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Propiedades
Las propiedades que hacen del agua imprescindible para la vida son fundamentalmente las
siguientes:
• Puede formar enlaces de hidrógeno. Debido a que es una molécula que presenta un
marcado momento dipolar, el agua puede formar enlaces de hidrógeno entre sí, y con otras
moléculas con electronegatividad de distinto signo, este enlace de enorme importancia
biológica presenta las siguientes características:
− Es un enlace débil de naturaleza electrónica, pero es estable en la dirección
adecuada
− Es un enlace cooperativo, pues favorece la formación de otros enlaces
− Es un enlace dinámico debido a que se forma y se rompe con facilidad.
• El agua se trata del disolvente cuasi-universal, por tanto puede disolver las siguientes
sustancias:
− Sustancias iónicas, formando esferas de solvatación con los iones. El agua tiene
una elevada constante dieléctrica lo que facilita la separación de cargas con distinto
signo.
− Sustancias polares no iónicas (p.e. OH, SH, COOH, NH2). Disuelve estas sustancias
empleando enlaces iónicos o de hidrógeno y forma clatratos.
− Es en cambio incapaz de disolver sustancias apolares, pero es capaz de dispersar
sustancias anfóteras y anfolitos, que se disponen en micelas en un medio acuoso.
• El agua es altamente termorreguladora. Esto se debe a que es preciso aportar mucha
energía para romper los enlaces de hidrogeno, por ello también el agua tiene un elevado
calor de vaporización, y es un excelente conductor térmico.
• Distinta densidad en estado líquido/sólido. El agua líquida es mas densa que el agua sólida
debido a la apertura angular que pasa de ser de 104,5º en el agua líquida, a 109,5º en el
agua sólida.
• El agua tiene una elevada tensión superficial debido al ordenamiento de sus moléculas.
Fisiológicamente esto presenta un problema en la presión sanguínea que debería ser muy
elevada, pero el organismo soluciona esto favoreciendo el intercambio de materia
células/sangre, con lo que aumenta el desorden molecular, y se rompe la tensión
superficial.
Balance hídrico
El organismo siempre controla la concentración de sustancias perjudiciales en exceso, como la
glucosa, o el agua. El organismo ha de mantener la concentración acuosa constante en la sangre
y en el interior celular (mediante la homeostasis del H2O). Esta regulación depende de la ingesta
de sólidos y líquidos (que provienen tanto de alimentos, bebida, y agua metabólica). El exceso de
agua se elimina a través de orina, piel (sudor), y respiración.
En el medio celular, el intercambio de agua con el medio se realiza a través de proteínas
transmembrana denominadas acuaporinas, y depende de la concentración iónica a ambos lados
de la célula. Si la concentración iónica [Ión] en el interior de la célula [Iónint] es igual a la del
exterior de la célula [Ionext] y a su vez es igual al 0,9%, hablamos de un medio isotónico. En
cambio si la concentración iónica exterior es mayor que la intracelular, hablamos de un medio
hipertónico. Para igualar su concentración con la del medio, la célula expulsa agua al exterior,
Alberto Gómez & Laura del Olmo 4](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-4-320.jpg)
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pudiendo producirse plasmolisis. Cuando la concentración iónica exterior es inferior a la
intracelular se habla de un medio hipotónico, entrando agua al interior de la célula para
compensar la diferencia, y produciéndose turgencia celular. Ambos fenómenos (turgencia y
plasmolisis) pueden conducir a la citolisis o muerte celular.
Electrolitos y pH
El agua en sí es un electrolito débil que se ioniza según la formula (H2O->H3O++OH-) tiene una
baja constante de equilibrio Keq
Normalmente en el agua pura, las concentraciones moleculares son las siguientes:
− [H2O]= 55,55 M
− [H3O+]= 10-7 M
− [OH-]= 10-7
Se ha definido una nueva constante, Kw, que se obtiene multiplicando [H3O+] por [OH-] y es igual
a 10-14
El pH se obtiene mediante el –log[H3O] (u [H+])
El pH es una medida de gran importancia biológica que determina entre otras cosas la estructura
de todas las moléculas del organismo, fundamentalmente las proteínas (y dentro de estas, las
enzimas), que a valores fuera de parámetros biológicos (pH= 7) se desnaturalizan.
