2 O 78.5 Metanol 32.6 Etanol 24 H2S 9.3 C6H6 2.2 CCl4 2.2 CH4 1.7 Aire 1.00006 Mica 5.4 oliestireno 2.5 & !#! $" "!/"# % # !0$!$'

El agua, por tanto, es uno de los solventes más polares que existen, esto se debe a la presencia de un átomo muy electronegativo, el Oxígeno, y dos muy poco electronegativos, los Hidrógenos en la molécula. La consecuencia de lo anterior, es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente disociadas en presencia de agua. La ionización sucede por que las fuerzas coulómbicas entre las cargas opuestas son débiles y, por tanto, se rompen fácilmente. Estas fuerzas son proporcionales a q+q-/r2, en donde es la constante dieléctrica, q+ y q- son la carga catiónica y aniónica respectivamente. Esta observación es muy importante para los sistemas biológicos pues la diferencia en los gradientes ionicos es la base energética y funcional de muchos procesos. |apacidad calorífica El agua posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1.0 °K. ara los sistemas biológicos esto es muy importante pues la temperatura celular se modifica muy poco como respuesta al metabolismo. De la misma forma, los organismos acuáticos, si el agua no poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no existirían. |alor de vaporización El agua tiene un elevado calor de vaporización, al igual que otros líquidos capaces de hacer puentes de Hidrógeno como el etanol o el ácido acético, pero a diferencia de otros líquidos como el hexano que no los hacen

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H2 O 40.7 a 273 K Ácido acético 41.7 a 391 K Etanol 40.5 a 351 K Hexano 31.9 a 341 K & !#! !#& %#; % # !0$!$' ara los sistemas biológicos esta propiedad es muy importante pues gracias a ella es que se lleva a cabo eficientemente la respiración y sudoración. ensidad El agua líquida es más densa que el hielo a presión y temperatura estándar. Existe un cambio positivo en el volumen después del congelamiento, lo que ocasiona que el hielo flote. Si el hielo no flotara, la vida acuática en cuerpos de agua como lagos y en los polos terrestres, no existiría pues estos cuerpos de agua se congelarían desde el fondo hacia la superficie, de hecho, lo contrario, la capa de hielo que se forma sobre estos cuerpos de agua, resulta en un aislante térmico. àensión superficial El agua tiene una tensión superficial elevada, esto hace que en los procesos biológicos, se utilicen moléculas tipo detergente (anfifílicas) para modificarla. Los surfactantes pulmonares por ejemplo, decrecen el trabajo necesario para abrir los espacios alveolares que permiten el intercambio gaseoso eficiente, la ausencia de estas substancias, ocasiona enfermedades severas y la muerte.

|onstante de ionización Debido a su constante de ionización, el agua posee una conductividad elevada. La conductividad de hielo es elevada, pero 103 veces menor que en el estado líquido. Debido a esta característica el agua participa activamente en la conducción de señales eléctricas en el sistema nervioso. Muchas de las características que hacen al agua un líquido tan particular, se deben a su capacidad de hacer puentes de Hidrógeno.

#% $£$ $!0 ' El estudio de las propiedades del agua es central para la Bioquímica por las siguientes razones:

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A. Casi todas las biomoléculas asumen sus formas, y por tanto sus funciones en respuesta a las propiedades físicas y químicas del agua. B. El agua es el medio de la mayoría de las reacciones bioquímicas. Los productos y reactivos de las reacciones metabólicas, los nutrientes y los productos de desecho, dependen del agua para su transporte en el interior y exterior celular. C. El agua por si misma participa en muchas reacciones químicas que participan en la vida. Frecuentemente los componentes iónicos del agua, los iones H+ y OH-, son reactivos. De hecho la reactividad de muchos grupos funcionales de las biomoléculas, dependen de la concentración de estos iones en los alrededores. D. La oxidación del agua para producir oxígeno molecular, O2, es la reacción fundamental de la fotosíntesis, en donde la energía del sol es almacenada químicamente para soportar la vida. Estructuras e interacciones del agua La naturaleza inodora, incolora e insípida del agua es fundamental para los organismos vivos. La molécula de H2O tiene una geometría doblada pues a pesar de ser simétrica, los enlaces que la forman, no se encuentran en línea recta. Lo anterior se debe a la naturaleza híbrida sp3, de los orbitales del oxígeno que se dirigen hacia las esquinas de un tetrahedro:

#%#$" ! !/! 0 ' La gran diferencia en electronegatividad entre los átomos de Hidrógeno y Oxígeno confiere el 33 % del carácter iónico del enlace O-H como lo indica el momento dipolar del agua (1.85 debyes). El agua es claramente una molécula polar y esta característica tiene importantes implicaciones en los sistemas vivientes.

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as moléculas de agua se asocian entre ellas a través de puentes de hidrógeno El agua es una molécula polar, el átomo de Oxígeno con sus electrones no apareados (2së 2pxë ), posee una densidad de carga negativa (Ñ-), de ±0.66e; en donde e es la carga de un electrón. Los átomos de Hidrógeno poseen una carga parcial positiva (Ñ+) de +0.33e:

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Al realizarse los enlaces con los dos átomos de Hidrógeno, el oxígeno adquiere la configuración del un gas noble o bien cumple con la regla del octeto de Lewis (2s22pxë 2pyë 2pzë ). Aún así en la última capa (L ó 2), el Oxígeno tiene dos electrones sin compartir, es precisamente con esos electrones con los que la otra molécula de agua se orienta para formar el puente de Hidrógeno: Las atracciones electrostáticas entre los dipolos de dos moléculas de agua tienden a orientarse de tal manera que el enlace O-H de una molécula de agua, apunta hacia el par de electrones no apareado del átomo de Oxígeno de la otra molécula de agua. Esto resulta en una asociación direccional intermolecular denominada puente de Hidrógeno El puente de Hidrógeno es una interacción que es crucial para las propiedades del agua y su papel como solvente. Su energía es muy débil (20 kJ mol-1), pero la suma de muchos de ellos hace a los compuestos que los presentan poseer características peculiares. En general un puente de Hidrógeno se representa como: > rrrrrrrrr en donde D-H es un ácido débil (donador) como N-H u O-H+ , a veces S-H+ ; y A es una base débil (aceptor), como N u O y ocasionalmente S. En el agua, los puentes de Hidrógeno tienen una distancia de aproximadamente 1.8 A°. Dadas las características explicadas anteriormente, debe quedar claro que cada molécula de agua puede establecer 4 puentes de

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Hidrógeno con otras moléculas de agua. Lo que hace una malla de moléculas ordenadas. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua proveen de las fuerzas cohesivas que hacen del agua un líquido a temperatura ambiente, de hecho favorecen también el orden extremo de las moléculas en el hielo que es agua sólida.

El agua forma puentes de hidrógeno con solutos polares Los puentes de Hidrógeno no son propios del agua, las moléculas polares como las sales, se disuelven en el agua porque reemplazan las interacciones agua-agua con interacciones agua-soluto que son energéticamente más favorables.

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or el contrario, las moléculas no polares, como las grasas interfieren con las interacciones agua-agua, pero son incapaces de formar interacciones favorables agua-soluto, por lo tanto estas moléculas son poco solubles en agua. Los puentes de hidrógeno, las interacciones ionicas, hidrofóbicas (del griego terror al agua) y de van der Waals, son interacciones muy débiles por si

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mismas, pero colectivamente tienen una gran influencia en la estructura tridimensional de las macromoléculas biológicas.

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os puentes de hidrógeno le dan al agua sus propiedades inusuales El agua tiene puntos de fusión y de ebullición así como calor de vaporizaciones más elevadas que otros solventes comunes

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"+!! (°C)

!# & %#; (J/g)*

Agua 0 100 2,260 Metanol -98 65 1,100 Etanol -117 78 854 ropanol -127 97 687 Butanol -90 117 590 Acetona -95 56 523 Hexano -98 69 423 Benceno 6 80 394 Butano -135 -0.5 381 Cloroformo -63 61 247 +! 1 !#$%"$(%"+!!) !# & %#; % # !0$!$' Estas propiedades inusuales son consecuencia de la atracción entre moléculas de agua adyacentes que le dan al agua líquida una gran cohesión interna. Un

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vistazo a la estructura electrónica de la molécula revela la causa de estas atracciones intramoleculares

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Polaridad

La causa de la mayor atracción intermolecular en el agua se explica por las características mismas de su molécula. Los pares de electrones que se comparten en las uniones covalentes formadas entre el oxígeno y los hidrógenos tienen una distribución desigual, que da lugar a la polarización eléctrica de la molécula. Debido a la mayor electropositividad del núcleo del oxígeno en comparación con la del núcleo del hidrógeno, los dos electrones que forman cada unión covalente O-H se mueven durante más tiempo cerca del núcleo del oxígeno que del núcleo del hidrógeno. En consecuencia, cada uno de los hidrógenos queda rodeado de un potencial parcialmente positivo, mientras que el núcleo del oxígeno está rodeado de un potencial parcial doblemente negativo. Esta distribución electrónica no significa que aparezcan cargas reales, como en la electrovalencia, pero en cambio da lugar a polos eléctricos en la molécula. Esa polaridad se deigna į+ para cada hidrógeno y į 2 para el oxigeno.

Enlace e Hidrógeno La polaridad del enlace O-H tiene una consecuencia importante, los dipolos permanentes de este enlace se atraen entre ellos y la interacción entre el átomo de hidrógeno ligeramente positivo de una molécula de agua y el átomo de oxígeno ligeramente negativo de otra molécula de agua produce una atracción dipolo-dipolo denominada enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. Este tipo de enlace esta englobado dentro de la interacción llamada Inter-moleculares. Un enlace de hidrógeno es tanto mas estable cuanto más lineal sea la orientación del átomo de hidrógeno y los dos átomos

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electronegativos implicados, puente de hidrógeno.

desviaciones de cerca de 45° producen algún

Los puentes de hidrógeno son enlaces relativamente débiles en comparación con el enlace covalente, pero la estabilidad del agua se debe al gran número de enlaces que hay entre las moléculas de agua líquida. Cada molécula de agua puede participar en la formación de 4 enlaces de hidrógeno, en los que los dos átomos de hidrógeno interaccionan con dos dadores y cada par de electrones sin compartir actúan como aceptores en los enlaces de hidrógeno. El agua tiene una estructura definida debido a que dichos enlaces de hidrógeno se encuentran en un estado dinámico de forma que estos se rompen y se vuelven a formar, A esta estructura se la denomina de tipo mosaico. uede por tanto considerarse al agua líquida como un agrupamiento oscilante de moléculas de agua unidas mediante enlaces de hidrógeno que se encuentran en continua reorganización.

En general un enlace de hidrógeno puede formarse cuando un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno, nitrógeno o fluor se encuentra a 0,27-0,3 mn de otro átomo de oxígeno o nitrógeno que posea un par de electrones sin compartir. En otro tipo de enlace como El Enlace C-H, este no es lo suficientemente polar para atraer y retener a un átomo de oxígeno o nitrógeno en un puente de hidrógeno. En el caso del enlace S-H aunque el azufre posee una electronegatividad semejante al del carbono, ese enlace es más polarizante y por tanto un átomo de hidrógeno unido covalentemente al azufre puede formar enlaces de hidrógeno débiles. Las moléculas de agua también se unen por puentes de hidrógeno a diferentes estructuras químicas. En macromoléculas tales como proteínas o ácidos nucleicos, se forman gran cantidad de puentes de hidrógeno, y ello es la base de su estabilidad estructural. En dichas moléculas biológicas existen tantos enlaces de hidrógeno intermoleculares como intramoleculares, entendiendo por enlace de hidrógeno intermolecular aquel que se produce entre moléculas distintas y enlace intramolecular cuando este tipo de interacción ocurre entre grupos de la propia molécula.

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Las propiedades particulares del agua la convierten en una sustancia indispensable para la vida; sus interacciones con las moléculas biológicas permiten en gran parte la estructuración de la arquitectura celular.

Iónización: isociación del agua Dentro de las propiedades de estas sustancias se destaca la capacidad que tiene el agua para disociarse en sus iones y formar disoluciones ácidas o básicas, por lo que el agua puede ser considerada como sustancia anfótera:

Aplicando a esta disociación la ley de acción de masa:

La constante Kw, expresa el producto de las concentraciones de los iones H+ y OH± que, por definición no cambia. En consecuencia, cuando una solución es ácida, la concentración de protones es relativamente alta; pero la concentración de hidroxilos disminuye en una cantidad igual, para que el producto de las concentraciones H+ y OH- se mantenga constante. En el caso de una solución alcalina, la situación se invierte, disminuyendo la concentración de protones y aumentando en forma correlativa la concentración de hidroxilos.

#% $7 6$' Cuando estudiamos iones vimos cómo ciertos átomos ceden un electrón a otro átomo más electronegativo y cómo, al ponerlos en agua, los iones se solvatan y se solubilizan. Un caso especial de ionización es aquel en el que uno de los iones es un protón que se solvata en agua. Brönsted propuso que toda sustancia que se ioniza en agua para dar un protón es un ácido, mientras que el ion que es capaz de unirse a un protón es una base. Este es un concepto muy útil en bioquímica, ya que tanto ácidos como bases participan en un sinnúmero de reacciones biológicas y el exceso o defecto de protones solvatados causa graves alteraciones en la conformación, o estructura tridimensional, de las proteínas. 35

Comencemos nuestra discusión acerca de los ácidos por una sustancia como el ácido clorhídrico, HCl. La electronegatividad del Cl es 3.0 lo que hace que el hidrógeno, con electronegatividad de 2.1 le ceda su electrón para dar H+Cl -. Al colocar H+Cl - en agua, ambos iones son inmediata y totalmente solvatados y la cantidad de hidrogeniones será igual a la cantidad de H+Cl ± añadido: (ver animación)

Donde m es el número total de moléculas de agua y n las moléculas de agua de solvatación. A diferencia de ácidos que, como el clorhídrico o el sulfúrico, se ionizan totalmente en agua y que, por esta razón, se llaman ácidos fuertes, existen otros que tienen cierta tendencia a ionizarse, pero que no lo hacen en forma total. En este caso, sólo una fracción de las moléculas estará ionizada en un momento determinado. A los ácidos que sólo se ionizan parcialmente en agua se les llaman ácidos débiles. ara entender el comportamiento de los ácidos débiles estudiemos el más conocido de todos y sin cuya existencia no sería posible la vida como la conocemos: el agua. Consideremos una molécula de agua en solución, es decir, rodeada de otras cuatro moléculas de agua con las que ha establecido enlaces de hidrógeno:

ensemos que tanto los enlaces s como los de hidrógeno están en continua vibración, es decir, los electrones se acercarán y se alejarán continuamente de uno y de otro núcleo entre los que se encuentran. No será muy difícil esperar que algún protón de un determinado enlace de hidrógeno se aproxime demasiado a un oxígeno que no es el suyo. En ese momento se rompe el balance eléctrico del sistema, la molécula de agua a cuyo oxígeno se aproximó demasiado queda con un protón de más y, por tanto, con una carga positiva formal y esto inmediatamente hace que se rompa la geometría normal del agua y se orientan moléculas de agua alrededor del nuevo ion positivo que llamamos hidrogenion. A su vez, la molécula que perdió el protón queda con un electrón de más y por consiguiente con una carga formal negativa, que orienta y fija moléculas de agua a su alrededor. A este ion se le da el nombre de hidroxilo. 36

Escrita la ecuación en esta forma nos dice: a) que sólo una fracción muy pequeña de todas las moléculas de agua se ioniza; b) que se producen dos iones, uno positivo, el hidrogenion y otro negativo, el hidroxilo; c) que los iones inmediatamente se solvatan orientando un número n de moléculas de agua a su alrededor; d) que no todas las moléculas de agua se orientan alrededor de los iones sino que la mayor parte de las moléculas conservan la geometría normal y e) que los iones se pueden volver a juntar para dar la molécula de agua normal. Escribir la ecuación en esta forma, a pesar de ser tan descriptiva, es bastante complicado por lo que la podemos simplificar como hace la mayoría de los libros:

Lo que la ecuación no nos dice, pero que podemos deducir de nuestra discusión, es que a una temperatura dada, y en el equilibrio, el número de moléculas que se disocia en la unidad del tiempo será igual al de iones que se asocian y que este número será constante. Experimentalmente se ha podido demostrar que la molaridad de protones en agua pura es de 1 x 10-7 . Esto implica que hay 1 x 10-7 x 6.23 x 1023 = 6.23 x 1016 protones espontáneamente disociados en un litro de agua. Si recordamos que molaridad es el peso molecular en gramos de una sustancia disuelta en un litro de agua, podemos calcular la molaridad del agua: 18 g/M/1000 g/L= 55.5 El número de moléculas de agua en un litro será, entonces, 55.5 x 6.23 x 1023 =3.5 x 1025 Así pues, tendremos que 6.23X1016 protones/3.5X1025 moléculas equivale a 1.8X10-9, o sea que casi dos de cada mil millones de moléculas de agua tenderá a disociarse. A pesar de que el número es tan pequeño, tiene muchísimo efecto sobre sus propiedades. La tendencia de una sustancia a disociarse se expresa como una constante que es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los productos e inversamente proporcional a la concentración de la sustancia no disociada. En el caso del agua:

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Reemplazando por sus valores:

10-14 es una concentración muy pequeña en relación con 55.5 moles/L por lo que la concentración del agua no disociada se puede considerar como constante e incorporarse a la constante de disociación para dar una nueva constante, Kw, que se denomina producto iónico del agua, así:

Estas concentraciones se han determinado a 25 C. A temperaturas inferiores, [H+] es menor que 10-7 mientras que a temperaturas superiores será ligeramente mayor. Manejar estas concentraciones tan pequeñas es difícil. or esa razón, Sorensen introdujo en 1909 el término pH, definido como el logaritmo negativo de la concentración de hidrogeniones. Así, podemos decir que el agua pura tiene un pH de 7, ya que siete es el logaritmo negativo de 10-7

Representación del carboxilo solvatado de un ácido orgánico asemos ahora a considerar los ácidos orgánicos que tienen la función carboxilo. Ya deberá ser aparente que, al interaccionar con el agua, el grupo carboxilo se solvatará y el exceso de carga positiva del protón orientará agua a su alrededor. En estas condiciones habrá una tendencia pequeña pero significativa a que, en un determinado momento, el protón se asocie a una molécula de agua formando un hidrogenion, que se solvatará mientras que deja un electrón de más en el grupo carboxilo que adquirirá una carga negativa y, a su vez, se solvatará:

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Formación de hidrogenión Esta reacción se puede escribir:

O más simplemente:

Experimentalmente se ha demostrado que en una solución molar, es decir, una en la que hay un mol de ácido orgánico por litro de agua, se encuentran entre 10-3 y 10-6 moles disociadas. Es decir, que de los 6.23 X 1023 moléculas, entre 6.23 X 1020 y 6.23 X 1017 se encuentran disociadas o, puesto en otros términos, entre el uno por mil y el uno por millón se disocian. Si comparamos este porcentaje con el de los ácidos fuertes que se disocian 100% nos damos cuenta que es muchísimo menor. Así podemos entender porqué estos ácidos reciben el nombre de ácidos débiles. Brönsted introdujo otro concepto que es muy útil. Al ceder el protón al agua, queda el resto de la molécula. Brönsted llamó base conjugada a la parte que queda. Así, todo ácido estará compuesto de un protón que se puede ceder al agua y su base conjugada. odemos ahora escribir una ecuación más general:

La constante que describe las concentraciones en el equilibrio es la constante de disociación:

Nuevamente, esta constante es muy pequeña y en una gran cantidad de ácidos débiles es cercana a 10-5, razón por la cual, por analogía con el pH se usa el logaritmo negativo de la constante en su lugar. Así, un ácido cuya constante de

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disociación es de 10-3 tendrá un pK de 3 y otro, cuya constante de disociación es de 10-5, tendrá un pK de 5.

Representación del efecto de campo del grupo NH2 sobre los electrones del carboxilo

La diferencia en el pK de los ácidos débiles se puede atribuir a la fuerza con la que la base conjugada atrae el protón, fuerza que, a su vez, dependerá del efecto de campo que ejerzan otros grupos funcionales sobre los diferentes electrones del carboxilo a través de la cadena carbonada. Así, el ácido acético cuyo grupo R es simplemente CH3 tiene un pK de 4.75. Un aminoácido tiene un grupo NH2 separado del carboxilo por un carbono, llamado carbono a, que atraerá los electrones del grupo hacia sí y disminuirá la atracción por el protón. odemos comprender, entonces, porqué el pK del grupo carboxílico de un aminoácido es del orden de 2 y porqué es un ácido más fuerte que el acético. En este orden de ideas podemos también entender que otros grupos funcionales diferentes al NH2 que se hallen unidos a la cadena modifiquen el pK. or ejemplo, el pK de la histidina es de 6, el del fenol es de 10.1 y el del grupo NH2 de un aminoácido tendrá un pK de alrededor de 10. Este último caso requiere una reflexión adicional. En efecto, el grupo NH2 puede aceptar un protón que se uniría, en las circunstancias apropiadas, con el par de electrones no compartidos para darnos el ion ±NH3+. odemos, entonces, considerar que el -NH2 es una base, mientras que el grupo ±NH3+ es un ácido.

àitulación ácidos bases Desde los albores de la química experimenta¡, los científicos se dieron cuenta de que algunas sustancias, llamadas ácidos, tienen un sabor agrio y pueden disolver los metales activos como el hierro y el cine. los ácidos también ocasionan que ciertos tintes vegetales como el tornasol cambien de color. En forma semejante, las bases tienen propiedades características, como su sabor amargo y su sensación resbalosa al tacto. Las bases presentan, corno los ácidos, la característica de que cambian la coloración de ciertas sustancias vegetales. La técnica de titulación ácido-base consiste en emplear un ácido de concentración conocida para valorar una base de concentración desconocida o 40

viceversa. ara determinar el punto final (o de equivalencia) de la reacción se pueden utilizar indicadores colorimétrícos o potenciómetros.

àeoría de Bronsted y owry. Las definiciones de Bronsted - Lorwy son, 1. Un ácido de Bronsted - Lowry es un donador de protones, pues dona un ion hidrógeno, H+ 2. Una base Bronsted - Lorwy es un receptor de protones, pues acepta un ion hidrógeno, HAúnque se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso: el amoníaco líquido, que actúa como una base en una disolución acuosa, se comporta como un ácido en ausencia de agua cediendo un protón a una base y dando lugar al anión (ion negativo) amida: NH3 + base NH2- + base + H+ El concepto de ácido y base de Brønsted y Lowry ayuda a entender por qué un ácido fuerte desplaza a otro débil de sus compuestos (al igual que sucede entre una base fuerte y otra débil). Las reacciones ácido-base se contemplan como una competición por los protones. En forma de ecuación química, la siguiente reacción de Acido (1) con Base (2) Ácido (1) + Base (2) Ácido (2) + Base (1) se produce al transferir un protón el Ácido (1) a la Base (2). Al perder el protón, el Ácido (1) se convierte en su base conjugada, Base (1). Al ganar el protón, la Base (2) se convierte en su ácido conjugado, Ácido (2). La ecuación descrita constituye un equilibrio que puede desplazarse a derecha o izquierda. La reacción efectiva tendrá lugar en la dirección en la que se produzca el par ácido-base más débil. or ejemplo, HCl es un ácido fuerte en agua porque transfiere fácilmente un protón al agua formando un ion hidronio: HCl + H2O H3O+ + ClEn este caso el equilibrio se desplaza hacia la derecha al ser la base conjugada de HCl, Cl-, una base débil, y H3O+, el ácido conjugado de H2O, un ácido débil. Al contrario, el fluoruro de hidrógeno, HF, es un ácido débil en agua y no transfiere con facilidad un protón al agua: HF + H2O H3O+ + F-

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Este equilibrio tiende a desplazarse a la izquierda pues H2O es una base más débil que F- y HF es un ácido más débil (en agua) que H3O+. La teoría de Brønsted y Lowry también explica que el agua pueda mostrar propiedades anfóteras, esto es, que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases. De este modo, el agua actúa como base en presencia de un ácido más fuerte que ella (como HCl) o, lo que es lo mismo, de un ácido con mayor tendencia a disociarse que el agua: HCl + H2O H3O+ + ClEl agua también actúa como ácido en presencia de una base más fuerte que ella (como el amoníaco): NH3 + H2O NH4+ + OH-

% 1 ;' El pH (potencial de hidrógeno o concentración de protones) de una solución acuosa se define, de una manera conveniente, por medio de una función logaritmica:

pH = - log [H + ] Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando asi el manejo de cifras largas y complejas. or ejemplo, una concentración de [H+] = 1x10-8 M ( 0.00000001), es simplemente un pH de 8 ya que : pH= - log[10-8]= 8 La relación entre pH y concentración de iones H se puede ver en la siguiente tabla, en la que se incluyen valores típicos de algunas sustancias conocidas:

La escala del pH está basada en la disociación del agua, y tiene como valor central el pH del agua pura a 25 C; por lo tanto es válida para soluciones acuosas.

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$$!+ !?'

El equilibrio de ionización de un ácido débil es dado por la siguiente ecuación: HA Õ H+ + ALa constante de equilibrio K para un ácido débil es: K = ([H+ ][A-])/[HA] El pKa de un ácido es definido como: Ka = - logK = log (1/k) Mirando a la segunda ecuación, es fácil mostrar como el pKa = pH cuando el ácido está disociado a la mitad. [A-] = [HA] Es importante entender la relación entre pH y pK, puesto que esta relación describe como los compuestos químicos cambia de estado en los sistemas biológicos, a medida que cambia el pH. or ejemplo un grupo amino tiene dos posibles estados representados por A- y HA: H H | | R ±N + H+ Õ R ±N+ - H | | H H La relación entre pH y pK se describe mediante la relación de Henderson Hasselbach: H = pKa + log ([A-]/[HA]) or ejemplo si se quiere determinar como está ionizada una solución de valina aun pH de 8.6.; que hacer?. rimero debe saber qué estado tendrán los grupos NH3 al pH de 8.6. Esto se puede calcular fácilmente con la ecuación de Henderson - Hasselbach: Es importante conocer el equilibrio que se obtiene a diferentes pH¶s. En otras palabras la relación entre pH y pKa ara HA Õ H+ + A-

Substituyendo: 8.6 ±9.6 = log ([-NH2]/{-NH3+]) Así que ([-NH2]/{-NH3+]) = 0.1 Entonces habrá 90.9% de ±NH3 + y 9.09% de ±NH2 En una primera aproximación una carga neta de +0.9 es completamente ionizada y podremos dibujar el grupo como ±NH3+

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Estudiando la ecuación de Henderson-Hasselbalch con más detalle encontrará que: a cualquier pH por encima del pKa, la molécula estará más negativamente cargada. · A cualquier pH por debajo del pK a la molécula estará mas positivamente cargada. · Una simple representación gráfica será:

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!$ %$ #' Muchas de las reacciones químicas que se producen en solución acuosa necesitan que el pH del sistema se mantenga constante, para evitar que ocurran otras reacciones no deseadas. Las características de las soluciones reguladoras o ³buffer´ son capaces de mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH, por lo cual tienen múltiples aplicaciones, tanto en la industria como en los laboratorios. Estas soluciones contienen como especies predominantes, un par ácido / base conjugado en concentraciones apreciables. (Mayores que 10-2 M). Se puede preparar disolviendo en agua cantidades adecuadas de un ácido débil y una sal de su base conjugada, (o una base débil y una sal de su ácido conjugado); también se puede obtener una solución reguladora haciendo reaccionar parcialmente (por neutralización) un ácido débil con una base fuerte, o una base débil con un ácido fuerte. Una vez formada la solución reguladora, el pH varía poco por el agregado de pequeñas cantidades de un ácido fuerte ó de una base fuerte, y pierde su capacidad reguladora por el agregado de agua (dilución).

p 1. Escriba las propiedades físicas más importantes del agua que tengan interés biológico 2. Con un ejemplo explique en qué consiste el enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno 3. ¿Qué es la constante de disociación del agua y su producto iónico?, explique y escriba l as ecuaciones correspondientes. 4. Explique que es un ácido y una base según Bronsted. 5. ¿Qué es un ácido débil y un ácido fuerte; base débil y base fuerte? 6. ¿Que es el pH; escriba su fórmula? 7. Escriba el pH de algunas sustancias biológicas 8. Si se conoce el pH de una solución ¿se puede calcular el pOH de la solución? 9. La adición de H+ a un sistema acuoso en equilibrio, ¿causará aumento o disminución de[ OH- ]? Detallar. 10. Una disolución acuosa a 25 C con un pH 6.5 ¿es neutra, ácida o básica?

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p @' :

r r r

Reconocer un aminoácido por su estructura y distinguirlo de otros aminoácidos. Diferenciar las estructuras primarias, secundarias, ternarias y cuaternarias de una proteína por sus características. Ilustrar la formación e hidrólisis de un dipéptido.

#" $ Las proteínas son biomóleculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. ueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. Son sustancias orgánicas nitrogenadas complejas que se hallan en las células animales y vegetales. Son polímeros lineales en los que las unidades monoméricas son los 6$ y serían por tanto los monómeros unidad. Los aminoácidos están unidos mediante enlaces peptídicos. La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido; si el n: de aa. que forma la molécula no es mayor de 10, se denomina oligopéptido, si es superior a 10 se llama polipéptido y si el n: es superior a 50 aa. se habla ya de proteína. Las estructuras de las proteínas originadas a partir de solo 20 aminoácidos, unidades diferentes, llegan a alcanzar grados de complejidad tales, que pueden reconocer a otras moléculas, facilitar reacciones químicas, transportar sustancias.

$"#"# !$6$ Son las unidades básicas que forman las proteínas. Su denominación responde a la composición química general que presentan, en la que un grupo amino (NH2) y otro carboxilo o ácido (-COOH) se unen a un carbono (-C-). Las otras dos valencias de ese carbono quedan saturadas con un átomo de hidrógeno (H) y con un grupo químico variable al que se denomina radical (-R).

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Tridimensionalmente el carbono presenta una configuración tetraédrica en la que el carbono se dispone en el centro y los cuatro elementos que se unen a él ocupan los vértices. Cuando en el vértice superior se dispone el -COOH y se mira por la cara opuesta al grupo R, según la disposición del grupo amino (NH2) a la izquierda o a la derecha del carbono se habla de " -L-aminoácidos o de " -D-aminoácidos respectivamente. En las proteinas sólo se encuentran aminoácidos de configuración L.

En la naturaleza existen unos 80 aminoácidos diferentes, pero de todos ellos sólo unos 20 forman parte de las proteinas. Los aminoácidos que un organismo no puede sintetizar y, por tanto, tienen que ser suministrados con la dieta se denominan 6$ $ !$; y

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aquellos que el organismo puede sintetizar se llaman aminoácidos $ !$' ara la especie humana son esenciales ocho aminoácidos: treonina, metionina, lisina, valina, triptófano, leucina, isoleucina y fenilalanina (además puede añadirse la histidina como esencial durante el crecimiento, pero no para el adulto)

! $ 6$'7 Se pueden clasificar atendiendo su carácter ácido o básico. r r r

Neutros: Alifáticos, aromáticos, azufrados, secundarios. Ácidos Básicos

No obstante tiene más interés y significación el método basado en la polaridad de sus grupos R, cuando se hallan en disolución acuosa, a pH próximo a 7,0 r

6$0#%$%! #$

Son de naturaleza hidrocarbonada y poseen carácter hidrófobo

r

6$0#%$%! #$$ #0 ' Son más solubles en agua porque sus grupos funcionales establecen enlaces de hidrógeno con ella.

48

r

6$0#%$ #0 $0 "& " Son los aminoácidos ácidos, ya que sus grupos R poseen una carga negativa neta a pH 7,0

r

6$0#%$ #0 $%$"& " Son los aminoácidos básicos, en los que los grupos R poseen una carga positiva neta a pH 7,0

#% $ 0# !$ !$ 6$1 "& %" ,$#$-' Los Į-L-aminoácidos poseen isomería óptica. Los isómeros son moléculas que tienen idénticas fórmulas moleculares, es decir, el mismo número de carbonos (c), nitrógeno (N), hidrógeno (H), oxígenos (O), u otro elemento, pero difieren en algún aspecto estructural, lo cual produce distinto tipo de isomería: de cadena, posicional, funcional y estereoisomería; esta última se caracteriza por que las moléculas se distinguen solamente en la distribución de los átomos en el espacio. A la vez , los estereoisómeros pueden ser de dos tipos:

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Estereoisómeros geométricos . Los isómeros geométricos posibilidades: cis o trans.

poseen un enlace doble y pueden tener dos

Estereoisómeros ópticos, Estos, denominados enantiómeros, se caracterizan por ser como el objeto y su imagen en el espejo, que no se superponen. ara eso, la molécula debe ser asimétrica, es decir, que no exista un plano imaginario que divida la molécula en dos partes iguales , como ocurre con los aminoácidos que forman las proteínas, excepto la glicina, ya que esta posee dos hidrógenos unidos al carbno alfa, que tornan a la molécula simétrica.

Representación de los isómeros ópticos en los aminoácidos

La L-asparagina, obtenida por primera vez del espárrago, tiene sabor amargo, la D-asparagina, aislada de la arveja, sabor dulce. Su diferencia estructural se

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encuentra únicamente en la orientación en el espacio del grupo NH3+, y sin duda son estructuras diferentes porque no poseen igual sabor. En el laboratorio para demostrar la presencia de los isómeros ópticos se utiliza el método del grado de desviación de la luz polarizada. En este sentido, una molécula es ópticamente activa si desvía el plano de la luz polarizada. Recuérdese que la luz es una radiación electromagnética que se propaga en todas las direcciones y que, cuando se coloca una película actuante como un polarizador, reobtiene una luz en un solo plano, la cual se desvía si pasa por una solución que contenga aminoácidos ópticamente activos es decir que carezcan de simetría, como los a-L-aminoácidos.

$ $ # "#$" $!$ 6$ Las propiedades químicas de los aminoácidos van asociadas a sus grupos funcionales de manera que existen unas reacciones específicas del grupo carboxilo, otras del grupo amino y otras del grupo R de cada aminoácido. También hay aminoácidos que tienen reacciones específicas propias. Propiedades del grupo carboxilo 1. Formación de ésteres: Se produce si previamente se ha bloqueado el grupo amino, consiguiendo un ácido:

2. Formación de amidas al reaccionar con el amoniaco:

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3. Formación de sales: r

en el grupo carboxilo:

r

en el grupo amino:

4. Formación de haluros de acilo

donde X puede reemplazarse por cualquier halógeno. 5. Formación de aminas, por decarboxilación: En ese tipo de reacciones actúan unas enzimas denominadas genéricamente decarboxilasas.

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Propiedades del grupo amino 6. Desaminación: por oxidación: desaminación oxidativa:

por acción del ácido nitroso:

or esta última reacción se pueden determinar volumétricamente los aminoácidos, en función del nitrógeno formado. 7. Reacción de adición con formol:

El compuesto resultante es un ácido que se puede determinar por adición de sosa (Método de Sorensen). 8. Formación de betaínas: Se producen por metilación del aminoácido por la introducción de uno, dos o tres grupos metilos, obteniéndose las llamadas betaínas mono, di y trisustituidas.

9. Reacción con el dinitrofluorobenceno: Reacción de Sanger:

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El dinitrofluorobenceno (DNFB) se combina con la amina del aminoácido IIberándose ácido fluorhfddco y se forma un dinifrofenilaminoácido (DN-aa):

Esta reacción se puede utilizar para establecer la identidad del aminoácido terminal de una proteína portadora del grupo amino libre y también es muy útil para conocer el número exacto de cadenas que contiene una molécula de proteína puesto que la reacción solo se produce con grupos amino libres. Sin embargo, actualmente este método es muy poco usado, pues el procedimiento con el DNFB no puede repetirse secuencialmente. 10. Reacción con el fenilisotiocianato: Reacción de Edman: El fenilisotiocianato (ITC) reacciona con la amina en un medio alcalino débil:

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Se produce un feniltiocarbamil derivado del aminoácido, que se cicla en medio ácido débil o por acción del calor. El feniltiohidantoinaminoácido (TH-aa) producido es característico del aminoácido, ya que su naturaleza depende de la del grupo R, y se puede identificar cromatográficamente. La degradación de Edman es el método actualmente preferido para la identificación de aminoácidos N-terminales, ya que realizándola secuenciahnente puede llegar a determinarse hasta una secuencia de 25 aminoácidos. 11. Reacción con la ninhidrina: Esta reacción tiene un gran interés, ya que da lugar a una reacción coloreada de los aminoácidos, ampliamente utilizada para la identificación y sobre todo para su determinación cuantitativa. La ninhidrina decarboxila y desamina al aminoácido gracias a su fuerte poder oxidante. La ninhidrina reducida formada reacciona con una molécula de ninciéndos hidnna no reducida y con el amoniaco resultante de la desaniinacion para formar un compuesto complejo que presenta coloración violeta. De esta forma se pueden determinar cuantitativamente los aminoácidos por espectrofotometría, y también por gasometría, gracias al dióxido de carbono que se forma. La coloración violeta es sensiblemente la misma para todos los aminoácidos. Su espectro de absorción presenta un máximo de 570 nm.

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Algunos aminoácidos en particular, como la prolina y la hidroxiprolina, dan con la ninhidrina una coloración amarilla, con un máximo de absorción en 440 nm.

÷eacciones especificas de algunos aminoácidos La cisteína es capaz, gracias a su grupo sulfhidrilo activo, de dar mercáptidos con el ion plata o mercurio, liberándose un hidrogenión. Así se inactivan los grupos sulfhidrilos.

Los aminoácidos con grupos fenólicos, como la Tirosina, dan una reacción característica al calentarse con nitrato de mercurio, Hg(N03)2, en ácido nítrico, produciéndose una reacción de coloración roja. Es la llamada reacción de Millon. Los aminoácidos que poseen grupos sulfhidrilos que estén libre, así, por ejemplo, la cisteína, producen una coloración roja en una reacción con nitroprusiato sódico en solución amoniacal diluida. Esta reacción se conoce por el nombre de ensayo con nitroprusiato.

6$$ !$' Son aminoácidos que deben ser incorporados por medio de la dieta, específicamente de alimentos que contengan proteínas, ya que nuestro 56

organismo es incapaz de sintetizarlos. Son, por tanto, estructuras necesarias para la configuración de nuestra organización estructural y funcional sin que tengamos mecanismos para su síntesis, de ahí su denominación de esencial, puesto que el aporte tiene que ser externo. àriptófano El triptófano es un aminoácido aromático. Uno de los aspectos más relevantes de su biosíntesis es el mecanismo a través del cual los anillos aromáticos se forman a partir de precursores alifáticos. La parte aromática está unida al carbono a a través de un carbono metilénico. El grupo R del triptófano tiene una estructura heterocíclica llamada indol.

Estructura química del triptófano.

Fenilalanina Es un aminoácido esencial aromático (junto con el triptófano y la tirosina) cuyo grupo R contiene un anillo bencénico. Uno de los aspectos más relevantes de su biosíntesis es el mecanismo a través del cual los anillos aromáticos se forman a partir de precursores alifáticos. También se le clasifica, junto con el triptófano, como un aminoácido hidrofóbico con estructura cíclica. Según los últimos estudios sobre los aminoácidos esenciales parece que en la fenilalanina, la estructura carbonada sería su parte considerada esencial ya que esta estructura es transaminada con rapidez por el organismo.

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Estructura química de la fenilalanina.

La mayor parte de este compuesto se transforma, por medio de hidroxilación, en tirosina que es otro aminoácido, en este caso considerado como semiesencial. Además la fenilalanina es el precursor de las catecolaminas en nuestro cuerpo, si bien acortamos el mecanismo en la síntesis de catecolaminas utilizando la tirosina como precursor. También es un constituyente importante de los neuropéptidos cerebrales, como la somatostatina, vasopresina, melanotropina, encefalina, ACTH, angiotensina, sustancia y colecistoquinina. Muchas drogas de las que conocemos como psicotrópicas, contienen fenilalanina. La fuente más importante de fenilalanina son los alimentos ricos en proteínas, como es la carne y los productos lácteos. La fenilalanina tiene utilidades en la industria de la alimentación, por ejemplo, en la elaboración de edulcorantes artificiales. `alina Es un aminoácido hidrofóbico de cadena alifática, ramificado con grupo R isopropilo no polar. La valina, junto con la isoleucina, se sintetizan por medio de reacciones que las llevan a cabo el mismo grupo de enzimas. Es considerado como un aminoácido esencial. Una de sus ramas está formada por un grupo metilo. Tiene una estructura tan similar a la leucina e isoleucina que incluso se ha comprobado que en ocasiones se reemplazan entre sí en determinadas posiciones.

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Estructura química de la valina.