No podemos hablar de un pH fisiológico como tal, ya que en distintas partes del organismo
existen distintos pH, como por ejemplo los siguientes:
− pH(sangre)= 7,35 - 7,45
− pH(intracelular)= 6,8
− pH(gástrico)= 1,5 – 3
− pH(páncreas)= 8 – 8,5
Tampones
Los tampones se tratan de sistemas encargados de mantener constante el pH. En el organismo
existen tres sistemas de amortiguación de pH:
1.) Tampones especies químicas.
En ellos coexisten en equilibrio una especie ácida y una especie básica. Según la siguiente
reacción, extraemos una nueva constante en los tampones: pK
Keq= [A-]·[H3O+]/[AH]
Keq·[AH-]=[A-]·[H3O+]
[H+]=Keq·[AH]/[A-]
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-log[H+]=-log(Keq)+log([A-]/[AH])
[ A−]
pH = pK + log
[ AH ]
Esta es la fórmula de Henderson-Hasselbach, que determina el comportamiento de los
tampones, sabiendo su pK y sus concentraciones de especie ácida y básica
[ Base]
pH = pK + log
[ Ácido]
Los tampones cumplen las siguientes características
− El pK de un tampón determina su eficacia amortiguadora con respecto al medio. Ésta
capacidad es máxima cuando pK= pH ± 1
− El pH de un tampón depende de la relación entre su especie ácida, y su especie básica,
y permanece invariable a la dilución
− La capacidad amortiguadora de un tampón depende de su concentración total
Los principales sistemas especie química en el organismo son los siguientes
Medio intracelular. Tampón fosfato
H3PO4 –(1)- H2PO4- -(2)- HPO42- -(3)- PO43-
(1) pK= 1,98 (Sólo neutraliza hidroxilos)
(2) pK= 6,8
(3) pK= 12 (Sólo neutraliza protones)
Medio extracelular (sangre). Tampón bicarbonato
En este tampón intervienen activamente el sistema renal, y respiratorio a pesar de ser un tampón
especie química.
CO2 (pulmones) -> CO2 + H2O –(1)- H2CO3 –(2)- HCO3- (Especie bicarbonato)
Este tampón tiene las siguientes características:
− pK= 6,1
− Alta concentración de bicarbonato (22-26 Mm) y aproximadamente 20 veces más de
bicarbonato que de dióxido de carbono
− La especie ácida es el CO2 y la básica el HCO3-
Alberto Gómez & Laura del Olmo 6](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-6-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
En Resumen: MIOSINA (“egoísta”: 60-70% de las proteínas de las células
únicamente del músculo) = FILAMENTOS GRUESOS DEL SARCÓMERO
• 6 cadenas peptídicas
- 4 ligeras (2 LC1 – 2 LC2) = GLOBULAR (Nt) unen Ca e hidrolizan ATP
• Forman una cabeza apolar = sitio de unión para la actina
- 2 pesadas = MIXTA: globular + fibrosa ( Ct) permiten apilamiento y dan
lugar a los FILAMENTOS DE MIOSINA
• Estabilización: parte fibrosa = α-hélice dextrógira interacciones hidrofóbicas 1er y
4º aá apolares = hélice levógira
ACTINA = filamento DELGADO del sarcómero
- Constituye el 20-30% de las proteínas de las células musculares
- Además, constituye un 5-10% del total de las proteínas de todas las células (todas las
células tienen actina porque todas las células tienen citoesqueleto)
• A bajas [iónicas] se encuentra como MONÓMEROS de ACTINA-G (1 sola cadena
peptídica) propiedad de unir Ca y ATP
*Como las cadenas ligeras de la miosina