Las rutas biosintéticas de estos tres aminoácidos comparten determinados pasos en plantas y microorganismos y las primeras reacciones catabólicas en los mamíferos se realizan por los mismos enzimas, luego las reacciones son diferentes y es entonces cuando se producen los diferentes productos que van a determinar el tipo de degradación, que en el caso de la valina es glucogénica. El compuesto insaturado derivado de la valina, el metilacrilil-CoA se hidrata y forma b-hidroxiisobutiril CoA, éste se hidroliza de la CoA y el hidroxilo resultante se oxida a aldehido por medio de una enzima deshidrogenasa, formándose el semialdehído metilmalónico. El aldehido se oxida por una deshidrogenasa dependiente de NAD, formándose un tioéster. En esta reacción se produce propionil CoA. La valina aminotransferasa, enzima que interviene en el catabolismo de la valina, está sobre todo en tejidos extrahepáticos, en especial en el tejido muscular.

eucina La leucina, junto con la valina y la isoleucina, es considerada como un aminoácido de grupo R alifático ramificado. Es considerado como un aminoácido esencial. Una de sus ramas está formada por un grupo metilo. Tiene una estructura tan similar a la valina e isoleucina que incluso se ha comprobado que en ocasiones se reemplazan entre sí en determinadas posiciones.

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Estructura química de la leucina.

Las rutas biosintéticas de estos tres aminoácidos comparten determinados pasos en plantas y microorganismos y las primeras reacciones catabólicas en los mamíferos se realizan por los mismos enzimas, luego las reacciones son diferentes y es entonces cuando se producen los diferentes productos que van a determinar el tipo de degradación, que en el caso de la leucina es cetogénica. La leucina se forma a partir por condensación del ácido a-cetoisovalérico que, junto con la acetil CoA, da lugar a una serie de compuestos, hasta que finalmente aparece la leucina. La leucina y la lisina son los únicos aminoácidos que no actúan como fuente de carbono para la síntesis de glucosa, y son los únicos que son cetogénicos pero no glucogénicos. La degradación empieza por la formación de a-cetoisocaproato y después de unas reacciones aparece el b-metilcrotonil CoA que siguiendo la ruta de degradación se transforma en b-hidroxi-b-metilglutaril CoA cuyo destino es ser atacado por una liasa para que aparezca acetoacetato y acetil CoA. Los productos de la leucina son característicos de la oxidación de ácidos grasos.

Isoleucina Es un aminoácido hidrofóbico de cadena alifática, ramificado con grupo R isopropilo no polar. La isoleucina, junto con la valina, se sintetizan por medio de reacciones que las llevan a cabo el mismo grupo de enzimas. Es considerado como un aminoácido esencial. Una de sus ramas está formada por un grupo metilo. Tiene una estructura tan similar a la leucina y valina que incluso se ha comprobado que en ocasiones se reemplazan entre sí en determinadas posiciones. Las rutas biosintéticas de estos tres aminoácidos comparten determinados pasos en plantas y microorganismos y las primeras reacciones catabólicas en los mamíferos se realizan por los mismos enzimas, luego las reacciones son

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diferentes y es entonces cuando se producen los diferentes productos que van a determinar el tipo de degradación, que en el caso de la valina es glucogénica. El tiglil CoA es el compuesto insaturado derivado de la isoleucina y se hidrata para formar a-metil-b-hidroxiisobutiril CoA que se oxida en la forma de derivado de CoA a a-metilacetoacetil CoA el cual es atacado por una tiolasa dando lugar a dos tioésteres, acetil CoA y propionil CoA. El acetil CoA se acumula para cualquiera de sus funciones: oxidación en el ciclo de Krebs, síntesis de ácidos grasos, acetilaciones. or otra parte, el propionil CoA, en su mayor parte, sirve de sustrato para otras reacciones.

Estructura química de la isoleucina.

àreonina Se trata de un aminoácido esencial que, junto con la serina, contiene grupos hidroxi alcohólicos (también se les denomina hidroxiaminoácidos). En éste el grupo OH está en conexión con el grupo a del aminoácido por medio de la posición 1 del etanol, dando lugar a una estructura de alcohol secundario en el grupo R. También se trata de un aminoácido glucogénico, atendiendo al producto final de su degradación, que en este caso, como su propio nombre indica es la glucosa. La treonina se degrada de tres maneras distintas, una de las vías más importantes de degradación es la que produce, como producto final, succinilCoA, pero antes pasa por otras reacciones. En primer lugar, se transforma en 2-oxobutirato por medio de la acción de la enzima treonina deshidratasa; éste se transforma por descarboxilación oxidativa en propionil-CoA que se convierte por medio de una 2-oxoácido descarboxilasa en succinil-CoA. Las otras dos vías de degradación dan lugar a piruvato. La primera consiste en su desdoblamiento en acetaldehído y glicina por medio de la treonina aldolasa. El acetaldehído se oxida a acetato que, posteriormente, se convertirá en acetilCoA y la glicina, por su parte, se transforma en L-serina, que como producto final produce piruvato. La segunda vía de producción de piruvato, comienza con la oxidación del grupo hidroxilo de la treonina, acción que da lugar a 261

amino-3-oxobutirato, éste después de un proceso de descarboxilación da lugar a aminoacetato, que después de producir D-lactato va a convertirse en lactato después de algunas reacciones.

Estructura química de la treonina.

?rginina La arginina es un aminoácido no esencial para los humanos adultos ya que se sintetiza a partir de la L-glutamina. La arginina se degrada dando lugar, como producto final el 2-oxoglutarato. En primer lugar se transforma en L-ornitina, por medio de la acción de la arginasa, que pasa la L-glutamato-g-semialdehído. Este mismo, después de la acción de la glutamato sehialdehído deshidrogenasa, se convierte en L-glutamato que finalmente produce 2-oxoglutarato, liberándose en esta reacción piruvato y alanina.

Estructura química de la arginina.

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Histidina Aminoácido cuya cadena lateral R tiene una naturaleza polar hidrófila básica. La histidina es un aminoácido proteinogénico esencial en la rata, sin embargo en el hombre sólo se detectan alteraciones producidas por su déficit cuando éste se prolonga en el tiempo, por lo tanto es no esencial. En niños es necesario el aporte por alimentación.

Estructura química de la histidina.

La ruta principal de su degradación da lugar al glutamato. En su primer paso de degradación aparece el amoniaco con formación de doble enlace. La descarboxilación de este aminoácido da lugar a la histamina, su amina correspondiente que tiene lugar sobre todo en los mastocitos. sta se segrega en diferentes situaciones. Existen dos péptidos que contienen histidina: la carnosina y la anserina, no obstante, se desconoce el papel que juegan estos péptidos en el músculo, donde se encuentran. Metionina La metionina es un aminoácido esencial cuyo esqueleto de cuatro átomos de carbono se origina desde la homoserina, que es un análogo de la serina, y que se deriva del ácido aspártico, en una serie de reacciones que no se realizan en los mamíferos. Esta estructura carbonada puede ser transaminada con rapidez por el organismo .

Estructura química de la metionina.

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or otro lado, se considera a este aminoácido como glucogénico, así como un aminoácido azufrado que en su conversión pasa a ser cisteína, que además de formar parte de las proteínas, puede dar lugar a varias moléculas de interés biológico (el 80% de la metionina ingerida se convierte en cisteína). En primer lugar, la cisteína da lugar a S-adenosilmetionina, que cede el grupo metilo y se convierte en S-adenosil homocisteína, que a su vez dará lugar a homocisteína. Es en este compuesto donde se bifurca la ruta metabólica, por un lado, puede metilarse dando lugar a metionina o convertirse en cisteína. En esta reacción de metilación interviene el folato y sus derivados, la vitamina B12 como coenzima y la homocisteína metiltransferasa. Estas reacciones son muy importantes para la síntesis del ADN, por lo tanto, cualquier alteración tendrá consecuencias clínicas. isina La lisina es un aminoácido esencial del que se conocen dos rutas esenciales de síntesis. La primera, se lleva a cabo en bacterias y plantas superiores, por medio del ácido diaminopimélico y, la segunda, en la mayoría de los hongos, por medio del ácido a-aminoadípico. La primera ruta, comienza con el piruvato y el semialdehído del ácido aspártico, que por medio de una condensación aldólica pierden agua y dan lugar al ácido 2,3 dihidropicolínico, luego se forma el L,L-,a,e-diaminopimélico, que convertido a su forma meso y descarboxilado da lugar a la lisina. La segunda ruta, el ácido a-cetoadípico es aminado y se transforma en aaminoadípico que se convierte en lisina.

Estructura química de la lisina.

6$#"$ Se conocen más de un centenar, sobre todo en plantas superiores, aunque su función no siempre es conocida. Se pueden dividir en tres grupos:

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'7 7 A : La D-Ala y el D-Œlu forman parte del peptidoglicano de la pared celular de las bacterias. La gramicidina S es un péptido con acción antibiótica que contiene D-he. En ciertos péptidos opioides de anfibios y reptiles también aparecen D-aminoácidos.

2'7 7 A 1 La L-ornitina y la L-citrulina son importantes intermediarios en el metabolismo de la eliminación del nitrógeno y la creatina (un derivado de la Œ) juega un papel importante como reserva de energía metabólica. También pertenecen a este grupo la homoserina y la homocisteína.

9'7B7 A : En estos AA, el grupo amino sustituye al último carbono (carbono w), no al carbono a. La b-Alanina forma parte de algunos coenzimas, y el ácido g-aminobutírico es un importante neurotransmisor.

! "# )" %/%"$' Los péptidos se nombran leyendo secuencialmente los radicales de los aminoácidos integrantes como sustituyentes del último aminoácido, que conserva su nombre propio:

La secuencia de un péptido se presenta esquemáticamente por medio de las tres letras que simbolizan cada radical aminoácido, separando con guiones cada uno de ellos. Esta secuencia va precedida de una H correspondiente al grupo amino libre terminal y concluye con un OH que corresponde al grupo carboxilo libre terminal. Esta notación permite, por lo tanto, deducir sin ambigüedad de la secuencia esquematizada, la fórmula completa del péptido. Al referirse genéricamente a los péptidos se suele hacer mención del número de aminoácidos componentes. Así, un dipéptido consta de dos aminoácidos; un

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tripéptido, de tres, y un oligopéptido, de un número generalmente inferior a 10. Un polipéptido designa una cadena con un número considerable de aminoácidos, generalmente entre 10 y 80; si el número de aminoácidos supera esta cifra se considera que el péptido constituye una molécula de proteína.

Las propiedades físicas y químicas de los péptidos suelen reflejar las de los aminoácidos que los componen. Sin embargo, no se trata de que las propiedades del péptido sean resultado de la simple adición de las propiedades de los ami noácidos integrantes. En efecto, cada enlace peptjdico supone la supresión de dos grupos ionizados, y por tanto, una disminución relativa en el carácter hidrofílico del conjunto. Así, el carácter más o menos hidrofílico de un péptido depende sobre todo de la polaridad de las cadenas laterales de los aminoácidos que lo forman. Análogamente los valores de pK de los grupos ionizables sufren modificación según la proximidad espacial de otros grupos polares. Esto origina que las curvas de valoración de péptidos con un número considerable de aminoácidos adopten formas complejas. De la misma manera, las propiedades de los grupos terminales, amina y carbonilo, se ven amortiguadas a medida que aumenta la masa molecular del péptido.

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# "#$" $)#% $!$ 6$ Los AA son excelentes amortiguadores, gracias a la capacidad de disociación del grupo carboxilo, del grupo amino y de otros grupos ionizables de sus cadenas laterales (carboxilo, amino, imidazol, fenol, guanidino, etc). !+#$; !$0#%$; +!$

!#$%< !$ 6$

Los grupos ácido-base débiles presentan una capacidad tamponadora máxima en la zona próxima al pKa. La tabla de la derecha muestra los pKa de los 20 AA proteicos. Hay que destacar el hecho de que estos valores de pKa calculados para los AA en disolución pueden verse ligeramente modificados en el entorno proteico. Se observa que el único grupo lateral con un pKa próximo al pH fisiológico es la cadena lateral de la histidina. or ello, las proteínas ricas en este AA se comportarán como excelentes amortiguadores fisiológicos.

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El comportamiento ácido-base de los AA es el que va a determinar las propiedades electrolíticas de las proteínas, y de ellas dependen, en gran medida, sus propiedades biológicas. En el modelo de interacción proteínaligando, la carga eléctrica de una y otro juegan un papel fundamental. or este motivo, la función de las proteínas es extraordinariamente sensible al pH: r r

A pH bajo, la mayor parte de los grupos disociables estarán protonados, y por lo tanto habrá un gran número de cargas positivas en la proteína A pH elevado, los grupos disociables no estarán protonados, con lo cual habrá mayor número de cargas negativas

Cambios en el pH se traducen en cambios en el número de cargas de la proteína, y estos cambios pueden inhibir la interacción de la proteína con un ligando determinado. or este motivo, muchas proteínas (enzimas, sobre todo) sólo pueden funcionar en un margen relativamente estrecho de pH. Aquí radica la importancia del mantenimiento de valores constantes de pH en el medio interno del organismo.

#% $67+ $!$ 6$ Un aminoácido simple (con grupo R no polar), a pH neutro, es una molécula eléctricamente neutra. Esta neutralidad no se debe a que no tenga cargas sino

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a que su grupo carboxilo está cargado negativamente y el grupo amino positivamente, confiriendo al aminoácido una carga global nula:

Este tipo de iones dipolares se llama ³zwiteriones´. or su estructura de ³zwiterión´, los aminoácidos pueden actuar como ácidos débiles o como bases débiles. Se dice de la sustancia con ese comportamiento que tienen propiedades anfóteras. El grupo carboxílico puede liberar un protón, actuando como ácido:

El grupo amino puede captar un protón, actuando como una base:

Un aminoácido puede, en solución, presentarse de las siguientes formas:

A pH bajo, el aminoácido existe en su forma catiónica y al ir aumentando éste, el aminoácido toma sucesivamente las formas dipolar y aniónica:

Las constantes de equilibrio de estas dos reacciones son, respectivamente:

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Se define como %"$!/"# de un aminoácido a aquel valor de pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica, es decir, que el aminoácido no tiene una carga neta. En las circunstancias del punto isoeléctico se verifica: [anión] = [catión]. Multiplicando K1 por K2:

Tomando logaritmos: y cambiando de signo: De donde se deduce:

Estudiemos, como aplicación, el caso de la Alanina: se trata de un Įaminoácido sencillo, monoamino y monocarboxílico, que puede ceder dos protones durante su valoración completa con una base. A continuación representamos la curva de valoración bifásica de la Alanina. En ella se comprueba cómo los valores de los pK¶ de las dos etapas de disociación se encuentran lo suficientemente separados para mostrar dos ramas bien distintas. Los valores aparentes de pK¶ para las dos etapas de disociación pueden extrapolar- se a partir de los puntos medios de cada etapa. Son: pKÇ = 2,34 y pK = 9,69.

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Cuando el valor de H es 2,34, punto medio de la primera etapa, se hallan presentes concentraciones equimolares del dador de protones y del aceptor:

A pH 9,69, están presentes concentraciones equimolares de:

Cada una de las dos ramas de la curva bifásica puede expresarse matemáticamente, con una buena aproximación, mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch; esto significa que podemos calcular las relaciones de las especies iónicas a cualquier pH, si se conocen los valores de pK¶. Cuando el pH es 6,02, existe un punto de inflexión entre las dos ramas separadas de la curva de valoración de la Alanina. ara este valor de pH la molécula no posee carga eléctrica efectiva, y no se desplazará en un campo eléctrico. Corresponde, pues, tal valor al llamado ³punto isoeléctrico´, cuyas característica fueros expuestas con anterioridad.

$"#"# ! $#" $' La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio. Estructura Primaria La estructura primaria es la secuencia de aa. de la proteína. Nos indica qué aas. componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aas. se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte.

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Estructura Secundaria La estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Los aas., a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable, la estructura secundaria. Existen dos tipos de estructura secundaria: r r

la a(alfa)-hélice la conformación beta

Esta estructura se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el C=O de un aminoácido y el -NH- del cuarto aminoácido que le sigue.

En esta disposición los aas. no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag, denominada disposición en lámina plegada.

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resentan esta estructura secundaria la queratina de la seda o fibroína. Estructura àerciaria La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma originando una conformación globular. En definitiva, es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y por tanto la terciaria.. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte, enzimáticas , hormonales.

Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces: r r r r

el puente disulfuro entre los radicales de aminoácidos que tiene azufre. los puentes de hidrógeno los puentes eléctricos las interacciones hifrófobas.

Estructura |uaternaria 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.

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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.

#% $! $#" $ Especificidad. La especificidad se refiere a su función; cada una lleva a cabo una determinada función y lo realiza porque posee una determinada estructura primaria y una conformación espacial propia; por lo que un cambio en la estructura de la proteína puede significar una pérdida de la función. Además, no todas las proteínas son iguales en todos los organismos, cada individuo posee proteínas específicas suyas que se ponen de manifiesto en los procesos de rechazo de órganos transplantados. La semejanza entre proteínas son un grado de parentesco entre individuos, por lo que sirve para la construcción de "árboles filogenéticos" esnaturalización. Consiste en la pérdida de la estructura terciaria, por romperse los puentes que forman dicha estructura. Todas las proteínas desnaturalizadas tienen la misma conformación, muy abierta y con una interacción máxima con el disolvente, por lo que una proteína soluble en agua cuando se desnaturaliza se hace insoluble en agua y precipita. La desnaturalización se puede producir por cambios de temperatura, ( huevo cocido o frito ), variaciones del pH. En algunos casos, si las condiciones se restablecen, una proteína desnaturalizada puede volver a su anterior plegamiento o conformación, proceso que se denomina renaturalización.

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! $ ! $#" $ Se clasifican en : HOOP÷OàEÍÊ?S Formadas solamente por aminoácidos HEàE÷OP÷OàEÍÊ?S Formadas por una fracción proteínica y por un grupo no proteínico, que se denomina "grupo prostético´. rolaminas:Zeína (maíza),gliadina (trigo), hordeína (cebada) Œluteninas:Œlutenina (trigo), orizanina (arroz). Œlobulares

Albúminas:Seroalbúmina (sangre), ovoalbúmina (huevo), lactoalbúmina (leche) Hormonas: Insulina, hormona del crecimiento, prolactina, tirotropina Enzimas: Hidrolasas, Oxidasas, Ligasas, Liasas, Transferasas...etc. Colágenos: en tejidos conjuntivos, cartilaginosos

Fibrosas

Queratinas: En formaciones epidérmicas: pelos, uñas, plumas, cuernos. Elastinas: En tendones y vasos sanguineos Fibroínas: En hilos de seda, (arañas, insectos) Ribonucleasa Mucoproteínas

Œlucoproteínas Anticuerpos Hormona luteinizante

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Lipoproteínas

De alta, baja y muy baja densidad, que transportan lípidos en la sangre. Nucleosomas de la cromatina

Nucleoproteínas Ribosomas

Cromoproteínas

Hemoglobina, hemocianina, mioglobina, que transportan oxígeno Citocromos, que transportan electrones

/"$$% # %#" $ Las proteínas se encuentran en la naturaleza formando parte de mezclas complejas. En consecuencia, la purificación de una proteína es una operación bioquímica fundamental para la cual se dispone de una serie de técnicas específicas. En primer lugar, la utilización racional de técnicas de precipitación selectiva permite la obtención de fracciones considerablemente enriquecidas en una proteína determinada. Las propiedades ácido-base de las proteínas constituyen el fundamento de la purificación por cromatografía de intercambio jónico. En esta técnica, las proteínas, disueltas en medio acuoso a pH controlado, pueden ser selectivamente retenidas por un soporte iónico insoluble (fase estacionaria) o arrastradas por el flujo de disolución amortiguadora (fase móvil). Una variedad cromatográfica que permite el aislamiento muy selectivo de proteínas es la cromatografía de afinidad. En esta técnica, la fase estacionaria contiene grupos funcionales que retienen específica y reversiblemente, una proteína determinada. La proteína retenida, separada de las demás, se eluye a continuación en un medio adecuado. Otra técnica muy empleada es la filtración por gel, o tamizado molecular, que permite la separación de sustancias según el tamaño de la partícula. En esta técnica, la fase estacionaria está constituida por un gel hidrofílico que retiene abundante cantidad de agua, y la fase móvil, por un medio acuoso en exceso del que retiene el gel. Las partículas pequeñas (iones inorgánicos...) disponen en su emigración de toda el agua (móvil y estacionaria) del sistema; las partículas mayores encuentran, según su tamaño, impedimentos estéricos para penetrar en el agua de inhibición de la fase estacionaria y, en consecuencia, emigran arrastradas por la fase móvil, sin ser retenidas por el gel. El orden de elución de las partículas es inverso a la cantidad de agua accesible a ellas y, por lo tanto, a su masa molecular. Las proteínas en disolución presentan carga eléctrica neta, lo que les hace orientarse y emigrar en un campo eléctrico. 76

El desplazamiento hacia uno de los polos es más rápido cuanto mayor es su carga neta y menor su masa molecular. este es el fundamento de las técnicas electrofoi-étjcas. Entre las más utilizadas está la electro foresis sobre acetato de celulosa, muy empleada en la clínica para la separación de proteínas séricas. Las mezclas complejas de proteínas se resuelven bien sobre geles de poliacrilamida. La previa solubilización de las proteínas con dodecilsulfato de sodio (SDS) les confiere una carga negativa superficial que las equipara en carga eléctrica, con lo que el desplazamiento electroforético depende únicamente y en razón inversa de su masa molecular. Una variante de la electroforesis es el isoelectroenfoque. En esta técnica se genera un gradiente de H en el mismo soporte de la electroforesis. Al aplicar un campo eléctrico, las proteínas se desplazan sobre el soporte hasta que alcanzan la zona de su pH isoeléctrico. En este punto, el campo eléctrico no ejerce ninguna atracción sobre la molécula proteica debido a que su carga neta es nula. Finalmente, las proteínas pueden separarse según su comportamiento. en un campo gravitacional. La ultracentrifugación somete a la suspensión de proteínas a una fuerza centrífuga cuidadosamente controlada y registra, mediante sistemas ópticos y fotográficos, el movimiento de las macromoléculas en la suspensión. A partir de la velocidad de sedimentación de la partícula (dx/dt) y de las características de la centrifugación se obtiene su coeficiente de sedimentación (s) en unidades svedberg (S). Un svedberg equivale a 10-13 segundos. @cc ccccccc ccc donde x es la distancia de la proteína a eje de rotación, y w, la velocidad angular. Algunos de los métodos citados permiten no sólo la purificación d proteínas, sino la medición de ciertos parámetros como el pH isoeléctrico (isoelectroenfoque) o la masa molecular (filtración por gel, electroforesis y ultracentrifugación). La filtración por gel y la electroforesis con SDS permiten averiguar la masa molecular previa calibrada del sistema con proteínas patrón de masa molecular conocida. En el caso de la ultracentrifugación, existen fórmulas más o menos aproximadas. La más sencilla, poco exacta aunque válida para obtener estimaciones rápidas, en el caso de proteínas globulares, es la siguiente:

M= 6.000 * S3/2 Así, por ejemplo, el quimotripsinógeno tiene una masa molecular real de 23.240 y s = 2,54 S. Aplicando la fórmula anterior, obtenemos una masa molecular calculada de 24.300 daltons, en buen acuerdo con la real. En la siguiente figura se representan esquemáticamente algunas técnicas aplicables a la separación de proteínas.

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Algunas técnicas de separación de proteínas. a) Cromatografía de intercambio jónico. b) Cromatografía de afinidad. c) y c¶) Filtración por gel. d) Electroforesis. e) Electroenfoque.

£$! $#" $ Como las glucoproteínas que forman parte de las membranas. Las histonas que forman parte de los cromosomas Estructural

El colágeno, del tejido conjuntivo fibroso. La elastina, del tejido conjuntivo elástico. La queratina de la epidermis.

Enzimatica

Son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas y puedes verlas y estudiarlas con detalle aquí. Insulina y glucagón Hormona del crecimiento

Hormonal Calcitonina Hormonas tropas Inmunoglobulina Defensiva Trombina y fibrinógeno

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Hemoglobina Transporte

Hemocianina Citocromos Ovoalbúmina, de la clara de huevo

Reserva

Œliadina, del grano de trigo Lactoalbúmina, de la leche

! %"' Los aminoácidos se unen uno al otro, vía los grupos alfa amino de un aminoácido con el grupo alfa carboxilo de otro aminoácido. A esta unión se le denomina! %%" y al producto se le denomina péptido.

Enlace eptídico. Si se unen dos aminoácidos se le denomina dipéptido, y si son muchos se le llama polipéptido. Las proteínas están formadas por uno o más polipéptidos. En algunas ocasiones los polipéptidos están formados por más de 100 uniones peptídicas, o sea, son largas cadenas integradas por un número relativamente grande de aminoácidos. A la secuencia en la cual están acomodados los aminoácidos en una cadena peptídica se le denomina estructura primaria y se determina genéticamente. La estructura primaria determina la estructura tridimensional de la proteína, la que a su vez determina su función.

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Estructura Tridimensional de una roteína (Citocromo).

Los polipéptidos se sintetizan en los organelos citoplasmáticos llamados ribosomas. Los aminoácidos se van uniendo, uno a uno, a la cadena del polipéptido en formación. La selección de cuál aminoácido se integra en un punto dado de la cadena, está determinada por el mensaje genético transportado desde los cromosomas por medio de los ácidos ribonucleicos. Una vez que se termina la construcción de la cadena, el polipéptido se libera al citoplasma donde se dobla sobre sí mismo hasta obtener la estructura tridimensional propia, pudiéndose agrupar con otros polipéptidos para constituir la proteína biológicamente activa. La estructura tridimensional está determinada por las interacciones entre los residuos de los aminoácidos que forman la cadena peptídica. Los grupos lipofílicos tienden a estar en el centro de la molécula y los grupos polares hacia afuera. Los residuos sulfurados forman uniones disulfhidrilo que estabilizan la forma de la proteína. Las uniones del tipo interacciones de van der Waals y los puentes de hidrógeno ayudan a posicionar las cadenas en el espacio, estabilizando la estructura tridimensional. El proceso por medio del cual la proteína adquiere su conformación en condiciones fisiológicas es espontáneo, no está catalizado por ninguna enzima y la conformación final depende exclusivamente de la estructura primaria. Cuando la proteína contiene, además de las cadenas de polipéptidos otros compuestos diferentes, se dice que la proteína es compleja. Ejemplo de proteínas complejas son las glicoproteínas involucradas en las inmunoreacciones, las hemoproteínas como la hemoglobina y la mioglobina involucradas en el transporte de oxígeno y, el citocromo -450 involucrado en reacciones de óxido/reducción.

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# ! $ $!%%" $' ara formar péptidos los aminoácidos se van enlazando entre sí formando cadenas de longitud y secuencia variable. ara denominar a estas cadenas se utilizan prefijos convencionales como: Oligopéptidos.- si el n de aminoácidos es menor de 10. ipéptidos.- si el n de aminoácidos es 2. àripéptidos.- si el n de aminoácidos es 3. àetrapéptidos.- si el n de aminoácidos es 4. Etc Polipéptidos o cadenas polipeptídicas.- si el n de aminoácidos es mayor de 10. Cada péptido o polipéptido se suele escribir, convencionalmente, de izquierda a derecha, empezando por el extremo N-terminal que posee un grupo amino libre y finalizando por el extremo C-terminal en el que se encuentra un grupo carboxilo libre, de tal manera que el eje o esqueleto del péptido, formado por una unidad de seis átomos (-NH-CH-CO-), es idéntico a todos ellos. Lo que varía de unos péptidos a otros, y por extensión, de unas proteínas a otras, es el número, la naturaleza y el orden o secuencia de sus aminoácidos. Si la hidrólisis de una proteína produce únicamente aminoácidos, la proteína se denomina simple. Si, en cambio, produce otros compuestos orgánicos o inorgánicos, denominados grupo prostético, la proteína se llama conjugada.

£$ #" $ $% $1 !+* $( 3!+! ( 0!+ ( !60$! ' ?lb mina La albúmina es una proteína simple formada por una sola cadena, su aminoácido N-terminal es el ácido aspártico y el C-terminal la leucina en la especie humana, su peso molecular es de 66.000, tiene forma de elipsoide con unas dimensiones de 141 Å de eje mayor y 41 Å de eje menor. or titulación se comprueba que tiene 180 grupos funcionales con actividad iónica, de lo que resulta con 18 cargas negativas libres en las condiciones habituales de pH y fuerza iónica. Debido a la existencia en su molécula de puentes ² S ² S ² y un grupo ² SH libre, las moléculas de albúmina pueden unirse formando dímeros. Su pequeño tamaño y el gran número de cargas hace que se desplace en primer lugar en el patrón electroforético, su pH1 es de 4,7. Es la fracción principal de las proteínas del plasma de las que constituye entre el 60 y 70%, su concentración varía entre 4 y 5 g/dl en individuos normales.

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Tiene tres funciones importantes: 1. Transporta sustancias fisiológicas y no fisiológicas, insolubles en agua, estableciendo uniones de tipo iónico. Entre estas sustancias están: ácidos grasos, bilirrubina, hormonas como corticoides y tiroxina, vitaminas como la B12, diversos fármacos y cationes como Ca2 y Mg2. 2. Es la proteína más importante en el mantenimiento de la presión oncótica e la sangre; al fijar agua en su molécula impide que escape de los vasos sanguíneos. 3. Contribuye a la capacidad tampón de la sangre. Se sintetiza en el hígado, 12 g/día, a través de un precursor más grande, la proalbúmina. Se degrada proteolíticamente y tiene una vida media de 20 días. Œlobulinas #" Į-giobulinas: * rotrombina

,#- 0C! 0.8

"$$ Hígado

£ Coagulación sanguínea.

*Transcortina

Hígado

Transporta cortisol y corticosterona.

* Haptoglobina

Hígado

Transporta hemoglobina de los eritrocitos lisados Transporta cobre por la sangre.

* Ceniloplasmina

* Į-lipoproteína (HDL) ȕ-globulinas * Transferrina

$$

Ļ En enfermedades hepática Ļ En enfermedades hepáticas

Ļ En enfermedades hepáticas Está implicada en la enfermedad de Wilson, acúmulo de cobre en sistema nervioso central.

Transporta lípidos. 0.9 Hígado

Transporta hierro.

Ļ En el embarazo y en

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* lasminógeno

Hígado

* Factor C3 del complemento

Defensa biológica.

*Lecitíncolesterol astiltransferasa (LACT)

Hígado

Ǻ-lipoproteína (LDL)

Esterifica colesterol.

Ļ En enfermedades hepáticas.

Transporta lípidos.

*Fibrinógeno ī-globulinas *Inmulobulinas

Fibrinolisis.

enfermedades hepáticas. Ļ En enfermedades hepáticas.

Hígado

Coagulación sanguínea

Ļ En enfermedades hepáticas

0.9 Células Anticuerpos. plasmáticas

*C6, C7, C8

Factores del complementa

*roperdina

Activación no específica del complemento.

ĹEn infecciones

Insulina Aunque ya en 1889 se demostró que la extirpación del páncreas de un animal provocaba diabetes sacarina, fue en 1922 cuando Banting y Best desarrollaron un método para obtener extractos activos de páncreas. En poco tiempo pudo disponerse de insulina en cantidades suficientes para tratar los diabéticos. Se obtuvo cristalizada en 1926. Más recientemente, gracias al resultado de los brillantes trabajos de Sanger y colaboradores, se ha descrito tina molécula formada por dos cadenas de aminoácidos con peso molecular de 6 000. Se cree que la molécula nativa consiste en cuatro cadenas con peso molecular de 12000. Como se trata de una proteína, no es eficaz istrada por la boca, porque las enzimas proteolíticas del tubo digestivo la hidrolizan y suprimen su actividad. La insulina suele inyectarse por vía subcutánea cuando se istra a los diabéticos.

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La insulina disminuye la glucemia aumentando la conversión de glucosa en glucógeno hepático y muscular, regulando la oxidación de glucosa por los tejidos, y evitando la desintegración de glucógeno hepático para proporcionar glucosa. En el músculo y en el tejido adiposo la insulina actúa aumentando el transporte de glucosa a través de membranas hacia las células. También, hay muchos datos indicando que en el tejido hepático la insulina actúa controlando la fosforilación de la glucosa para formar 6-fosfato de glucosa, que constituye la primera etapa en la producción de glucógeno. En ausencia de un aporte adecuado de insulina, la transformación de glucosa extracelular en 6- fosfato de glucosa intracelular está retrasada. Hemoglobina La ?0!+ es una heteroproteína de la sangre, de peso molecular 68.000, de color rojo característico, que transporta el oxígeno desde los órganos respiratorios hasta los tejidos, en mamíferos y otros animales. La forman cuatro cadenas polipeptídicas (globina) a cada una de las cuales se une un grupo hemo, cuyo átomo de hierro es capaz de unirse de forma reversible al oxígeno.

Cuando la hemoglobina está unida al oxígeno, se denomina oxihemoglobina o hemoglobina oxigenada, dando el aspecto rojo intenso característico de la sangre arterial. Cuando pierde el oxígeno, se denomina hemoglobina reducida, y presenta el color rojo oscuro de la sangre venosa (se manifiesta clínicamente por cianosis.) Reacción paso a paso: Hb + O2 <-> HbO2 HbO2 + O2 <-> Hb(O2)2 Hb(O2)2 + O2 <-> Hb(O2)3 Hb(O2)3 + O2 <-> Hb(O2)4 r

Reacción total: Hb + 4O2 -> Hb(O2)4

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%$?0!+

r

r

r

r

r r

Metahemoglobina hemoglobina con grupo hemo con hierro en estado ferrico (3+). esta no se une al oxigeno, se produce por una enfermedad congénita en la cual hay deficiencia de reductasa metahemoglobina, la cual mantiene en ferroso el estado del hierro. Hemoglobina ? o Hb? es llamada también hemoglobina del adulto o hemoglobina normal, representa aproximadamente el 97% de la hemoglobina sintetizada en el adulto, formada por dos globinas alfa y dos globinas beta. Hemoglobina ?: representa menos del 2,5% de la hemoglobina después del nacimiento, formada por dos globinas alfa y dos globinas delta, que aumenta de forma importante en la beta-talasemia, al no poder sintetizar globinas beta. Hemoglobina s: Es una alteración de la estructura de la globina. Esto es debido a la alteración de un gen. De las cuatro cadenas polipetidicas que forman la hemoglobina (dos alfa y dos beta), las alfa van a permanecer igual, pero va a haber una alteración en las cadenas beta. El resto aminoacido seis, en vez de llevar glutamico, lleva valina. Esto da lugar a una enfermedad muy grave, la anemia drepanocitica --> los eritrocitos tienen forma de hoz o media luna (drepanocitos). Hemoglobina t Hemoglobina f: Hemoglobina normal del feto que en su mayor parte se degrada en los primeros días de vida del niño siendo sustituida por la hemoglobina A. Durante toda su vida el sujeto normal produce pequeñas cantidades de hemoglobina F. La hemoglobina F tiene una menor capacidad para transportar oxigeno debido a que el feto aun no respira y obtiene el oxigeno necesario directamente de su madre.

|olágeno El !60 es una molécula proteica que forma fibras, las fibras colágenas, estando presentes en cantidad variable en todos los tipos de tejido conjuntivo. Las fibras colágenas son flexibles, pero ofrecen gran resistencia a la tracción. El punto de ruptura de las fibras colágenas de los tendones humanos se alcanza con una fuerza de varios cientos de kilogramos por centímetro

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cuadrado. A esta tensión solamente se han alargado un pequeño tanto por ciento de su longitud original. Cuando el colágeno se desnaturaliza por ebullición, se convierte en una sustancia bien conocida, la gelatina. El colágeno está formado por una proteína precursora llamada tropocolágeno que mide alrededor de 300 nanometros de largo y 1,4 nm de diámetro. El tropocolágeno está formado por tres cadenas polipeptídicas llamadas cadenas alfa, cada una de un peso molecular de alrededor de 100000 daltons. Estas cadenas tienen una configuración helicoidal levógira (hélice de colágeno). Las tres cadenas se enrrollan y se fijan mediante enlaces transversales para formar una triple hélice dextrógira con una distancia entre las vueltas de 8,6 nanometros. El colágeno tiene una composición de aminoácidos especial. Contiene gran cantidad de glicina y prolina, así como aminoácidos que no fueron insertados directamente en el ribosoma, como la hidroxiprolina y la hidroxilisina, que forman un gran porcentaje del total de aminoácidos. Estos aminoácidos son derivados de la prolina y de la lisina por medio de procesos enzimáticos de modificaciones postraduccionales en los que se requiere la vitamina C. %$!60 El colágeno en lugar de ser una proteína única, se considera una familia de moléculas estrechamente relacionadas pero genéticamente distintas, describiéndose varios tipos de colágeno, siendo los principales cuatro. r

r

r

!60"%1 Se encuentra abundantemente en la dermis, el hueso, el tendón y la córnea. Se presenta en fibrillas estriadas de 20 a 100 nm de diámetro, agrupándose para formar fibras colágenas mayores. Sus subunidades mayores están constituidas por cadenas alfa de dos tipos, que difieren ligeramente en su composición de aminoácidos y en su secuencia. A uno de los cuales se designa como cadena alfa1 y al otro, cadena alfa2. Es sintetizado por fibroblastos, condroblastos y osteoblastos. Su función principal es la de resistencia al estiramiento.

!60"%1 Se encuentra sobre todo en el cartílago, pero también se presenta en la córnea embrionaria y en la notocorda, en el núcleo pulposo y en el humor vítreo del ojo. En el cartílago, forma fibrillas finas de 10 a 20 nanómetros, pero en otros microambientes puede formar fibrillas más grandes, indistinguibles morfológicamente del colágeno tipo I. Están constituídas por tres cadenas alfa2 de un único tipo. Es sintetizado por el condroblasto. Su función principal es la resistencia a la presion intermitente.

!60"%1 Abunda en el tejido conjuntivo laxo, en las paredes de los vasos sanguíneos, la dermis de la piel y el estroma de varias glándulas. arece un constituyente importante de las fibras de 50 nanómetros que se han llamado tradicionalmente fibras reticulares. Está constituido por una clase única de cadena alfa3. Es sintetizado por las

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r

células del músculo liso, fibroblastos, glía. Su función es la de sosten de los órganos expandibles.

!60 "% 1 Es el colágeno que forma la lámina basal que subyace a los epitelios. Es un colágeno que no se polimeriza en fibrillas, sino que forma un fieltro de moléculas orientadas al azar, asociadas a proteoglicanos y con las proteínas estructurales laminina y fibronectina. Es sintetizado por las células epiteliales y endoteliales. Su función principal es la de sostén y filtración.

%#" !0 ! $#" $' Su importancia biológica la podemos resumir así: 1. Son las sustancias de la vida, pues constituyen gran parte del cuerpo animal. 2. Se les encuentra en la célula viva. 3. Son la materia principal de la piel, músculos, tendones, nervios, sangre, enzimas, anticuerpos y muchas hormonas. 4. Dirigen la síntesis de los ácidos nucleicos que son los que controlan la herencia. El conjunto de los aminoácidos esenciales sólo está presente en las proteínas de origen animal. En la mayoría de los vegetales siempre hay alguno que no está presente en cantidades suficientes. Se define el valor o calidad biológica de una determinada proteína por su capacidad de aportar todos los aminoácidos necesarios para los seres humanos. La calidad biológica de una proteína será mayor cuanto más similar sea su composición a la de las proteínas de nuestro cuerpo. De hecho, la leche materna es el patrón con el que se compara el valor biológico de las demás proteínas de la dieta. or otro lado, no todas las proteínas que ingerimos se digieren y asimilan. La utilización neta de una determinada proteína, o aporte proteico neto, es la relación entre el nitrógeno que contiene y el que el organismo retiene. Hay proteínas de origen vegetal, como la de la soja, que a pesar de tener menor valor biológico que otras proteínas de origen animal, su aporte proteico neto es mayor por asimilarse mucho mejor en nuestro sistema digestivo.

p 1. Señalar los principales elementos que existen en las proteínas 2. Escribir la fórmula de un aminoácido que contenga tres átomos de carbono ¿cómo llamaría usted a este aminoácidos? 3. Escriba la fórmula y el nombre de un aminoácido que contenga un anillo Heterocíclico

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4. Escribir la fórmula de un aminoácido como zwiterion, y utilizar la estructura para explicar el punto isoeléctrico. 5. En relación con las reacciones de los aminoácidos, ¿Cuál es de mayor interés para identificarla cualitativamente y cuantitativamente? 6. ¿Cuándo se forma un enlace peptídico?, explique con un ejemplo. 7. Según la organización estructural de las proteínas ¿Cómo están conformadas?, explique con ejemplos. 8. Investigue las propiedades de las proteínas y expóngalas. 9. ¿Qué es desnaturalización de las proteínas?, escriba sus causas y efectos. 10. Haga un cuadro hipnótico de la clasificación de las proteínas

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p D1



r r r r

Distinguir la estructura de esta macromolécula de las demás. Distinguir una forma D y una ópticamente activa. Describir el enlace glucósido entre dos monosacáridos. Ilustrar la estructura de un polisacárido empleando varias moléculas de glucosa.

# "#$" $3# !$' Los hidratos de carbono son las sustancias más abundantes de la alimentación, pueden sin embargo participar en funciones de reconocimiento celular de gran especificidad, al determinar, por ejemplo los grupos sanguíneos. Los glúcidos reciben el nombre de carbohidrato por su fórmula general Cn(H2O)m. Es un nombre incorrecto desde el punto de vista químico, ya que esta fórmula sólo describe a una ínfima parte de estas moléculas. Desde el punto de vista químico son aldehídos o cetonas polihidroxilados, o productos derivados de ellos por oxidación, reducción, sustitución o polimerización. D-eritrosa y D-ribosa

D-xilulosa y D-fructosa

También se les conoce por los siguientes nombres: r

3!$0!*$ (de la palabra griega que significa dulce), pero son muy pocos los que tienen sabor dulce.

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r

6#$ (de la palabra latina que significa azúcar), aunque el azúcar común es uno sólo de los centenares de compuestos distintos que pueden clasificarse en este grupo.

Un aspecto importante de los Hidratos de Carbono es que pueden estar unidos covalentemente a otro tipo de moléculas, formando glicolípidos, glicoproteínas (cuando el componente proteico es mayoritario), proteoglicanos (cuando el componente glicídico es mayoritario) y peptidoglicanos (en la pared bacteriana). Los carbohidratos son moléculas compuestas en su mayor parte por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. En la naturaleza se encuentran en los seres vivos, formando parte de biomoléculas aisladas o asociadas a otras como las proteínas y los lípidos. Los carbohidratos no son moléculas cuyos carbonos están hidratados, sino enlazados a grupos alcohólicos o hidroxilos (-OH), y a radicales hidrógeno (-H). Además siempre hay un grupo funcional como una grupo cetónico (-C=O-) o un grupo aldheído (-CH=O), por lo que los glúcidos podrían llamarse polihidroxicetonas (cetosas) o polihidroxialdheídos (aldosas).

! $ !$ #+"$' De acuerdo con su complejidad estructural y concomitante con su peso molecular, los carbohidratos se dividen en cuatro categorías: 1. $ 6#$. No pueden hidrolizarse. 2. !0$ 6#$' Al hidrolizarse producen de tres a diez moléculas de monosacáridos. 3. !$ 6#$' Al hidrolizarse producen más de diez moléculas de monosacáridos. 4. %!$ 6#$.

'$ 6#$ Monosacáridos Simples.Los monosacáridos simples son aldehídos o cetonas polihidroxilados. Los monosacáridos con función aldehído se llaman aldosas (a la izquierda en la figura) y los monosacáridos con función cetona se llaman cetosas (a la derecha en la figura). Según la longitud de la cadena carbonada se distingue entre aldoy cetotriosas, aldo- y cetotetrosas, aldo- y cetopentosas:

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Con la excepción de la dihidroxiacetona, en todos los monosacáridos simples hay uno o varios carbonos asimétricos. En el caso más sencillo, el del gliceraldehído, hay un centro de asimetría, lo que origina dos conformaciones posibles: los isómeros D y L. Todos los demás azúcares se consideran estructuralmente derivados del D- y L- gliceraldehído, y por lo tanto se agrupan en las llamadas series D y L: 70!# !?

70!# !?

H

H

C=O

C=O

H - Cï - OH CH2OH

HO ± C* - H

" H

H ± C ± OH

C=O

CH2OH H ± C - OH H

ara saber a qué serie pertenece cualquier monosacárido basta con representar su fórmula en proyección de Fischer y considerar la configuración del penúltimo carbono. La posición de su grupo OH a la derecha o a la izquierda determinará la serie D o L, respectivamente. La casi totalidad de los monosacáridos presentes en la Naturaleza pertenece a la serie D:

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Al ir aumentando el número de carbonos asimétricos en la molécula, aumenta el número de isómeros ópticos posibles. Los azúcares de la serie D son isómeros especulares de sus homónimos de la serie L. Así, la D-glucosa y la Lglucosa son enantiómeros o enantiomorfos, porque una es la imagen especular de la otra. Cuando los isómeros ópticos no son imágenes especulares se dice que son diastereoisómeros. Y si dos isómeros ópticos difieren en la configuración de un único átomo de carbono, se dice que son epímeros. La Dglucosa y la D-galactosa son epímeros porque sólo difieren en la configuración del carbono 4. Monosacáridos derivados erivados Por Oxidación Los extremos de la cadena carbonada de los monosacáridos pueden oxidarse para dar ácidos carboxílicos: r r r

Si la oxidación tiene lugar en el carbono 1 se obtienen los ácidos aldónicos Si la oxidación tiene lugar en el carbono 6 se obtienen los ácidos urónicos Si la oxidación tiene lugar en los carbonos 1 y 6 se obtienen los ácidos aldáricos

Así, a partir de la glucosa se pueden obtener los ácidos glucónico, glucurónico y glucárico, respectivamente. Los ácidos urónicos son parte esencial de importantes polisacáridos. El ácido glucurónico se une por enlace acetal a numerosas sustancias liposolubles, facilitando su solubilización en agua y su posterior eliminación.

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60! COOH

H ± C - OH

HO ± C - H

60!# H

C=O

H ± C - OH

H ± C ± OH H ± C ± OH CH2OH

HO ± C - H H ± C ± OH H ± C ± OH COOH

#& $# Las aldosas y cetosas, por reducción del grupo carbonilo del carbono anomérico da lugar a polialcoholes (alditoles). Son alditoles de interés biológico el sorbitol, también llamado glucitol, y derivado de la glucosa, el manitol (derivado de la manosa), y el ribitol, derivado de la ribosa. El glicerol (derivado del gliceraldehído) es un constituyente esencial en muchos lípidos, y su éster fosfórico es un importante intermediario metabólico. Un polialcohol cíclico de extraordinario interés es el inositol, que forma parte de un tipo de lípidos de membrana (los fosfoinositoles), cuya hidrólisis da lugar a señales químicas de gran importancia en los procesos de control y regulación de la actividad celular. $=#& $ La sustitución de un OH alcohólico por un H da lugar a los desoxiderivados. Son desoxiderivados de especial interés la 2-D-desoxirribosa que forma parte del ácido desoxirribonucleico (DNA), la 6-desoxi-L-manosa y la 6-desoxi-Lgalactosa (fucosa).

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#& $ La sustitución de un grupo OH de los monosacáridos por un grupo amino (NH2) da lugar a los aminoderivados. La sustitución suele producirse en el carbono 2, y el grupo amino siempre está N-sustituído (lo más frecuente es que esté Nacetilado). Son de especial interés la N-acetil-D-glucosamina y la N-acetil-Dgalactosamina, que aparecen en oligosacáridos complejos de la superficie celular y en polisacáridos nitrogenados de los tejidos conectivos. El ácido murámico es una hexosamina que contiene un residuo de lactato unido al carbono 3 por un enlace éter. Forma parte de los polisacáridos de las paredes bacterianas. E$"#$£$#$ El ácido ortofosfórico (a la izquierda) o los ácidos polifosfóricos pueden formar ésteres con los grupos OH (alcohólico o hemiacetálico) de los monosacáridos. Con ello se introduce un grupo fuertemente electronegativo en una molécula que normalmente no posee carga eléctrica. arece ser que el aporte de cargas negativas a los monosacáridos facilita su interacción con enzimas o con otras estructuras celulares. Estos ésteres fosfóricos son las formas en que el metabolismo celular maneja los monosacáridos. Así, la forma metabólicamente activa de la glucosa es la glucosa-6-fosfato.

2' !0$ 6#$ Los oligosacáridos son oligómeros que generalmente contienen de 2 a 10 unidades de monosacáridos y se encuentran subdivididos según el número de monosacáridos que los constituyen, por ejemplo tenemos los disacáridos, los tetrasacáridos. Los disacáridos más importantes son: r

r

!"$ ;* # !" está compuesta por dos residuos de glucosa, con los enlaces glucosídico ligando el C1 de un residuo con el C4 del otro. Es un azúcar reductor, reduce la solución de benedict y es fermentada por la levadura, su estructura es 4-O-Y-D- glucopiranosil ± glucopiranosa. $ #$ ;* # F se compone de una molécula de glucosa y una de fructosa, la unión incluye los grupos reductores de ambos azúcares (C1 de la glucosa y C2 de la fructosa) es el único disacárido que no reduce el reactivo de benedict. La fermentación de la sacarosa es posible con la levadura, esta contiene dos enzimas la sacarasa y la zimasa; la primera inicia la hidrólisis del azúcar y la zimasas fermenta el monosacárido. 94

Su nombre derivado es Y-D-glucopiranosil- -D-fructofuranosido. r

! "$ se sintetiza por células secretoras de las g gandulas mamarias, contiene cantidades equivalente de galactosa y glucosa, y su estructura es: 4-O- -D-galoctopiranosil-D-glucopiranosa.

Formas de disacáridos más importantes

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9'!$ 6#$ Son moléculas de alto peso molecular, que por hidrólisis producen principalmente monosacáridos, frecuentemente D-glucosa. También pueden producir D-manosa, D y L galactosa, D-xilosa y L-arabinosa. Los polisacáridos difieren en su composición como también en sus pesos moleculares y en otras estructuras. Así unos polisacárido son lineales y otros altamente ramificados. En todos los casos el enlace que une a las unidades de monosacáridos es el enlace glucosídico que puede ser Y o .0. Entre los polisacárido mas importantes están el almidón, el glucógeno y la celulosa. El almidón está constituido por una cadena Y-glucosidica. Los dos constituyentes del almidón son: la amilasa (15 a 20%), que tiene estructura helicoidal no ramificada, responsable del color que adquiere el almidón con el yodo, y la amilopeptina (80 a 85%), que consta de una cadena ramificada, las cuales solo dan color rojo con el yodo, porque no están enrolladas efectivamente. Cada cadena esta compuesta de 24 a 20 residuos de glucosa, los residuos de glucosa están unidos por enlaces 1 4 (A) en las cadenas y por enlace 1 6 (B) en los puntos de ramificación. 3!0' Es un polisacárido que se almacena en el reino animal, su estructura es mas ramificada que la amilopeptina con cadenas de 11 a 18 residuos de Y-D glucopiranosa en enlaces glucosidicos Y (1 4), con ramificaciones unidas por medio de un enlace glucosídico Y (1 6). or hidrólisis ácida el glucógeno da glucosa. El glucogeno no es reductor y con el yodo no toma color rojo. !!$ . Es constituyente del armazón de las plantas, no da color rojo con el yodo, no es soluble en disolventes ordinarios. Consiste en unidades de - Dglucopiranosa unidas por enlaces (1 4) para formar cadenas rectas, largas, reforzadas por enlaces cruzados de puentes de hidrogeno por hidrólisis da lugar a glucosa.

@'%!$ 6#$' Están constituidos por cadenas de carbohidratos complejos que se caracterizan por su alto contenido de aminoazucares y ácidos urónicos. Cuando estas cadenas se unen covalentemente a una molécula de proteína, el compuesto se conoce como un ³proteoglucano´, y como tales forman parte de elementos estructurales de los tejidos como el hueso, la elastina o el colágeno. Hay siete tipos de mucopolisacáridos (glucosaminoglucano), adheridos por covalencias a las proteínas de los proteoglucanos, los cuales pueden distinguirse por su composición monomérica, su enlace glucosídico y por la cantidad y posición de sus sustituyentes sulfatos. Todos ellos son polianiones dado que contienen grupos acídicos sulfatos o carboxilo procedente de los ácidos urónicos constituyentes de su estructura.

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Entre los mucopolisacáridos mas importantes tenemos: o o o o o

El ácido hialurónico Sulfato de condroitina Sulfato de queratán 1 y sulfato de queratán 2 Heparina y sulfato de heparina, y Sulfato de dermatán

A Dentro de este grupo de sustancias se encuentran moléculas con las más diversas funciones: en las articulaciones se las encuentra con función lubricante y amortiguadora; la heparina, tiene propiedades anticoagulantes, los condroitín sulfatos son componentes del tejido cartilaginoso, los polisacáridos de los grupos sanguíneos permiten a un organismo ³reconocer´ los eritrocitos de su mismo tipo o ³desconocer´ los de otros organismo ; muchas bacterias pueden se reconocidas por los sistemas inmunológico de un individuo gracias a la presencia de heteropolisacáridos específicos en su superficie. Esta última l propiedad es quizá a la que se le ha dado mayor importancia porque se estudian de modo muy activo los mecanismos que implicados en el en el reconocimiento celular. Estas sustancias constituyen la base de este fenómeno, tales como el sistemas inmunológicos, capaces de reconocer y destruir o inactivar las bacterias o virus, o de rechazar los trasplantes de órganos, al ser estos ³desconocidos´ por el organismo receptor. Este hecho sucede por la presencia de moléculas de estos tipos en la células de los tejidos del organismo donador, que son entidades extrañas para el organismo receptor.

£p Funciones Energéticas Los Hidratos de Carbono (HC) representan en el organismo el combustible de uso inmediato. La combustión de 1g de HC produce unas 4 Kcal. Los HC son compuestos con un grado de reducción suficiente como para ser buenos combustibles, y además, la presencia de funciones oxigenadas (carbonilos y alcoholes) permiten que interaccionen con el agua más fácilmente que otras moléculas combustible como pueden ser las grasas. or este motivo se utilizan las grasas como fuente energética de uso diferido y los HC como combustibles de uso inmediato. La degradación de los HC puede tener lugar en condiciones anaerobias (fermentación) o aerobias (respiración). Todas las células vivas conocidas son capaces de obtener energía mediante la fermentación de la glucosa, lo que indica que esta vía metabólica es una de las más antiguas. Tras la aparición de los primeros organismos fotosintéticos y la acumulación de oxígeno en la atmósfera, se desarrollaron las vías aerobias de degradación de la glucosa, más eficientes desde el punto de vista energético, y por lo tanto seleccionadas en el transcurso de la evolución. Los HC también sirven como reserva 97

energética de movilización rápida (almidón en plantas y glucógeno en animales). Además, los HC son los compuestos en los que se fija el carbono durante la fotosíntesis. Función Estructural El papel estructural de los HC se desarrolla allá donde se necesiten matrices hidrofílicas capaces de interaccionar con medios acuosos, pero constituyendo un armazón con una cierta resistencia mecánica. Las paredes celulares de plantas hongos y bacterias están constituidas por HC o derivados de los mismos. La celulosa, que forma parte de la pared celular de las células vegetales, es la molécula orgánica más abundante de la Biosfera . El exoesqueleto de los artrópodos está formado por el polisacárido quitina. Las matrices extracelulares de los tejidos animales de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) están constituidas por polisacáridos nitrogenados (los llamados glicosaminoglicanos o mucopolisacáridos). Función Informativa Los HC pueden unirse a lípidos o a proteínas de la superficie de la célula, y representan una señal de reconocimiento en superficie. Tanto las glicoproteínas como los glicolípidos de la superficie externa celular sirven como señales de reconocimiento para hormonas, anticuerpos, bacterias, virus u otras células. Los HC son también los responsables antigénicos de los grupos sanguíneos. En muchos casos las proteínas se unen a una o varias cadenas de oligosacáridos, que desempeñan varias funciones: r r r r

ayudan a su plegamiento correcto sirven como marcador para dirigirlas a su destino dentro de la célula o para ser secretada evitan que la proteína sea digerida por proteasas aportan numerosas cargas negativas que aumentan la solubilidad de las proteínas, ya que la repulsión entre cargas evita su agregación.

Función e etoxificación En muchos organismos, ciertas rutas metabólicas producen compuestos potencialmente muy tóxicos, que hay que eliminar o neutralizar de la forma más rápida posible (bilirrubina, hormonas esteroideas). También es posible que un organismo deba defenderse de la toxicidad de productos producidos por otros organismos (los llamados metabolitos secundarios: toxinas vegetales, antibióticos) o de compuestos de procedencia externa (xenobióticos: fármacos, drogas, insecticidas, aditivos alimentarios, ). Todos estos compuestos son

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tóxicos y muy poco solubles en agua, por lo que tienden a acumularse en tejidos con un alto contenido lipídico como el cerebro o el tejido adiposo. Una forma de deshacerse de estos compuestos es conjugarlos con ácido glucurónico (un derivado de la glucosa) para hacerlos más solubles en agua y así eliminarlos fácilmente por la orina o por otras vías.

Estereoisomeria de los monosacáridos. Todos los monosacáridos, excepto la dihidroxiacetona, poseen uno o más átomos de carbono asimétricos y son, por tanto, moléculas quirales. El gliceraldehido contiene un átomo de carbono asimétrico y por lo tanto puede existir en las formas estereoisomeras D y L. Que se refieren a la configuración del grupo OH del carbono asimétrico más alejado del átomo de carbono carbonílico. Las más importantes son:(aldohexosas) D-gliceraldehido, D-glúcosa, Dmanosa y D-galactosa. (cetohexosas) D-fructosa, D- ribulosa y dihidroxiacetona. Enantiómeros. También conocidos como isómeros ópticos (estereoisómeros). Se caracterizan por ser imágenes especulares no superponible, uno de otro. Ej: el D gliceraldehido presenta dos estereoisómeros (D y L). Epímeros. Se definen como aquellos azucares que difieren únicamente en la configuración de un átomo de carbono específico. Ej. La D-glúcosa y la D-manosa son epímeros respecto del carbono 2. La Dglúcosa y D-galactosa son epímeros respecto del carbono 4. àautómeros. Isómeros estructurales que difieren en la localización de sus átomos de H y dobles enlaces y que pueden interconvertirse, a través de un intermediario enediol inestable. Mutarrotación. Cambio en la rotación óptica de las formas alfa y beta de la D-glúcosa en solución, al llegar a una mezcla en equilibrio constituida por 1/3 de alfa Dglúcosa y 2/3 de beta D-glúcosa, con una rotación de 52,7 .

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Estos antecedentes y otros permiten deducir una estructura de anillo predominante en la naturaleza (99%), formada por 6 eslabones (piranosa). Las cetohexosas formarían anillos de 5 eslabones (furanosas). ÷eacción ácido/base sobre monosacáridos. Los ácidos concentrados producen deshidratación de los azúcares para rendir furfurales, derivados aldehídicos del furano. Ej. D-glucosa + HCl --- 5hidroximetilfurfural. Las bases diluidas inducen a reordenamiento en torno al átomo de carbono anomérico y su carbono adyacente, sin afectar a los sustituyentes en los demás átomos de carbono. D-glúcosa + alcali ---- D-glucosa, D-fructosa, Dmanosa.

£3p 5 ' La existencia de uno o varios carbonos asimétricos en todos los monosacáridos simples, excepto en la cetotriosa dihidroxiacetona, implica numerosas posibilidades de configuración espacial de la cadena carbonada. En el caso más sencillo, el de la aldotriosa gliceraldehído, existe un centro de asimetría(*), lo que da lugar a dos configuraciones posibles, conocidas como isómeros D y L Todos los demás azúcares se consideran estructuralmente derivados del D- y L-gliceraldehído, por lo que se agrupan en las llamadas familias D y L. ara saber a qué familia pertenece cualquier monosacárido, basta con representar su fórmula espacial en proyección de Fischer y considerar la configuración del penúltimo carbono. Según coincida con la del D- o la del L-gliceraldehído (² OH a la derecha o a la izquierda), el azúcar pertenecerá a la familia D o L. La casi totalidad de los monosacáridos presentes en la naturaleza pertenecen a la familia D.

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En las siguientes figuras se representan las aldosas y cetosas de tres a seis átomos de carbono correspondientes a la serie D con sus nombres respectivos. ara representarlas, se ha utilizado la siguiente convención: grupo carbonilo, circulo vacío; grupo hidroxilo secundario, trazo lateral; grupo hidroxilo primario, punto negro.

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$"#"# ! $ !$ $! $#9 G6"$ #+

$"#"# ! $"$ $! $#(@ G6"$ #+

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Los azúcares de la serie D son isómeros especulares de sus homónimos de la serie L. Así por ejemplo, la D-glucosa y la L-glucosa son "#$ o "#$. Los azúcares que sólo difieren en la configuración de un carbono asimétrico se llaman %#$, como por ejemplo la D-glucosa y la Dgalactosa, que sólo difieren en la configuración del carbono 4. En bioquímica, se utilizan preferentemente los nombres vulgares de los monosacáridos aunque sus configuraciones absolutas pueden ser fijadas de forma inequívoca, utilizando el nombre químico sistemático, con la convención de Cahn-Ingold-relog. Así por ejemplo, la D-galactosa sería el (2R,3S,4S,5R) pentahidroxihexanal y la D-fructosa, la (38,4R, 5R)-pentahidroxi-2-hexanona.

Propiedades físicas. Los nionosacáridos simples, de acuerdo con su estructura molecular, son sólidos blancos cristalinos, hidrosolubles y de sabor generalmente dulce. Desde un punto de vista analítico, su propiedad física más importante es la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada, o poder rotatorio, debido a la ausencia de planos de simetría en sus moléculas. El ángulo de giro de la luz polarizada (magnitud que se determina experimentalmente en el polarímetro) es proporcional a la concentración de azúcar en la disolución y al espesor de la disolución atravesada. La constante de proporcionalidad es característica de cada azúcar, y recibe el nombre de poder rotatorio específico. Esta proporcionalidad se representa por la ecuación:

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donde [Į] es el ángulo de giro determinado experimentalmente para una disolución; [Į]D20 es el poder rotatorio especifico del azúcar en cuestión, medido a 200 empleando luz monocromática correspondiente a la línea D del sodio; e es la concentración en g/ml, y 1, la longitud en dm del tubo del polarímetro. En la tabla 3.1 se registran los valores de poder rotatorio de algunos 9-azúcares. #$#" "#$ ;* #$

;* #

Almidón Celobiosa D-Desoxírrjbosa D-Fructosa D-Œalactosa D-Œlíceraldehfdo Œlucógeno D-Œlucosa Inulina Lactosa Maltosa D-Manosa D-Ribosa Sacarosa

£#!

(C6H1QO5) . H20 C12H22O11 C5H10O4 C6H12O6 C6H12O6 C3H6O3 (C6H10O5)n.H2O C6H12O6 (C6H10O5)n.H20 C12H22O11 C12H22O11.H2O C6H12O6 C5H10O5 C12H22O11

HIJ2K

+196 +34.6 -50 -92.4 +80.2 +14 +196 +52.7 -40 +55.4 +130.4 +14.2 -23.7 +66.5

?nomerización. Cuando se disuelve en agua un monosacárido cristalino, es frecuente comprobar que su poder rotatorio varía gradualmente con el tiempo, hasta alcanzar un valor estable. Además, se observa que según el procedimiento seguido para -la cristalización del azúcar, el poder rotatorio inicial varía considerablemente. or ejemplo, la D-glucosa recristalizada de piridina tiene un poder rotatorio específico inicial de + 112,2°, mientras que la D-glucosa recristalizada de alcohol lo tiene de + 18,7°. Ambas disoluciones, al cabo de unas 24 horas, muestran un mismo valor de + 52,5°. Este cambio gradual del poder rotatorio de un monosacárido en disolución recibe el nombre de " ##" . Este fenómeno se debe a que la estructura habitual de los azúcares no es la forma aldehídica o cetónica abierta que hemos considerado hasta ahora, sino que, en la mayor parte de las moléculas, se establece reversiblemente un enlace hemiacetálico interno entre el carbonilo y uno de los hidroxilos, dando lugar a moléculas en anillo. El enlace hemiacetálico crea un nuevo centro de asimetría, con lo que cada azúcar en forma abierta puede originar dos formas cerradas, epiméricas en el carbono hemiacetálico. Estos epímeros reciben el nombre de #$, Se distinguen los anómeros Į y ȕ, según que la configuración del carbono anomérico coincida o no con la del carbono que determina la pertenencia a la familia D o L. 104

La D-glucosa recristalizada de piridina está en un 100% en la configuración anomérica Į, y la recristalizada de etanol adopta totalmente la forma ȕ. Sin embargo, en disolución ambas formas se interconvierten, hasta llegar a un equilibrio en el que aproximadamente 2/3 están en la forma ȕ. Cuando la formación del enlace hemiacetálico intramolecular origina un anillo de cinco eslabones (4C + O), similar al del furano, se dice que el azúcar adopta «forma furanósica». Cuando el anillo originado es de seis eslabones (5C + O) se habla de «forma piranósica» por similitud con el heterociclo pirano. Debido a los ángulos y longitudes de enlace de las formas abiertas, el hidroxilo más accesible al carbonilo suele ser el que origina anillos furanósicos. Sin embargo, la mayor libertad de movimientos de los anillos piranósicos aumenta su estabilidad termodinámica, por lo que los anillos de seis eslabones son los que predominan en todos los monosacáridos libres que pueden establecerlos, como es el caso de la fructosa y la ribosa.

Fórmulas de proyección de Haworth. En las proyecciones de Fischer de las formas hemiacetálicas la geometría molecular queda muy distorsionada. Una representación más cercana a la realidad la proporcionan las fórmulas de proyección de Haworth. En ellas las furanosas y piranosas se representan respectivamente corno pentágonos y hexágonos planos, en los que la parte inferior del papel corresponde a la región más cercana al espectador, y los sustituyentes de los carbonos se sitúan perpendiculares al anillo. ara pasar de la forma abierta en proyección de Fischer a la forma cerrada en proyección de Hawort, se procede así:

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1. El carbono que aportará su hidroxilo al enlace hemiacetálico se hace girar de manera que el grupo ² OH quede en la parte inferior de la molécula, y en consecuencia por detrás del plano del papel (en la figura AĺBĺC). 2. A continuación se cierra el anillo por la parte posterior de la molécula (en la figura CĺD). En el carbono carbonílico aparece el nuevo centro asimétrico. 3. La molécula se gira 90 hacia la derecha, de modo que el oxígeno hemiacetálico permanece en la parte posterior, y se reajustan las longitudes de enlace (en la figura DĺE). Los sustituyentes que estaban situados a la derecha de la cadena carbonada quedan ahora por debajo del plano del anillo, y los que estaban a la izquierda quedan situados por encima. 4. En general, para azúcares de la serie D, en la proyección de Haworth, el hidroxilo anomérico queda hacia abajo en la forma Į, y hacia arriba en la forma ȕ.

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En la figura a continuación, se representa el mismo proceso aplicado a la Dfructosa.



$! # +#" ! 7#"$ ! # # $ ($0*

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Estructura tridimensional. |onformación. Un paso más en la adecuación de las fórmulas a la estructura real de las moléculas de los glícidos lo constituyen las fórmulas espaciales o tridimensionales. En el caso de los anillos furanásicos, los ángulos de enlace, que en un pentágono regular serian de 108°, resultan muy próximos a los 106

109,5° que presentan las valencias del carbono tetraédrico no distorsionado. or ello, las tensiones del anillo son muy pequeñas, y, en consecuencia, la estructura tridimensional se aproxima mucho a la fórmula plana. No ocurre así en el caso de los anillos piranósicos, sino que, al igual que quedó detallado para el caso del ciclohexano, se mantienen los ángulos de enlace del carbono tetraédrico, y, como consecuencia, se produce un anillo sin tensión que puede adoptar la conformación en silla o bote. También, al igual que en el ciclohexano, la conformación en silla es más estable, porque todos los carbonos están, considerados dos a dos, en conformación alternada, lo que disminuye las interacciones entre sustituyentes. Sin embargo, a diferencia del ciclohexano, las dos posibles conformaciones silla no son equivalentes en la mayoría de los anillos piranósicos. La existencia de sustituyentes voluminosos (como los grupos ² OH y ² CH2OH) en el anillo, hace que resulten más favorecidas las conformaciones silla que presenten un máximo de sustituyentes en posición ecuatorial. Como ejemplo típico, se muestran a continuación las conformaciones en silla favorecida y alternativa de la Ç3-D- glucopiranosa.

# $! L770!%# $ ' # &# %#$" "$ !$"$ = !$'

Propiedades químicas. Los monosacáridos presentan las propiedades correspondientes al grupo carbonilo y al grupo hidroxilo. A continuación se enumeran las más típicas. a) |apacidad reductora. Las aldosas son reductoras, aunque no tanto como los aldehídos, debido a que el grupo carbonilo está habitualmente enmascarado por el enlace hemiacetálico. Sin embargo, son capaces de reducir en caliente y en medio alcalino el cobre (II), azul a cobre (1), rojo. ste es el fundamento de las clásicas reacciones de Fehling y Benedict, entre otras. También las cetosas, al contrario de las cetonas simples, tienen propiedades reductoras en medio alcalino, por su fácil isomerización, a través de formas enólicas intermedias, a aldosas.

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"#&#$"$ $) !$ $%#!;

b) eshidratación. Los monosacáridos pueden deshidratarse con ácidos minerales fuertes y concentrados para dar lugar a derivados del furfural. Esta propiedad se utiliza con fines analíticos, pues los furfurales reaccionan con compuestos fenólicos, como el Į-naftol o la resorcina, para dar derivados quinónicos coloreados. En esta propiedad se basan los métodos de identificación de azúcares de Molisch, Seliwanoff, etcétera

!$?

c) ?largamiento de la cadena (síntesis de Kiliiani). Las cianhidrinas, originadas por adición de HCN a una aldosa, dan, tras hidrólisis y reducción, dos aldosas epiméricas en C2 con un carbono más que el azúcar de origen.

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Con este procedimiento, a partir del D y el L-gliceraldehido, se pueden generar las dos familias correspondientes de D y L monosacáridos. d) Oxidación con periodato. El metaperiodato de sodio (NaI04), en medio ligeramente ácido, oxida selectivamente el enlace C ² C cuando ambos átomos poseen grupos hidroxilo u oxo. Estos átomos sustituyen su valencia enlazante por un nuevo hidroxilo cada uno y se deshidratan posteriormente de modo espontáneo.

El caso de dos grupos oxidables contiguos es muy frecuente en los glícidos, por lo que esta reacción presenta considerable interés analítico. or ejemplo, por cada molécula de fructosa se producen dos de metanal, tres de ácido fórmico y una de CO2.

Si alguno de los grupos hidroxílicos estuviera bloqueado, por ejemplo, en el metil-Į-glucósido ²que se estudia a continuación² las posibilidades de ataque con periodato quedan restringidas.

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e) Formación de glicósidos. Los monosacáridos en forma hemiacetálica pueden reaccionar con una nueva función alcohol dando lugar a acetales mixtos denominados glicósidos. Los anómeros Į y ȕ originan respectivamente Į² y ȕ-glicósidos. Estos glicósidos no presentan mutarrotación.

Se conocen glicósidos formados a partir de los alcoholes más variados. Tienen especial importancia los enlaces glicosídicos con hidroxilos, e incluso ² OH anoméricos de otros azúcares, lo que origina moléculas poliméricas más o menos complejas. También tiene importancia biológica la unión N-glicosídica entre el carbono anomérico de un azúcar y una amina, como se verá en el estudio de los ácidos nucleicos. f) Metilación a tondo. Los monosacáridos, por tratamiento con metanol en medio ácido, dan lugar al correspondiente metilglicósido. A veces interesa, con fines analíticos, metilar todos los hidroxilos libres de la molécula, lo que se consigue, por ejemplo, por tratamiento con sulfato de metilo. Los enlaces éter así formados resisten la hidrólisis, a diferencia del enlace glicosídico.

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53 3M La podemos resumir en los aspectos siguientes: r La glucosa es la biomolécula combustible más importante para la mayor parte de los organismos y es también la unidad estructural básica o precursora de los polisacáridos más abundantes. r La celulosa es el componente estructural predominante en los tejidos fibrosos y leñosos de las plantas. r El almidón se encuentra en cantidades muy grandes en las plantas, de las que constituye la forma principal de combustible de reserva. r Los polisacáridos son componentes importantes de las rígidas paredes celulares de las bacterias y las plantas, así como de las cubiertas celulares blandas de los tejidos animales. r Las aldopentosas son componentes importantes de los ácidos nucleicos y varios derivados de las triosas y las heptosas, son intermediarios en el metabolismo de los glúcidos.

£ p ' Los expertos creen que los carbohidratos deberían ocupar el 55% del total de una dieta sana. El almidón es la fuente óptima para obtener energía y debe siempre preferirse a los azúcares. El pan integral es un excelente alimento, a pesar de contener menos proporción de azúcar que el pan "blanco". Igualmente la pasta, el arroz, la patata, son una buena fuente de carbohidratos, muy recomendables para los deportistas.

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Los glúcidos deben aportar el 55 ó 60 por ciento de las calorías de la dieta. Sería posible vivir durante meses sin tomar carbohidratos, pero se recomienda una cantidad mínima de unos 100 gr. diarios para evitar una combustión inadecuada de las proteínas y las grasas (que produce amoniaco y cuerpos cetónicos en la sangre) y pérdida de proteínas estructurales del propio cuerpo. La cantidad máxima de glúcidos que podemos ingerir sólo está limitado por su valor calórico y nuestras necesidades energéticas, es decir, por la obesidad que podamos tolerar.

£ 1p ' La fibra está compuesta por las partes no digeribles de los alimentos vegetales. Ayuda a prevenir enfermedades coronarias y el cáncer de intestino. La fibra que comemos procede de la cáscara del grano, de la piel y de la carne de las frutas, así como de la materia dura y fibrosa de los vegetales, la cual, al pasar por el estómago y el intestino, no puede ser descompuesta por los enzimas digestivos y, por lo tanto, no es absorbida por el organismo. Aunque no posea ningún valor nutricional ni energético constituye un elemento vital en la dieta diaria. Los alimentos ricos en fibra suelen proporcionar una mayor sensación de saciedad y un menor aporte calórico. El componente principal de la fibra que ingerimos con la dieta es la celulosa. Es un polisacárido formado por largas hileras de glucosa fuertemente unidas entre sí. Es el principal material de sostén de las plantas, con el que forman su esqueleto. Se utiliza para hacer papel. Otros componentes habituales de la fibra dietética son la hemicelulosa, la lignina y las sustancias pécticas. Algunos tipos de fibra retienen varias veces su peso de agua, por lo que son la base de una buena movilidad intestinal al aumentar el volumen y ablandar los residuos intestinales. Debido al efecto que provoca al retrasar la absorción de los nutrientes, es indispensable en el tratamiento de la diabetes para evitar rápidas subidas de glucosa en sangre. También aporta algo de energía al absorberse los ácidos grasos que se liberan de su fermentación bajo la acción de la flora intestinal. 112

Al cocer la fibra vegetal cambia su consistencia y pierde parte de estas propiedades, por lo que es conveniente ingerir una parte de los vegetales de la dieta crudos. La fibra desempeña un papel clave en la conservación de la salud. Al incrementar la cantidad de heces, facilita el paso de los desechos por los intestinos absorbiendo simultáneamente el agua de los vasos sanguíneos adyacentes, proceso por el cual se ablanda y facilita la evacuación, previniendo el estreñimiento. La fibra también mejora la absorción de los nutrientes por parte del intestino así como su paso a la corriente sanguínea; al reducir la absorción de las grasas digeridas se reduce ligeramente el nivel del colesterol y, por consiguiente, el riesgo de padecer una enfermedad coronaria. Un adulto debería comer 25 grs. de fibra diarios. No obstante, la dieta del mundo moderno occidental contiene un elevado porcentaje de grasas animales y carbohidratos y, muchas veces, carece de una cantidad adecuada de fibra.

p 5 1. ¿Cuál es la composición elemental de los carbohidratos? 2. Escriba la formula de la Aldosa gliceraldehido. ¿resentaría este compuesto actividad óptica en solución?, explique. 3. Describa las propiedades físicas de los monosacáridos 4. En qué consiste el fenómeno de la mutarrotación, explique 5. ¿Qué es un carbón anómero? 6. Escriba las formulas de proyección de Haworth y explique como se originan. 7. Explique la capacidad reductora de los carbohidratos con un ejemplo. 8. En qué momento se realiza la formación de glucósidos, explique con un ejemplo. 9. ¿Qué son los desoxiazúcares y aminoazúcares? 10. ¿Cuáles son los polisacáridos simples que tienen funciones de reservas?

113

p G

r r r

Describir la estructura de una grasa o de un lípido. Ilustrar la formación de un triglicérido de un fosfolípido y de un glucolípido. Distinguir el núcleo estradiol de una hormona.

# "#$" $3# !$ Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas básicamente por carbono e hidrógeno y generalmente también oxígeno; pero en porcentajes mucho más bajos. Además pueden contener también f!, ! y . Es un grupo de sustancias muy heterogéneas que sólo tienen en común estas dos características: r r

Son insolubles en agua Son solubles en disolventes orgánicos, como éter, cloroformo, benceno.

! $ !$%$' Los lípidos se clasifican en dos grupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (Lípidos saponificables) o no lo posean (Lípidos insaponificables ). r

%$$ % +!$ j Simples j Acilglicéridos j Céridos j Complejos j Fosfolípidos j Œlucolípidos

r

%$$ % +!$ j Terpenos j Esteroides j rostaglandinas

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ipidos saponificables

Son lípidos saponificables en cuya composición química sólo intervienen carbono, hidrógeno y oxígeno. !0!/#$ Son lípidos simples formados por la esterificación de una, dos o tres moléculas de ácidos grasos con una molécula de glicerina. También reciben el nombre de glicéridos o grasas simples

Según el número de ácidos grasos, se distinguen tres tipos de estos lípidos: r r r

!$0!/#$, que contienen una molécula de ácido graso !$0!/#$, con dos moléculas de ácidos grasos !$ "#0!/#$, con tres moléculas de ácidos grasos. Aunque tradicionalmente se ha empleado el nombre de triglicéridos, las normas actuales de formulación recomiendan que este término deje de utilizarse y se cambie por el indicado. El nombre de Triacilglicéridos (TAŒs) describe adecuadamente la estructura de estos compuestos, pues poseen el esqueleto del glicerol unido a (esterificado con) tres ácidos grasos (grupos acilos). Se trata, pues, de triésteres formados por tres moléculas de ácidos grasos y una molécula de glicerol.

115

Y Y c c c c c c c c c c c cc c

El punto de fusión de los TAŒs viene determinado por la naturaleza de los ácidos grasos que lo forman. Los TAŒs que son sólidos a temperatura ambiente reciben el nombre de 0# $ $ (poseen mayor número de grupos acilos saturados), mientras que los que son líquidos a esta temperatura reciben el nombre de "$ (poseen mayor número de acilos insaturados). La presencia mayor o menor presencia de ácidos grasos saturados es responsable de un empaquetamiento más compacto o más débil, dando lugar a grasas o aceites, respectivamente.

116

Y Y c c c c c c

No obstante las grasas y aceites naturales no son puros, sino una mezcla de TAŒs. Entre las grasas y aceites más comunes destaca, como TAŒ más puro, el aceite de oliva (84 % de ácido oléico). La siguiente figura compara de forma sencilla la diferente composición en ácidos grasos de algunas grasas y aceites naturales.

| c c c c c c c c

c c !c c c c c

c

117

Las grasas constituyen una forma eficiente de almacenamiento de energía metabólica. Esto se debe a que las grasas están menos oxidadas (más hidrogenadas) que los glúcidos (glucógeno) de ahí que su rendimiento de energía en la oxidación sea significativamente mayor. Las grasas proporcionan alrededor de $$ &$ 6$ #0 metabólica que un peso igual de glucógeno. El contenido en grasa de las personas normales (21 % en hombres, 26 % en mujeres) les permite sobrevivir en ayuno de dos a tres meses; por el contrario, el suministro corporal de glucógeno, puede cubrir las necesidades metabólicas durante menos de un día (ojo con las dietas, posibilidad de nivel cero de glucosa). Además la apolaridad de las grasas facilita mucho su almacenamiento en forma anhidra (cosa que no ocurre con el glucógeno, que se moviliza más fácilmente). En los animales, los adipocitos son células especializadas en la síntesis y almacenamiento de TAŒs, concentrándose en el tejido adiposo O ? c c c c c

c

c Los TAŒs experimentan las mismas reacciones que los ésteres. Una de las reacciones más importantes es su hidrólisis, que puede ser alcalina (bajo el punto de vista industrial) o enzimática (por lipasas, en el organismo). La hidrólisis alcalina o $ % , es el proceso base para la +# !$8 +$, mientras que la hidrólisis enzimática se produce en la 0# ! $0# $ $ ingeridas como alimentos. c

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118

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Los jabones se obtienen calentando grasas naturales con una disolución alcalina (de carbonato sódico o hidróxido sódico). Tras la hidrólisis, el jabón (sales sódicas de ácidos grasos) se separa del resto mediante precipitación al añadir sal a la mezcla de reacción, tras lo cuál se lava y purifica. El jabón así obtenido es el de tipo industrial. Estos, al igual que otros lípidos polares, # ! $ en o con el agua. Esta propiedad explica su capacidad limpiadora, pues actúan disgregando la mancha de grasa o aceite formando pequeñas micelas en las que las partes "#

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Doble enlace insaturado

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Doble enlace saturado

Los acilglicéridos frente a bases dan lugar a reacciones de saponificación en la que se producen moléculas de jabón.