• A altas [iónicas] la actina-G se polimeriza estructuras filamentosas = ACTINA-F:
consiste en filamentos de actina que, empaquetadas por pares, dan lugar a una doble
hélice DEXTRÓGIRA (con giro a derechas)
Fisiológicamente siempre se encuentra formando una doble hélice con otra Actina-F
ACTINA-G
- Globular
- Pequeña: 1 sola cadena polipeptídica de 375 aá
- Asimétrica
Esta asimetría es la *causante* de que, al polimerizar la AG AF, se advierta una
POLARIDAD DE FORMA = 2 POLOS distintos, es decir, distinguimos 1 extremo
del otro extremo
52](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-52-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
- Se caracterizan porque 1 extremo de los filamentos se polimeriza y se rompe a más
velocidad que el otro extremo:
• Extremo más rápido = Extremo +
• Extremo más lento = Extremo –
FUNDAMENTAL EN LOS PROCESOS DE CONTRACCIÓN/MOVILIDAD DE LOS
FILAMENTOS
*NO POLARIDAD QUÍMICA CON EL AGUA*
Cuando la AG se polimeriza AF el ATP se rompe: ATP ADP + P
- La energía liberada no impulsa la polimerización de la actina
- La que impulsa la polimerización de la actina es el Ca = señal que le indica a la célula
muscular que tiene que moverse (activación de las rutas metabólicas energía)
• Ca = activa procesos de contracción
• ATP = contribuye “un poco”
La actina se encuentra formando:
= fibras FILAMENTOS DELGADOS del sarcómero
= microfilamentos uno de los 3 componentes del citoesqueleto
FILAMENTOS DELGADOS DEL SARCÓMERO
ACTINA: G y F
TROPONINA
TROPOMIOSINA
Permiten la INTERACCIÓN ACTINA-MIOSINA
TROPOMIOSINA
Estructura: FILAMENTOSA
Localización: surco de la doble hélice de AF
Función:
- A bajas [Ca] bloquea el sitio de unión con la miosina
Los filamentos GRUESOS de MIOSINA poseen una cabeza apolar (2 cabezas
globulares formadas por el enrollamiento de las cadenas ligeras) que actúa a modo de
53](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-53-320.jpg)
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“anclaje” para que los filamentos de actina se puedan deslizar e interactúen ~ unión
física.
- A altas [Ca] se separa de los sitios de unión actina-miosina con ayuda de la
TROPONINA-T
TROPONINA = complejo de 3 proteínas GLOBULARES
• T interacciona con la tropomiosina
• I subunidad inhibidora
• C une Ca
*Rigor mortis (el ATP no se puede consumir y el Ca no se puede utilizar): la troponina cambia de lugar movida
++
por los iones de Ca , y mueve a su vez a la tropomiosina; así quedan libres los sitios de unión para la actina,
uniéndose la miosina. Cuando se acaba el ATP (al no haber más glucógeno) la miosina queda fijada, sin poder
soltarse.
En Resumen: ACTINA (“altruista”: 20-30% de las proteínas de las células del
músculo & 5-10% del total de las proteínas de todas las células) = FILAMENTO
DELGADO DEL SARCÓMERO/ Microfilamentos del citoesqueleto
- A bajas [iones] = ACTINA-G: asimétrica confiere POLARIDAD DE FORMA
- A altas [iones] = ACTINA-F: 1 polo + (polimeriza más rápido) y un polo -
fundamental en la CONTRACCIÓN
¿Por qué se distinguen 2 polos en la AF? Porque la AG es asimétrica.