Las ceras son ésteres de ácidos grasos de cadena larga, con alcoholes también de cadena larga. En general son sólidas y totalmente insolubles en 119

agua. Todas las funciones que realizan están relacionadas con su impermeabilidad al agua y con su consistencia firme. Así las plumas, el pelo, la piel, las hojas, frutos, están cubiertas de una capa cérea protectora. Una de las ceras más conocidas es la que segregan las abejas para confeccionar su panal. Las ceras son lípidos saponificables, formados por la esterificación de un ácido graso y un monoalcohol de cadena larga.

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Ëcido graso



Reacción de esterificación

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Monoalcohol

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Cera

Los alcoholes constituyentes de las ceras también tienen un número par de átomos de carbono, que oscila entre 16 y 34. Dos de las ceras más comunes son la de carnauba, de origen vegetal, que se utiliza como cera para suelos y automóviles; y la lanolina (en la que el componente alcohólico es un esteroide) que se utiliza en la fabricación de cosméticos y cremas. Las ceras son blandas y moldeables en caliente, pero duras en frío. En las plantas se encuentran en la superficie de los tallos y de las hojas protegiéndolas de la pérdida de humedad y de los ataques de los insectos. En los animales también actúan como cubiertas protectoras y se encuentran en la superficie de las plumas, del pelo y de la piel.

Y Y c c c % c #&c c c c c c c c c c'(c cc c

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120

Son lípidos saponificables en cuya estructura molecular además de carbono, hidrógeno y oxígeno, hay también nitrógeno, fósforo, azufre o un glúcido. Son las principales moléculas constitutivas de la doble capa lipídica de la membrana, por lo que también se llaman lípidos de membrana. Son también moléculas anfipáticas. Fosfolípidos Se caracterizan presentar un ácido ortofosfórico en su zona polar. Son las moléculas más abundantes de la membrana citoplasmática. Algunos ejemplos de fosfolípidos

121

Œlucolípidos Son lípidos complejos que se caracterizan por poseer un glúcido. Se encuentran formando parte de las bicapas lipídicas de las membranas de todas las células, especialmente de las neuronas. Se sitúan en la cara externa de la membrana celular, en donde realizan una función de relación celular, siendo receptores de moléculas externas que darán lugar a respuestas celulares. ipidos insaponificables #%$ Son moléculas lineales o cíclicas que cumplen funciones muy variadas, entre los que se pueden citar: r r r

Esencias vegetales como el mentol, el geraniol, limoneno, alcanfor, eucaliptol, vainillina. Vitaminas, como la vit.A, vit. E, vit.K. igmentos vegetales, como la carotina y la xantofila.

$"#$ Los esteroides son lípidos que derivan del esterano. Comprenden dos grandes grupos de sustancias: r r

Esteroles: Como el colesterol y las vitaminas D. Hormonas esteroideas: Como las hormonas suprarrenales y las hormonas sexuales.

Colesterol

El colesterol forma parte estructural de las membranas a las que confiere estabilidad. Es la molécula base que sirve para la síntesis de casi todos los esteroides

122

Hormonas Sexuales

Entre las hormonas sexuales se encuentran la progesterona que prepara los órganos sexuales femeninos para la gestación y la testosterona responsable de los caracteres sexuales masculinos. Hormonas Suprarrenales

Entre las hormonas suprarrenales se encuentra la cortisona, que actúa en el metabolismo de los glúcidos, regulando la síntesis de glucógeno. Prostaglandinas Las prostaglandinas son lípidos cuya molécula básica está constituida por 20 átomos de carbono que forman un anillo ciclopentano y dos cadenas alifáticas.

Las funciones son diversas. Entre ellas destaca la producción de sustancias que regulan la coagulación de la sangre y cierre de las heridas; la aparición de

123

la fiebre como defensa de las infecciones; la reducción de la secreción de jugos gástricos. Funcionan como hormonas locales.

3 Se conocen más de 100 ácidos grasos naturales. Se trata de 6$ #+=!$, cuyo grupo funcional (- ) está unido a una larga ?# #+ normalmente no ramificada.

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Se diferencian entre sí en la longitud de la cadena y el número y las posiciones de los dobles enlaces que puedan tener. Los que no poseen dobles enlaces se denominan ácidos grasos saturados (³de hidrógeno´) y los que poseen uno o más dobles enlaces se denominan ácidos grasos insaturados. Los ácidos grasos en estado libre se encuentran en muy bajas cantidades, ya que en su mayoría se encuentran formando parte de la estructura de otros lípidos. La Tabla siguiente, recoge algunos ácidos grasos de interés. La mayoría de los ácidos grasos son compuestos de cadena lineal y numero par de átomos de carbono, comprendido entre 12 y 22. Así, el ácido palmítico (C16H32O2) y el ácido esteárico (C18H34O2), son dos ácidos grasos saturados saturados bastante abundantes, mientras que el ácido oleico (C18H34O2), junto con el linoléico (C18H32O2), son los ácidos grasos insaturados más comunes. Obsérvese que todos los ácidos grasos insaturados naturales presentan isomeria cis. El isómero cis- posee los dos hidrógenos hacia el mismo lado, mientras que en el isómero trans- se encuentran alternados.

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sómero Cis

"# | | " sómero Trans

La presencia de dobles enlaces con isomería cis-, en los ácidos grasos insaturados, hace que la cadena hidrocarbonada se en el espacio lo cuál, a su vez, dificulta su empaquetamiento con otras moléculas próximas y asegura

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que los lípidos que contienen estos ácidos grasos tengan bajos puntos de fusión y, por consiguiente, sean fluidos a temperaturas fisiológicas, lo que facilita, entre otras cosas, su transporte en nuestro organismo. #% !$6$0# $$$ "# $$ "# $'

La Figura 2 muestra las diferencias existentes entre las estructuras espaciales de dos ácidos grasos, uno saturado y otro insaturado. c La Figura siguiente, muestra las diferencias existentes entre las estructuras espaciales de dos ácidos grasos, uno saturado y otro insaturado.

125









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£p Los lípidos desempeñan cuatro tipos de funciones: 1. £#$#& ' Son la principal reserva energética del organismo. Un gramo de grasa produce 9,4 kilocalorías en las reacciones metabólicas de oxidación, mientras que proteínas y glúcidos sólo producen 4,1 kilocaloría/gr. 2. £ $"#"# !' Forman las bicapas lipídicas de las membranas. Recubren órganos y le dan consistencia, o protegen mecánicamente como el tejido adiposo de pies y manos. 3. £+ " !; # ' En este papel los lípidos favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas. 4. £ "# $%#" # . El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y a los proteolípidos.

126

53 ' La podemos resumir en los aspectos siguientes: 1. Las grasas son los constituyentes principales de las células almacenadoras de grasas en los animales y vegetales. 2. Constituyen una de las reservas alimenticias importantes del organismo. 3. Se emplean en grandes cantidades como materias primas para muchos procesos industriales, de donde se obtienen en algunos casos alimentos de la dieta diaria. Ejemplos, mantequilla, manteca, aceites, etc., además de otros productos de uso cotidiano jabón, aceites secantes, detergentes, etc.

p 5 1. 2. 3. 4. 5.

¿Qué son los Lípidos y cuál es su composición elemental? Escriba las características de los Lípidos ¿Cómo se clasifican los Lípidos? Escriba las fórmulas y nombres de 3 ácidos grasos más comunes. Escriba la fórmula de un triglicérido que sea sólido a la temperatura de la habitación y uno que esté en forma de aceite. 6. Escriba las reacciones más importantes de los ácidos grasos 7. Describa la importancia Biológica de los Lípidos 8. ¿Qué son las ceras? 9. ¿Cómo se clasifican los Esteroides?, Descríbalos. 10. ¿Qué importancia tienen las rostaglandina en la regulación de la coagulación de la sangre y cierre de las heridas?

127

p N p :p

r r r

Describir la función e importancia de los ácidos nucleicos. Distinguir entre los componentes del DNA y del RNA Diferenciar los tipos de RNA.

3# ! $' La información genética es almacenada y transmitida por los ácidos nucleicos DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico), que son macro moléculas resultantes de la polimerización de un numero elevado de nucleótidos. Los nucleótidos están formados por tres unidades fundamentales: bases nitrogenadas, una osa y ácido fosfórico. La unión de una osa (ribosa o 2-desoxirribosa) y una base nitrogenada (púrica o pirimidínica) por un enlace N-glucosídico se denomina nucleósido. El compuesto formado por la esterificación de un nucleósido por ácido fosfórico es un nucleótido. NUCLEOSIDO = OSA + BASE NITROŒENADA NUCLEOTIDO = NUCLEOSIDO + ACIDO FOSFORICO

3 Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos: p ricas y pirimidínicas, que derivan, respectivamente, de la purina y de la pirimidina. Bases P ricas La purina es un heterociclo del que derivan numerosos compuestos por sustitución de los átomos de hidrógeno de los grupos CH por diversos radicales; todos se caracterizan por su carácter aromático y por absorber intensamente la luz ultravioleta.

128

Las bases púricas presentes en los ácidos nucleicos, tanto en el DNA como en el RNA, son: ‡ Adenina (A) 6 6-amino-purina. ‡ Œuanina (Œ) 6 2 amino-6-hidroxi-purina.

Una modificación común de estas bases en los ácidos nucleicos es la metilación, así tenemos la 6-metil-adenina, la 2-metil-guanina y la 7-metilguanina.

Bases Pirimidínicas Derivan del núcleo de pirimidina por sustitución de los hidrógenos de los grupos CH por diversos radicales. Absorben intensamente en el ultravioleta.

129

Hay tres bases pirimidínicas en los ácidos nucleicos: Citosina (C) ó 2-hidroxi-4-amino-pirimidina, presente en todos los ácidos nucleicos. Algunos derivados suyos, presentes en pequeña cantidad de algunos DNA son la 5-metil-citosina y la 5-hidroximetil-citosina. Uracilo (U) ó 2,4-dihidroxi-pirimidina, esta presente en todos los RNAs, pero no en el DNA. Timina (T) ó 2,4-dihidroxi-5-metil-pirimidina, se encuentra en el DNA, pero no en los RNAs.

Bases pirimidínicas presentes en los ácidos nucleicos. Tanto las bases púricas como las pirimidínicas pueden tener varias configuraciones tautomerícas. La tautomería puede ser:

130

a) Ceto-enólica

"# "7! ' b) Amino-imino

"# 7'

Las osas que forman parte de los ácidos nucleicos son pentosas, estables en su forma furanósica: r r

D-ribosa presente en los RNAs. D-2-desoxirribosa, en el DNA.

131

Estructura de la D-ribosa y la D-2-desoxirribosa.

p 5 ÷ibonucleosidos Se encuentran en los RNAs. RIBONUCLEOSIDO = RIBOSA + BASE NITROŒENADA Los presentes en los RNAs son: r r r r r

?denosina: El enlace ȕ-N-glucosídico se establece entre el C1¶ de la ribosa y el N9 de la adenina. Œuanosina: El enlace ȕ-N-glucosídico es entre el C1' de la ribosa y el N9 de la guanina. pridina: El enlace ȕ-N-glucosídico es entre el C1' de la ribosa y el N1 del uracilo. |itidina: El enlace ȕ-N-glucosídico es entre el C1' de la ribosa y el N1 de la citosina. Seudo-uridina: El enlace C-glucosídico es entre el C1' de la ribosa y el C5 del uracilo.

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esoxirribonucleósidos Se encuentran en el DNA. DESOXIRRIBONUCLEOSIDOS = 2-DESOXI-RIBOSA + BASE NITROŒENADA

Los que se encuentran en el DNA son: r r r r

esoxiadenosina: Enlace ȕ-N-glucosídico entre C1' del azúcar y N9 de la adenina. esoxiguanosina: Enlace ȕ-N-glucosídico entre C1' de la osa y N9 de la guanina. esoxicitidina: Enlace ȕ-N-glucosídico entre C1' del azúcar y N1 de la citosina. esoxitimidina: Enlace ȕ-N-glucosídico entre C1' del azúcar y N1 de la timidina.

133

$=##+!$$'

p 5 Son los esteres fosfóricos de los nucleósidos. El grupo fosfórico puede estar esterificando uno cualquiera de los hidroxilos libres del azúcar, pero en los ácidos nucleicos, tanto RNAs como DNA, hay nucleótidos en 5', es decir, nucleósidos-5'monofosfato. ÷ibonucleótidos Se encuentran formando los RNAs. r r r r r

Ácido adenílico o adenosina 5'- monofosfato (AM). Ácido guanílico o guanosina 5'- monofosfato (ŒM). Ácido citidílico o citidina 5'- monofosfato (CM). Ácido uridílico o uridina 5'- monofosfato (UM). Ácido seudo-uridílico o seudo-uridina 5'-monofosfato (ȥM).

134

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esoxirribonucleotidos Constituyen el DNA. r r r r

Ácido desoxiadenílico o desoxiadenosina 5'-mono-fosfato (dAM). Ácido desoxiguanílico o desoxiguanosina 5/-mono-fosfato (dŒM). Ácido desoxicitidílico o desoxicitidina 5'-monofosfato (dCM). Ácido desoxitimidílico o desoxitimidina 5'-monofosfato (dTM).

8%!$=##+!"'

135

A O p , - Estructura $"#"# %# # El DNA es, como se mencionó anteriormente, un polímero de desoxirribonucleótidos, unidos por enlaces 3'-5'-fosfodiéster. Las cadenas de DNA tienen polaridad; el azúcar del nucleótido de uno de los extremos de la cadena tiene un grupo 3'-OH libre y el azúcar del nucleótido del otro extremo de la cadena tiene un grupo 5'-. or convención, el extremo 5'- de la cadena de polinucleótidos se escribe a la izquierda, es decir, la secuencia de bases está escrita en la dirección 5' ²> 3. !$=##+!"

136

Se puede representarse de la siguiente forma:

o más abreviadamente como pApŒpTpC o AŒCTC. Erwin Chargaff, en 1950, encontró en el DNA de todas las especies que estudió la siguiente proporción de bases nitrogenadas: r r

A/T=1. C/Œ=1.

Es decir, que A + C = Œ + T. Esta equivalencia tomó significado cuando Watson y Crick propusieron su modelo de DNA.

Estructura secundaria La estructura secundaria del DNA fue establecida en 1953 por James Watson y Francis Crick basándose en patrones de difracción de rayos X de fibras de DNA. Su modelo presenta las siguientes características: r r

La molécula de DNA está constituida por dos cadenas de polinucleótidos formando una doble hélice dextrógira. Las dos cadenas de la doble hélice están orientadas con polaridad opuesta, es decir, son antiparalelas.

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Los anillos de desoxirribosa con el grupo fosfato unido están en el exterior de la hélice, con lo cual las cargas negativas de los grupos fosfato pueden interaccionar con los cationes de la solución, lo que estabilizaría la molécula. Las bases nitrogenadas están en el interior de la hélice. Las dos cadenas permanecen unidas mediante puentes de hidrógeno; solamente los pares A-T y Œ-C pueden acomodarse en la estructura de doble hélice. El enlace A-T es mediante dos puentes de hidrógeno y el Œ-C mediante tres, por lo cual es mas estable. or lo tanto, la secuencia de nucleótidos de una cadena de la doble hélice determina la secuencia de la otra cadena, y se dice que las dos cadenas de una molécula de DNA son complementarias.

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r

r

r

Los planos que contienen las bases son perpendiculares al eje de la hélice. Los planos que contienen los azúcares están formando ángulos casi rectos con los de las bases. El diámetro de la hélice es de 20 Å, la separación entre nucleótidos adyacentes a lo largo del eje de la hélice es de 3,4 Å, desplazados por una rotación de 36 grados, y el paso de hélice es de 3,4 Å, por lo que hay 10 pares de nucleótidos por vuelta de hélice. uede haber cualquier secuencia de bases en la cadena polinucleotídica. Una secuencia concreta de bases transporta una información genética precisa.

La estructura de doble hélice del DNA se puede presentar bajo distintas formas: a) Forma B del DNA: Es la de mayor interés biológico ya que es la que suele encontrarse en condiciones fisiológicas. Corresponde básicamente al modelo propuesto por Watson y Crick, con 10 pares de bases por vuelta de hélice y una separación de, aproximadamente, 3,4 Å entre nucleótidos contiguos. Se caracteriza por presentar dos tipos de surcos, uno ancho o surco mayor (12 Å de ancho) y otro estrecho o surco menor (6 Å), aparecen porque los enlaces glicosídicos de cada par de bases no resultan diametralmente opuestos, uno con respecto a otro. b) Forma A del DNA: Aparece cuando la humedad relativa es inferior al 75%. resenta 11 pares de bases por vuelta, el paso de hélice es de, aproximadamente, 28 Å y la inclinación de las bases es de 20 grados respecto al eje de la hélice. Aunque los dos surcos del DNA tienen una altura parecida, uno de ellos es muy profundo y el otro casi desaparece. La forma A aparece en el DNA deshidratado, en los híbridos RNA-DNA y en las regiones de doble hebra del RNA.

139

0# " # ! $#

c) La forma Z del DNA: Fue descubierta al estudiar la estructura del oligonucleótido CŒCCŒ. La forma Z es una hélice doble, con las cadenas antiparalelas y con el apareamiento de Watson y Crick

140

entre guanina y citosina. Sin embargo, esta hélice es levógira, los fosfatos del esqueleto están en zig-zag y solo contiene un surco de hélice profundo. resenta 12 pares de bases por vuelta de hélice, con un paso de hélice de unos 43 Å. Esta forma solo aparece en disolución en condiciones de alta fuerza iónica, esta termodinámicamente desfavorecida debido a las repulsiones electrostáticas entre los grupos fosfato, que están mas próximos que en la forma B. Su formación esta favorecida por metilación del C5 de la citosina, lo cual, junto con secuencias repetitivas de pirimidinas-purinas, es frecuente en eucariontes. Hay dos tipos de moléculas de DNA: r r

ineales: Se localizan en células eucarióticas y en algunas procarióticas, así como en algunos virus. |irculares: Como el caso de la bacteria E. coli que tiene un cromosoma circular, lo cual se descubrió al comprobar que el mapa de correlación genética de esta bacteria era circular. También algunos virus como el fago 'k presentan cromosomas circulares, en este caso en su forma replicativa. También los plásmidos, presentes en el citoplasma de numerosas bacterias, son pequeñas moléculas de DNA circular.

$"#"# "# #



141

El DNA lineal en disolución se comporta como un ovillo estadístico de gran rigidez, debido al impedimento estérico que originan las interacciones intramoleculares que estabilizan la doble hélice. Este hecho se produce a partir de un peso molecular de uno o dos millones; por debajo de este peso molecular se comporta como una varilla ligeramente flexible. La flexibilidad del DNA parece deberse a pequeñas distorsiones en la molécula que le permiten curvarse ligeramente. Los DNAs circulares virales, de pequeño tamaño, cuando se aíslan aparecen superenrollados negativamente. El DNA superenrollado es la forma común de la mayor parte del DNA de las células vivas; así el DNA cromosómico bacteriano esta organizado en bucles aislados, que se comportan como anillos que pueden superenrollarse independientemente. En las bacterias, la enzima que superenrolla, negativamente, el DNA es la DNA-girasa. El superenrollamiento es un mecanismo para regular la transcripción. p4 5 . Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión del ADN, la agitación térmica es capaz de separar las dos hebras y producir una desnaturalización. Este es un proceso reversible, ya que al bajar la temperatura se puede producir una renaturalización. En este proceso se rompen los puentes de hidrógeno que unen las cadenas y se produce la separación de las mismas, pero no se rompen los enlaces fosfodiester covalentes que forman la secuencia de la cadena. La desnaturalización del ADN puede ocurrir, también, por variaciones en el pH.

Al enfriar lentamente puede renaturalizarse.

142

A p , - Estructura $"#"# # # Los ácidos ribonucleicos son polímeros de ribonucleótidos, con un elevado numero de unidades. Los ribonucleótidos adyacentes están unidos por enlaces 3', 5'-fosfodiéster. Las cadenas de RNA, al igual que las de DNA, tienen polaridad, con un 3'-OH libre en un extremo y un 5'- en el otro; el extreme 5' se escribe a la izquierda.

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143

El polirribonucleótido se puede representarse de la siguiente forma:

o bien como pApŒpUpC o como AŒCUC. Las moléculas de RNA son hebras simples; las proporciones de los diferentes ribonucleótidos varían según las clases de RNA, su origen biológico y el estado de nutrición del organismo del que procede.

144

|lases de ÷Ê? r

÷Ê? mensajero (m÷Ê?): Es el molde para la síntesis de proteínas, es decir, traslada la información genética desde el DNA a los ribosomas, donde se produce la síntesis de cadenas polipeptídicas. Son moléculas grandes, con mas de 5.000 nucleótidos.

r

÷Ê? de transferencia (t÷Ê?): Es el adaptador en la síntesis de proteínas, contiene un centro de unión de aminoácido y un centro de reconocimiento del molde o anticodón. Cada molécula de tRNA transporta un aminoácido especifico activado hasta el lugar de la síntesis proteica. Son moléculas pequeñas de unos 75-85 nucleótidos. Tienen entre 10 y 15% de sus bases modificadas, presentan: inosina, inosina metilada en posición 1, guanina metilada en posición 1, guanina dimetilada en el N hexocíclico, seudo-uridina, ribotimidina (T) y dihidrouridina (UH2). ÷Ê? ribosómico (r÷Ê?): Forma parte de los ribosomas asociado con proteína. En células procarióticas se distinguen tres tipos de rRNA: 23S, 16S y 5S; en las células eucarióticas se distinguen: 28S, 18S, 5.8S y 5S. Son ricos en guanina y citosina y tienen muy poca seudo-uridina.

r

145

$"#"# $ #

La molécula de RNA esta formada por una única cadena polinucleotídica, sin embargo no es lineal, sino que forma estructuras irregulares parcialmente helicoidales mediante puentes de hidrógeno entre secuencias complementarias antiparalelas; las bases que se unen siguen la complementariedad de Watson y Crick (A:U y Œ:C), aunque no de forma estricta, ya que las hélices pueden incluir bases no apareadas y apareamientos no-Watson-Crick (Œ:U). La estructura secundaria del RNA depende de su estructura primaria, es decir, de la secuencia de nucleótidos y, en muchos casos, es importante para la propia función de las moléculas de RNA. El elemento estructural mas importante en el RNA es la forma A de doble hélice que se forma en las regiones apareadas. Las estructuras secundarias mas frecuentes en el RNA son: bucles en horquilla, bucles internos y salientes. Los rRNA presentan numerosos bucles de apareamiento, aproximadamente el 70% de la molécula. Los tRNA presentan numerosas bases modificadas, son modificaciones postranscripcionales que influyen decisivamente en la estructura secundaria de los tRNAs, puesto que generan zonas monocatenarias, que no pueden formar puentes de hidrógeno, en la cadena. Su estructura secundaria tiene forma de hoja de trébol y presenta las siguientes características:

146

r r r r r r

En el extreme 5' tienen ácido guanílico. El brazo UH2 se llama así por presentar dihidrouridina; reconoce la aminoaciltRNA-sintetasa. El brazo del anticodón, que reconoce el codón del mensajero, tiene 7 bases desapareadas: 5'pyr-pyr-X-Y-Z-pur-base3'. El brazo extra, que puede llegar a desaparecer o ser muy grande. El brazo TȌC, contienen la secuencia ribotimidina (T), seudo-uridina (Ȍ), citosina (C), es la zona de interacción con el ribosoma. En el extreme 3' hay una zona monocatenaría con 4 o 5 mononucleótidos desapareados; todos los tRNA terminan en la secuencia CCA; esta zona transporta un aminoácido especifico, esterificado por su grupo carboxilo al 1' 6 3'-OH del residuo A.

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Las bases no apareadas que forman los bucles de las horquillas de RNA pueden interaccionar con secuencias distantes de la molécula de RNA, frecuentemente mediante apareamientos tipo Watson-Crick, aunque también se producen apareamientos no-Watson-Crick, así como otros tipos de puentes de hidrógeno, como aquellos en los que participa el OH en 2' de la ribosa. Todos los enlaces contribuyen a formar la estructura terciaria de la molécula. De los RNAs, la estructura terciaria mejor establecida es la de los tRNAs, determinada por difracción de rayos X, que tiene forma de L, donde un extreme de la L corresponde al extreme 3'-OH de la molécula y el otro extreme de la L corresponde al anticodón, quedando los bucles UH;, y TȥC juntos en el vértice. Esta estructura esta estabilizada por puentes de hidrógeno entre las bases de las zonas con estructura primaria; estos puentes de hidrógeno no siguen en todos los casos, el patrón de Watson y Crick.

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148

p Son enzimas que degradan los ácidos nucleicos y son útiles para el estudio de los mismos. Se clasifican en: a) Según el sustrato que hidrolizan: r r r

Inespecíficas: hidrolizan DNA y RNA. Especificas de RNA o ribonucleasas. Especificas de DNA o desoxirribonucleasas.

b) Según su modo de acción: r r

Exonucleasas: hidrolizan por un extremo de la molécula. Endonucleasas: hidrolizan la molécula por el centro.

c) Según la posición del enlace fosfodiéster hidrolizado: r r

Tipo a: hidrolizan el enlace entre el y el 3'-OH; originan 5'oligonucleótidos. Tipo b: hidrolizan el enlace entre el y el 5'-OH; originan S'oligonucleótidos.

$"& ! 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

¿Qué son los ácidos nucleicos? ¿Cuál es el sacárido que forma parte de los ácidos nucleicos? Escriba la estructura de la D-ribosa y la D-2-desoxirribosa ¿Cuáles son las bases nitrogenadas propias del ADN? Cómo está formado un nucleótido? En el ADN, ¿Cómo se emparejan las bases nitrogenadas? Dibuje la configuración helicoidal bicatenaria del DNA en su forma B. Haga una breve descripción de las propiedades físicas y químicas del ADN 9. ¿Cómo se clasifican los ácidos ribonucleicos? 10. ¿Qué son las nucleasas y Cómo se clasifican?

149

p P p 3

r r r

Distinguir la energía libre y la energía libre estándar de una reacción bioquímica. Reconocer el AT como un compuesto rico en energía y su relación con el AD y el AM. Explicar el proceso de la fosforilación oxidativa y el lugar de su origen en las mitocondrias.

La Bioquímica Energética, considera a las células máquinas químicas capaces de trabajar en condiciones de temperatura, presión y volúmenes constantes. Su propósito es estudiar los principios químicos y termodinámicos que regulan la función del sistema del AT en la energética de las células vivas.

' 1:- El AT actúa de modo cíclico como transportador de la energía química de las reacciones catabólicas del metabolismo. Las que proporcionan energía para el trabajo celular. 2:- El AT se genera a partir del AD por reacciones de fosforilación ligadas o acopladas a expensas de la energía que se libera en la degradación de moléculas combustibles. 3:- El AT, puede ceder su grupo fosfato terminal a moléculas aceptoras específicas, que son activadas energetícamente, permitiendo efectuar diversas funciones como: Transporte activo, biosíntesis, contracción muscular. 4:- La hidrólisis del AT genera las moléculas de AD y i, con la consecuente liberación de energía. El AD se refosforila por la oxidación del combustible celular que libera energía para formar AT. P÷OPIE ? ES E ?àP. 1:- El AT, AD y AM, se encuentran en los tejidos animales y vegetales a concentraciones de 2 a 10 mM. 2:- En células de metabolismo activo las concentraciones de AT son mayores que las de AD y AM. 4:- A pH 7,0 el AT y AD son aniones.

150

5:- El AT presenta 4 protones ionizables en sus grupos condensados, mientras que el AD presenta 3 protones ionizables. 6:- Tres de los 4 H del AT se hallan totalmente ionizados a pH 7,0. 7:- El cuarto H presenta un pK de 6,95 y por lo tanto disociado en un 50% a pH 7,0. 8:- En células intactas el AT y AD se hallan como complejos 1:1 con magnesio. Ej: MgAT-2 y MgAD-, debido a la afinidad de los grupos pi por los cationes bivalentes. 9:- En la mayor parte de las reacciones enzimáticas, donde el AT es el dador de fosfato, su forma activa es el complejo MgAT-2' Principios de equilibrio químico. 17## !)' rincipio de conservación. La energía no se crea ni se destruye durante un proceso determinado, puede transformarse de una forma a otra. Ej: La energía química puede transformarse en energía térmica, radiante, eléctrica o mecánica. 2170 !)' Equilibrio termodinámico. Establece que en todos los procesos, la entropía del sistema (desorden, libertad) más la de su entorno (entropía del universo) experimentan el equilibrio, donde la entropía es máxima.

3 ' Forma de energía capaz de realizar trabajo útil en condiciones de temperatura y presión constante a medida que el sistema tiende al equilibrio. La relación entre la variación de energía libre de un sistema reaccionante y la entropía, se define como: vŒ = vH - TvS vŒ : Variación de energía libre. vH : Variación de la entalpía. vS : Variación de la entropía. T : Temperatura absoluta.

151

Energía libre estándar Œ. 1:- La energía libre estándar de una reacción, se define como la diferencia entre las sumas de las energías libres de los productos y la suma de las energías libres de los reaccionantes, a una temperatura de 25 C (298 K), a concentración 1 M y a una atmósfera de presión. vŒ = Œ prod. - Œ react. 2:- vŒ es una constante para cualquier reacción química, mientras que el vŒ varía con las concentraciones de los reaccionantes y productos.

3:- vŒ = vŒ , cuando los reaccionantes y productos se presentan a concentración 1 M. Una reacción química se produce sólo cuando vŒ presenta signo (-), es decir, sí disminuye la energía libre del sistema. 4:- Si el vŒ es positiva, implica que la reacción química puede realizarse en el sentido en que se halla escrita, pero se encuentra termodinámicamente desfacorecido.

5:- El valor vŒ de una reacción química representa el trabajo máximo que se puede realizar (Kcal o Kj). 6:- Las reacciones químicas con una variación de energía libre estándar negativa se denominan exergónicas. 7:- Las reacciones con una variación de energía libre estándar positiva, reciben el nombre de endergónicas. 8:- La variación de energía libre estándar a pH 7,0 se representa por Œ y la que tiene lugar a pH 0,0 por Œ . ?ditividad de las variaciones de energía libre estándar Œ. Las variaciones de energía libre estándar de las reacciones químicas son aditivas (acopladas) y en cualquier secuencia de reacciones consecutivas. Energía libre estándar de formación (vŒf). Se define como la disminución de energía libre que se produce, cuando se forma un mol del compuesto, a partir de sus elementos. Equivale a la suma de las energías libres estándar de formación de los productos menos la suma de las energías libres estándar de formación de los reaccionantes.

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£ 3 p ' Tendencia termodinámica o potencial de un grupo fosfato de una molécula a ser transferido a otra molécula en una reacción catalizada enzimáticamente. Energía libre estándar de hidrólisis del ?àP. 1:- Su determinación a través de la constante de equilibrio se dificulta, ya sea en la determinación de los vŒ para cualquier reacción que presente valores de vŒ muy (+) o muy (-). 2:- El vŒ AT, se obtiene por sumatoria de los valores de vŒ de reacciones consecutivas y corresponde a -7,3 Kcal/mol. 3:-La vŒ de hidrólisis del AD es similar a la del AT. 4:- La vŒ AM es relativamente inferior (-3,4 Kcal/mol), debido a que los enlaces entre fosfatos adyacentes al AT y AD son enlaces anhídridos, mientras que el enlace entre el ácido fosfórico y la ribosa es un enlace éster' àermodinámica del ?àP. ¿or qué el AT presenta una energía libre estándar de hidrólisis más negativa, que la presentada por otros compuestos fosforilados ? Ejemplo,Œlúcosa 6-. ÷espuesta termodinámica. 1:- El ión fosfato próximo a pH 7,0, es un híbrido en resonancia, en el que el doble enlace presenta carácter de enlace simple. 2:- Los híbridos en resonancia son más estables (contienen menos energía libre). Se estabilizan por una cantidad de energía llamada, energía de estabilización por resonancia. 3:- Los grupos fosfatos del AT, AD y AM son híbridos por resonancia, que se estabilizan por cantidades diferentes de energía de resonancia, y que dependen de la configuración electrónica de los grupos funcionales adyacentes. 4:- A pH 7,0 el AT presentan 3,5 cargas (-) muy próximas, que se repelen mutuamente. Al hidrolizarse el terminal se elimina la tensión del AT. 5:- Los 2 terminales del AT, presentan fuerte atracción por los e -, así los enlace anhídrido del , son más susceptible a la hidrólisis que un simple enlace éster. 6:- El AD y i, se hallan más fuertemente hidratados que el propio AT, aumentando la tendencia de hidrólisis del AT

153

7:- El grupo pi del AT y del grupo acil-fosfato del 3- gliceril - , tiene un elevado contenido energético, al igual que los ésteres enólicos (fosfoenol piruvato), los tioésteres (acetil CoA) y derivados de fosfoguanidina (creatina). àransferencia enzimática de grupos fosfatos al ? P. Existen dos clases de fosfatos de alto contenido energético, en los cuales el vŒ de hidrólisis es más negativo que la del AT, y que pueden servir como donadores de grupos fosfatos para el AD. rimer grupo. Formado por el 3-fosfogliceril - fosfato y el fosfopiruvato, los cuales se producen durante la degradación enzimática de las moléculas combustibles, específicamente en la glucólisis, o a través de la fosfoglicerato quinasa y piruvato kinasa, respectívamente. Segundo grupo. Formado por la fosfocreatina y fosfoarginina, que actúan como depósito de energía en los músculos (fosafágenos). La fosfocreatina se encuentra en el tejido nervioso y la fosfoarginina en los tejidos de invertebrados. En ambas moléculas, el átomo de fósforo se halla unido directamente a un átomo de N de un grupo guanidinio. El grupo es transferido enzimáticamente al AD por la creatina - kinasa y arginina - kinasa , respectívamente'

£ 3p £ £ ' El AT puede ceder su grupo fosfato terminal a una variedad de moléculas capaces de aceptar el fosfato en reacciones catabolizadas por enzimas específicas. Entre los aceptores se encuentran la D - glúcosa y D - glicerina, donde la hexoquinasa cataliza la reacción. " $;6" $"# $# 0#%$$ "$' El sistema AT-AD se conectan primariamente entre fosfatos de alto y de bajo contenido de energía. Los grupos fosfatos se transfier en por fosfotransferasas específicas desde compuestos de alto contenido energético, hasta el AD (Ej: Fosfoenolpiruvato vŒ -7,5 Kcal/mol)). El AT, así formado se convierte después en el dador de grupos fosfatos en una segunda reacción enzimática, para formar un fosfato de bajo contenido energético (Ej: glúcosa-6, vŒ Kcal/mol). ! #$0#%$ !" #0 '

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El AT no actúa como depósito de energía, sino como transportador de ésta. La cantidad de AT intracelular es transitoria. Los sistemas celulares presentan compuestos , que actúan como almacenadores de energía. Ej: Fosfocreatina. Que se forma por fosforilación de la creatina, cuando los niveles del AT son altas. Se encuentra en el músculo esquelético, músculo liso y células nerviosas; y en cantidades muy bajas en el riñón. La fosfoarginina cumple similar función , pero en el tejido de invertebrados como el cangrejo y langosta . Algunos microorganismos almacenan grupos fosfatos de alta energía en forma de gránulos insoluble de polimetafósfatos (volutina).

£ 3p £ £ ' Existen otros 5nucleósidos di y trifosfatos, los que desempeñan el papel de precursores energéticos activos en la síntesis de RNA y transferencia de grupos fosfatos hacia otras reacciones de biosíntesis. |aracterísticas. 1:- Todas estas vías se conectan al AT a través de la nucleósido di- quinasa, presente en mitocondrias y en el citoplasma. 2:- La nucleósido di--quinasa transfiere fosfatos entre el AT y cualquier ND. 3:- El UT es el dador de (energía) de reacciones que conducen a la síntesis de polisacáridos. 4:- El CT es el dador de grupos fosfatos (y de energía) en las reacciones de biosíntesis de lípidos.

: £ £ ' Los dos grupos fosfatos terminales del AT se pueden separar enzimáticamente de una sola vez por escisión pirofosfórica (i), entregando como producto AM. Como por ejemplo la activación enzimática de un ácido graso para formar un éster con CoA. AT + RCOOH + CoA-SH ------ AM + pi + RCO-SCoA ÷uta enzimáticas de incorporación al sistema ?àP - ? P. El AM y pi son incorporados a la corriente de transferencia de grupos fosfatos, a través del ciclo del AT - AM por las enzimas pirofosfatasa inorgánica y la adenilato quinasa. Pirofosfatas inorgánica. Cataliza la hidrólisis del pirofosfato inorgánico, para formar dos moléculas de ortofosfato inorgánico, él que puede ser utilizado en la regeneración del AT, apartir de AD.

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i + H20 ------- 2 i vŒ = -4,6 Kcal/mol ?denilato quinasa. También llamada mioquinasa. Cataliza la refosforilación del AM a AD en la reacción: AT + AM ------ AD + ND

3E ' Las células son sistemas abiertos, intercambian materia y energía con su entorno (eminentemente dinámicos). En un momento dado, las células se encuentran en un estado estacionario en que la velocidad de entrada de materia es igual a la velocidad de salida de la misma. Œeneralidades. 1:- Un sistema abierto en el estado estacionario es capaz de efectuar trabajo, porque está alejado de su equilibrio. 2:- En la termodinámica de los sistemas abiertos, el estado estacionario, puede considerarse como un estado ordenado de un sistema abierto, donde la entropía es mínima.

p 3' Muchas reacciones endergónicas de una célula pueden acoplarse con una reacción exergónica para obtener la energía que impulse la reacción celular a la derecha. Investigaciones tempranas sobre la naturaleza de la contracción muscular demostraron que la presencia del compuesto rico en energía fosfato de creatina proporciona una fuerza impulsora en las reacciones musculares. Los estudios sobre oxidación de glucosa y especialmente sobre ciclos metabólicos de la oxidación de los carbohidratos ponen de relieve el papel del $"#$ " ,-( y este compuesto rico en energía ha pasado a ser la clave que liga los procesos endergónicos con los que son exergónicos. Los compuestos ricos en energía muchas veces son ésteres complejos de fosfato que proporcionan grandes cantidades de energía libre por hidrólisis. Una consideración más detallada de la energía liberada por la hidrólisis por etapas de AT ilustrará el concepto del cuerpo rico en energía.

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Se han propuesto varias explicaciones para la liberación de energía por hidrólisis de compuestos ricos en energía. Incluyen el hecho de que estos compuestos son inestables en soluciones ácidas y alcalinas, y se hidrolizan fácilmente. Así pues, los productos hidrólisis, fosfato inorgánico, AD y AM, tienen muchas más posibilidades de resonancia que el producto original AT. Un motivo principal para la liberación de energía incluye el tipo de estructura de enlace en estos compuestos. Los enlaces ȕ y Ȗ en el AT son enlaces de anhídrido que incluyen gran cantidad de energía de repulsión entre los fosfatos, qué se libera por hidrólisis. Otros compuestos de fósforo ricos en energía incluyen los siguientes:

Los dos compuestos superiores tienen enlaces de anhídrido entre un fosfato Ȗ y en grupo carbonilo o ácido enol. El fosfato de creatina, el compuesto rico en energía que hay en los músculos, presenta un enlace directo entre el fosfato y el nitrógeno, mientras que el enlace de acetilmercaptán de la coenzima A 157

también es característico de un compuesto rico en energía. En cada caso el compuesto rico en energía se hidroliza fácilmente, dando productos que sufren reacciones espontáneas. Estas reacciones originan productos que termodinámicamente son más estables. Los ésteres simples de fosfato, como AM, glucosa-6-fosfato, y ácido 3-fosfoglicérico, no se consideran compuestos ricos en energía y por hidrólisis proporcionan una cantidad de energía menor.

La distinción entre compuestos ricos en energía y ésteres de fosfato pobres en energía es arbitraria, pero los bioquímicos suelen itir una línea divisoria de 5.0 Kcal por mol. En la exposición sobre metabolismo habrá varios ejemplos del empleo de compuestos ricos en energía para almacenarla y transmitirla, y de acoplamiento de energía obtenida de alimentos para utilización en reacciones celulares.

£ Como el adenosintrifosfato se ha considerado compuesto clave en el almacenamiento de energía química y en el acoplamiento de reacciones exergónicas a reacciones endergónicas en la célula, constituye la fuerza impulsora mayor para las reacciones metabólicas de los tejidos. Aunque AT puede formarse con la energía luminosa en el proceso de la fotosíntesis, aquí consideramos su formación en el citoplasma en ausencia de oxígeno (a nivel de substrato de fosforilación) y en las mitocondrias por el proceso de fosforilación oxidativa. ?àP a nivel de substrato En el esquema anaerobio del metabolismo de los carbohidratos (vía de Embden-Meyerhof) la glucosa es fosforilada, y más tarde se rompe en el derivado fosforilado de tres carbonos. En las dos reacciones siguientes AD se convierte en el compuesto AT rico en energía, con ayuda de catalizadores llamados enzimas. Estas reacciones pueden tener lugar en ausencia de O2 en el citoplasma y se denominan fosforilaciones a nivel de substrato.

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Fosforilación oxidativa de ?àP Uno de los esquemas aerobios u oxidativos principales del metabolismo de los hidratos de carbono (ciclo de Krebs) incluye la reacción de compuestos intermedios con producción de varios moles de AT. Hay un sistema de transporte de electrones en las mitocondrias de las células que transportan activamente los electrones de un metabolito reducido al oxígeno, con ayuda de enzimas y coenzimas según se indica en la figura a continuación.

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i es fosfato inorgánico, NAD es dinucleótido de nicotinamida-adenina, FMN es mononucleótido de flavina, y FAD es dinucleótido de flavina y adenina. Otros compuestos intermedios de la figura entre el metabolito reducido y el oxígeno, aparte de NAD y FAD, son la coenzima Q y los citocromos. Las reacciones globales incluyen primero Q" +!"R luego

2S"

2Q9Q9QT 2S

+!"Q Q9Q

2 2

Como puede verse en la figura anterior, AT nace en tres lugares de la cadena de transportes de electrones, con las siguientes transferencias electrónicas: de NADH2 a la coenzima Q gracias a la flavoproteína FMN; de la coenzima Q al citocromo c pasando por el citocromo b; y del citocromo c a O2 mediante citocromo a3. or lo tanto, pueden generarse tres moles de AT por el paso de electrones de un mol de substrato a través de NAD hasta oxígeno molecular, pero solo pueden generarse dos moles si los electrones son transferidos directamente del substrato a la coenzima Q a través de FAD, porque esta transferencia evita la primera zona de fosforilación. Las enzimas de transporte electrónico están localizadas en la membrana interna de las mitocondrias. Se cree que esta membrana está, formada por unidades repetidas, compuestas cada una de una pieza maestra que se proyecta en la matriz, unida por un tallo a una pieza basal.

La cadena básica de transporte de electrones está localizada en las piezas basales. Cada pieza basal está considerada un complejo que contiene una parte de las enzimas que transportan electrones. Cuatro de tales complejos más NADH2, coenzima Q, y citocromo c constituyen un sistema de transporte electrónico completo. La energía generada por el transporte de electrones en el complejo de la pieza basal es transmitida a través de la proteína del tallo a la porción principal, donde es convertida en el enlace rico en energía del AT.

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NAD, el dinucleótido de adenina y nicotinamida es un dinucleótido formado por AM unido a nicotinamida-ribosa-fosfato. La porción nicotinamida de la molécula interviene en las reacciones de oxidación y reducción de la fosforilación oxidativa. La porción restante de la molécula está representada como ribosa- - - -adenosina, donde significa ácido fosfórico. La reducción de NAD para formar NADH2 puede representarse así:

F? dinucleótido de adenina y flavina es un dinucleótido compuesto de flavina-ribosa-fosfato unido a AM. La reducción de FAD en el sistema de transporte de electrones puede representarse así:

La ; es una quinona liposoluble, llamada a veces ubiquinona-10 por las 10 unidades de isopreno que lleva en la cadena lateral (el número puede variar de 0 a 10). Esta coenzima se reduce fácilmente a la forma hidroquinona durante el transporte de hidrógeno, así:

Los "#$ son pigmentos de oxidación-reducción formados por complejos de hierro-porfirina conocidos como ?, que también constituye parte integral de la hemoglobina, el pigmento respiratorio de los glóbulos rojos. El hem del citocromo c, por ejemplo, está unido a una molécula de proteína por coordinación con dos residuos de aminoácidos básicos, y por enlaces de tioéter formados por adición de un grupo sulfhidrilo de cada una de dos moléculas de cisteína en la molécula de proteína.

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El citocromo c es un portador de electrones en el ciclo de fosforilación oxidativa, donde el átomo de hierro del hem cambia de Fe+++ a Fe++ en la forma siguiente:

La naturaleza exacta y el mecanismo funcional detallado del ciclo de la fosforilación oxidativa todavía no están perfectamente conocidos. Recientemente Œreen y colaboradores han aislado una gran partícula de transporte electrónico de las mitocondrias celulares. Luego separaron la partícula en cuatro complejos, y después de estudiar su composición y función, propusieron la siguiente relación entre los complejos y el sistema de transporte de electrones:

La energía bioquímica en forma de AT es una fuerza impulsora esencial en muchas reacciones metabólicas de células y tejidos. Como ya hemos visto, intervienen varias reacciones complejas en la síntesis de este compuesto vital; procede insistir en que se forman tres moles de AT cuando los electrones de NADH2 son transportados a través del sistema hasta el oxigeno. También se forman dos moles de AT cuando los electrones de FADH2 son transportados hacia el oxígeno. Estas relaciones ayudarán a comprender el balance de energía en los ciclos metabólicos.

162

p 1. ¿Cuáles son las diversas formas de energía que pueden producirse en la célula viva? 2. ¿Cuál es la relación entre el cambio de energía libre estándar de una reacción, ǻŒ* y el cambio de energía libre, ǻŒ? 3. La formación de un éster a partir de un ácido y un alcohol ha proporcionado un ǻŒ* de +2.0 Kcal. El AT forma un intermedio con el ácido para impulsar la reacción hasta completarla. Representar la reacción y calcular el nuevo ǻŒ*. 4. Explicar brevemente por qué el ácido fosfoenolpirúvico es un compuesto rico en energía. 5. Si el ácido 3-fosfoglicérico se convirtiera en ácido l.3-difosfoglicérico, ¿qué le pasaría al AT, y cuál cambio energético podría esperar? 6. ¿or qué el mecanismo de fosforilación oxidativa se llama también sistema de transporte de electrones?. Detallar. 7. Detallar el proceso del sistema de transporte de electrones de la porción basal a la porción principal en la membrana interna de las mitocondrias. 8. Explicar por qué motivo solo se forman dos moles de AT en .el sistema de transporte de electrón cuando los electrones de FADH, son transportados hacia el oxígeno.

163

p U 4: 4

r r r

Definir y describir la naturaleza de una enzima y coenzima. Reconocer la relación entre lugar activo y su especificidad. Describir el efecto de H, temperatura y productos terminales sobre una reacción enzimática.

3# ! $' Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces, químicamente son proteínas Como catalizadores, los enzimas actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución. Las enzimas son grandes proteínas que aceleran las reacciones químicas. En su estructura globular, se entrelazan y se pliegan una o más cadenas polipeptídicas, que aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se adhiere el sustrato, y donde se realiza la reacción. Una enzima y un sustrato no llegan a adherirse si sus formas no encajan con exactitud.

" !; #

164

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. Un catalizador acelera la reacción al disminuir la energía de activación.

En una transformación dada de "A" a "" , "A" representa las moléculas reaccionantes, que constituyen el estado inicial. "" representa los productos o estado final. La reacción química de A a es un proceso posible si la energía de es menor que la de A. ero hay una barrera de energía que los separa; si no es por ella, A no existiría, puesto que no sería estable y se habría transformado en . Este escollo es una barrera energética, la energía de activación (Ea), que corresponde al estado de transición.

4 La característica más sobresaliente de los enzimas es su elevada especificidad. Esta es doble y explica que no se formen subproductos: 1. Especificidad de sustrato. El sustrato (S) es la molécula sobre la que el enzima ejerce su acción catalítica. 2. Especificidad de acción. Cada reacción está catalizada por un enzima específico.



5 4 La acción enzimática se caracteriza por la formación de un complejo que representa el estado de transición. El sustrato se une al enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrógeno, electrostáticas, hidrófobas, etc, en un lugar 165

específico , el centro activo. Este centro es una pequeña porción del enzima, constituido por una serie de aminoácidos que interaccionan con el sustrato.

!$ ;6" '



Con su acción, regulan la velocidad de muchas reacciones químicas implicadas en este proceso. El nombre de enzima, que fue propuesto en 1867 por el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne (1837-1900), deriva de la frase griega en zyme, que significa 'en fermento'. En la actualidad los tipos de enzimas identificados son más de 2.000.

p 4 Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. or ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis de la arginina (a urea y ornitina). Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de reacción que catalizan; así la Œliceraldehído-3deshidrogenasa cataliza la oxidación del la Œliceraldehído-3. Incluso algunas se conocen de hace mucho tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción que catalizan (tripsina).

£ 5 4

|lasificación estructural. ; $ $%!$. Son aquellas que para su función catalítica no necesitan cofactor u coenzima. ; $80 $. Enzimas que necesitan para su actividad catalítica una coenzima o ión metálico. Cuando la coenzima o ión metálico se unen covalentemente a la enzima, constituye un grupo prostético y que en su conjunto se asigna como holoenzima. La parte proteíca de la enzima se denomina apoenzima o apoproteína. 166

|lasificación funcional. Muchas enzimas se asignan con el sufijo "asa" al nombre de su sustrato o una palabra o frase que describe su actividad. Ejemplo: ureasa, enzima que hidróliza la urea. or acuerdo internacional las enzimas se clasifican en seis clases principales, cada una de ellas con diferentes subclases, según el tipo de reacción catalizada. Cada enzima es nombrado por 4 dígitos: EC a.b.c.d. Clase de enzima atendiendo a la clase de reacción que catalizan: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Óxido-reductasas ( Reacciones de oxido-reducción). Transferasas (Transferencia de grupos funcionales) Hidrolasas (Reacciones de hidrólisis) Liasas (Adición a los dobles enlaces) Isomerasas (Reacciones de isomerización) Ligasas (Formación de enlaces, con aporte de AT)

Oxido-reductasas:

@ c c c c !c cc c cc c c

c Son las enzimas relacionadas con las oxidaciones y las reducciones biológicas que intervienen de modo fundamental en los procesos de respiración y fermentación. Las oxidoreductasas son importantes a nivel de algunas cadenas metabólicas, como la escisión enzimática de la glucosa, fabricando también el AT, verdadero almacén de energía. Extrayendo dos átomos de hidrógeno, catalizan las oxidaciones de muchas moléculas orgánicas presentes en el protoplasma; los átomos de hidrógeno tomados del sustrato son cedidos a algún captor. En esta clase se encuentran las siguientes subclases principales: Deshidrogenasas y oxidasas. Son más de un centenar de enzimas en cuyos sistemas actúan como donadores, alcoholes, oxácidos aldehidos, cetonas, aminoácidos, DNH2, TNH2, y muchos otros compuestos y, como receptores, las propias coenzimas DN y TN, citocromos, O2, etc.

167

.as àransferasas.-

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c % cc

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c c

Estas enzimas catalizan la transferencia de una parte de la molécula (dadora) a otra (aceptora). Su clasificación se basa en la naturaleza química del sustrato atacado y en la del aceptor. También este grupo de enzimas actúan sobre los sustratos mas diversos, transfiriendo grupos metilo, aldehído, glucosilo, amina, sulfató, sulfúrico, etc.

as Hidrolasas: à c% cc cc? ) c *cc +cc c cc +cc c % cc +cc c% cc +cc c|oc

Esta clase de enzimas actúan normalmente sobre las grandes moléculas del protoplasma, como son la de glicógeno, las grasas y las proteínas. La acción catalítica se expresa en la escisión de los enlaces entre átomos de carbono y nitrógeno (C-Ni) o carbono oxigeno (C-O); Simultáneamente se obtiene la hidrólisis (reacción de un compuesto con el agua)de una molécula de agua. El hidrógeno y el oxidrilo resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a las dos moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados enlaces. La clasificación de estas enzimas se realiza en función del tipo de enlace químico sobre el que actúan. A este grupo pertenecen proteínas muy conocidas: la pepsina, presente en el jugo gástrico, y la tripsina y la quimiotripsina, segregada por el páncreas. Desempeñan un papel esencial en los procesos digestivos, puesto que hidrolizan enlaces pépticos, estéricos y glucosídicos. as isomerasas:

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Transforman ciertas sustancias en otras isómeras, es decir, de idéntica formula empírica pero con distinto desarrollo. Son las enzimas que catalizan diversos tipos de isomerización, sea óptica, geométrica, funcional, de posición, etc. Se dividen en varias subclases. Las racemasas y las epimerasas actúan en la racemización de los aminoácidos y en la epimerización de los azúcares. Las primeras son en realidad pares de enzimas específicas para los dos isómeros y que producen un solo producto común. Las isomerasas cis ± trans modifican la configuración geométrica a nivel de un doble ligadura. Los óxidos ± reductasas intramoleculares catalizan la interconversión de aldosas y cetosas, oxidando un grupo CHOH y reduciendo al mismo tiempo al C = O vecino, como en el caso de la triosa fosfato isomerasa, presente en el proceso de la glucólisis; en otros casos cambian de lugar dobles ligaduras, como en la (tabla) isopentenil fosfato isomerasa, indispensable en el cambio biosinético del escualeno y el colesterol. or fin las transferasas intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el traspaso de grupos acilo, o fosforilo de una parte a otra de la molécula, como la lisolecitina acil mutasa que transforma la 2 ± lisolecitina en 3 ± lisolecitina, etc. Algunas isomerasa actúan realizando inversiones muy complejas, como transformar compuestos aldehídos en compuestos cetona, o viceversa. Estas ultimas desarrollan una oxidorreducción dentro de la propia molécula (oxido reductasa intramoleculares)sobre la que actúan, quitando hidrógeno, a algunos grupos y reduciendo otros; actúan ampliamente sobre los aminoácidos, los hidroxácidos, hidratos de carbono y sus derivados. .as iasas:

r r r

Y c|cc|cc Y c|cccc Y c|ccc

Estas enzimas escinden (raramente construyen) enlaces entre átomos de carbono, o bien entre carbono y oxigeno, carbono y nitrógeno, y carbono y azufre. Los grupos separados de las moléculas que de sustrato son casi el agua, el anhídrido carbónico, y el amoniaco. Algunas liasa actúan sobre compuestos orgánicos fosforados muy tóxicos, escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos sustratos. as igasas: r r r r

Y c|cccc Y c|cc@cc Y c|cccc Y c|cc|c

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Es un grupo de enzimas que permite la unión de dos moléculas, lo cual sucede simultáneamente a la degradación del AT, que, en rigor, libera la energía necesaria para llevar a cabo la unión de las primeras. Se trata de un grupo de enzimas muy importantes y recién conocidas, pues antes se pensaba que este efecto se llevaba a cabo por la acción conjunta de dos enzimas, una fosfocinasa, para fosforilar a una sustancia A (A + AT A + AD) y una transferasa que pasaría y uniría esa sustancia A, con otra, B (A - + B A ± B + i ). A este grupo pertenecen enzimas de gran relevancia reciente, como las aminoácido ±ARNt ligasas conocidas habitualmente con el nombre de sintetasas de aminoácidos ±ARNt o enzimas activadoras de aminoácidos que representan el primer paso en el proceso biosintético de las proteínas, y que forman uniones C-O; las ácido-tiol ligasas, un ejemplo típico de las cuales es la acetil coenzima. A sintetasa, que forma acetil coenzima. A partir de ácido acético y coenzima A ; las ligasas ácido ± amoniaco (glutamina sintetasa), y las ligasas ácido-aminoácido o sintetasas de péptidos, algunos de cuyos ejemplos más conocidos son la glutación sintetasa, la carnosina sintetasa, etc.

%#" !,#$ " $ - Es importante ya que es la principal fuente de energía de los seres vivos y se alimenta de casi todas las actividades celulares, entre ellas el movimiento muscular, la síntesis de proteínas, la división celular y la transmisión de señales nerviosas. Esta molécula se encuentra en todos los seres vivos y constituye la fuente principal de energía utilizable por las células para realizar sus actividades. Se origina por el metabolismo de los alimentos en unos orgánulos especiales de la célula llamados mitocondrias. |omposición el ?àP El AT se comporta como una coenzima, ya que su función de intercambio de energía y la función catalítica (trabajo de estimulación) de las enzimas están íntimamente relacionadas. La parte adenosina de la molécula está constituida por adenina, un compuesto que contiene nitrógeno (también uno de los componentes principales de los genes) y ribosa, un azúcar de cinco carbonos. Cada unidad de los tres fosfatos (trifosfato) que tiene la molécula, está formada por un átomo de fósforo y cuatro de oxígeno y el conjunto está unido a la ribosa a través de uno de estos últimos. Los dos puentes entre los grupos fosfato son uniones de alta energía, es decir, son relativamente débiles y cuando las enzimas los rompen ceden su energía con facilidad. Con la liberación del grupo fosfato del final se obtiene siete kilocalorías (o calorías en el lenguaje común) de energía disponible para el trabajo y la molécula de AT se convierte en AD (difosfato de adenosina). La mayoría de las reacciones celulares que consumen energía están potenciadas por la conversión de AT a AD, incluso la transmisión de las 170

señales nerviosas, el movimiento de los músculos, la síntesis de proteínas y la división de la célula. or lo general, el AD recupera con rapidez la tercera unidad de fosfato a través de la reacción del citocromo, una proteína que se sintetiza utilizando la energía aportada por los alimentos. En las células del músculo y del cerebro de los vertebrados, el exceso de AT puede unirse a la creatina, proporcionando un depósito de energía de reserva.

£$! $; $ En su estructura globular, se entrelazan y se pliegan una o más cadenas polipeptídicas, que aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se adhiere el sustrato, y donde se realiza la reacción. Una enzima y un sustrato no llegan a adherirse si sus formas no encajan con exactitud. Este hecho asegura que la enzima no participa en reacciones equivocadas. La enzima misma no se ve afectada por la reacción. Cuando los productos se liberan, la enzima vuelve a unirse con un nuevo sustrato.

171

4 Especificidad de los enzimas. Los enzimas son proteínas catalíticas. Casi todas las reacciones celulares están catalizadas. Alguna actividad catalítica no reside en las proteínas sino en el RNA, es el caso de la ribozima que tiene parte de RNA y parte proteica aunque la catálisis la efectúa el ácido nucleico. Esto tiene una importancia evolutiva pues demuestra que el RNA catalizaba antes que los enzimas que luego se especializaron. El RNA es peor catalizador. La función de los enzimas estás relacionada con la unión de un ligando que será el sustrato. Se forma complejo enzima-sustrato, que luego se convierte en producto: enzima + sustrato enzima-sustrato enzima + producto Como es un catalizador el enzima no se consume, acelerando la velocidad de reacción sin modificar la posición de equilibrio. Las propiedades que tienen los enzimas que los hacen efectivos como catalizadores son: -

-

Capaces de acelerar las reacciones en las condiciones suaves de la célula. Alto poder catalítico por su gran actividad molecular, aceleran las reacciones hasta 1017 veces. Esto es porque se une al sustrato en relación 1:1 y la reacción que ocurre en los confines de éste ve rebajada su energía de activación como consecuencia de esa unión. Son muy específicos respecto a. (1) Tipo de reacción: ya que no son catalizadas reacciones de naturaleza distinta. (2) Respecto al sustrato: el enzima no puede unirse con cualquier sustrato. Hay enzimas más específicos que otros. La especificidad puede ser tan alta que se distinga entre estereoisómeros. Sin embargo los enzimas digestivos son poco específicos porque si no harían falta demasiados. La ventaja de la especificidad reside en que se pueden catalizar muchas reacciones a la vez sin reacciones laterales ni que se acumulen los productos secundarios.

|entro activo. El sitio de unión del ligando está muy bien definido. En él habrán distintos residuos que aporten los grupos funcionales necesarios para cada función: -

Residuos catalíticos: son capaces de llevar a cabo la catálisis. Residuos de unión: aportan soporte para unir el enzima a su sustrato y no a otro. Residuos que participan en la estructura tridimensional.

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La proteína al plegarse determina el centro activo que será una cavidad hidrofóbica (ambiente especial). No habrá agua si no participa en la reacción. Se crea un microambiente especial para que los grupos catalíticos sean más reactivos. <
£ ' A veces se necesitan grupos catalíticos que no se encuentran en los aminoácidos por lo que se necesita una molécula extra, un cofactor, que puede ser inorgánico (iones en general) u orgánicos. Estos últimos pueden estar unidos reversiblemente (coenzimas) o permanentemente (grupo prostético). Catálisis de la hidratación de CO2 por la anhidrasa carbónica (que contiene Zn2+): CO2 + H2O H+ + HCO3Zn2+ Como ninguna cadena lateral de los aminoácidos puede formar OH el Zn aporta lo que se necesita. El Zn se une al H2O y luego se separan: Zn --- H - O - H Zn --- H - O- + CO2 Zn2+ + HCO3H+ Los enzimas que catalizan reacciones redox necesita algún grupo donde transportar los electrones y no hay ninguna cadena lateral de aminoácido que pueda, por lo que necesita un cofactor. Muchos cofactores deben ser ingeridos

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porque la célula no los sintetiza. Las vitaminas suelen ser cofactores o precursores de cofactores. Las vitaminas B2 y B3 son precursores de cofactores redox.

Holoenzima = Apoenzima + Cofactor

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E 4A Los principios generales de la cinética de las reacciones químicas son aplicables a las reacciones catalizadas por enzimas, pero con la salvedad de que las enzimas se saturan con el sustrato, donde la velocidad de reacción llega a ser independiente de la concentración del sustrato y se hace constante. àeoría de Michaelis y Menten.

Desarrollada en 1913 explica la acción y cinética de las enzimas. Supone que la enzima cse combina con el sustrato (S), para formar el complejo E-S; el cual se escinde para formar la enzima libre y producto (). La ecuación de Michaelis y Menten es la ecuación de velocidad para las reacciones catalizadas por enzimas frente a un sustrato. Cuando la velocidad inicial es exactamente igual a la mitad de la velocidad máxima, se deduce que la concentración de sustrato es igual a la constante Km. 174

|onstante de Michaelis y Menten (Km). Se define como la concentración de sustrato en la que la velocidad inicial de la reacción es la mitad de la velocidad máxima. El valor aproximado de Km se obtiene graficamente al representar la velocidad inicial frente a la concentración de sustrato inicial; se obtiene una hipérbole rectangular.

# "#$" $<' 1. Km no tiene un valor fijo, sino que varia con la estructura del sustrato, con el pH y la temperatura. 2. ara las enzimas que poseen más de un sustrato, cada uno de estos exhibe una Km característica. 3. En condiciones intracelulares, las enzimas no se hallan saturadas por sus sustratos. 4. Este parámetro es característico para la descripción matemática de la cinética enzimática, la determinación cuantitativa de la actividad enzimática. ! 6= ' 1. La velocidad máxima (Vmax) es igual a K+2 (S) y que varia ampliamente de una enzima a otra para una concentración de enzima determinada. 2. La Vmax varia con la estructura del sustrato, con el pH y la temperatura. <)$" "!$$"# ",<$-' Km es una magnitud determinada experimentalmente y definida operativamente como, la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es equivalente a la 1/2 de Vmax. Km = K-1 + K+2 K+1 En algunas reacciones K-1 es muy grande, respecto de K+2, en este caso K+2 se hace despreciable y Km equivale aproximadamente a la constante de disociación del complejo E-S (Ks). ÷epresentación de ineweaver-Burk.

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Es una transformación algebraica de la ecuación de velocidad de MichaelisMenten. La más utilizada es la que considera los recíprocos de ambos de la ecuación de velocidad. Esta representación de doble recíproco, permite una determinación más exacta del valor de Vmax de las obtenidas de los gráficos de velocidad de MichaelisMenten. Además proporciona información acerca de la inhibición enzimática. ÷epresentación de Eadie-Hofstee. Se obtiene multiplicando ambos de la ecuación de Lineweaver-Burk por Vmax. Esta representación entrega valores de Vmax y de Km en forma sencilla y amplía las desviaciones del carácter lineal que pueden no aparecer en una representación doble recíproca. Efecto del pH sobre actividad enzimática. Cada enzima posee un pH característico en el cual su actividad es máxima. La relación entre el pH y la actividad de cualquier enzima depende del comportamiento ácido - base de la enzima y del sustrato. La forma de la curva de actividad-pH, varía con la concentración del sustrato, ya que el valor Km de muchas enzimas cambia con el pH. Efecto de la temperatura sobre actividad enzimática. 1. La velocidad de reacción catalizada por enzimas se incrementa con aumento de la temperatura, en un intervalo en que la enzima es estable y permanece activa. 2. La velocidad en muchas enzimas se duplica por cada 10 C de aumento de temperatura (Q10 = 2). 3. El Q10, varía de una enzima a otra según la energía de activación de la reacción catalizada. Efecto de la temperatura sobre reacciones enzimáticas. 4. La aparente temperatura óptima de la enzima , representada por un pico de actividad catalítica, es la resultante de dos procesos: a) El incremento de la velocidad de reacción con la temperatura. b) El incremento de la velocidad de desnaturalización térmica de la enzima al sobrepasar una temperatura crítica. 5. 5:- La mayor parte de las enzimas se inactivan entre los 56 - 60 C. Sin embargo, algunas bacterias son estables. Ej: bacterias termofílicas.

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5 4'

Ha permitido obtener información sobre el mecanismo y las rutas de las catálisis enzimáticas, la especificidad del sustrato, la naturaleza de los grupos funcionales en el centro activo y la participación de grupos funcionales en el mantenimiento de la conformación activa de la molécula de enzima. àipos de inhibición. 1. Inhibición competitiva. 2. Inhibición acompetitiva. 3. Inhibición no competitiva. "& ' El inhibidor no se combina con la enzima libre y no afecta a su reacción con el sustrato. Sin embargo se combina con el complejo E-S, para formar un complejo E-S-I, la cual no experimenta su transformación a producto.

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Características. 1. Se reconocen con facilidad en las gráficas de doble recíproca. La pendiente de las rectas permanece constante al aumentar la concentración del inhibidor. 2. La Vmax decrece con aumento del inbidor. 3. Es poco frecuente en las reacciones de un solo sustrato. "& ' En la inhibición no competitiva el inhibidor puede combinarse con la enzima libre o con el complejo E-S. Este inhibidor se une a un sitio de la enzima diferente al sitio activo. Œeneralmente deforman la enzima y no puede formarse el complejo E-S a una velocidad normal. Sus efectos no se anulan al aumentar la concentración del sustrato. 1. El inhibidor produce dos formas inactivas E-I y E-S-I 2. En las gráficas de doble recíprocas las rectas difieren en pendiente, pero no comparten un punto común de intersección en el eje de la ordenada (1/Ve). 3. El valor de la intersección en el eje 1/Ve es mayor para la enzima inhibida que para su condición normal. 4. or lo anterior la Vmax disminuye en presencia del I y no cambia con la concentración del S. 5. Esta inhibición es producida por los reactivos que pueden combinarse reversiblemente con algún grupo funcional de la enzima, que sea esencial para mantener la conformación tridimensional catalíticamente activa de ésta. 6. Las enzimas con grupos SH son inhibidas no competitivamente por iones de metales pesados. 7. Las enzimas que requieren iones metálicos para su funcionamiento son inhibidas no competitivamente por agentes quelantes como el EDTA. Inhibición irreversible. El inhibidor interviene en un equilibrio reversible, que se establece rapidamente con la enzima o con el complejo E-S. El agente se une de forma covalente y modifica de modo permanente a un grupo funcional, esencial para la catálisis. Su estudio es importante porque permite obtener información respecto de los grupos funcionales catalíticos del centro activo.

43p ' Son catalizadores biológicos, que además de las propiedades que caracterizan a las enzimas, presentan características que le confieren papeles reguladores del metabolismo. Existen dos tipos: Las enzimas alostéricas y las enzimas moduladas covalentemente.

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Enzimas alostéricas. La actividad catalítica de la enzima es modulada por la unión no covalente de un metabólito específico a un centro de la proteína, diferente al centro catalítico. 3# ! $' 1. Existen sistemas multienzimáticos donde el producto de la reacción actúa como inhibidor específico de una enzima situada al comienzo de la secuencia. 2. Esta inhibición se asigna como inhibición por el producto final, inhibición feed-back o retroinhibición. Estas enzimas reciben el nombre de enzimas alostéricas, propuesto por J. Monod, et al. 3. resentan un sitio diferente al centro activo, al que se une reversiblemente y en forma no covalente al efector o modulador. 4. El centro alostérico es específico para la unión del modulador. 5. Las enzimas pueden ser reguladas por moduladores positivos, que aumentan su actividad catalítica y moduladores negativos que la disminuyen. Ej: L-isoleucina es un modulador (-) para la treonindeshidratasa. 6. Cuando la enzima presenta un modulador específico es monovalente y cuando hay más de uno, polivalente. 7. Dos o más sistemas multienzimáticos, pueden estar conectados por una o más enzimas polivalentes, formando una red de control. 8. Son enzimas oligoméricas, es decir, constituidas por dos o más cadenas polipeptídicas. Son inestables a 0 C y estables a temperatura ambiente. 9. La inhibición producida por el modulador negativo no se ajusta a las inhibiciones conocidas y muestra una dependencia atípica de la Ve. Inicial de la reacción, no cumpliendo con la teoría de Michaelis-Menten. "# "' Se asigna a la primera etapa en una secuencia de reacciones multienzimáticas, que es irreversible en condiciones intracelulares. Constituye una estrategia de la célula para regular una ruta metabólica, desde la etapa inicial y así lograr la máxima economía de metabólitos.

"#!! $; $ !$"/# $' Las enzimas alostéricas muestran dos tipos de control diferentes: Heterotrópico y homotrópico, según la naturaleza del modulador. Enzimas homotrópicas. El sustrato actúa, también como modulador. Esta enzimas contienen dos o más centros de unión para el sustrato. La modulación dependerá de cuántos sean los centros del sustrato que están ocupados.

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Enzimas heterotrópicas. Son estimuladas o inhibidas por un modulador diferente a la del sustrato. |inética de las enzimas alostéricas. Su comportamiento cinético esta alterado por las variaciones de la concentración del modulador alostérico. Las enzimas homotrópicas muestran una curva sigmoidal en las gráficas de Ve de Michaelis-Menten. La curva sigmoidal ímplica que la unión de la primera molécula de sustrato con la enzima intensifica la unión de las moléculas de S subsiguientes a los otros centros activos.

%# "& %$"& ' Es cuando las curvas sigmoidales son muy inclinadas, debido a que un leve aumento en la concentración del sustrato, puede provocar una aceleración de la velocidad de la catálisis.

%# "& 0 "& ' Algunas enzimas muestran un comportamiento opuesto, la unión del sustrato provoca un descenso en la unión de las moléculas de sustrato subsiguientes, mostrando una curva más aplanada. La enzima en estas condiciones es menos sensibles a cambios pequeños de la concentración de sustrato y se aproxima a la saturación más lentamente, que la enzima no regulada.

# "#$" $' 1. Un modulador negativo, producirá un incremento en la Km aparente y el modulador positivo un descenso de ésta. 2. Un modulador negativo baja la Ve de reacción a una concentración de sustrato saturante y constante. Mientras que el modulador positivo producirá un incremento en la Ve. 3. Las enzimas alostéricas que responden a moduladores (+) y (-) con cambio de la Km aparente, se asignan como enzimas K y las que afectan la Vmax, como enzimas M. 4. Una enzima alostérica puede perder su regulación por los moduladores, sin afectar su actividad catalítica. roceso llamado desensibilización de la enzima. En estas condiciones la enzima se comporta según la cinética descrita por Michaelis-Menten. 8%!; !$"/# ' La más estudiada es la Aspartato-transcarbamilasa, conocida como ATCasa, que cataliza la reacción: Fosfato de carbamilo + L-aspartato -------- N-carbamil-L-aspartato + i

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Que corresponde a la etapa inicial de la biosíntesis del nucleótido de pirimidina (CT). El CT, producto final actúa como modulador negativo de la ATCasa. Un modulador positivo de esta enzima es el AT, que invierte el efecto inhibidor del CT. $$ "& #0! # ! $; $ !$"/# $' Estudia los mecanismos moleculares mediante los cuales la unión del modulador al centro regulador puede, alterar la actividad del centro catalítico. Cuya explicación se ha obtenido de los estudios con la hemoglobina, a través de dos modelos: Secuencial y el de Simetría. r

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Modelo propuesto por J. Monod et al. Establece que la unión de la primera molécula de sustrato incrementa la tendencia de las restantes subunidades a experimentar transición a la forma de elevada afinidad, a través de un efecto de todo o nada. Hallándose todas las subunidades en estado de baja o elevada afinidad. r

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Modelo propuesto por D.E. Koshland. Aplicable a las enzimas alostéricas que poseen multiples subunidades y que se suponen que existen en dos conformaciones diferentes, donde cada una puede experimentar cambios secuenciales individuales en su conformación entre los extremos de todo o nada. ueden existir diversos estados de conformación intermedios, cada uno con su propia actividad catalítica intrínseca. Este modelo propone una sintonización más fina de la actividad de la enzima alostérica. Modulación covalente de las enzimas reguladoras Las formas activas e inactivas son interconvertibles por modificación covalente de sus estructuras que son catalizadas por otras enzimas. Ej: glucógeno fosforilasa de los tejidos animales, que cataliza la degradación del polisacárido de reserva glucógeno en glucosa -1-fosfato.

# "#$" $' 1. Esta enzima presenta dos formas, la fosforilasa , forma activa y la fosforilasa menos activa. 2. La fosforilasa a es una proteína oligomérica con 4 subunidades principales. Cada una con serina fosforilada en su OH. Estos grupos fosfatos presentes en las formas , pueden separarse por la fosforilasafosfatasa, para entregar fosforilasa . 3. La fosforilasa , puede reactivarse por la acción de la fosforilasa-quinasa 4. or tanto la actividad de la fosforilasa del glucógeno es regulada por enzimas que desplazan el equilibrio entre sus formas activa e inactiva' 5.

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5 4 3 ' Tipo de regulación enzimática que cataliza los precursores inactivos de las enzimas (zimógenos), para dar las formas activas. Ej. epsina, tripsina y quimotripsina, que se sintetizan como zimógenos inactivos; pepsinógeno , tripsinógeno y quimotripsinógeno.

4' Formas múltiples de una enzima determinada, que puede presentarse en una sola especie de organismo e incluso en una sola célula. Se pueden separar por electroforesis en gel de los extractos celulares. Las isozimas difieren en su composición en aminoácidos y por tanto en los valores de pH isoeléctricos. Ej: La lactato -deshidrogenasa, aparece en 5 formas isozimicas diferentes en los tejidos de la rata.

7 4 Sustancias vitales para muchas formas de vida. Actúan en pequeñas cantidades. Su importancia biológica se presentó debido a que algunos organismos no las sintetizan y deben adquirirlas exogenamente. |lasificación. Se clasifican en dos grupos, las hidrosolubles y liposolubles. Las vitaminas hidrosolubles funcionan como coenzimas y las liposolubles comprenden a las vitaminas A, D, E y K. Los animales superiores las adquieren en su mayor parte en forma exógena. Su función en vegetales y microorganismos no está claro. No actúan como componentes de las coenzimas. ," -)%#$ "" ' Se precisa en la dieta de la mayor parte de los vertebrados y en algunos microorganismos. Su deficiencia produce el beriberi en el hombre y polineuritis en las aves. Características. 1. Constituida por una pirimidina sustituida unida por un puente metileno a un tiazol. Aparece en las células en su forma de coenzima activa ( el pirofosfato de tiamina), llamado antiguamente cocarboxilasa. 2. El pirofosfato de tiamina funciona como coenzima en las reacciones catalizadas en las que se separan grupos aldehídos y/o se transfieren en el metabolismo de los glúcidos. 3. Actúa como coenzima al promover la descarboxilación no enzimática del piruvato para dar acetaldehido y CO2. 182

4. La deficiencia de tiamina en la dieta de los animales experimentales, muestra una disminución no uniforme de la utilización del piruvato, según el tejido. Ej: cerebro en ratas y no así en el tejido muscular. +! & ," 2-)! &7!"' Se aisló en los huevos y en la leche. El aislado de la leche se asignó como lactoflavina y posteriormente riboflavina. Es un factor de crecimiento en el perro y otros animales. Corresponde a un derivado de la isoaloxacina. Esta vitamina es sintetizada por todos los vegetales e incluso por algunos microorganismos, pero no por los animales. Características. 1. La hipótesis de que los pigmentos amarillos actúan como coenzimas, fue afirmada con los descubrimientos de las coenzimas FAD y FMN. 2. Los flavín-nucleótidos, actúan como grupos prostéticos de las enzimas de oxido-reducción, conocidas como flavoenzimas o flavoproteínas. 3. Las enzimas que necesitan estas coenzimas participan en la degradación oxidativa del piruvato, de los ácidos grasos y de los aminoácidos, así como en el transporte de electrones. 4. En la mayor parte de las enzimas el flavín-nucleótido se une fuertemente en forma no covalente. A excepción de la succinato-deshidrogenasa, donde el FAD se une covalentemente. 5. Una característica de los flavín-nucleótidos es que pueden reducirse para dar FMNH2 y FADH2, como consecuencia de una reducción reversible del anillo isoaloxacínico en el ciclo catalítico de las flavoproteínas. 6. Las formas oxidadas de estas coenzimas son de color amarillo, rojas o verde. ", -)!"%# ' Su carencia produce pelagra en el hombre y lengua negra en el perro. Se designa como ácido nicotínico, porque es un componente de la nicotina del tabaco, un alcaloide tóxico (niacina). Es sintetizada por los vegetales y la mayor parte de los animales, a partir de precursores como el triptofano . Características. 1. Existen dos coenzimas que contienen una amida del ácido nicotínico (nicotinamida), como componente esencial. El dinucleótido de nicontínamida y adenina (NAD) ó difosfo-piridín - nucleótido (DN) y el fosfato de dinucleótido de nicontínamida y adenina (NAD), también llamado trifosfo-piridín - nucleótido (TN). También se conocen como coenzimas de piridina o nucleótidos de piridina. 2. Actúan como coenzimas de un gran número de oxidorreductasas, llamadas deshidrogenasas dependientes de la piridina.

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3. Estas coenzimas se unen a la proteína de la deshidrogenasa en forma débil y por ello funcionan más como sustrato, que como grupo prostético. 4. Actúan como aceptores de electrones, durante la eliminación de átomos de hidrógeno procedentes de la molécula de sustrato. 5. Un átomo de H se transfiere como ión hidruro a la nicotínamida de la formas oxidadas de estas coenzimas (NAD+, DAD+), reduciéndolas.El otro H se transfiere como ión H. 6. Las deshidrogenasa piridín - dependientes son específicas, ya sea para el NAD+ o del NAD+. 7. Las reacciones catalizadas por las piridín-nucleótidos deshidrogenasas son reversibles. 8. Las formas reducidas de NAD+ y NAD+ absorben a un máximo de 340 nm. % ""/) ; ' Actúa como factor de crecimiento que contiene azúfre. Es sintetizado por los vegetales y microorganismos. Indispensable en la dieta de los vertebrados. En 1948 se identificó con el nombre de Coenzima A. Características. 1. La función de esta coenzima - SH, es actuar como transportador de grupos acilos en las reacciones enzimáticas implicadas en la oxidación de los ácidos grasos, en la síntesis de los ácidos grasos, en la oxidación del piruvato y en las acetilaciones biológicas. 2. Se forma durante la oxidación enzimática del piruvato o de los ácidos grasos y a partir del acetato libre en presencia de la enzima acetil CoAsintetasa. 3. El Acetil Coa, puede reaccionar con aceptores de grupos acilos Ej: colina, para dar acetilcolina, etc. " G) ; %#= ' Se identificó como elemento esencial para prevenir una dermatitis, llamada acridina. osteriormente se identificó una molécula con iguales propiedades que se asignó como piridoxina, la que se convierte en dos formas biologicamente activas: el piridoxal y piridoxamina, que son los factores de crecimiento para las bacterias. Las formas coenzimáticas activas de la vitamina B6, son el fosfato de piridoxal y el fosfato de piridoxamina. Estas coenzimas actúan en reacciones enzimáticas en que el grupo amino de los aminoácidos se transforma y transfiere. " )+" ' La biotina protege a los animales de la toxicidad causada por la ingesta de la clara de huevo. Esta vitamina es sintetizada por las enterobacterias, sólo cuando existe una supresión de la vitamina en la dieta del animal. La clara de

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huevo induce una deficiencia de la vitamina, por la presencia de una proteína, la avidina que se une a la biotina e impide su absorción en el intestino. La función de la biotina es participar en la transferencia enzimática e incorporación del CO2. Además actúa como grupo prostético de la enzima propioni l- CoA carboxilasa, formando el compuesto biotinil-lisina o biocitina. !) ; $' Vitamina cuya deficiencia causa en los mamíferos disminución en el crecimiento y aparición de diversas formas de anemia. Esta formada por : 1) Una pteridina sustituida, 2) ácido p-aminobenzoico y 3) ácido glutámico. El sintoma bioquímico más importante es el impedimento de la biosíntesis de purinas y de la timina. El ácido fólico se convierte por reducción en su forma coenzimática, el ácido tetrahidrofólico (FH4), y que actúa como transportador intermediario de grupos hidroximetilos, formilo o metilos. !%' También llamado ácido tiótico. Esta vitamina presenta dos formas, el ácido lipoico (disulfuro cíclico) y su forma de cadena abierta reducida, el ácido dihidrolipoico. El ácido lipoico, actúa como coenzima de la decarboxilación oxidativa del piruvato y otros alfa-oxoácidos. " 2) ; 2' Su deficiencia es causa de la anemia perniciosa. Vitamina que se conoce como cianocobalamina. resenta dos componentes característicos: El sistema de anillos de corrina, parecido a la porfirina de la hemoglobina y el ribonucleótido 5,6-dimetilbenzimi- dazol. El cianuro es un componente esencial de esta vitamina. Animales y vegetales pueden sintetizar esta vitamina, sólo ciertos microorganismos. La vitamina B12 es esencial para la maduración normal y el desarrollo de los eritrocitos. La coenzima B12 es esencial para las enzimas que desplazan H+ a un aceptor y reciben de éste un grupo OH. " ' También llamada ácido ascórbico , se precisa en la dieta de algunos vertebrados como el hombre. La mayor parte de los animales y vegetales la sintetizan, a partir de glucosa y otros precursores. Es un potente reductor, es decir, pierde protones y se transforma en ácido deshidroascórbico, que presenta actividad de vitamina C. En los tejidos vegetales y animales se presenta en grandes cantidades a diferencia de otras vitaminas hidrosolubles.