• Ca = activador de la contracción (“polimerizador” de la AG)
• FILAMENTOS DELGADOS DEL SARCÓMERO
TROPOMIOSINA (surco AF): a bajas [Ca] bloquea sitio de unión con la
miosina y altas [Ca] se separa con ayuda de la troponina-T
TROPONINA T-I-C = une Ca
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![BIOQ GENERAL
CONSTANTE DE EQUILIBRIO
La unión del O2 a la Mb se puede describir como un equilibrio simple donde:
Mb + O2 ⇔ MbO2
Como todo equilibrio químico podemos calcular una constante de equilibro (también llamada
constante de asociación o afinidad), que vendrá dada por la expresión:
FRACCIÓN DE SATURACIÓN ( ) depende de la PRESIÓN PARCIAL DE O2 (PO2)
Dado que la Mb posee un único sitio de unión al O2, el nº de sitios totales es proporcional a la
suma de [MbO2] + [Mb], y por tanto: “concentración de Mb que se encuentra unida al O2 con
respecto al total de Mb que tienen en total las células”
Como el oxígeno es un gas resulta más fácil medir la presión parcial del mismo que su
concentración, por lo que la expresión anterior se puede expresar como: “relación de la presión
parcial de O2 con respecto a la PO2 a la cual la mitad de los sitios de unión de la Mb están
ocupados con O2” o lo que viene a ser lo mismo: “PO2 a la cual la mitad de las moléculas de Mb
están unidas a O2” = 50% de Mb unido al O2
donde P50 es la presión parcial de O2 a la cual la mitad de los sitios de unión de la mioglobina
están ocupados, es decir, a la cual la Mb presenta un 50% de saturación.
61](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-61-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
Características:
Poseen un 20% de homología con la Mb, es decir 20% de aá iguales o parecidos (BH-O2)
Doble misión:
1. Actuar como la Mb (como almacén de O2), pero además de en el músculo, en otros TJs dependientes de O2:
retina, hipófisis y cápsulas suprarrenales.
2. Además, actuar como agentes detoxificantes de O2, es decir, impedir el efecto nocivo del O2 creación de
radicales libres, que son los causantes de la diabetes, el cáncer, el Alzheimer, ateromas…
5/11/2010
HEMOGLOBINA (Hb) = proteína oligomérica con 4 cadenas peptídicas:
• 2 cadenas de tipo α c/una de ellas posee 141 aá ~ gran homología con la Mb
• 2 cadenas de tipo β algo más larga, c/una de ellas posee 146 aá ~ tb presenta analogía
con la Mb
Estructura: al igual que la Mb adopta la estructura básica propia de las proteínas globulares, con
un BH que encaja el grupo hemo
Interacciones:
1. Las 2 cadenas α y las 2 cadenas β interaccionan entre ellas mediante interacciones
débiles (enlaces de hidrógeno), iónicas e hidrofóbicas.
α1 --- α2 β1 --- β2
2. Los 2 protómeros α y β entre sí, siendo estas interacciones entre las distintas cadenas más
numerosas que las que hay entre las subunidades α y β.
α1 --- β1 α2 --- β2
Conclusión: α-β >> numerosas – αα ó ββ
Dímero de heterodímeros
Esto lleva a decir que la Hb es un DÍMERO de HETERODÍMEROS: 2[αβ], porque los protómeros
α=β tienen muchos más enlaces débiles entre ellos (en comparación con las subunidades α=α ó
β=β), de forma que si uno se mueve, el otro también se moverá.
Distintos tipos de Hb
1. Hb A: la que encontramos en la sangre normalmente = 2α y 2β
2. Hb A2: posee también 4 cadenas peptídicas = 2 cadenas α y 2 cadenas δ (delta)
- Su % en sangre es bajo = 2-5 %
63](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-63-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
+
• Genera H • Necesita O2
Este aumento de H+ lleva implícito una demanda de O2
Los H+ le dirán a la Hb que tiene que soltar O2, NO QUE NO TIENEN.
Conclusión: el aumento de protones (H+) o el desplazamiento del pH hacia ácido (< 8.3)
- Estabiliza la forma TENSA y estable de la Hb
- Reduce la afinidad de la Hb por el O2
Todo ello desde un punto de vista fisiológico: el aumento de H+ es una señal de las células
y tejidos que se están moviendo (músculo) y que están “respirando” metabólicamente, para
que la Hb les mande O2.