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" $!%$!+!$ Todas estas vitaminas son compuestos derivados de isoprenoides. No se las ha encontrado una función específica como coenzimas. Comprenden a las vitaminas A, D, E y K. " ' Aparece en dos formas estructurales: Vitamina A1 o retinol 1, que se presenta en los mamíferos y peces marinos, y vitamina A2 ó retinol 2, común en los peces de agua dulce. La actividad de la vitamina A en mamíferos no sólo se debe a los retinoles, sino que también a los carotenoides abundantes en los vegetales. Estos se convierten en vitamina A por reacciones enzimáticas en la mucosa intestinal y en el hígado. La carencia de esta vitamina produce deficiencia en el crecimiento de los individuos, la piel se seca, los riñones degeneran. Su función principal radica en el ciclo visual. Las necesidades de esta vitamina son satisfecha por íngesta de hortalizas. " ' Su carencia produce enfermedad en los huesos con arqueamiento de éstos y el pecho de paloma. Se presenta en inviernos prolongados, donde los niños no se exponen a la luz solar. Se han aislados varios componentes con actividad de vitamina D, entre éstos los más importantes son la vitamina D2 (ergocalciferol) y la vitamina D3 (colecalciferol), que es la forma encontrada en los mamíferos. Estas pueden ser consideradas como esteroides, donde el anillo B se ha roto. La vitamina D se forma a partir del precursor 7-deshidrocolesterol de los animales, que se convierte en colecalciferol por la irradiación solar. " ' Se aisló del germen del trigo y se asignó como tocoferol. En vegetales el tocoferol más activo y abundante es el alfa tocoferol. Su deficiencia produce en ratas infertilidad, degeneración de los riñones, necrosis del hígado, distrofia muscular. Su función aún no está clara. Sin embargo se ha descubierto que los tocoferoles presentan actividad anti - oxidantes, es decir, que impiden la autooxidación de los ácidos grasos muy insaturados, cuando se hallan expuestos al oxígeno molecular. " <' Factor nutritivo necesario para la coagulación de la sangre. resenta dos formas, donde la K2 sería la más activa. Su deficiencia produce la incapacidad del hígado de sintetizar la enzima proconvertiva involucrada en la síntesis de protrombina, precursor de la trombina.

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p 5 1. 2. 3. 4. 5.

¿Cuál Es la naturaleza de una enzima y Cómo puede definirse? Explique brevemente como se clasifican las enzimas Describa las funciones de las enzimas ¿Qué es el centro activo y Qué es un cofactor? ¿Qué papel desempeña la formación de un complejo enzima ± substrato en la acción de una enzima?, explicar. 6. ¿Cómo definiría la constante de Michaelis, Km de una enzima?, ¿or qué tiene importancia el valor de Km en las reacciones enzimáticas? 7. Nombre las coenzimas que intervienen en reacciones de oxido reducción en el cuerpo. 8. Exponga el mecanismo de función de cualquier coenzima, incluyendo estructura química y su exposición. 9. Explique la diferencia entre inhibidores, competitivos acompetitivos, no competitivos, y de un ejemplo de cada uno. 10. ¿Qué son las enzimas alostéricas?, explique sus características

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p K

Los de este capítulo son lograr el estudiante lo siguiente: 1. Describir los procesos de digestión y absorción de carbohidratos. 2. Reconocer los factores que intervienen en el control de la concentración normal de glucosa en sangre. 3. Conocer el papel de hormonas en el control de la glucemia. 4. Describir el proceso de glucogénesis. 5. Reconocer las reacciones esenciales de la vía de Ernbden-Meycrhof 6. Delinear las reacciones esenciales en el ciclo de Krebs. 7. Explicar el número total de moles de AT formados en las vías de Embden-Meyerhof y Krebs. 8. Reconocer la relación entre las vías de monofosfato cte hexosa y de Embden-Meyerhof 9. Reconocer la índole esencial de la clorofila en la reacción a la luz de la fotosíntesis. 10. Delinear las reacciones esenciales en la reacción de fotosíntesis en la obscuridad. En los capítulos precedentes sobre bioquímica hemos considerado la química de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas substancias entran en el cuerpo con el alimento y de ordinario no pueden ser empleadas directamente en la forma como son ingeridas. Antes que el alimento pueda ser absorbido y utilizado por el cuerpo puede desintegrarse en moléculas pequeñas, relativamente simples. El proceso por virtud del cual material alimenticio complejo se cambia a moléculas simples se llama 0$". La digestión incluye hidrólisis de carbohidratos en monosacáridos, de grasas en glicerol y ácidos grasos, y proteínas en aminoácidos por acción de hidrolasas o enzimas hidrolíticas.

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3 igestión salival El alimento que entra en la boca es desintegrado en porciones menores por la masticación y se mezcla con la saliva, el primero de los líquidos digestivos. La saliva contiene mucina, una glucoproteína que hace viscosa la saliva, y tialina, que cataliza la hidrólisis de almidón en maltosa. Como esta enzima tiene poco tiempo para actuar sobre los almidones en la boca, su actividad principal tiene lugar en el estómago antes de ser inactivada por el contenido gástrico ácido. Las funciones más importantes de la saliva son humedecer y lubricar el alimento para iniciar la digestión del almidón hasta dextrinas y maltosa. igestión gástrica Cuando el alimento es deglutido pasa por el esófago hacia el estómago. Durante el proceso de digestión el alimento se mezcla con el jugo gástrico, que es secretado por varias pequeñas glándulas tubulares localizadas en las paredes del estómago del estómago. El jugo gástrico es una solución de color amarillo pálido fuertemente ácida que contiene las enzimas pepsina y lab o renina. La pepsina inicia la hidrólisis de grandes moléculas proteínicas mientras que el lab convierte la caseína de la leche en una proteína soluble. La acción mezcladora de la musculatura del estómago y el proceso de digestión originan una mezcla líquida llamada quimo, que pasa a través del píloro y penetra en el intestino.

igestión intestinal

El quimo ácido es neutralizado por la alcalinidad de tres jugos digestivos, jugo pancreático, jugo intestinal, y bilis en la primera parte del intestino delgado conocida como duodeno. Hay enzimas en el jugo pancreático capaces de digerir proteínas, grasas y carbohidratos. Las proteasas pancreáticas son tripsina, quimotripsina y carboxipolipeptidasa, mientras que la lipasa pancreática se llama esteapsina. La enzima amilopsina del jugo pancreático es una amilasa muy similar parecida a la tialina de la saliva. Esta enzima rompe el almidón en maltosa. Las enzimas más importantes que existen en el jugo intestinal son aminopolipeptidasas y dipeptidasas, y las tres enzimas que rompen los disacáridos, sacarasa, lactasa y maltasa. El azúcar de caña es la fuente principal de sacarosa dietética; la leche contiene lactosa, y la maltosa proviene de la digestión parcial del almidón por tialina y amilopsina. Sacarasa, lactasa y maltasa rompen estos disacáridos en sus monosacáridos constitutivos, completando así la digestión de los carbohidratos.

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Los monosacáridos glucosa, fructosa y galactosa son absorbidos directamente hacia el torrente vascular por los vasos sanguíneos capilares de las vellosidades. Las vellosidades son proyecciones digitiformes en la superficie interna del intestino delgado. que aumentan considerablemente la superficie eficaz de absorción. Hay unos cinco millones de vellosidades en el intestino delgado del hombre y cada vellosidad está ricamente provista de vasos linfáticos y sanguíneos. Hay muchos datos indicando que la mucosa intestinal tiene la propiedad de absorción selectiva, que no posee una membrana inerte. El mecanismo exacto por virtud del cual las hexosas son absorbidas por el intestino contra un gradiente de concentración no está bien comprobado, aunque probablemente intervenga un proceso de fosforilación. Los tres¶ monosacáridos son absorbidos con ritmo diferente. La galactosa se absorbe más rápidamente que la glucosa; esta, más rápidamente que la fructosa,

4p 3 Después que los monosacáridos son absorbidos hacia el torrente vascular, son transportados por la circulación porta al hígado. La fructosa y la galactosa son fosforiladas por enzimas hepáticas y se convierten en glucosa, o siguen vías metabólicas similares. or lo tanto, el metabolismo de los carbohidratos es esencialmente el metabolismo de la glucosa. La glucosa en la circulación general normalmente se halla en concentración de 70 a 90 mg por lOO ml de sangre. Esto es lo que se llama la glucemia normal en ayunas. Después de ingerir una comida que cóntiene carbohidratos, la glucemia aumenta, provocando un estado temporal de hiperglucemia. En caso de ejercicio intenso o de ayuno prolongado la glucemia puede bajar mucho, originando la hipoglucemia. Después de una comida ordinaria la glucosa en sangre alcanza valores hiperglucémicos; pero se normaliza por los siguientes procesos: 1. Almacenamiento a) como glucógeno b) como grasa 2. Oxidación para producir energía 3. Eliminación por los riñones

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£ "#$"#&! #0! ! "# $ 0 ;* # ,0! -

La acción de estos factores combatiendo la hiperglucemia se ilustra en la figura anterior. El espacio entre las líneas verticales puede compararse a un termómetro con valores expresados en miligramos de glucosa por 100 ml de sangre. Durante la absorción activa de carbohidratos desde el intestino aumenta la glucemia, originándose tina hiperglucemia temporal. ara devolver estos valores a la normalidad, el hígado puede extraer glucosa del torrente vascular, convirtiéndola en glucógeno para almacenamiento. Los músculos también tomarán glucosa de la circulación para transformarla en glucógeno, o para oxidarla y producir energía. Si la glucemia sigue aumentando, la glucosa puede convertirse en grasa y almacenarse en los depósitos lípidos. Estos cuatro procesos suelen controlar la hiperglucemia; pero si se ingieren grandes cantidades de carbohidratos y la glucemia pasa de un promedio de 160 mg de glucosa por 100 ml, el exceso es eliminado por los riñones. La glucemia en la cual el riñón empieza a eliminar glucosa se denomina +# !# ! y tiene un valor de 150 a 170 mg por 100 ml. Además de los factores anteriores, hay reacciones más específicas del hígado y de ciertas hormonas para regular el nivel de la glucemia. El hígado, por ejemplo, funciona tanto para extraer azúcar de la sangre como para proporcionárselo. Durante periodos de hiperglucemia, el hígado deja de mandar azúcar a la sangre y empieza a almacenarlo en forma de glucógeno. Durante el ayuno, el hígado proporciona glucosa a la sangre, rompiendo su glucógeno y formando glucosa a partir de otros materiales alimenticios como aminoácidos o glicerol. Al hígado le ayudan en este proceso de control varias hormonas.

: 3p 4p Ya nos hemos referido a las propiedades y la acción de las enzimas. En el metabolismo hay muchas reacciones químicas relacionadas dependientes de enzimas. Otro grupo importante de agentes reguladores es el de las ?# $. Las hormonas se forman principalmente en las glándulas

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endocrinas, llamadas también glándulas de secreción interna por cuanto sus secreciones difunden directamente al torrente vascular. La acción enzimática es más específica que la acción hormonal, y los factores que intervienen en la acción de una hormona parecen guardar relación con la acción de otras hormonas. En un individuo normal, los procesos celulares más importantes dependen de un !+# ?# !, o endocrino, y el trastorno de este equilibrio es causa de anomalías metabólicas. En la regulación de un proceso corporal una hormona probablemente controla varias reacciones específicas catalizadas por enzimas. Insulina Aunque ya en 1889 se demostró que la extirpación del páncreas de un animal provocaba diabetes sacarina, fue en 1922 cuando Banting y Best desarrollaron un método para obtener extractos activos de páncreas. En poco tiempo pudo disponerse de insulina en cantidades suficientes para tratar los diabéticos. Se obtuvo cristalizada en 1926. Más recientemente, gracias al resultado de los brillantes trabajos de Sanger y colaboradores, se ha descrito una molécula formada por dos cadenas de aminoácidos con peso molecular de 6000. Se cree que la molécula nativa consiste en cuatro cadenas con peso molecular de 12000. Como se trata de una proteína, no es eficaz istrada por la boca, porque las enzimas proteolíticas del tubo digestivo la hidrolizan y suprimen su activdad. La insulina suele inyectarse por vía subcutánea cuando se istra a los diabéticos. La insulina disminuye la glucemia aumentando la conversión de glucosa en glucógeno hepático y muscular, regulando la oxidación de glucosa por los tejidos, y evitando la desintegración de glucógeno hepático para proporcionar glucosa. En el músculo y en el tejido adiposo la insulina actúa aumentando el transporte de glucosa a través de membranas hacia las células. También, hay muchos datos indicando que en el tejido hepático la insulina actúa controlando la fosforilación de la glucosa para formar 6-fosfato de glucosa, que constituye la primera etapa en la producción de glucógeno. En ausencia de un aporte adecuado de insulina, la transformación de glucosa extracelular en 6-fosfato de glucosa intracelular está retrasada. iabetes sacarina. Si el páncreas no produce suficiente insulina, el resultado es la diabetes sacarina. En ausencia de insulina el fracaso de los mecanismos de almacenamiento provoca un aumento neto de la glucemia. La glucosa suele eliminarse con la orina cuando la glucemia pasa del valor de umbral renal. El trastorno de la oxidación de los hidratos de carbono origina un exceso de compuestos cetónicos. Algunos de estos son ácidos, y la fuerte acidosis que resulta de la ausencia de insulina provoca el coma diabético, que a veces es mortal. Cuando se inyecta la cantidad adecuada de insulina se regula adecuadamente el metabolismo de los hidratos de carbono, y no aparecen los síntomas que acabamos de señalar

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Œlucagon El glucagon es una hormona producida por las células alfa del páncreas. Se trata de un polipéptido constituido por una serie conocida de aminoácidos, con peso molecular de aproximadamente 3500. El glucagon aumenta la glucemia incrementando la actividad de la enzima fosforilasa hepática, que interviene en la conversión en el hígado del glucógeno en glucosa libre. La activación de la fosforilasa depende de la presencia del compuesto adenosinmonofosfato 3¶,5¶cíclico (AM), cuya producción aumenta por acción del glucagon. ?drenalina (epinefrina) Esta hormona es producida por la parte central o médula de las glándulas suprarrenales. La adrenalina antagoniza la acción de la insulina, por cuanto provoca glucogenólisis en el hígado, con liberación de glucosa. Estimula una enzima para producir AM cíclico a partir del AT, y también interviene en la activación de fosforilasa. Además de causar hiperglucemia, aumenta la concentración sanguínea de ácido láctico, convirtiendo el glucógeno muscular en ácido láctico. La secreción continuada de adrenalina tiene lugar por acción de emociones fuertes como el miedo o la ira. Este mecanismo muchas veces se utiliza como función de urgencia para brindar instantáneamente glucosa destinada a facilitar el trabajo muscular. 1 La hiperglucemia resultante muchas veces supera el umbral renal, y se elimina glucosa con la orina. Hormonas corticosuprarrenales Las hormonas como cortisona y cortisol son producidas por la capa externa o corteza de la glándula suprarrenal. Estas hormonas, especialmente las que tienen un átomo de oxígeno en posición 11, actúan sobre el metabolismo de los hidratos de carbono. En general, estimulan la producción de glucosa en el hígado incrementando la gluconeogénesis a partir de aminoácidos. or lo tanto, las hormonas corticales son antagonistas de la insulina. Hormonas de la hipófisis anterior De las muchas hormonas secretadas por el lóbulo anterior de la hipófisis, la hormona de crecimiento, la ACTH, y la diabetógena afectan la glucemia. La "0 , inyectada al animal provoca diabetes permanente y agotamiento del tejido insular del páncreas. Aunque el control global de la glucemia depende de la acción del hígado, y de una acción equilibrada de varias hormonas, se comprende fácilmente que la

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insulina desempeña un papel esencial en el proceso normal, y es factor importante en el control de la diabetes sacarina.

3p 3 El 0!0 es un polisacárido con estructura ramificada, compuesta de cadenas lineales de unidades de glucosa reunidas por enlaces Į-l,4 y con enlaces Į-1,6 en los puntos ramificados. Durante la absorción de los carbohidratos, la glucosa en exceso se almacena en el hígado como glucógeno. Normalmente este órgano contiene aproximadamente l00 g de glucógeno, pero puede llegar a contener hasta 400 g. El glucógeno del hígado se convierte rápidamente en glucosa, y sirve como reservorio del cual puede obtenerse glucosa si la concentración sanguínea de azúcar cae por debajo de la normal. La formación de glucógeno a partir de la glucosa se llama 0!0/$$, mientras que la conversión de glucógeno en glucosa se denomina 0!0!$$. Los músculos también almacenan glucosa como glucógeno, pero el glucógeno, muscular no es convertido tan fácilmente en glucosa como el glucógeno hepático. Œlucogénesis El proceso de glucogénesis no es una simple conversión de glucosa en glucógeno. Como ya señalamos, la insulina interviene en la acción de la glucocinasa para fosforilación de glucosa a 6-fosfato de glucosa. El 6-fosfato tic glucosa luego se convierte en 1-fosfato de glucosa con ayuda de la enzima fosfoglucomutasa. El 1-fosfato de glucosa reacciona con trifosfato de uridina (UT) para formar un nucleótido activo, el uridín-trifosfato de glucosa (UDŒ). En presencia de una enzima ramificadora y de la enzima transglucosilasa de UDŒ-glucógeno, las moléculas de glucosa activadas del UDŒ se reúnen con enlaces glucosídicos para formar glucógeno. Esas reacciones pueden representarse corno Sigue:

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Œlucogenólisis El proceso de glucogenólisis libera glucosa hacia la sangre para conservar la glucemia durante periodos de ayuno y proporcionar energía para la contracción muscular. En el hígado, la reacción es iniciada por acción de la enzima fosforilasa, que rompe los enlaces glocosídicos 1,4 en el glucógeno. La enzima fosforilasa existe en dos formas: una forma activa, $#! $ , y una forma inactiva, $#! $ +. La fosforilasa b es convertida en la forma activa de la enzima por AT en presencia de Mg+2 y cinasa de losforilasa b, en la siguiente forma:

La cinasa de fosforilasa b es activada por el AM-3¶,5¶-cíclico, derivado del ácido adenílico.

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El AM-3¶,5¶-cíclico se forma a partir de AT por acción de una enzima llamada ciclasa. Esta enzima es activada por la adrenalina y el glucagon que, por lo tanto, activan indirectamente la fosforilasa, causa de la iniciación de la glucogenólisis. Otras enzimas facilitan la rotura a glucosa-1-fosfato, que queda sometida a la acción inversa de la fosfoglucomutasa para obtener 6-fosfato de glucosa. Una enzima específica del hígado, la 6-fosfatasa de glucosa, actúa sobre el 6-fosfato de glucosa para producir glucosa. Esta enzima no existe en el músculo; por lo tanto, el glucógeno muscular no puede servir como fuente de glucosa sanguínea. Estas reacciones pueden ilustrarse así:

O En el cuerpo la glucosa finalmente es oxidada para formar CO2 y H2O, con liberación de energía. El G7$ "0!$ es un compuesto principal en el metabolismo de la glucosa. Según vimos antes, puede estar formado por fosforilación de la glucosa bajo control de la insulina. Una vez formado, puede convenirse en glucógeno o en glucosa libre, o puede ser metabolizado por varios mecanismos o vías. Las dos vías principales de metabolismo del 6fosfato de glucosa son la #+ , o vía de +7)#?, seguida en la #+ , o ! <#+$. La parte principal de la energía disponible por oxidación de la molécula de glucosa es liberada a nivel del ciclo de Krebs, pero la vía de Embden-Meyerhof es esencial para la formación de ácido pirúvico, que es utilizado en el ciclo de Krebs.

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Œlucólisis La fácil disponibilidad de preparados musculares y su empleo en el desarrollo de la fisiología fue origen del estudio temprano de los cambios bioquímicos asociados con la contracción muscular. Se observó que cuando un músculo se contrae en medio anaerobio, desaparece el glucógeno y se forman ácidos pirúvico y láctico. En presencia de oxígeno, o en condiciones aerobias, vuelve a producirse glucógeno, y los ácidos pirúvico y láctico desaparecen. Otros estudios demostraron que una quinta parte del ácido láctico formado durante la glucólisis es oxidado para dar CO2 y agua, mientras que las cuatro quintas partes restantes se convierten en glucógeno. Substancias que no son los carbohidratos de los alimentos, y el ácido láctico procedente de la contracción muscular, pueden convertirse en glucógeno. Estos compuestos glucogénicos se forman por el proceso de 0!0/$$, o sea la conversión de precursores que no son carbohidratos en glucosa. Constituyen ejemplos de estos precursores los aminoácidos glucogénicos, la porción glicerol de las grasas, y cualquiera de los productos de desintegración metabólica de la glucosa, como el ácido pirúvico, que pueden formar glucosa por reacciones reversibles del metabolismo. Las reacciones que estudiamos antes pueden resumirse en el ciclo del ácido láctico.

`ía anaerobia o de Embden-Meyerhof para la glucólisis Las reacciones químicas en las vías metabólicas como la de Embden-Meyerhof son detalladas y complejas, y a primera vista pueden ser causa de confusión. Cabe una comprensión mejor de esta y de otras vías metabólicas si consideramos la línea preliminar de las reacciones esenciales. La glucosa de cualquier origen se convierte en glucosa-6-fosfato que, a su vez, es convertido en fructosa-6-fosfato; este es fosforilado para dar fructosa 1,6-difosfato. Esta serie de reacciones han convertido la hexosa glucosa en un difosfato de hexosa. La vía ahora se separa al romperse el difosfato de fructosa en dos monofosfatos de triosa (ver siguiente imagen). Uno de ellos, el 3-fosfato de

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gliceraldehido, se transforma primero en ácido 1.3-difosfoglicérico y luego, sucesivamente, en ácidos 3-fosfo y 2-fosfoglicérico. El último compuesto finalmente forma ácido fosfoenolpirúvico que es convertido en ácido pirúvico. El ácido pirúvico es un compuesto clave que puede reducirse dando ácido láctico o bien oxidarse en el ciclo de Krebs.

La necesidad de AT y su liberación en esta vía anaerobia los señalamos con las zonas sombreadas. Se necesita un mol de AT para fosforilar la glucosa. y otro para convertir la fructosa-6-fosfato en fructosa-l,6-difosfato. La reacción del ácido 1,3-difosfoglicérico para formar ácido 3-fosfoglicérico libera un mol de AT por molécula de triosa, o dos moles de AT por molécula de glucosa. La conversión de ácido fosfoenolpirúvico en ácido pirúvico también proporcionan dos moles de AT por molécula de glucosa. or lo tanto, por cada mol de glucosa desintegrada en la vía de Embden-Meyerhof, se consumen 2 moles de AT y se liberan 4 moles, con una ganancia neta de 2 moles de AT. |iclo aerobio o de Krebs El ácido pirúvico formado en la vía de EMbden-Meyerhof, y el ácido láctico proveniente del ciclo del ácido láctico o de la reducción del ácido pirúvico, acaban siendo oxidados, con formación de CO2 y energía en forma de AT. Estas reacciones se llevan a cabo en el ciclo de Krebs que puede delinearse asi:

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El ácido pirúvico de cualquier origen forma acetil CoA, que transfiere el grupo acetifico al ácido oxaloacético para producir el ácido tricarboxílico, llamado ácido cítrico, El ácido cítrico se transforma en ácido cis-aconítico, luego en isocítrico y oxalosuccínico, todos ácidos tricarboxílicos. La hidratación del ácido cis-aconítico a isocítrico, como la conversión posterior del ácido fumárico en ácido málico, incluye la adición electrofílica de H+. El ácido oxalosuccínico pierde entonces CO2 para formar ácido Į-cetoglutárico, que es convertido en succinil CoA, luego en ácido succínico y una serie de ácido dicarboxílico, incluyendo ácido fumárico y ácido málico, de nuevo a ácido oxaloacético y queda completado el ciclo. Las estructuras químicas, enzimas y coenzimas del ciclo de Krebs se indican en el esquema siguiente:

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La reacción global para conversión de ácido pirúvico a bióxido de carbono y agua puede escribirse así:

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Los moles de AT formados y el CO2 liberado en una vuelta del ciclo de Krebs se indican en zonas sombreadas. Recuerde que al considerar el mecanismo de transporte de electrones en la fosforilación oxidativa, señaaba que la oxidación de NADH, o NADH1 (por vía de NADHI) siguiendo el sistema de citocromos proporciona tres moles de AT por mol de NADH2. Comenzando con FADH2, el sistema proporciona dos moles de AT por mol de FADH2. Cuando una molécula de glucosa se oxida completamente libera 686.0 kilocalorías. Cada molécula de glucosa sometida a la vía de Embden-Meyerhof libera ocho moles de AT (seis moles de NADH2 formados en la conversión de gliceraldehido-3-fosfato en 1,3-difosfoglicérico ácido, y dos moles de ganancia neta de AT formados directamente). Como cada mol de glucosa forma dos moles de ácido pirúvico; el ciclo de Krebs proporcionará 2 X 15, ó 30 moles de AT por molécula de glucosa. or lo tanto, se forma un total de 38 moles de AT por oxidación de una molécula de glucosa en los ciclos de EmbdenMeyerhof y de Krebs. Como cada mol de AT por hidrólisis proporcionará aproximadamente 8.0 Kcal., los 38 moles equivalen a 304.0 Kcal. or lo tanto, esta serie de reacciones es capaz de almacenar aproximadamente 44 por 100 de las calorías disponibles en forma del compuesto AT rico en energía, que será usado en el trabajo muscular y para cubrir otras necesidades energéticas.

O Hay otras vías, aparte de la Embden-Meyerhof y la de Krebs, para oxidar los carbohidratos. La vía alterna más generalmente aceptada es la llamada $& $ " "$ . El compuesto metabólico clave, 6-fosfato de glucosa, es oxidado en esta vía alternativa en la siguiente forma:

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El 6-fosfato de glucosa formado de cualquier origen es oxidado a 6fosfogluconolactona, y luego hasta ácido 6-fosfoglucónico. Este ácido es convertido en una pentosa, 5-fosfato de ribulosa, por pérdida del CO2, y la pentosa se transforma en otras dos pentosas, 5-fosfato de xilulosa y 5-fosfato de ribosa. Estos dos últimos compuestos se convierten en uno de siete carbones, 7-fosfato de sedoheptulosa, y el 3-fosfato de gliceraldehido de tres carbonos. Estos dos compuestos se transforman luego en otro de cuatro carbonos, el 4-fosfato de eritrosa, y el 6-fosfato de fructosa. La reacción final incluye 5-fosfato de xilulosa y 4-fosfato de eritrosa, formándose 3-fosfato de gliceraldehido y más 6-fosfato de fructosa.

£ Los carbohidratos se forman en las células vegetales a partir de bióxido de carbono y agua. En presencia de luz solar y clorofila, el pigmento verde de las hojas, estos dos compuestos reaccionan para formar pentosas, triosas, fructosas, y azúcares más complejos. La clorofila es un derivado de protoporfirina que contiene magnesio, localizado en los cloroplastos de las hojas verdes.

Originalmente la reacción entre bióxido de carbono y agua para formar carbohidratos se representaba así:

Este proceso, por virtud del cual las plantas convierten la energía solar para formar alimentos, se llama "$"$$. Aunque la fotosíntesis se representa como una reacción química simple, es más compleja; incluye varios intermedios de las vías de fosfogluconato y de Embden-Meyerhof. El empleo de isótopos y trazadores radiactivos ha ayudado mucho a los investigadores en este campo. or ejemplo, empleando oxígeno isótopo 180

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como trazador, se comprobó que el oxígeno liberado durante la fotosíntesis proviene de las moléculas de agua y no del bióxido de carbono. Cuando se hace crecer una hoja verde en una atmósfera de 14CO2, el carbono radiactivo aparece muy rápidamente en un compuesto de tres átomos de carbono y un intermedio de cinco átomos de carbono; más tarde, en la glucosa y el almidón.

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a reacción a la luz La reacción que incluye la conversión de energía luminosa en energía química se llama # ! !;. Esta transformación de energía tiene lugar durante la fosforilación fotosintética y ocurre en los cloroplastos de las plantas. La reacción esencial que se produce es la "$#! , que puede representarse así:

El proceso fotoquímico es iniciado con absorción de luz por la clorofila, que produce una molécula en estado excitado, en la cual varios electrones se han elevado desde su nivel energético normal a un nivel más alto en la estructura de doble enlace de la clorofila. Estos electrones excitados van de la clorofila a una proteína que contiene hierro, la ##= , y originan la reducción de NAD para producir NADH2, que se emplea para las reacciones de fijación de CO2 de la fotosíntesis. Algunos de los electrones excitados fluyen desde la ferredoxina, a través de pigmentos de flavina, a una estructura de quinona llamada %! $" , luego a %0"$ "#$, de nuevo a la clorofila, y recuperan su nivel energético normal. Durante este ciclo, parte de la energía es liberada, acoplando en la reacción de AD con 1 para formar AT. EL AT también se utiliza en las reacciones de fijación de CO2 de la fotosíntesis. Los electrones utilizados en la formación de NADH2 y AT son recuperados por una reacción en la cual los iones OH del agua forman oxígeno molecular y dan electrones a la clorofila siguiendo una cadena de citocromos. El proceso de la $#! "$"/" puede representarse de la forma siguiente:

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a reacción en la obscuridad Las reacciones de fotosíntesis que no dependen de la energía luminosa se han denominado # ! +$# . Este proceso incluye la incorporación de carbono en carbohidratos, 8 #+, y requiere la energía de AT y una cantidad de NADH2 formada en la reacción con la luz. La reacción a la obscuridad puede resumirse así: El 1,5-difosfato de ribulosa, más el bióxido de carbono, forman un complejo que se disocia en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico; este es convertido en 3fosfogIiceraldehido. Este último compuesto puede convertirse en 6-fosfato de glucosa a través de 1,6-difosfato de fructosa y 6-fosfato de fructosa, y finalmente, en glucosa y polisacáridos. El 3-fosfogliceraldehido también puede convertirse en fosfato de dihidroxiacetona, que reacciona con 1-fosfato de eritrosa para formar 7-fosfato de seudoheptulosa; este reacciona con 3-fosfato de gliceraldehido para dar dos moléculas de ribosa, 5-fosfato de ribosa y 5fosfato de xilulosa. Las pentasas pueden convertirse en 1,5-difosfato de ribulosa. Las estructuras de estos compuestos y las enzimas que intervienen en la reacción de la obscuridad se indican en la parte inferior de la siguiente figura

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Las relaciones entre la vía de monofosfato de hexosa y la reacción en la obscuridad son manifiestas por los compuestos, enzimas y coenzimas comunes, especialmente NADH2. Algunas de las triosas y hexosas también intervienen en la vía Embden-Meyerhof, lo cual ilustra las relaciones entrelazadas que existen entre los ciclos metabólicos de los carbohidratos.



p p La contracción de las fibras musculares en condiciones anaerobias produce ácido láctico, y finalmente causa fatiga muscular. El glucógeno muscular desaparece durante este proceso. En presencia de oxígeno, el músculo recupera su glucógeno, pierde ácido láctico, y se restaura su capacidad de contracción. El compuesto rico en energía $ "# " también cambia durante la contracción y la recuperación subsiguiente. El proceso de glucólisis proporciona AT, y el fosfato de creatina y el AT unen sus fuerzas en la contracción muscular.

Las flechas recta y curva con cabezas en ambos extremos indican que las reacciones son reversibles; cabe recordar que una unión directa entre nitrógeno y fósforo, como existe en el fosfato de creatina, indica compuesto rico en energía. La reacción es fácilmente reversible, y el músculo sigue contrayéndose mientras persista algo de fosfato de creatina. Durante la recuperación, cuando se forma más AT por glucólisis, el fosfato de creatina se regenera. El AT es la fuente directa de energía para el trabajo muscular, y la función del fosfato de creatina y de la glucólisis estriba en proporcionar AT. Como en cualquier momento solo hay una pequeña cantidad de AT en el músculo, el aporte de AT necesario para el trabajo muscular se obtiene del fosfato de creatina, el proceso de glucólisis y la recuperación del glucógeno muscular. Esta contracción muscular depende de la acción conjunta de varios sistemas en el metabolismo de los carbohidratos.

p 1. Resuma el proceso de digestión y absorción de los carbohidratos en el tubo digestivo. 2. ¿Cuál es el valor normal de la glucemia en ayunas? ¿Cuáles valores podrían considerarse hipoglucémicos?, ¿hiperglucémicos? 3. Exponga los factores que intervienen para frenar la hiperglucemia normal que tiene lugar después de una comida. 207

4. Exponga el papel de la insulina en el control de la glucemia normal. 5. Indique las hormonas, aparte de la insulina, que intervienen en el control de la glucemia. Explique la función de una de estas hormonas: 6. Describa el proceso de glucogénesis. 7. ¿Qué es ei AM-3¶,5¶-cíclico? ¿Qué papel desempeña en la glucogénesis? 8. ¿Cómo explican las reacciones del ciclo del ácido láctico, el destino del ácido láctico formado en el proceso de glucólisis? Detalle. 9. Resuma las reacciones esenciales de la vía de Embden-Meyerhof para la glucólisis. 10. ¿Cuántas moléculas de AT por molécula de glucosa se necesitan para la vía de Embden-Meyerhof, y cuántas moléculas se producen? 11. Resuma las reacciones esenciales del ciclo aerobio de Krebs. 12. ¿Cuántos moles de AT proporcionará una vuelta del ciclo de Krebs? ¿or qué es tan grande este número en comparación con la vía de Embden-Meyerhof? 13. Indique las reacciones esenciales de la vía de monofosfato de hexosa, o vía de fosfato de pentosa. 14. ¿Cuáles son los productos principales de la vía de monofosfato de hexosa? ¿Cómo se emplean en otras vías y ciclos? 15. ¿Qué es la clorofila y cuáles son sus funciones en el proceso de fotofosforilación? 16. Explique cómo cualquiera de los tres compuestos formados en el esquema de fijación de CO de la fotosíntesis pudieran entrar en la reacción del ciclo de Embden-Meyerhof o el de Krebs. 17. Resuma las reacciones esenciales de la reacción de la luz para fotosíntesis. 18. Resuma las reacciones esenciales de la reacción en la obscuridad para fotosíntesis. 19. ¿Cuál es la relación entre AT y fosfato de creatina en la contracción muscular?

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p

Los objetivos de este capítulo son lograr el estudiante lo siguiente: 1. Describir el proceso de digestión y absorción de la grasa dietética. 2. Reconocer los lípidos normales de la sangre y su papel en el metabolismo y almacenamiento de grasa. 3. Describir las reacciones que intervienen en la oxidación de ácidos grasos. 4. Explicar el número total de moles de AT formados en la oxidación de un ácido graso. 5. Delinear las reacciones que intervienen en la síntesis de ácidos grasos. 6. Describir las reacciones que tienen lugar cuando se forman cuerpos cetónicos en el hígado. 7. resentar la síntesis de colesterol y su relación con la aterosclerosis. 8. Describir la correlación entre metabolismo de carbohidratos y metabolismo de lípidos. En el capítulo precedente señalábamos que la energía para muchas de las actividades corporales proviene del metabolismo de los carbohidratos. La grasa almacenada en los depósitos lípidos del cuerpo también representa una fuente rica de energía, especialmente por cuanto el valor calórico de las grasas es más del doble del correspondiente a los carbohidratos o las proteínas. or lo tanto, las reservas principales de alimento en el cuerpo son de tipo carbohidrato o lípido, y la mayor parte de la energía que necesita la obtiene por oxidación de carbohidratos o grasas. Aunque la fuente energética principal es la grasa, el metabolismo de lípidos también incluye fosfolípidos, glucolípidos y esteroles. Estas últimas substancias no se almacenan en los depósitos lípidos; son constituyentes esenciales de tejidos que desempeñan importante papel en el transporte de grasa y en muchas reacciones metabólicas celulares. Estos derivados lípidos también funcionan como componentes de membranas celulares, tejido nervioso, membranas de partículas subcelulares como microsomas y mitocondrias, y cloroplastos en las hojas verdes. Los ácidos grasos no saturados, como el linoleico y el linolénico, son componentes esenciales de los lípidos celulares que deben obtenerse de la dieta, ya que el cuerpo no puede sintetizarlos. El colesterol puede sintetizarse fácilmente por los tejidos, y actualmente es objeto de muchas discusiones, pues parece que exista una relación entre colesterol dietético, concentraciones sanguíneas de colesterol y aterosclerosis.

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3 En el adulto normal hay poca o ninguna digestión de grasa cuando el alimento pasa por boca y estómago. Al penetrar en el duodeno la hormona digestiva !$" es secretada y pasa con la sangre a la vesícula biliar, estimulándola para vaciar su bilis en el intestino delgado. Los ácidos y las sales biliares son buenos detergentes, que emulsionan las grasas preparándolas para digestión, que efectuará la !% $ % #6" . Otra hormona secretada cuando el quimo penetra en el duodeno es la secretina. Esta penetra en la circulación y estimula el páncreas para liberar jugo pancreático hacia el intestino. La lipasa pancreática es activada por las sales biliares y rompe las grasas en ácidos grasos, glicerol, jabones mono y diglicéridos.

En el proceso de absorción, cuando los productos finales de la digestión de la grasa atraviesan la mucosa intestinal, se convierten nuevamente en triglicéridos, que luego penetran en la circulación linfática. Las sales biliares son esenciales para la absorción, por su efecto sobre la solubilidad de los ácidos grasos y por su acción directa en el proceso de absorción. Los fosfolípidos se rompen en sus estructuras componentes por acción de enzimas digestivas, y también se resintetizan en la mucosa intestinal durante la absorción. Los ácidos grasos de cadena corta pueden ser absorbidos directamente hacia la sangre, y llevados al hígado.

3p Los lípidos de la sangre, hasta cierto plinto, tienen conducta paralela a la del azúcar en sangre. Su concentración aumenta después de una comida y se normaliza de nuevo almacenamiento, oxidación y eliminación. Los lípidos de la sangre están cambiando de concentración constantemente, ya que se añaden lípidos por absorción desde el intestino, por síntesis, y por extracción de los depósitos grasos; son eliminados por almacenamiento en los depósitos grasos, oxidación para producir energía, síntesis para producir componentes tisulares, y eliminación hacia el intestino. La "# # ! en ayunas de los lípidos sanguíneos suele medirse en el plasma. Los valores medios para adultos jóvenes son los siguientes: Lípidos totales Triglicéridos Fosfolípidos Colesterol total

mg / 100 ml 510 150 200 160

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Los triglicéridos, fosfolípidos, y colesterol del plasma se combinan con la proteína, formando complejos de lipoproteína. Estas lipoproteínas se unen a las fracciones globulínicas Į y ȕ de las proteínas plasmáticas y son transportadas en esta forma. Hay siempre en la sangre una pequeña cantidad de 6$ 0# $$ $"# $ , £-( unidos a la fracción albúmina del plasma para su transporte. Estos ácidos grasos libres se cree que son la forma más activa de los lípidos para el metabolismo. Su concentración se modifica al movilizarse grasa de los depósitos lípidos y por acción de varias hormonas.