Comentando en clase: las agujetas, bioquímicamente hablando, no son producidas por la
cristalización de lactato (Ác. láctico) entre las fibras musculares. El lactato, para que no se
acumule en la célula muscular, sale a la sangre. Si se sitúa cerca de H+, la probabilidad de
cristalizar es grande (ya que la cristalización se produce a bajo pH), pero ésta sería una
situación ideal, pues la sangre no está quieta, fluye por los vasos sanguíneos, de manera
que estos H+ son desplazados y desaparecen. La probabilidad de cristalización será muy
pequeña.
Concluyendo, es imposible que se produzca cristalización de lactato en el cuerpo humano,
porque este proceso solo es posible a pH bajo (no fisiológico) y a Tª tampoco fisiológica.
Entre muchas de las teorías que se sostienen, destaca la que atribuye la aparición de las
agujetas a una mala formación del riego sanguíneo (“estar en mala forma física”); los H+
permanecerían más tiempo de lo normal en circulación, aumentándose la probabilidad de
cristalización.
*El lactato se produce constantemente durante el metabolismo y sobre todo durante el ejercicio.
¿Cuánto ha de disminuir el pH para que se produzca la liberación de H+?. A un pH de 7.3 ya hay
liberación, y < 7.3, mucha más liberación.
Si se diera una alcalosis sanguínea, la Hb no podría liberar el O2 problemas respiratorios
Es muy raro que haya alcalosis sanguínea (aumento de OH-) ya que el agua es un electrolito muy
débil (Keq muy baja casi toda en forma molecular, es decir, pocos iones); si la hubiera no sería
posible la liberación de O2 por la Hb, generándose un problema respiratorio.
EFECTO BOHR (de los H+, y del CO2)
La liberación de O2 es producida cuando disminuye el pH (≤7.3, hacia ácido con respecto al pI
de la Hb – 8.3), es decir, cuando aumenta la [H+] o cuando la presión del CO2 se
incrementa; ambos factores ocasionan que la Hb disminuya su afinidad por el O2.
2
Dicho de otro modo, a un pH menor (más ácido), la Hb se unirá al O con menos afinidad, por lo que tenderá a
+
cederlo. Puesto que el CO2 está directamente relacionado con la [H ] en la sangre, un aumento de los niveles de CO2
lleva a una disminución del pH, lo que conduce finalmente a una disminución de la afinidad por el oxígeno de la Hb.
Curva cinética (de disociación) sigmoidea de la Hb. La línea roja punteada corresponde al
desplazamiento hacia la derecha causado por el efecto Bohr.
69](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-69-320.jpg)
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b) Efecto del CO2. Comportamiento similar a la Hb.
El CO2 que se libera a los tejidos y a las células sale a la sangre; allí puede tener 2 efectos sobre
la Hb: directo e indirecto
- DIRECTO: el CO2 se une a la parte proteica de la Hb, concretamente a los grupos
amino-terminal de los 4 protómeros, siempre que estos no estén protonados = Hb
CARBAMILADA ó CARBAMINOHb
Hb-NH2 + CO2 Hb-NH-COO-
Consecuencia: aparecen nuevos grupos ionizados (COO-), por lo que aparecen nuevos
enlaces iónicos, produciéndose la estabilización de la forma TENSA de la Hb.
Conclusión. La unión CO2-Hb (Hb Carbamilada) da lugar a la:
• Aparición de nuevos enlaces iónicos APORTA UNA CARGA – (interacciones iónicas)
• Nueva formación tensa (T)
• Disminución de la afinidad de la Hb por el O2
DIRECTAMENTE POCO EFECTO SOBRE LA Hb (15%)
Este método directo solo explica en un 15% el proceso de la pérdida de afinidad de la
Hb por el O2 a causa de un aumento de la [CO2] en sangre, pues en condiciones
normales solo el 15% de los grupos amino-terminal de la Hb se encuentran no
protonados; así que este método no explica todo el proceso.