3 Las grasas a veces pueden salir de la sangre almacenándose en diversos depósitos lípidos. Cuando se almacena grasa debajo de la piel, suele llamarse tejido adiposo. Sin embargo, pueden almacenarse cantidades considerables de grasa alrededor de órganos como riñones, corazón, pulmones y bazo. Este tipo de grasa de depósito actúa como sostén para los órganos y ayuda a protegerlos de toda lesión. Estudios recientes utilizando microscopio electrónico demuestran la existencia de dos tipos principales de grasa almacenada. Un tipo está formado casi totalmente por glóbulos de grasa, y tiene las características de un depósito de almacenamiento. El segundo tipo contiene muchas células y una circulación sanguínea más extensa, y es metabólicamente activo, convirtiendo el glucógeno en grasa y liberando ácidos grasos para otros tejidos como fuente de energía. Obesidad. Se trata de un trastorno en el cual se almacenan cantidades excesivas de grasa en los depósitos corporales. En una pequeña proporción de casos la obesidad depende de un trastorno de glándulas endocrinas, pero por lo general resulta de comer más alimento que el que el cuerpo necesita. La mayor parte del alimento consumido por un adulto se utiliza para producir energía, y el alimento en exceso para las necesidades energéticas del cuerpo se almacena como grasa. Las personas delgadas suelen ser más activas que las gordas, y pueden comer cantidades mayores de alimento sin aumentar de peso. Muchas personas parecen comer todo lo que quieren y, sin embargo, conservan un peso bastante constante por largo tiempo. Este control del peso puede depender del apetito, que está anormalmente aumentado en personas que están ganado peso y disminuye en los que lo están perdiendo. Sin embargo investigaciones recientes han puesto en duda esta explicación simple de la comida excesiva como único factor causa de obesidad. Al parecer, hay individuos que pueden conservar la obesidad o aumentar su peso incluso con una dieta pobre en calorías. Si intentan perder peso disminuyendo ingreso de alimento, disminuye la intensidad de su metabolismo, y necesitan menos calorías para cubrir sus actividades. Esta combinación de balance endocrino, intensidad de metabolismo y diferencia en las calorías necesarias todavía no la conocemos muy bien.

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p Lípidos como fosfolípidos, glucolípidos y esteroles son constituyentes esenciales de las células, del protoplasma y de los tejidos en diversas partes del cuerpo. También intervienen en funciones especializadas, por ejemplo, en la coagulación de la sangre y en el transporte de lípidos por la misma. El tejido adiposo que se almacena alrededor de los órganos del cuerpo no contiene la misma proporción de ácidos grasos saturados o insaturados que la grasa del alimento; por lo tanto, también debe ser sintetizado. El órgano más importante de la economía que se ocupa de la síntesis lípida es el hígado. Es capaz de sintetizar fosfolípidos y colesterol, y de modificar todas las grasas de la sangre, alargando o acortando, saturando o insaturado, las cadenas de ácidos grasos. La !" se utiliza para transportar grasas a los diversos tejidos y puede intervenir en su oxidación. Otro fosfolípido esencial es la ! , factor vital en la coagulación de la sangre. Œrasas y aceites especiales del cuerpo, como la grasa de la leche, diversos esteroles y el aceite natural de la piel, y la cera del oído son ejemplos de lípidos sintetizados a partir de las grasas del alimento.

La !%!$$, o sea la hidrólisis de los triglicéridos dando ácidos grasos libres, también se halla bajo control de hormonas y de AM-3¶,5¶-cíclico.

| c c % c c  cc c$c?àccccccccccccccccccccccccccccccccccccc

c c$c?c ?c',!-,o % c $c à c ? c c c $c . c

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Hormonas como la adrenalina y el glucagon estimulan la producción de AM3¶,5¶-cíclico y, por lo tanto, el proceso de la lipólisis, mientras que las prostaglandinas disminuyen las concentraciones de AM-3¶,5¶-cíclico y el ritmo de la lipólisis.

O 3 Los ácidos grasos nacidos de la desintegración de cualquier lípido, pero especialmente de grasas, son oxidados completamente proporcionando CO2, agua y energía. La porción glicerol de las grasas se fosforila en el hígado para formar glicerofosfato, que después es oxidado a fosfato de dihidroxiacetona. . c

c ?àccccccccccccccccc?c c . ccccccccccccccccccccccccccccccccccc cc

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Ambos productos pueden entrar en la vía de Embden-Meyerhof del metabolismo de los carbohidratos. La oxidación de los ácidos grasos tiene lugar en una serie de reacciones que requieren varias enzimas y cofactores, con producción de acetilcoenzima A. Las moléculas de acetil CoA, que entran en el ciclo de Krebs para formar CO2, H20 y energía. Las investigaciones iniciales de Knoop, en 1904, establecieron que los ácidos grasos eran oxidados en el carbono beta, con la consiguiente separación de fragmentos de dos carbonos. En su teoría de la beta-oxidación afirmaba que se separaba ácido acético en cada etapa del proceso, lo cual reducía un ácido graso de 18 carbonos a un ácido de dos carbonos. En los últimos años se han descubierto las reacciones detalladas, así como sus enzimas y cofactores, y se ha confirmado la teoría de Knoop. En lugar de ácido acético, el compuesto clave en las reacciones es acetil CoA. Intervienen cinco reacciones en la conversión de un ácido graso de cadena larga en una CoA derivada con dos carbonos menos y una molécula de acetil CoA. Esas reacciones se resumen en el esquema siguiente:

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La primera reacción inicia la serie e incluye la activación de una molécula de ácido graso por conversión en un derivado de coenzima A. Una deshidrogenasa, con FAD como coenzima, insatura el ácido graso; luego es catalizada una hidratación por una enolhidrasa. El grupo hidroxilo del átomo de carbono ȕ es oxidado por una deshidrogenasa, con NAD como coenzima. El derivado oxidado más la coenzima A se rompe, dando una molécula de ácido graso con dos carbonos menos, y se forma acetil CoA. La acetil CoA entra en el ciclo de Krebs para formar CO2 y H20 y energía. El nuevo derivado de ácido graso y coenzima A no tiene que ser activado, sino que penetre directamente en el ciclo y vuelve a perder una molécula de acetil CoA. Y . Durante la oxidación de ácido palmítico, se formarían 7 moles de FADH2 y 7 de NADH2. Cuando estos compuestos entran en la cadena de transporte de electrones formarían AT en la siguiente forma: 7FADH2 ĺ 7NADH2 ĺ

14 AT 21 AT 35 AT -1 AT utilizado en la primera reacción 34 AT netos

En las siete vueltas del ciclo, se forman 8 moles de acetil CoA. Como puede recordarse considerando la oxidación de este compuesto en el ciclo de Krebs,

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cada mol de acetil CoA proporcionará 12 moles de AT. or lo tanto, la acetil CoA formada por oxidación del ácido palmítico explica la oxidación de 8 X 12 = 96 moles de AT. La suma de 34 + 96 = 130 AT para la oxidación completa de ácido palmítico en el esquema anterior. La combustión total del ácido palmítico proporciona 2338.0 Kcal; cuando se compara con la oxidación celular #'(cc/(c0 cc#((c

c1/c c#((c

''/(c Esto representa una conservación muy eficaz de energía en forma de moléculas de AT cuando el ácido palmítico es oxidado completamente por los tejidos. Antes insistíamos en que la grasa alimenticia era una fuente eficaz de energía. También contribuye a esta utilización eficaz el hecho de que todas las enzimas utilizadas en el esquema de la ȕ-oxidación, el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa, y el transporte de electrones, se encuentran en las mitocondrias de la célula.

A 3 La vía de la ȕ-oxidación en las mitocondrias puede invertirse para formar moléculas de ácido graso, pero esto solo explica una pequeña proporción de los ácidos grasos sintetizados en los tejidos. El citoplasma de la célula es el lugar principal, y la acetilcoenzima A es el material punto de partida para la síntesis. La acetilcoenzima A es carboxilada para formar !!; por influencias de carboxilasa de acetil CoA en presencia de AT y de la vitamina biotina. Un complejo de enzima-biotina añade CO2 con ayuda de AT. Luego la acetil CoA reacciona con este complejo para formar malonil CoA en la siguiente forma:

La malonil CoA y la acetil CoA forman luego complejos con un sistema multienzimático llamado , que incluye una proteína portadora de acilo (AC) que fija acil intermedio durante la formación de ácidos grasos de cadena larga. Estos dos complejos luego se condensan para formar acetoacetil-S-AC; este es reducido a ȕ-hidroxibutiril-S-AC con ayuda de NADH, seguido de la pérdida de una molécula de agua para formar un Į, ȕ-SAC insaturado. El compuesto insaturado se reduce a butiril-S-AC, que se combina con otra molécula de malonil-S-AC para seguir prolongando la cadena. 215

3 Los triglicéridos son sintetizados en los tejidos a partir de glicerol y ácidos grasos en formas activadas. La forma activa del glicerol es el 0!#$ ", que reacciona con dos derivados de ácido graso CoA para formar un 0!/#, que luego reacciona con otro mol de ácido graso CoA para formar un "#0!/#. uede comprenderse un resumen del proceso según el esquema siguiente:



£ p La llamada cetona, o acetona, es un conjunto de 6 " /", ácido ȕ"$$. El precursor de los cuerpos cetónicos es el ácido acetoacético formado en el hígado a partir de la acetoacetil CoA, un intermedio normal en la ȕ-oxidación de 216

los ácidos grasos. También puede formarse por condensación de dos moléculas de acetil CoA. Ambos métodos de formación pueden representarse en la reacción reversible normal siguiente:

El hígado contiene una enzima desacilasa que convierte fácilmente el acetoacetil CoA en el ácido libre.

Los otros cuerpos cetónicos se forman a partir del ácido acetoacético; la acetona por descarboxilación, y el ácido ȕ-hidroxibutírico por acción de una enzima específica, como puede verse en el esquema siguiente:

£ £ Los conocimientos sobre metabolismo de fosfolípidos son incompletos, aunque se sabe que desempeñan funciones muy importantes en la economía. Como sus moléculas están más disociadas que las de ningún otro lípido, tienden a ser más solubles en agua, a disminuir la tensión superficial en las interfases de aceite-agua, y a intervenir en el sistema de transporte de electrones en los tejidos. Tendrían tendencia a concentrarse en las membranas celulares, y probablemente intervengan en mecanismos de transporte para hacer pasar ácidos grasos y lípidos a través de la barrera intestinal, y desde el hígado y los depósitos grasos a otros tejidos corporales. Más datos en pro de su función de transporte de lípidos se confirman por su presencia en las lipoproteínas del plasma. Los fosfolípidos son componentes esenciales del mecanismo de coagulación de la sangre, y la esfingomielina es uno de los principales componentes de la vaina mielínica de los nervios.

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Los fosfolípidos dietéticos probablemente se desintegren en sus constituyentes por acción de enzimas en el tubo digestivo. La síntesis de la mayor parte de fosfolípidos ha sido comprobada en los últimos años mediante el empleo de isótopos para marcar compuestos precursores e intermedios. or ejemplo, la síntesis de lecitina incluye la reacción de colina-difosfato de citidina y un 1,2diglicérido. Las fosfatidiletanolaminas, o cefalinas, son sintetizadas por reacciones similares, y las esfingomielinas son sintetizadas por acción de Nacilesfigosina con ! $ " de citidina, La colina difosfato de citidina (CD-colina) tiene la siguiente estructura:

La síntesis de lecitina puede resumirse utilizando el 1,2-diglicérido formado en la síntesis de triglicérido. cccY2 c #!o c$c|o ccccccccccccccccccccc c$c c c à cccccccccccccccc c

El metabolismo de los esteroles guardan relación principalmente con el colesterol y sus derivados. La $"$$ !$"#!, y su relación con otros esteroides del cuerpo, ha sido objeto de muchas investigaciones. Utilizando isótopos estables o radiactivos se ha comprobado que el colesterol puede ser sintetizado a partir de compuestos de dos carbonos, como acetil CoA. También puede sintetizarse con acetoacetil CoA y otros intermedios. Dos precursores intermedios del colesterol son la ȕ-hidroxi-ȕ-metilglutaril-SCoA y el ácido mevalónico, según puede verse en el siguiente esquema:

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Aunque la síntesis de colesterol tiene lugar en muchos tejidos de la economía, el hígado es el principal lugar de formación. El colesterol es un compuesto clave en la síntesis de esteroides esenciales como ácidos biliares, hormonas sexuales, hormonas corticosuprarrenales y vitamina D. El colesterol no solo es convertido en ácidos biliares por el hígado; también es eliminado como tal en la bilis. Según ya mencionamos, el colesterol de la bilis puede dar origen a cálculos biliares, acumulándose sobre partículas u objetos insolubles. Al parecer, la concentración de colesterol en la sangre depende del ingreso dietético de esteroles y grasas neutras, y de la síntesis de colesterol por el hígado. La concentración sanguínea normal suele aumentar con la edad y varía entre 150 y 200 mg/ml. Los valores sanguíneos de colesterol muchas veces se determinan en los pacientes para estimar su estado de colesterol. Se han creado varios métodos para esta determinación; casi todos son modificaciones de la reacción de Liebermann Burchard. Si la concentración de colesterol en la sangre se conserva en valores anormalmente altos, como 200 a 300 mg/lOO mI, pueden producirse depósitos de placas esterólicas en aorta y arterias menores. Este proceso, conocido como "#$!#$$ o #"#$!#$$, se observa en personas de edad avanzada y frecuentemente origina insuficiencia circulatoria o cardiaca. Se está 219

estudiando intensamente este problema intentando reducir la concentración de colesterol en la sangre de estos pacientes, y aliviar así los síntomas de la enfermedad.

: 3 Desde un punto de vista nutritivo, desde hace tiempo se sabe que los carbohidratos pueden convenirse en el cuerpo en grasa. Cuando se istra a los animales glucosa marcada con 14C, se ha comprobado que los ácidos grasos del hígado y otras grasas corporales estaban marcadas con 14C. La conversión de grasa en carbohidrato desde hace mucho tiempo ha sido objeto de discusión. La porción glicerol de la grasa guarda estrecha relación con los intermedios de tres carbonos del metabolismo hidrocarbonado, pero ha sido más difícil demostrar una relación directa entre ácidos grasos y glucosa. Como está comprobado el papel de la acetil CoA en ambos metabolismos, de carbohidrato y de grasa, es evidente que la acetil CoA de la oxidación de los ácidos grasos puede entrar en el ciclo de Krebs, de la misma manera que este compuesto formado a partir del ácido pirúvico. Más recientemente se ha comprobado que ácidos grasos marcados con 14C eran convertidos en glucosa marcada con 14C en un animal diabético. La correlación entre metabolismo de carbohidratos y metabolismo de grasa en el cuerpo puede representarse en el esquema siguiente:

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3p 1. Describir brevemente la digestión y absorción de grasa dietética. 2. Señalar los lípidos importantes de la sangre del hombre y su concentración aproximada. 3. ¿Qué son quilomicrones? ¿Qué son lipoproteínas? 4. Exponga algunas ventajas e inconvenientes de una amplia disponibilidad de tejido adiposo. 5. Delinear las reacciones esenciales en el esquema para oxidación de ácidos grasos. 6. ¿Cómo explica usted el gran número de moles de AT formados en la oxidación de ácidos grasos? 7. Delinear las reacciones que intervienen en la síntesis de ácidos grasos.

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8. Describa el proceso de síntesis de triglicéridos. 9. Exponga dos reacciones que tienen lugar en el hígado para formación de ácido aceto- acético. 10. ¿Qué es cetosis? Explique la causa de este proceso en el cuerpo. 11. Esquematice los compuestos que intervienen en la síntesis de colesterol. 12. Nombre cuatro compuestos importantes del cuerpo que se sintetizan a partir del colesterol. 13. ¿or qué merece tanta atención en nuestra sociedad la aterosclerosis?

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p 2

Los objetivos de este capítulo son lograr el estudiante lo siguiente: 1. Describir el proceso de digestión y absorción de proteína dietética. 2. Reconocer la relación entre el tondo común aminoácido y el estado dinámico de las proteínas tisulares. 3. Describir la activación de aminoácidos y su combinación con t-RNA antes de la síntesis proteínica. 4. Ilustrar el proceso de transcripción y traslación en la síntesis proteínica. 5. Explicar la relación entre codones y .anticodones en la síntesis proteínica. 6. Describir las funciones del operon en la síntesis de proteínas enzimáticas. 7. Reconocer la diferencia entre desaminación y transaminación. 8. Delinear las reacciones esenciales del ciclo de la urea. 9. Reconocer las reacciones que intervienen en el metabolismo de purinas y pirimidinas. 10. Describir la correlación entre los metabolismos de carbohidratos, lípidos y proteínas. El metabolismo de las proteínas guarda relación con gran variedad de moléculas complejas. Las proteínas tisulares de diversas especies de animales, plantas, y microorganismos, todas tienen estructuras y composiciones especificas. Enzimas proteínicas, hormonas proteínicas, proteínas plasmáticas, hemoglobina y varias nucleoproteínas, representan otros tipos de proteínas. La +! , o sea la síntesis, de nuevas proteínas para crecimiento y desarrollo, incluye la reunión de diferentes aminoácidos en orden adecuado y en disposiciones especiales para lograr moléculas de proteína específica. El proceso de " +! de las proteínas, para producir energía, incluye varias reacciones metabólicas generales, muchas de las cuales son específicas para el metabolismo de cada uno de los 20 aminoácidos diferentes.

3 La digestión de las grandes moléculas alimenticias complejas de proteína comienza en el estómago. La %%$ es la principal enzima del jugo gástrico; cataliza la hidrólisis de grandes moléculas proteínicas en moléculas menores,

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más solubles, de %#"$ $ y %%" $. El pH óptimo de la pepsina es 1.5 a 2; por lo tanto, es muy adecuado para digestión de proteína en el contenido gástrico normal, donde el pH es de 1.6 a 1.8. Cuando el quimo pasa hacia el intestino delgado, "#%$ , "#%$ , #+=%%" $ , %%" $ y %%" $ actúan sobre proteínas nativas, proteosas y peptonas y %!%/%$$. Las moléculas se rompen gradualmente hasta aminoácidos, los productos terminales de la digestión proteínica.

Los aminoácidos son absorbidos por la mucosa intestinal directamente hacia la sangre, gracias a un proceso activo que requiere enzimas y energía. Como los monosacáridos, cada aminoácido tiene un ritmo diferente de absorción, y puede haber un mecanismo diverso para ciertos aminoácidos como los acídicos, básicos y neutrales, las formas L. y. D. Después de su absorción, los aminoácidos pasan con la circulación portal al hígado y, más tarde, a todos los tejidos del cuerpo. El hígado suprime algunos aminoácidos para sus necesidades, y añade a la sangre los que ha sintetizado. Otros tejidos añaden aminoácidos a la sangre cuando sus proteínas sufren catabolia o desintegración. En contraste con el metabolismo de carbohidratos y grasas, no hay depósitos para almacenamiento de proteínas o aminoácidos. La concentración elevada de aminoácidos que tiene lugar por el proceso de absorción, síntesis, o catabolia, representa un fondo común temporal de aminoácidos que pueden utilizarse con fines metabólicos. Este fondo común de aminoácidos está disponible para todos los tejidos, y puede sintetizar nuevas proteínas tisulares, proteínas sanguíneas, hormonas, enzimas, o substancias nitrogenadas no proteínicas como creatinina y glutatión. Las relaciones existentes entre el fondo común aminoácido y el metabolismo proteínico en general puede representarse así:

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Hasta fines de la década de 1930 se creía que las proteínas corporales del adulto humano eran moléculas estables, y que la mayor parte de aminoácidos de la dieta eran catabolizados para producir energía; una porción pequeña era utilizada para sostén y reparación de las proteínas tisulares existentes. Cuando pudo disponerse de isótopos, Schoenheimer y colaboradores demostraron que las proteínas tisulares, se hallan en . Cuando se marcó el nitrógeno de un aminoácido con 15N, y se incorporó a la dieta de un animal, se comprobó que el 50 por 100, aproximadamente, del 15N estaba en los tejidos del animal, y una proporción mayor en el nitrógeno de aminoácidos que no eran los absorbidos específicamente del alimento. Esto indicaba que los aminoácidos de las proteínas tisulares estaban cambiando constantemente su lugar con los del fondo aminoácido común, y que las proteínas corporales eran moléculas extraordinariamente lábiles. Investigaciones más recientes, utilizando aminoácidos marcados con isótopos, han demostrado que las proteínas tisulares varían mucho en su ritmo de recambio de aminoácidos. El ritmo de recambio representa la cantidad de proteína sintetizada o desintegrada por unidad de tiempo; el tiempo de recambio suele expresarse como la semidesintegración de la proteína en los tejidos. Las proteínas del hígado y del plasma tienen unos tiempos de semidesintegración de dos a 10 días, en contraste con 180 días para la proteína muscular, y 1000 días para algunas proteínas colágenas. Las proteínas de los tejidos tisular y conectivo parecen tener un recambio más prolongado, en comparación con las proteínas hepáticas y plasmáticas que son sintetizadas rápidamente a partir de los aminoácidos del fondo común aminoácido. El concepto del estado dinámico de la proteína corporal requiere modificaciones, dada la individualidad de cada proteína específica.

El proceso de síntesis de proteína tiene lugar constantemente en el cuerpo, sobre todo para los tejidos con un ritmo de recambio rápido. Un niño o un animal que crecen están formando continuamente tejido nuevo; por lo tanto, tienen grandes necesidades, que cubre el fondo común aminoácido. Los aminoácidos individuales necesarios para la síntesis de proteína parecen aportados por el cuerpo y utilizados para construir moléculas proteínicas específicas. Aunque los tejidos, en particular el hígado, son capaces de sintetizar algunos aminoácidos, otros tiene que proporcionarlos la dieta para asegurar un surtido completo y adecuado que permita la síntesis. ?minoácidos esenciales Los aminoácidos que no pueden ser sintetizados por el cuerpo, y por lo tanto debe aportarlos la dieta, se llaman 6$$ !$. Si la dieta carece de un aminoácido esencial, el cuerpo es incapaz de sintetizar proteína tisular. 225

Si este trastorno dura cierto tiempo, vendrá un balance nitrogenado negativo, con pérdida de peso, disminución de la concentración de proteína sérica, y edema intenso. Estudios de alimentación efectuados con ratas han demostrado que los siguientes aminoácidos son esenciales para el crecimiento: Histidina Metionina Arginina Triptófano Treonina

Isoleucina Leucina Lisina Valina Fenilalanina

Los estudios de Rose y colaboradores, en la Universidad de Illinois, sobre necesidades de aminoácidos en el hombre permiten sospechar que todos los 10 aminoácidos señalados, excepto la histidina, y posiblemente la arginina, son esenciales para asegurar el balance nitrogenado. Un individuo se halla en !+# "#0 cuando el nitrógeno eliminado equivale al ingresado durante un periodo determinado de tiempo. Un niño que crece o un paciente que se recupera de una enfermedad prolongada se hallan en + ! "#0 %$"&. El ayuno, una enfermedad que desnutre, o una dieta que carece de cantidades suficientes de aminoácidos esenciales, pueden originar un+ ! "#0 0 "&. Muchas proteínas dietéticas comunes son pobres en uno o más de estos aminoácidos esenciales. La gelatina, por ejemplo, carece de triptófano; por lo tanto, es una proteína incompleta. Si la gelatina fuera el origen único de proteína de la dieta, un niño en crecimiento podría tomar diariamente grandes cantidades de esta proteína sin poder sintetizar nuevos tejidos corporales. La zeína y la gladina, las prolaminas del maíz y del trigo, respectivamente, son pobres en lisina; la zeína también lo es en triptófano. Aunque una proteína incompleta no asegura el crecimiento cuando constituye el único aporte proteínico de la dieta, raramente nos limitamos a consumir una sola proteína. En una dieta mixta ordinaria, los aminoácidos esenciales suelen ser proporcionados por proteínas de origen animal, como carne, huevos, leche, queso y pescado, Se recomienda un ingreso dietético diario de 1 a 1.5 g de proteína por Kg de peso corporal como adecuado para cubrir las necesidades fisiológicas. Mecanismo de la síntesis de proteína Durante años la síntesis de proteína en el cuerpo se explicó como un proceso inverso de la acción de las enzimas hidrolizantes, que provocaba la formación de enlaces peptídicos en lugar de romperlos. El mecanismo por virtud del cual los tejidos aseguraban el aporte adecuado de aminoácidos transformándolo en una proteína nueva sintetizada, no tenía explicación. Aunque todavía no conocemos totalmente los detalles de la síntesis de proteínas tisulares, con la concentración adecuada y el orden preciso de los aminoácidos, están aumentando mucho nuestros conocimientos en este campo. De hecho, un campo muy activo de investigación en la actualidad es el que se refiere al

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mecanismo de síntesis proteínica, el orden de los aminoácidos en la proteína que está siendo sintetizada, y la índole del código genético que rige tal orden. La síntesis proteínica se inicia por activación de los aminoácidos. Este proceso tiene lugar por combinación del aminoácido con AT y una enzima específica para cada aminoácido, separándose dos moléculas de ácido fosfórico.

La segunda etapa del proceso incluye la transferencia del aminoácido activado a una !/! "# $# . Las moléculas de t-RNA son pequeñas moléculas de ácido nucleico (peso molecular 30000) con un grupo terminal de ácido citidílico-citidílico-adenílico, representado como s-RNA-C-CA. La transferencia del aminoácido activado se halla bajo influencia de la misma enzima que produjo la activación y CT, o trifosfato de citidina.

La tercera etapa incluye la transferencia de aminoácidos unidos a t-RNA a los ribosomas del citoplasma celular. Los ribosomas son partículas de nucleoproteína compuestas de aproximadamente 60 por 100 de proteína básica y 40 por 100 de RNA ribosónico (r-RNA). Hay dos subunidades, una de 30 S y una de 50 S de ribosoma, que se unen para constituir un complejo de ribosoma 70 S. En el citoplasma los ribosomas están unidos por tiras de RNA mensajero para formar polisomas, que constan de cuatro a seis ribosomas. Tanto las moléculas de t-RNA como las de m-RNA se unen a los ribosomas para lograr la síntesis de un polipéptido a partir de los aminoácidos transportados por el t-RNA. La plantilla activa que controla la síntesis de proteína en los ribosomas se llama RNA mensajero (m-RNA). Es sintetizado por polimerasa de RNA bajo la dirección de DNA en el núcleo, y lleva información a los ribosomas para dirigir el orden en el cual se alinearán los aminoácidos unidos a t-RNA. El primer proceso de información global de transferencia de DNA a m-RNA se llama "# $#% (transcribiendo el mensaje). La programación específica de aminoácidos sobre los polisomas o moléculas de m- para sintetizar una proteína que contenga un orden definido de aminoácidos se llama "# $! (traducción del código). La fijación de aminoácidos activados unidos a t-RNA en una zona específica o lugar del m-RNA está gobernada por el código genético. Hay en el m-RNA un lugar específico, consistente en tres bases consecutivas, que fija un

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aminoácido particular; este lugar se denomina un . El t-RNA para dicho aminoácido particular tiene un tripleto complementario de bases llamado ", que fija el t-RNA al lugar del m-RNA del ribosoma. Como hay cuatro diferentes residuos de nucleótidos o bases en el m-RNA, e intervienen una serie de tres bases para codificar cada aminoácido, podría quedar disponible para codificar un total de 43, o sea 64 combinaciones diferentes de las tres bases. El código genético no es superponible, por cuanto requiere la acción de un grupo específico de tres bases sobre la cadena de m-RNA; también se dice que es degenerado, por cuanto puede ser utilizado más de un codón por m-RNA para insertar un aminoácido específico en la cadena peptídica. Cada ribosoma 70 S tiene dos lugares de fijación. Uno fija el t-RNA con una cadena de polipéptidos en crecimiento; el otro fija un t-RNA con un solo aminoácido activado. En la siguiente figura se presenta la síntesis de una cadena de polipéptido.

El esquema delineado en la figura permite la síntesis de moléculas de polipéptidos con un orden específico de aminoácidos gobernado por el m-RNA, que fue codificado por el DNA en el núcleo de la célula. La iniciación y la terminación de la síntesis están gobernadas por codones específicos, y el número y los tipos de proteína sintetizados están controlados por el aporte de moléculas específicas de m-RNA. Se ha calculado que se necesitan unos dos minutos para que un ribosoma sintetice una pequeña molécula de proteína; como puede haber cuatro a seis ribosomas en un polisoma, o incluso un número mayor de ribosomas que intervengan en la síntesis de tina molécula de proteína de peso molecular elevado, el tiempo de síntesis puede ser menor de 30 segundos.

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$% # 6$$%$ 6$

$% # 7

Alanina Arginina Asparagina Ácido aspártico Cisteina Ácido glutámico Œlutamina Œlicina Histidina Isoleucina Leucina Lisina. Metionina Fenilalanina rolina Serma Trtonina Triptófano Tirosina UAC, Valina ŒUA, CUŒ. Terminación de cadena

ŒCA, CCC, CCC, CCU ACÁ. AŒŒ, CŒA. CCC, CCC, CCU AAC, AAU ŒAC, ŒAU UŒC, UŒU ŒAA, ŒAŒ CAŒ, CAA CŒA. CCC, CCC, ŒŒU CAC, CAU AUA, AUC, AUU CUA, CUC, CUŒ. CUU, UUA, UUŒ 4AA, AAŒ AUŒ - inicjación de cadena UUU, UUC CCA, CCC, CCC, CCU AŒC, AŒU, UCA, UCŒ, UCC, UCU ACA, ACŒ. ACC, ACU UŒC UAU ŒUC. CUU UAA, UAŒ. UŒA

Evidentemente, las reacciones metabólicas requieren un aporte adecuado de moléculas de enzimas esenciales. Si las células pueden controlar el ritmo de síntesis de m-RNA, pueden controlar la producción de enzimas específicas para ciclos metabólicos, controlándose así el metabolismo en general. Un mecanismo de control genético para la síntesis de proteínas enzimáticas postula que los cromosomas llevan dos tipos de genes, los genes estructurales y los genes operadores. El gen estructural de DNA dirige la síntesis de moléculas de proteína en la forma antes descrita. El gen operador controla la acción de genes estructurales vecinos en la síntesis de moléculas específicas de RNA mensajero. Los genes estructurales y su gen operador se denominan, en conjunto, %#. El gen operador por sí mismo está controlado por un 0#0! #, que dirige la síntesis de moléculas proteínicas llamado #%#$#. Cuando el represor se combina con su gen operador, los genes estructurales no pueden funcionar en la síntesis proteínica, y se dice que el operon está reprimido. Si cualquier situación en la célula inactiva el represor y permite la función de operon, y se dice que el operon está reprimido. Los productos terminales de las reacciones enzimáticas, que suelen ser metabolitos, pueden afectar la actividad de sistemas enzimáticos. ueden llevar a cabo esta función controlando el mecanismo que acabamos de describir del represor y la síntesis de enzima.

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Los aminoácidos del fondo metabólico común que no son empleados inmediatamente para síntesis, pueden sufrir varias reacciones metabólicas. ueden seguir la vía de la catabolia por desaminación, formación de urea, y producción de energía; o pueden ayudar a la síntesis de nuevos aminoácidos por el proceso de reaminación y transaminación. Desaminación, reaminación, transaminación y formación de urea son procesos comunes a todos los aminoácidos y, por lo tanto, de gran importancia para el metabolismo proteínico. esaminación Una reacción general de la catabolia es la separación del grupo amínico de un aminoácido, con formación de amoniaco y un ácido cetónico. Este proceso se llama $ = "& ; es catalizado por enzimas que se encuentran en el hígado y en el riñón, llamadas = $ $ 6$. Estas enzimas suelen ser enzimas de flavoproteína, que contienen dinucleótido de adenina y flavina, FAD, o mononucleótido de flavina FMN. La enzima deshidrogena el aminoácido para formar un iminoácido, que es hidrolizado dando un cetoácido y amoniaco. Este proceso puede ilustrarse con la siguiente fórmula para un aminoácido.

El destino del cetoácido depende del aminoácido del cual deriva. En general, la catabolia de cada aminoácido debe estudiarse por separado. La glicina, por ejemplo, es el aminoácido más sencillo, pero puede transformarse metabólicamente en formiato, acetato, etanolamina, serina, ácido aspártico, ácidos grasos, ribosa, purinas, pirimidinas, y protoporfirina. or lo tanto, este amino-ácido puede desempeñar un papel en el metabolismo de carbohidratos, lípidos, proteínas, ácido nucleico y hemoglobina, e ilustra irablemente las interrelaciones existentes entre los diversos tipos de metabolismos corporales. Otros aminoácidos sufren reacciones metabólicas complejas. En general, los aminoácidos se dividen en 0!0/$ o "0$, indicando su capacidad de formar glucosa o glucógeno, y seguir la vía de los carbohidratos, o penetrar en las reacciones metabólicas de lípidos y formar cuerpos cetónicos. àransaminación El proceso de desaminación forma muchos cetoácidos, que son capaces de aceptar un grupo amínico para formar un nuevo aminoácido. Que este proceso

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de reaminación tiene lugar, lo demostraron fácilmente los experimentos con isótopos marcados realizados por Schoenheimer. Observó un rápido intercambio de grupos amino entre aminoácidos dietéticos y aminoácidos tisulares. Un mecanismo principal para la conversión de cetoácidos en aminoácidos en el cuerpo se denomina "# $ . Las reacciones originales de transaminación incluían ácidos glutámico y aspártico. El ácido glutámico, por ejemplo; podía reaccionar con ácido oxaloacético, en presencia de una transaminasa, para formar un nuevo cetoácido, el Į-cetoglutárico, y el nuevo aminoácido, ácido aspártico.

Se necesita la coenzima $ "%#= ! en la reacción, y se forma fosfato de piridoxamina.

La enzima que cataliza la reacción en el suero se llama SŒOT, transaminasa sérica glutámica oxaloacética; un brusco aumento de su concentración en el suero indica infarto de miocardio, trastorno cardiaco que afecta el músculo del corazón Hay varias transaminasas específicas que sirven como catalizadores en la transferencia de grupos amínicos desde aminoácidos a diversos cetoácidos. Las reacciones de transaminación constituyen enlaces importantes que unen los metabolismos de carbohidratos, grasas y proteínas. uede utilizarse un cetoácido de cualquier origen para la síntesis de un aminoácido que será incorporado a la proteína tisular. or ejemplo, el ácido Į-cetoglutárico

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es un constituyente del ciclo de Krebs, y sirve como enlace directo entre el metabolismo de la proteína con el de carbohidratos y grasas. Formación de urea El amoniaco, el bióxido de carbono, y el agua, resultantes de la desaminación y oxidación de los aminoácidos, se combinan para formar urea. La formación de urea tiene lugar en el hígado por una serie bastante complicada de reacciones, descrita primero por Krebs y sus colaboradores. El amoniaco y el bióxido de carbono se combinan con el aminoácido ornitina para constituir otro aminoácido, la citrulina. Otra molécula de amoniaco se combina luego con la citrulina para dar el aminoácido arginina, que es hidrolizado por, la enzima arginasa, presente en el hígado, dando urea y ornitina. La ornitina puede penetrar entonces en el comienzo del ciclo y combinarse con más amoniaco y bióxido de carbono de la catabolia proteínica. En años recientes se ha estudiado el mecanismo detallado del ciclo. Al parecer la ornitina no reacciona directamente con CO2 y NH3 para formar citrulina, sino que reacciona con un compuesto llamado #+ !$ ". Este compuesto es sintetizado a partir de AT, CO2, y NH3 en presencia de la enzima específica sintetasa de carbamilfosfato, y los cofactores N-acetilglutamato y Mg+2.

La formación de arginina tampoco es una reacción simple de citrulina y NH3, sino que incluye una combinación del ácido aspártico para formar ácido argininosuccínico, que luego se rompe en arginina y ácido fumárico. El ciclo de la urea, como se acepta ahora puede expresarse así:

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Cuando se forma urea en el hígado, desaparece del torrente vascular, pasa a los riñones, y es eliminada con la orina. La urea es el principal producto terminal de la catabolia proteínica; le corresponde del 80 al 90 por 100 del nitrógeno eliminado con la orina.

p Las nucleoproteínas son constituyentes del tejido nuclear, formados por una proteína conjugada con ácidos nucleicos. Los importantes ácidos nucleicos DNA y RNA son constituyentes del núcleo celular, de los cromosomas y de los virus, e intervienen en la síntesis de proteína. Durante el proceso de digestión la proteína se separa de los ácidos nucleicos y se desintegra en aminoácidos. Los ácidos nucleicos son atacados primero por ribonucleasa y desoxirribonucleasa, para formar nucleótidos, que más tarde son hidrolizados por nucleotidasas, dando fosfatos y nucleótidos. Los nucleósidos son absorbidos por la mucosa intestinal y rota por nucleosidasas de los tejidos, dando D-ribosa, desoxirribosa, purinas y pirimidinas. En el metabolismo los aminoácidos y el azúcar siguen el proceso ordinario de 233

utilización de proteína y carbohidrato. El ácido fosfórico se utiliza para producir otros compuestos fosforados en el cuerpo, o puede eliminarse en la orina como fosfatos. Metabolismo de purinas La síntesis de purinas se ha estudiado bien en años recientes. Se trata de un proceso muy complejo en el cual intervienen varias etapas, enzimas específicas y cofactores. Se forma primero ácido inosínico, en forma de un mononucleótido, y sirve como intermedio para la síntesis de ácido adenílico y ácido guanílico. Con ayuda de moléculas marcadas, se descubrieron los precursores del núcleo de la purina. ueden representarse en el siguiente esquema:

Las purinas se forman por hidrólisis de nucleósidos en los tejidos que sufren cambios metabólicos, formándose ácido úrico, que es eliminado en la orina. Los nucleósidos $ , $ , 0 $ y = "$ se rompen en ribosa más adenina, hipoxantina, guanina y xantina, respectivamente. Estas purinas no se rompen completamente hasta NH3, CO2, H20, y energía, sino que son oxidadas en forma progresiva con la ayuda de enzimas específicas.

En la mayor parte de mamíferos, fuera del hombre y el mono, el ácido úrico es convertido en ! " , substancia más soluble.

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Metabolismo de pirimidinas La síntesis de pirimidinas comienza con amoniaco y bióxido de carbono, reaccionando con AT para formar #+ !$ ". Este compuesto se combina con ácido aspártico para formar ácido carbamilaspártico que, a su vez, es convertido en ácido dihidroorótico; esto se reduce dando ácido orótico. El ácido orótico luego reacciona con 5-fosforribosil-1-pirofosfato para formar el nucleótido orotidina-5-fosfato. La descarboxilación de este nucleótido produce la pirimidina primaria, uridín-5-fosfato, o ácido uridílico. El mononucleótido del ácido uridílico parece ser el punto de partida para la síntesis de otros nucleótidos de pirimidina. Las pirimidinas resultantes de la hidrólisis de nucleósidos en los tejidos pueden desintegrarse, dando por catabolia pequeñas moléculas. La citosina pierde amoniaco para formar uracilo, que es reducido a dihidrouracilo utilizando la coenzima NADH2. Luego se abre el anillo para formar un ácido ureidopropiónico, que se rompe dando ȕ-alanina más amoniaco y bióxido de carbono. Estos productos terminales acaban convirtiéndose en urea para ser eliminados. Síntesis de ácidos nucleicos Según la composición de los ácidos nucleicos, se comprende que la síntesis incluiría copolimerización de cuatro ribonucleótidos para RNA, y cuatro desoxirribonucleótidos para DNA. La molécula de DNA ha sido sintetizada por Kornberg y colaboradores tratando una mezcla de desoxirribonucleótidos con una enzima aislada de bacterias. En presencia de los cuatro desoxirribonucleótidos, un aporte de DNA y Mg+2, la enzima %!# $ de puede sintetizar . Enzimas llamadas %!# $ $ de o "# $#%" $ $, que se descubren en plantas, animales y bacterias, catalizan la síntesis de RNA a partir de trifosfato de ribonucleósido, AT, ŒT, CT y UT. La síntesis depende de DNA y requiere Mg+2, además de los cuatro trifosfatos de ribonucleósido. El DNA sirve como plantilla, y la serie de bases del DNA se transcribe a la serie correspondiente del RNA. Estas moléculas de ácido nucleico son similares a las de origen natural, y se utilizan para estudiar las propiedades, composiciones y reacciones de estas grandes moléculas.

235

: La creatina y la creatinina son dos compuestos nitrogenados que suelen asociarse con el metabolismo de las proteínas en el cuerpo. La creatina se halla ampliamente distribuida en todos los tejidos, pero abunda especialmente en el muscular, donde se combina con ácido fosfórico dando $# " o $ " # " . Al contraerse los músculos, la fosfocreatina parece desempeñar un papel importante como reserva de fosfatos ricos en energía fácilmente convertibles en AT. La energía para las etapas iniciales de contracción muscular probablemente provenga de la hidrólisis de este compuesto para formar creatina y ácido fosfórico. Estas dos substancias más tarde se combinan durante el periodo de recuperación del músculo. La creatina se sintetiza a partir de los aminoácidos glicina, arginina y metionina.