70](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-70-320.jpg)
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A pesar de ello, este método directo es el mecanismo de transporte de CO2 que normalmente
conocemos, y que se da en el mecanismo de la respiración: durante la inspiración aumenta la [O2] en
los pulmones, por competición el O2 se une a la Hb y activa la forma R = oxiHb (relajada – poco estable,
menos enlaces iónicos); en la exhalación aumenta [CO2] que por competición desplaza al O2 (se suelta)
y activa la forma T = desoxiHb (tensa – estable, más enlaces iónicos). De nuevo aparece la forma R,
compensándose las interacciones débiles (efecto cooperativo), con lo que se produce la pérdida del
CO2 (se libera), y vuelve a comenzar el proceso.
- *INDIRECTO* (el más importante): el CO2 (formado normalmente en las reacciones
metabólicas) en sangre se disuelve dando lugar a BICARBONATO, que aporta
protones H+ que potenciarán el EFECTO BOHR, dando lugar a la HbT (forma tensa),
con su consecuente pérdida de afinidad y cesión de O2.
CO2 + H2O H2CO2 HCO3-
Así las células activas se aseguran de que la Hb suelte el O2.
En la curva cinética sigmoidea se podrá observar como disminuye la pendiente y aumenta la P50
(aumenta la PO2 a la cual la mitad de los sitios de unión a la Hb están ocupados) – al igual que antes.
Comentado en clase. ¿La sangre venosa que lleva, CO2 ó HCO3-?
Para empezar, cabe destacar que la sangre venosa será rica en CO2 ó HCO3- y la sangre arterial en O2.
Lleva ambos, ya que se encuentran en un continuo equilibrio y formación. Casi todo el CO2 que
se elimina es de esta forma: CO2 + H20 HCO3-; pero como es un gas de baja solubilidad
necesita estar en forma de bicarbonato (HCO3-) en la sangre.
Existe otro factor que asegura que la Hb libere todo el O2 si la célula lo necesita:
c) Efecto del 2,3-BFG
Es una molécula orgánica que se produce a partir de la glucolisis (intermediario de la
glucolisis). Este intercambio se realiza en el interior del eritrocito.
El ERITROCITO o GLÓBULO ROJO (Hb en su interior) se caracteriza por ser la única célula
que no tiene mitocondrias (o que posee un % ínfimo), por lo que su única forma de
obtención de energía, su única ruta metabólica es la GLUCOLISIS, razón de que se
encuentre MUY ACTIVA.
Consecuencia: producción de 2,3-BFG
• Esta molécula tiene un gran nº de cargas (-) porque tiene 2 P unidos
• Encaja en el hueco que queda entre los 4 protómeros de la Hb
• Al encajar estabiliza la forma tensa de la Hb
71](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-71-320.jpg)
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• La 2,3-BFG cabrá perfectamente en este hueco que queda después de que la Hb haya
adoptado la posición tensa (desoxi-Hb).
Conclusión: REFUERZA EL EFECTO DE LOS H+ Y DEL CO2
Estos a su vez han sido los que han hecho que la Hb adoptase la forma tensa, propiciando
una entrada más efectiva.
Si la Hb se hubiera encontrado en un su forma R (oxiHb) no hubiese sido impedimento de
“encaje”, pero éste hubiera tardado más, y por tanto no hubiese sido tan efectivo.
Definición (2,3-BFG): molécula formada a partir de un intermediario de la glicólisis anaeróbica,
que al encontrarse en alta concentración en los eritrocitos (por la ausencia de mitocondrias) ,
provoca la reducción de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
*ALOSTERÍA: modo de regulación de las enzimas por el cual la fijación de una molécula en una
ubicación (sitio catalítico) modifica las condiciones de fijación de otra molécula, en otra ubicación
distante de la enzima. La Hb posee propiedades alostéricas = “cooperatividad o efecto
homotrópico”.
La 2,3-BFG es muy importante en 2 situaciones:
- HbF (fetal)
En Resumen: PROTEÍNAS GLOBULARES
− Globulares − Función dinámica
− Medio circulatorio y citoplasma − Inmunoglobulinas & Hemoglobina
− Muy solubles y ricas en aá polares
DEFENSA: INMUNOGLOBULINAS = glicoproteínas (glúcidos región FC)
− 2 pares de cadenas peptídicas que interaccionan entre sí y dan la Ig:
• (2)Cadenas L: LIGERAS 2 tipos: λ y Κ [2 DOMINIOS variables y constantes]
• (2)Cadenas H: PESADAS 5 tipos: δ (IgM), γ (IgG), α (IgA), ε (IgE) y µ (IgD) =
marcan el ISOTIPO [4 DOMINIOS]
IgM sintetizadas cuando hay infección (las 1as). Corta vida (2-5 días en sangre)
IgG (sueros) reconocimiento muy específico (mutabilidad zona variable).
Proporcionan inmunidad al feto. 1 mes en sangre.
72](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-72-320.jpg)
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- Abunda en células musculares
- Almacena el O2 y facilita la difusión del O2 de los capilares interior de las células
(mitocondrias)
- Alta afinidad por el O2, el cual debe captar desde los capilares, pues la Mb NO SALE DE
LA CÉLULA, y el O2 no es transportado hasta dentro.
Equilibrio: Mb + O2 MbO2
Fracción de saturación: “PO2 a la cual la mitad de las moléculas de Mb están unidas a O2”
Cinética = curva hiperbólica La Mb suelta el O2 cuando la célula se esté quedando sin él
(cuando la PO2 a nivel celular sea ≤ 4 mmHg), es decir, actúa a modo de reserva.
HEMOGLOBINA = oligomérica con 4 cadenas peptídicas:
• 2 α = 141 aá c/una interaccionan entre sí: α=α
• 2 β = 146 aá c/una interaccionan entre sí: β=β
4 grupos hemo posibilidad de unir hasta 4 moléculas de O2 (a nivel de los pulmones)
Interacciones: α-β más numerosas DÍMERO de HETERODÍMEROS 2[αβ] = si uno se mueve
el otro tb
Tipos de Hb:
1. A (2α y 2β) = la habitual
2. A2 (2α y 2δ) = bajo % en sangre; si el % fuera alto = talasemia: no afecta al transporte de
O2
3. F (2α y 2γ) = 100% en el feto; 1-2% en el adulto; 20% en drepanocitosis
Objetivo: transporte de O2 desde los pulmones hasta la íntima arterial (capilares)
Equilibrio de Hill: Hb + n O2 ⇔ Hb(O2)n n (coeficiente de Hill – afinidad por el O2) = 2,7
Cinética = comportamiento SIGMOIDE permite la captación y cesión de O2 (la unión del 1er O2
facilita las uniones posteriores por cambios de conformación) para llevarse el CO2 (incompatible
con el O2) en su retorno a los pulmones
2 formas de Hb:
• Tensa (HbT): desoxi-Hb = + interacciones débiles
• Relajada (HbR): oxi-Hb = - interacciones débiles
74](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-74-320.jpg)
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2) HETEROTRÓPICO = cesión del O2 por señales moleculares que avisan a la Hb de que no
hay O2 en la célula y reducen su afinidad: protones, CO2 y 2,3-BFG
a) Efecto de los PROTONES (H+)
pIHb = 8.3 (gran densidad aá básicos) aumento de H+ en el medio (pH hacia ácido ≤ 7.3)
protonación aá básicos aumento del nº de cargas+ aumento del nº de enlaces iónicos en
la proteína forma tensa (estable) pérdida de afinidad por el O2 liberación de O2
Conclusión: los H+ son una señal que avisa a la Hb de que las células y TJs activos
(metabólicamente y en movimiento – músculo) requieren O2
Efecto Bohr la liberación de O2 de la Hb se produce cuando:
- Aumenta [H+]
- Aumenta la PCO2
Ambos conducen a una pérdida de afinidad por el O2
Curva cinética sigmoidea: disminuye la pendiente y aumenta la P50
b) Efecto del CO2
- Directo (explica un 15% el proceso de la pérdida de afinidad porque en CN solo este % de los
grupos amino-t de la Hb se encuentran no protonados): CO2 + parte proteica Hb (amino-t de los
4 protómeros) = Hb CARBAMILADA ó CARBOAMINOHb nuevos grupos ionizados (COO-)
nuevos enlaces iónicos forma TENSA = desoxiHb
T disminuye afinidad de la Hb por el O2
Conclusión: directamente efecto discreto sobre la Hb (15%)
- Indirecto: explica de forma importante el efecto del CO2 sobre la Hb.