La creatinina también existe en los tejidos, pero se halla en cantidades mucho mayores en la orina. Se forma a partir del fosfato de creatina o de la creatina, y es un producto terminal del metabolismo de la creatina en el tejido muscular.



K K

Ya en 1906, Œarrad, médico inglés, describió varios tipos anormales de metabolismo. Llamó a estos trastornos ###$ "$ ! " +!$, pues reconoció que los procesos eran hereditarios. Actualmente se conoce ya un centenar de esas enfermedades genéticas. Muchas de ellas son extraordinariamente raras. Las enfermedades dependientes de un bloqueo metabólico en la catabolia de aminoácidos tienen interés especial, ya que se presentan más frecuentemente. Una manifestación clínica común de tales procesos es la deficiencia mental. Vamos a estudiar más detalladamente tres de estos errores innatos, la !"# , la ! %"# y la "#$ , ya que guardan relación con el metabolismo de la fenilalanina, un aminoácido

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esencial. Cada una incluye una deficiencia de una sola enzima específica cuya síntesis está controlada genéticamente. Femicetonuria La fenilcetonuria, o KU, fue descubierta por Fölling en 1934 al comprobar la existencia de grandes cantidades de 6 !%#*& en la orina de varios pacientes con retraso mental. Todos los individuos en quienes hasta aquí se ha descubierto que eliminan ácido fenilpirúvico con la orina han presentado cierto grado de deficiencia mental. El 1 por 100, aproximadamente, de los enfermos en instituciones de retrasados mentales eliminan ácido fenilpirúvico con la orina. Como se comprobó que el trastorno era de tipo genético, se ha dirigido la atención hacia los parientes como portadores del defecto, y para descubrir y tratar recién nacidos con la enfermedad. El metabolismo normal de la fenilalanina incluye su transformación en tirosina con ayuda de ?#=! $ de ! ! . Si no se sintetizan cantidades suficientes de esta enzima, como ocurre en la fenilcetonuria, aumenta la concentración de fenilalanina en sangre, líquido CFR y orina. En los tejidos, la fenilalarina se convierte en ácidos fenilpirúvico, fenilláctico y fenilacético, y también en fenilacetilglutamina, como puede verse en el esquema siguiente:

Estos metabolitos de la. fenilalanina son eliminados con la orina en grandes cantidades en casos de fenilcetonuria. Como el trastorno ahora es bastante bien conocido, el problema práctico estriba en identificar los lactantes con la enfermedad, e iniciar el tratamiento adecuado. Disponemos de pruebas simples para descubrir el ácido fenilpirúvico en la orina, o, de preferencia, pruebas para demostrar concentraciones elevadas de fenilalanina en la sangre, y se necesitan en varios estados. El mejor tratamiento consiste en disminuir la cantidad de fenilalanina de la dieta 237

del lactante con KU, dándole solo el mínimo necesario y esencial para el crecimiento y desarrollo normales. or fortuna, este régimen permite que la criatura se desarrolle normalmente; la dieta parece poderse relajar algo después de la edad de seis años, sin graves trastornos. ?lcaptonuria La alcaptonuria es una rara anomalía genética del metabolismo de la tirosina, que se reconoce fácilmente por los cambios característicos de color que presenta la orina. Recién emitida tiene color normal, pero con el reposo se vuelve obscura. La alcalinidad acelera el cambio; la orina pasa por tonos de pardo, hasta un color final negro. Los pañales mojados con orina tienen tinte obscuro; en consecuencia, muchas veces se descubre la enfermedad en la primera infancia. En adultos, la alcaptonuria puede descubrirse primero en ocasión de solicitar un seguro de vida, o en ocasión de una revisión médica sistemática. La orina es intensamente reductora, lo cual hace que sea positiva la prueba de Benedict. Estas características duran toda la vida. Cuando los pacientes tienen más años, sus ligamentos y cartílagos tienden a adoptar color azul obscuro y al desarrollo de osteoartritis. El metabolismo normal de la tirosina, que puede formarse a partir de la fenilalanina según ya vimos, incluye la formación de ácido "$. El error metabólico es un bloqueo en la desintegración del ácido homogentísico, por disminución de la concentración de oxidasa en los tejidos; los individuos normales pueden oxidar fácilmente cantidades elevadas de este ácido, sin producir orina de color obscuro. La formación de ácido homogentísico y sus metabolito 5 se indica en el esquema siguiente:

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or hoy carecemos de tratamiento específico para esta rara enfermedad genética. àirosinemia La tirosinemia es un raro error innato del metabolismo de la tirosina que se observa sobre todo en prematuros. En el esquema puede verse el bloqueo metabólico asociado con este defecto, que ocurre entre el ácido ȡ.hidroxifenilpirúvico y el ácido homogentísico. La enzima necesaria para esta etapa, la oxidasa de p-hidroxifenilpiruvato se ha comprobado que se halla en concentración baja en el hígado de prematuros. En la tirosinemia infantil, hay defectos renales y una cirrosis nodular de hígado, causa de raquitismo. trombocitopenia, piel obscura y ligero retraso mental. La orina contiene grandes cantidades de tirosina y sus metabolitos, incluyendo ácido ȡ-hidroxifenilpirúvico, ácido ȡ -hidroxifenilacético y ácido ȡ -hidroxifeniláctico. La enfermedad puede ser aguda o crónica; los casos agudos se caracterizan por diarrea, desarrollo retrasado y muerte por insuficiencia hepática en los siete primeros meses de la vida. El ácido ascórbico es la coenzima de la oxidasa de ȡ -hidroxifenilpiruvato; la enfermedad puede aliviarse en prematuros dándoles un exceso de ácido ascórbico. El tratamiento de la tirosinemia a largo plazo es a base de una dieta pobre en tirosina y fenilalanina. Si el tratamiento dietético se inicia temprano, pueden evitarse las lesiones de hígado y riñón. 239

( : La correlación entre estos metabolismos ya la hemos expuesto. Como la catabolia de los aminoácidos origina cetoácidos como el pirúvico, se comprende que estos productos puedan entrar en el esquema metabólico de los carbohidratos. Además, los aminoácidos glucogénicos, o productores de glucosa, y los aminoácidos cetógenos, pudieran entrar en los esquemas de metabolismo (le carbohidratos y lípidos. La correlación global de los tres tipos principales del metabolismo se representa en el esquema, de la página 366.

3p 1. Delinear el proceso de digestión y absorción de proteínas. 2. Explicar el concepto de fondo común aminoácido. 3. ¿Qué se entiende por estado dinámico de proteínas tisulares en el cuerpo?

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4. Qué es un aminoácido esencial? ¿Qué le ocurriría a un niño que se está desarrollando si quedara privado de cantidades adecuadas de estos aminoácidos? ¿or qué? 5. Describa el proceso de activación de aminoácidos y su combinación con tRNA antes de la síntesis de proteína. 6. Ilustre el proceso de traslación en la síntesis proteínica. 7. En la síntesis de proteína, explique la relación entre codones y anticodones. 8. ¿Qué papeles desempeñan los ribosomas y el mRNA en la síntesis proteínica? Explique. 9. Explique la función de genes estructurales, genes operadores y operon en las síntesis de proteínas enzimáticas. 10. ¿Cuáles son los procesos de desaminación y transaminación? Ilustre un proceso con ecuaciones. II. ¿Cómo Funciona el fosfato de piridoxal como coenzima en el proceso de transaminación? 12. Delinear las reacciones esenciales del ciclo de la urea. 13. ¿Qué productos resultarían de la hidrólisis completa de RNA? Describa brevemente el destino metabólico de cada uno de los productos. 14. ¿Cuáles compuestos intervienen en la síntesis del núcleo purínico? 15. Delinear y resumir el proceso de síntesis de creatina. 16. Explique cómo la transaminación puede servir de eslabón común entre los metabolismos de carbohidratos, grasas y proteínas. 17. ¿Qué manifestación clínica y qué deficiencia bioquímica es característica de los tres errores innatos del metabolismo de la fenilalanina? 18. ¿or qué es importante analizar la orina de los recién nacidos en busca de ácido fenilpirúvico, o su sangre en busca de concentración elevada de fenilalanina? Explique.

241

p 9 p

Los objetivos de este capítulo son lograr el estudiante lo siguiente: 1. Describir el proceso de distribución normal de líquidos entre sistema circulatorio y espacios intersticiales. 2. Reconocer los factores que intervienen en el balance hídrico normal. 3. Describir los componentes esenciales de plasma y suero, y la separación de proteínas por electroforesis. 4. Ilustrar la composición normal de electrólitos del plasma. 5. Describir los factores que intervienen en el equilibrio acidobásico de la sangre. 6. Describir la química de la hemoglobina y su función respiratoria. 7. Definir el ciclo isohídrico y explicar su importancia en la respiración. 8. Reconocer las funciones esenciales del riñón, y el proceso de formación de orina. 9. Describir la regulación del equilibrio de agua, electrólitos y acidobásico por el riñón. 10. Describir el proceso de formación de H+ y la síntesis de amoniaco, y su importancia en las funciones renales. La función compleja de una sola célula requiere que el líquido intracelular y el líquido extracelular que la rodea conserven una composición química bastante constante. Esto puede lograrse por simple difusión de material celular, entrando y saliendo, entre los líquidos intra y extracelulares. Cuando las células se combinan para formar tejidos, órganos y, finalmente, todo el cuerpo, el proceso de difusión no basta para conservar un equilibrio líquido adecuado. Se necesita un sistema circulatorio o de transporte, capaz de llevar los materiales nutritivos, enzimas, hormonas, y otras substancias reguladoras hacia los tejidos, y productos de desecho hacia los órganos de eliminación. La $ 0# es el sistema de transporte más activo, formado de elementos celulares suspendidos en el plasma, que es el medio líquido. El !"$! #, que rodea los tejidos, y la ! , líquido de desplazamiento lento similar al plasma, que circula por un sistema de vasos denominados linfáticos, también ayudan al sistema de transporte del cuerpo. La linfa y el líquido tisular se reúnen con el nombre de ! "#$" !; constituyen hasta el 15 por 100 del peso corporal. Tiene lugar un intercambio importante de material entre la sangre y los tejidos a través del líquido intersticial. El plasma y el líquido intersticial, en conjunto, se denominan !$="# !! #$' Un hombre de 70 Kg tendría aproximadamente seis litios de sangre, 3.5 litros de plasma, 10.5 litros de líquido intersticial, y 35 litros de líquido intracelular. Los líquidos intracelulares están separados de los extracelulares por las membranas de las células. Agua, electrólitos, material nutritivo y productos de 242

desecho tienen que atravesar la membrana para conservar la función celular. La membrana celular es muy permeable al agua, O2, CO2, urea y glucosa, pero muestra permeabilidad selectiva para electrólitos como Na+, K+, CI-, Ca+2, Mg+2, y HCO3-. En experiencias en las cuales se inyecté agua pesada, D2O en el líquido extracelular, se comprobó que el cuerpo necesitaba unos 120 minutos para establecer el equilibrio entre los líquidos intracelulares y los extracelulares. El agua es transportada rápidamente a todo el cuerpo con el plasma circulante de la sangre. El movimiento de agua entre el plasma y los espacios intersticiales depende de las proteínas plasmáticas, que constituyen una máquina coloidosmótica susceptible de retener agua aspirándola hacia el interior de los capilares sanguíneos. Esta presión osmótica, llamada %#$ " , equivale a 23 torr y tiene en oposición la presión hidrostática transmitida a los capilares desde el corazón. Esta presión, en promedio, es de 32 torr en el extremo arterial y 12 torr en el extremo venoso del capilar. En el extremo arterial del sistema capilar la presión hidrostática impulsa el líquido hacia el espacio intersticial, mientras que en el extremo venoso la presión coloidosinótica atrae el líquido de regreso hacia los capilares. Este mecanismo es el que tiene a su cargo la distribución normal de líquidos entre el torrente vascular y el espacio intersticial, y puede esquematizarse como en el siguiente esquema:

##! "#%#$!$" )%#$" l

Una disminución de proteína plasmática, que puede ocurrir en caso de grave desnutrición o en enfermedades de riñón, reduciría la presión oncótica y originaría un aumento de flujo líquido hacia el espacio intersticial. Este proceso, denominado , también puede producirse en cualquier enfermedad del corazón que tiene por consecuencia aumento de la presión arterial. Si hay que mantener el equilibrio de agua en el cuerpo es evidente que han de ser iguales el ingreso y la eliminación. El ingreso y la eliminación de un adulto normal de volumen medio puede representarse así: Ingreso

Agua en bebidas Agua en alimento Agua de oxidación

ml al día

1 200 1 500 300 3000

Salida erspiración insensible ulmones iel Sudor Heces Orina

ml al día 700 300 300 200 1 500 3000

243

uede tenerse una idea de magnitud del recambio líquido diario en el cuerpo según los datos siguientes:

! #!$0$"&$

Líquidos perdidos por el cuerpo Recambio total de líquidos

ml/día 1 500 2 500 3 000 700 500 8 200 3 000 11 200

En comparación con: Volumen plasmático Líquido extracelular total

3 500 14 000

Saliva Secreción gástrica Secreción intestinal Secreción pancreática Bilis

En general, si durante un tiempo el ingreso líquido es mayor que la salida el líquido tisular aumentará de volumen y se producirá edema. La pérdida excesiva de líquidos corporales puede tener lugar por vómitos, diarrea, o sudor copioso, originando deshidratación del cuerpo.

3 uede tenerse idea de la importancia de la sangre considerando sus funciones principales: 1. La sangre transporta material nutritivo a los tejidos, y productos de desecho del metabolismo hacia los órganos de eliminación. 2. Funciona la respiración transportando oxígeno a los tejidos y llevando bióxido de carbono a los pulmones. 3. Distribuye substancias reguladoras, como hormonas, vitaminas y algunas enzimas, a los tejidos, donde ejercerán su acción. 4. La sangre contiene glóbulos blancos, antitoxinas, precipitinas, etc., que sirven para proteger al cuerpo de los microorganismos. 5. Desempeña importante papel en la conservación de una temperatura corporal bastante constante. 6. Ayuda a conservar el equilibrio acidobásico y el balance hídrico. 7. Contiene un mecanismo de coagulación que protege contra la hemorragia. La sangre constituye el 8 por 100 aproximadamente de peso corporal, lo cual significa que una persona media tiene de cuatro a seis litros de sangre. La pérdida de sangre por hemorragia, o dándola por transfusión, no tiene efecto

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grave sobre el cuerpo, ya que el volumen sanguíneo rápidamente se restablece.

p 3 Las dos porciones principales de la sangre son las células y el plasma. Cuando se separan por centrifugación, las células ocupan del 40 al 45 por 100 del volumen total de la sangre. Esta fracción contiene los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y los trombocitos (plaquetas). Los glóbulos rojos o eritrocitos, contienen el pigmento respiratorio hemoglobina, y tiene importantes funciones. El número de glóbulos rojos en el varón es de aproximadamente 5000000 por milímetros y en la mujer de 4500000. El número de glóbulos rojos en la sangre se determina frecuentemente en laboratorio, ya que los valores cambian netamente en estados patológicos como la anemia. Los glóbulos blancos o !"$, son mayores que los rojos y tienen núcleo, cosa que no ocurre con los eritrocitos Normalmente hay de 5000 a 10000 glóbulos blancos por milímetro2 de sangre. Conocemos varios tipos de glóbulos blancos; todos funcionan combatiendo bacterias infecciosas. El recuento de glóbulos blancos se efectúa sistemáticamente en el laboratorio, ya que aumentan en las infecciones agudas, por ejemplo en la apendicitis aguda. Los "#+"$ (plaquetas) son menores todavía que los glóbulos rojos, y no tienen núcleo. Hay de 250000 a 400000 trombocitos por milímetro cúbico en la sangre de una persona normal. Su función principal se manifiesta en el proceso de coagulación sanguínea, pues contienen cefalina, fosfolípido que interviene en las primeras etapas de la coagulación.

p : Cuando sangre recién extraída se deja en reposo, se coagula, y pronto se separa un líquido amarillo claro del coágulo. Este líquido se llama $#; es la sangre menos los elementos formes y el fibrinógeno, que se ha utilizado en el proceso de coagulación. or otra parte, si la sangre recogida con un anticoagulante se centrifuga, la porción líquida que se separa de las células se llama %! $ .

Proteínas del plasma Las proteínas plasmáticas existen en concentración de aproximadamente 7 por 100. Las más importantes son !+* $( 0!+! $ y +#0. Las globulinas se han separado en varias fracciones, de volumen molecular y propiedades diferentes, empleando la técnica de la !"##$$. Técnicas más recientes, incluyendo electroforesis de columna, de gel de almidón, e 245

inmunoelectroforesis, permiten separar el plasma en más de 20 proteínas diferentes.

##+ 1# ; !"##/"%! $ # !' + 81$ %!" 6!$$!"##/" %#" !%! $ ? '

Las proteínas plasmáticas tienen varias funciones. Una de las más esenciales es la conservación de una presión osmótica eficaz de la sangre, que controla el equilibrio hídrico del cuerpo. Las globulinas IgŒ, IgA e IgM, contienen anticuerpos inmunológicamente activos contra enfermedades como difteria, influenza, parotiditis y sarampión. Las lipoproteínas son combinaciones de lípidos y globulinas Į o ȕ; funcionan en el transporte de lípidos. La transferrina fija hierro, y la ceruloplasmina fija cobre; estas proteínas funcionan en el transporte de dichos materiales. El fibrinógeno es un componente esencial para el proceso de coagulación sanguínea.

4 Hay varias enzimas en el plasma o suero que son liberadas hacia la sangre al desintegrarse tejidos corporales. Como en estado patológico es frecuente que se produzcan cambios intensos de las concentraciones normales, sistemáticamente se valoran enzimas específicas, lo cual constituye un medio diagnóstico de gran valor en el laboratorio. Son enzimas clínicamente importantes amilasa, lipasa, fosfatasas ácida y alcalina, deshidrogenasa láctica (LDH), fosfocinasa de creatina (CK), aldolasa, transaminasa glutámica oxaloacética (SŒOT) y transaminasa glutámica pirúvica (SŒT). La amilasa, por ejemplo, aumenta en la pancreatitis aguda, la fosfatasa alcalina en la ictericia obstructiva de hígado, y la SŒOT en el infarto de miocardio.

246

Electrólitos del plasma Los electrólitos existentes en los líquidos corporales son iones de carga positiva o cationes, e iones de carga negativa o aniones. Les corresponde principalmente la presión osmótica de los líquidos que intervienen en la conservación del equilibrio acidobásico e hídrico del cuerpo. Los cationes principales de los líquidos corporales son Na +, K+, Ca+2 y Mg+2 los aniones son HCO3-, Cl-, HO4-2, SO4-2, ácidos orgánicos y proteína. Al estudiar el balance de electrólitos, la concentración de estos iones se expresa en miliequivalentes por litro de líquido corporal. Miliequivalentes por litro (meq/l) equivale al peso atómico (expresado en miligramos) por litro dividido entre la valencia. La concentración de electrólitos plasmáticos determinada en el laboratorio muchas veces se expresa en mg/l00 ml de plasma. El calcio muchas veces se señala como lo mg/l00 ml para un individuo normal; la concentración normal de sodio es de unos 327 mg/l00 ml. ara expresar estas concentraciones en meq/l, proçecleríamos así: #((c3c#(ccccccccccccccccc#ccc cccccccccccccccccccccccc cc c cccccccccccccccccc c ccc

ccccccccccccccccccc c #(c#((c3c#(ccccccccccc#((cc cccccccccccccccccc cc-ccc| c 1(cccccccccccccccccccccccccc(c cc '4c#((c3c#(ccccccccccc#((cc cccccccccccccccccc cc#1ccc c 'cccccccccccccccccccccccccccc'c c#c

El balance de electrólitos, en cuanto a iones en el plasma, se indica en el cuadro siguiente: meq/l

?niones

meq/l

Na+ K+ Ca+2 Mg+2

142 5 5 3

Total

155

HCO3ClHO4-2 SO4-2 Ácidos Orgánicos roteína Total

27 103 2 1 6 16 155

|ationes

Las comparaciones de composición de electrólitos en los líquidos corporales, y los cambios en estado patológico se indican muchas veces en forma de barras gráficas verticales, según el método de Cambie. Las variaciones en el contenido de electrólitos en plasma, líquido intersticial, y líquido intracelular normales, se indican en la figura siguiente:

247

|

Al ocuparnos del equilibrio hídrico señalamos los volúmenes de secreciones diarias de líquidos digestivos. También hay que tener en cuenta su composición en electrólitos especialmente cuando se pierden del cuerpo por vómito o diarrea. Comparando los electrólitos de estos líquidos con los del plasma, solo se indican los componentes principales que intervienen en el equilibrio acidobásico o de electrólitos en las gráficas de barras de la figura a continuación.

% # !$%#% !$%"$!"#!"$! $

248

$#$0$"& $)!%! $ # !$

Se observa inmediatamente que las secreciones digestivas varían en su composición de electrólitos y en su contribución al balance acidobásico del cuerpo. Los procesos metabólicos normales del cuerpo originan en forma continua ácidos como carbónico, sulfúrico, fosfórico, láctico y pirúvico. En las oxidaciones celulares, el principal producto terminal ácido es H2CO3, con 10 a 20 moles al día, lo cual equivale a uno o dos litros de HCl concentrado. Aunque algunos alimentos proporcionan productos terminales alcalinos, predomina el tipo ácido y el cuerpo se halla ante la necesidad de suprimir continuamente las grandes cantidades de ácidos que se forman dentro de las células. Otra restricción es que otros productos deben ser transportados a los órganos de eliminación por vía de los líquidos extracelulares, sin cambio importante en su concentración de H+. La sangre tiene pH de 7.35 a 7.45; este es uno de los valores más rígidamente controlados de la estructura de electrólitos. El medio para lograrlo es el mecanismo de regulación del equilibrio acidobásico, en el cual intervienen balance de agua y electrólitos, hemoglobina, amortiguadores sanguíneos, y acción de pulmones y riñones. $" $ #"0 #$!#% La capacidad de los líquidos extracelulares para transportar ácidos desde su lugar de formación en las células al lugar de eliminación en pulmones y riñones, sin cambio apreciable en el pH, depende de la presencia de sistemas amortiguadores eficaces en dichos líquidos y en los glóbulos rojos. Un amortiguador ya lo hemos definido como una mezcla de un ácido débil con su sal; resiste cambios de pH cuando se añaden al sistema pequeñas cantidades de ácido o de base. Los amortiguadores en el plasma y líquido extracelular incluyen los sistemas de bicarbonato, fosfato y proteínas plasmáticas, que se representan así: H2C03 BHCO3

BH2O4 B2HO4

H roteína plasmática B roteína plasmática

B significa base o catión. En los glóbulos rojos hay ambos sistemas amortiguadores de bicarbonato y de fosfato, junto con dos importantes amortiguadores hemoglobínicos, como sigue: U Hemoglobina B Hemoglobina

H Oxihemoglobina B Oxihemoglobina

Los amortiguadores que son más eficaces para la regulación del equilibrio acidobásico son el bicarbonato, las proteínas plasmáticas y la hemoglobina. ! #"0 #+ #+ "

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El amortiguador de bicarbonato es, con mucho, el amortiguador aislado más importante del equilibrio acidobásico. Œuarda estrecha relación la producción constante de CO2, H2CO3, y BHCO3; con las reacciones de hemoglobina y oxihemoglobina en los glóbulos rojos; con el control respiratorio de la concentración de H2CO2; con el efecto de los riñones sobre la concentración de BHCO3-. ara ilustrar la acción amortiguadora, las reacciones de adición de una pequeña cantidad de un ácido fuerte y una base fuerte pueden escribirse asi: HCl + NaHCO3 ĺ, NaCI + H2CO3 (1) NaOH + H2CO3 ĺ H2O + NaHCO3 (2) En la reacción (1) el miembro básico del par amortiguador reacciona con el ácido para formar NaCl neutro y el miembro ácido del par amortiguador. En la reacción (2), el ácido amortigua la base para formar agua y el miembro básico. La capacidad de amortiguamiento de un par amortiguador depende de su eficacia para limitar cambios de pH cuando se añaden ácidos o alcalinos al sistema. La ecuación de Henderson-Hasselbalch expresa la relación entre el pH del sistema, el pK de la forma ácida del par amortiguador, y la concentración de cada miembro del par amortiguador. La ecuación para el amortiguador de bicarbonato es la siguiente: cc cc0c$cc 56 |' 7c 5 |'7c El pK es diferente para cada amortiguador; se determina midiendo el pH de una solución que tenga concentraciones iguales de los dos componentes que constituyen el par amortiguador. or ejemplo, si hay concentraciones iguales de NaHCO3 y H2CO3 en una solución, el pH equivale a 6.1, o 56 |' 7ccccccccc#c cc cc0c c&#cc cccccccccccccccccccc ccccccccc!c c cc#c c(c 5 |'7cccccccccc#c En condiciones normales, al pH de la sangre, 7.4, la ecuación para el amortiguador de bicarbonato es la siguiente: 56 |' 7ccccccccccccccccccccccccc4ccccccccccccccccccccccccc(c 41cc cc&#c$ccccccccccccccccccc c&#c$ccccccccccccccccccccccc c&#cc$cccccccccc ccc&#cccc$ccc#'c 5 |'7cccccccccccccccccccccccc#'-ccccccccccccccccccccccccc#cc Esta concentración desigual de los pares amortiguadores parecería indicar que el amortiguador de bicarbonato es muy poco eficaz al pH de la sangre. Sin embargo, (lado el control respiratorio de la concentración de H2C03 el amortiguamiento es muy eficaz. La proporción 1:20 entre HCO3 y BHCO3 en el plasma a 7.4 incluyen los valores normales de 1.35 meq/l para H2CO3 y 27 meq/l para BHCO3. En estado patológico esta proporción puede cambiar aumentando o disminuyendo H2CO3 o BHCO3, lo cual producirá acidosis o alcalosis. Los cambios más frecuentes incluyen la concentración de BHCO3, y se describen como $$ o ! !$$ " +! . Las enfermedades que alteran la función respiratoria afectan la concentración de H2CO3 y producen lo que se llama una $$ o ! !$$ #$%# "# . Estas son las cuatro anomalías más importantes en el equilibrio acidobásico.

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3 La hemoglobina es la proteína respiratoria del glóbulo rojo, que ha sido descrita en detalle por erutz y colaboradores. Esta proteína tiene peso molecular de aproximadamente 64500; está formada por cuatro cadenas de polipéptidos y cuatro moléculas de hem. El hem es un derivado de la protoporfirina, con un átomo de hierro coordinado con cada uno de los cuatro átomos de nitrógeno del pirrol

Las cuatro cadenas de polipéptidos dos Į y dos ȕ, existen en forma de hélices alfa, fruncidas y dispuestas en estructuras tridimensionales. En la molécula de hemoglobina las cuatro cadenas se agrupan en forma tetrahédrica, con las cuatro moléculas de hem incluidas en oquedades de las cadenas fruncidas. Las relaciones entre el átomo de hierro, la molécula de hem y una de las cadenas polipeptídica puede observarse en el modelo que representa la cuarta parte de una molécula de hemoglobina.

La concentración normal de hemoglobina en la sangre varía entre 14 y 16 g por 100 ml. Esto significa que una persona de 70 Kg tendría un total de aproximadamente 900 g de hemoglobina. Como los glóbulos rojos que 251

contienen el pigmento están siendo constantemente desintegrados, hay en el cuerpo una degradación continua de hemoglobina en otros pigmentos; por ejemplo, en bilirrubina, que se convierte en los pigmentos que dan el color característico a la bilis, la orina y las heces. or electroforesis pueden separarse moléculas normales y moléculas anormales de hemoglobina poniendo una gota de sangre completa sobre una tira de papel de filtro especial o de acetato de celulosa. La hemoglobina del adulto, la fetal, y la de la anemia de hematíes falciformes, se llaman respectivamente hemoglobinas a, f y s. Además, hay hemoglobina c, d, e, h, i y j, que se presentan en diversas anomalías sanguíneas. La mayor parte de estas hemoglobinas difieren por la substitución de uno solo en la serie de aminoácidos de sus cadenas ȕ. Es sorprendente que este cambio menor de la molécula explique las diferentes intensidades de migración en la electroforesis y las variaciones de las propiedades fisiológicas. ÷espiración La hemoglobina suele llamarse el %0" #$%# "# de la sangre, pues tiene la propiedad de combinarse con gases como oxígeno y bióxido de carbono. El transporte de oxígeno por la sangre depende de una reacción reversible entre la hemoglobina y el oxígeno para formar oxihemoglobina. Hb +O2 ļ HbO2

Hemoglobina

Oxihemoglobina

La capacidad de oxígeno de la sangre, aproximadamente 1000 mI, basta para cubrir las necesidades normales de los tejidos. uede tenerse una idea del papel de la hemoglobina comparando la capacidad de oxigeno del plasma y la de la sangre completa. Un litro de plasma solo puede transportar en solución 3 ml de oxigeno. En ausencia de hemoglobina, el sistema circulatorio del cuerpo tendría que contener más de 300 litros de líquido para proporcionar oxígeno a los tejidos. Esto representaría un sistema cuatro a cinco veces mayor que nuestro peso corporal. En el proceso de respiración, la hemoglobina entra en o con una atmósfera relativamente rica en oxígeno (presión parcial de 100 torr) en los alveolos de los pulmones, para formar oxihemoglobina. La oxihemoglobina es transportada por la circulación arterial hasta los tejidos, donde una concentración baja de oxígeno (presión parcial de 40 torr) y una elevada concentración de bióxido de carbono (presión parcial de 60 torr) se combinan para liberar oxígeno hacia los tejidos. El bióxido de carbono es transportado hacia los pulmones para ser eliminado, y el ciclo se repite.

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La eliminación de los productos de desecho del metabolismo, como drogas, substancias tóxicas, exceso de agua, sales inorgánicas, y exceso de substancias ácidas o básicas, es esencial para conservar normal la composición de la sangre. Los riñones desempeñan un papel esencial en la eliminación regular de estas substancias de la sangre y líquidos tisulares. or lo tanto, los riñones son esenciales para la conservación del volumen líquido en sangre y tejidos, el balance de electrólitos y acidobásico del cuerpo, y la conservación de las relaciones normales de presión osmótica en la sangre y en los líquidos corporales. Agua, bióxido de carbono, y otras substancias volátiles se eliminan del cuerpo por los pulmones. La piel elimina pequeñas cantidades de agua, sales inorgánicas, material- nitrogenado y lípidos. Algunas sales inorgánicas son eliminadas por el intestino; el hígado interviene en la eliminación de colesterol, sales. y pigmentos biliares. En comparación con el riñón, los demás órganos de eliminación desempeñan un papel menor. Formación de orina El riñón puede considerarse un filtro a través del cual, pasan los productos de desecho del metabolismo que son eliminados de la sangre. La sangre penetra en el riñón por las arterias renales, que se arborizan en ramas menores que acaban en las pequeñas unidades de filtración denominadas #%*$!$ !%0?. Cada riñón humano contiene aproximadamente 1000000 de estas unidades. Un corpúsculo de Malpighi está formado por una masa de capilares procedentes de la arteria renal que forman el glomérulo. El glomérulo está encerrado dentro de una cápsula llamada 6%$! B , que se abre en un túbulo muy largo. Varios de estos túbulos están conectados a túbulos colectores mayores, que llevan la orina a la vejiga. Estas estructuras anatómicas del riñón se ilustran a continuación.

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La teoría más generalmente aceptada para la formación de orina puede resumirse así: cuando la sangre atraviesa el glomérulo, los constituyentes que no son proteína filtran a través de las paredes capilares y penetran en los túbulos. A medida que este esté filtrado va circulando a lo largo de los túbulos, se resorben hacia el torrente vascular gran parte del agua y de substancias que tienen valor para el cuerpo, como glucosa, algunas sales inorgánicas y aminoácidos. Estas substancias se llaman $+$" $ +# !. Los productos de desecho del metabolismo, como la urea y el ácido úrico, no son completamente resorbidos; por lo tanto, pasan a los túbulos colectores para ser eliminados. Unas cuantas substancias, como la creatinina y el potasio son eliminadas parcialmente de la sangre por excreción tubular, además de la filtración glomerular. La función de los glomérulos renales puede considerarse como la de una ultrafiltración que produce un filtrado de plasma sin proteína, seguido por un proceso de resorción selectiva por los túbulos renales. uede tenerse una idea de la magnitud de este proceso considerando los volúmenes diarios de filtración y resorción. En un individuo normal se filtran por los glomérulos 170 a 180 litros de agua, 1 000 g de NaCl, 360 g de NaHCO3. y 170 g de glucosa; a nivel de los túbulos se resorben 168.5 a 178.5 litros de agua, 988 g de NaCI, 360 g de NaHCO3, y 170 g de glucosa, para eliminar finalmente unos 30 g de urea, 12 g de NaCI, y otros productos de desecho, en un volumen de aproximadamente 1 500 ml de orina. Poder regulador de riñón Aunque el riñón se considera principalmente órgano de eliminación, desempeña un papel regulador del balance de agua, de electrólitos y acidobásico.

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Balance de agua El control del contenido acuoso de sangre, líquido intersticial, líquido celular y líquido digestivo en el cuerpo depende de la función normal de los riñones. El agua en exceso de las necesidades es eliminada rápidamente por el riñón. Sin embargo, cuando se necesita agua para conservar la concentración normal de los líquidos corporales, el hipotálamo (junto con la hipófisis) secreta una hormona antidiurética llamada vasopresina. Esta hormona tiene una acción antidiurética que origina menor eliminación de agua con la orina, y resorción mayor hacia los líquidos corporales. Al parecer, cambios en la presión osmótica del plasma regulan la secreción de vasopresina que, en realidad, constituye el ³control fino´ del volumen de orina. Balance de electrólitos Hasta cierto punto, la eliminación o retención de electrólitos como Na+, K+, Cl-, HCO3-, y HO4-2 depende del balance hídrico de los líquidos corporales. Los electrólitos son eliminados o resorbidos según el movimiento de agua en los túbulos. Hormonas esteroides de la corteza suprarrenal como la !$"# , que se califica de # !#", ejercen un control más especifico sobre la eliminación de electrólitos por los túbulos. Cuando el plasma contiene demasiada agua, su presión osmótica disminuye, y se dice que está hipotónico. En estas circunstancias, hay un aumento de secreción de hormonas de la corteza suprarrenal, que incrementa la retención o resorción de electrólitos hacia el plasma. Si los electrólitos del plasma estuvieran demasiado concentrados y la presión osmótica se elevara, la secreción de hormonas corticales disminuiría, y la secreción de vasopresina aumentaría para ayudar a la eliminación de electrólitos y la retención de agua. Balance acidobásico En los túbulos la resorción de Na, en parte por los menos, interviene en la regulación del balance acidobásico, por la acción de intercambio Na + ² H+. Esta fase de eliminación de Na está regulada, hasta cierto punto, por el pH del plasma sanguíneo, y la capacidad de las células tubulares para acidificar la orina con formación de H+ y NH3. El filtrado glomerular contiene los electrólitos y ácidos y bases presentes en el plasma. El catión principal es Na, y los aniones principales son Cl-, HCO3-, y HO4-2, como electrólitos de NaCl, NaHCO3 y Na 2HO4. A pH de 7.4, el 95 por l00 aproximadamente de CO2 se halla en forma de NaHCO3 y el 83 por 100 del O4-3 como NA2HO4-. Normalmente, cuando el filtrado glomerular pasa por los túbulos, la mayor parte del agua resorbida y la mayor proporción de Na es captada por las células tubulares, e intercambiada por H formado en las propias células tubulares a partir de H2CO2. Este Na+ es devuelto al plasma, junto con el HCO3- formado a partir de H2CO, en las células tubulares. La formación de Fit y HCOj a partir de H2CO3 en las células proximales y distales está catalizada por la enzima anhidrasa carbónica, en la siguiente forma:

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Modificando el ritmo de ventilación, los pulmones controlan la concentración de H2CO2, en el plasma. La tarea de los riñones estriba en estabilizar la concentración de bicarbonato. Este problema tiene dos aspectos: en primer lugar, conservar todo o casi todo el bicarbonato contenido en el filtrado glomerular (equivalente aproximadamente a µ/2 Kg de NaHCO3 en las 24 horas); en segundo lugar, neutralizar los ácidos no volátiles (H2SO4, y 3O4). El riñón puede conservar base en dos formas; por conversión de sales neutras o básicas en sales ácidas para ser eliminadas como vimos previamente para Na2HO4, y por la síntesis de amoniaco. El mecanismo para la síntesis de amoniaco, con el fin de conservar más Na+ y base fija, puede representarse así:

La eliminación urinaria de ion amonio en una persona con dieta media normal es de 30 a 70 meq al día. En condiciones de acidosis, que pudieran depender de tina diabetes sacarina no controlada, se forman cuerpos cetónicos, como el ácido acetoacético. La sal sódica de este ácido es eliminada por el riñón, y para

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conservar el Na+ del plasma se forman amortiguadores H+ y NH3 en las células tubulares del riñón.

p 1. Señalar los líquidos corporales de importancia funcional y sus volúmenes en un adulto normal. 2. ¿Qué es presión oncótica, y cómo ayuda a la normal distribución de líquidos entre el sistema circulatorio y el espacio intersticial? 3. Resumir los parámetros que intervienen en el balance entre ingreso de líquidos y eliminación de líquidos por el cuerpo. 4. Explicar la diferencia entre sangre completa. plasma y suero. 5. Comparar un tipo electroforético de proteínas plasmáticas con un tipo inmunoelectroforético. ¿Qué información puede lograrse de cada trazado? 6. Los valores normales para concentraciones de calcio y cloruro en el plasma, expresados como meq/l son 5 y 103, respectivamente. Mostrar cómo podrían calcularse estas concentraciones en mg/l y mg/l00 ml. 7. Ilustrar con una gráfica de barras la composición de electrólitos del plasma normal. 8. ¿Cuáles son los amortiguadores más importantes de la sangre completa y del plasma? 9. ¿Qué relación guarda el pk de la forma ácida del amortiguador con su capacidad de amortiguamiento? Explicar. 10. Calcular el H de una solución amortiguadora de bicarbonato que contiene 20 meq/l de BHCO3, y 2 meq/l de H2CO3. 11. ¿Cuál es la índole química del hem y cuál es su relación con la hemoglobina? 12. Resumir las funciones esenciales del riñón y el proceso de formación de orina. 13. ¿Qué hormonas intervienen en el control del equilibrio de agua y electrólitos riñón? Explicar cómo funciona. 14. Explicar cómo el proceso de formación de H+ en los túbulos renales ayuda a conservar Na + para el plasma. 15. ¿or qué los túbulos renales aumentan la síntesis de amoniaco en la diabetes sacarina? Explicar

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3 A $=##+! , -'7 es un polímero de desoxirribonucleótidos unidos por enlace 3' - 5' fosfodiéster. A +!'7 son polímeros de ribonucleótidos con un elevado número de unidades. A$0# $$'7 son moléculas formadas por largas cadenas hidrocarbonadas de tipo lineal y con un numero par de carbono. A$!$'7 son macromoléculas resultantes de la polimerización de un número elevado de nucleótidos. !0!/#$'7 son lípidos simples formados por la esterificaci6n de 1, 2 o 3 moléculas de ácidos grasos con una molécula de glicerina. !$ '7 Es un carbohidrato que contiene un grupo funcional aldehído.

#+ $/"#'7 Es aquel átomo que tiene sus enlaces unidos a cuatro grupos atómicos diferentes.

# $'7 son ésteres de cadenas largas, con alcoholes también de cadena larga.

"$ '7 Es un carbohidrato que contiene su estructura un grupo funcional cetónico. $ "# !; '7 Es la pérdida de su estructura nativa por ruptura de los puentes o enlace que la unen. $ 6#$'7 son moléculas formadas por dos monosacáridos con enlace glucosídico. ! %%"'7 Es el enlace covalente que se establece entre un grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, dando lugar a desprendimiento de agua. %#$'7 son isómeros óptimos que difieren en la configuraci6n de un único átomo de carbono. $"# '7 Es la formación de un ester mediante un enlace covalente entre un ácido graso y un alcohol. $ 6#$'7 son moléculas formadas por dos monosacáridos con enlace glucosídico.

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! %%"'7 Es el enlace covalente que se establece entre un grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, dando lugar a desprendimiento de agua. %#$'7 son is6meros 6ptimos que difieren en la configuración de un único átomo de carbono. $"# '7 Es la formaci6n de un ester mediante un enlace covalente entre un ácido graso y un alcohol. £" "'7 Es la unión de mas de 50 aminoácido. 6#'7 Significa azúcar.

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% '7 Es la reacción típica de los ácidos grasos en la cual reacciona con un álcalis para dar lugar a una sal de ácido graso que se denomina jabón.

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