CO2 en sangre bicarbonato aporta H+ potenciación del efecto Bohr pérdida de afinidad por el
O2 liberación
c) Efecto del 2,3-BGF (producto de la glucolisis)
ERITROCITO (Ø de mitocondrias) glucolisis muy activa porque es su única posibilidad de
obtención de energía producción de 2,3-BFG
2,3-BFG gran nº de cargas negativas (2P unidos) encaja en el hueco entre los 4 protómeros, más
fácilmente si se encuentra en su forma tensa (favorecida anteriormente por los H+ y el CO2)
REFUERZA LA FORMA T Y POR TANTO EL EFECTO DE LOS H+ Y DEL CO2
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TEMA 4
ENZIMAS. CINÉTICA ENZIMÁTICA
ENZIMOLOGÍA
Somos reacciones químicas fisiológicas, por lo que éstas tienen que cumplir una serie de características
de acuerdo con la fisiología humana:
1. Compatibles: condiciones de pH y temperatura suave.
2. Velocidad adecuada: rápida o lenta (depende).
3. Nunca alcanzan el equilibrio: lo buscan, están al borde del equilibrio; pero el equilibrio absoluto
equivale a la muerte.
4. No producen reacciones secundarias: en las cuales se pierdan metabolitos o energía.
5. Coordinadas
Todas las reacciones químicas en los seres vivos están catalizadas por la participación de enzimas (E) -
proteínas globulares - que unen sustratos (S). Algunas reacciones (en vez de estar catalizadas por
enzimas) son catalizadas por moléculas de ARN.
CARACTERÍSTICAS
Las reacciones químicas en el organismo cumplen una serie de condiciones. Éstas se logran gracias a los
catalizadores enzimáticos, cuyas características son las siguientes:
Comunes a todos los catalizadores (enzimáticos y químicos)
- Trabajan a baja concentración; no es necesaria una elevada [ ] (a veces sí).
- No se consumen en el transcurso de la reacción (a veces sí) pero al ser proteínas tienen una vida
media.
- No modifican las características termodinámicas de la reacción que catalizan.
Propias de enzimas y distintas de otros catalizadores químicos
- Pueden “trabajar”, catalizar las reacciones en condiciones fisiológicas (pH y Tª suaves).
- Son específicas.
- Poseen un elevado poder catalítico respecto al catalizador químico (pueden llegar a aumentar la
velocidad de una reacción química en 107 veces más que un catalizador químico o sin catalizador).
- Reguladas*: no todas van a estar reguladas pero todas podrían estar sujetas a regulación.
*Importante ya que existirán fármacos que afecten a la regulación enzimática.
CLASIFICACIÓN. En 6 grupos según el tipo de función que catalizan:
(*Nota: aunque se indiquen como tal, no todas son reversibles )
— : enlace simple; = : enlace doble
1. OXIDORREDUCTASAS catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de
protones (H+) o electrones (e-) de un sustrato a otro, según la reacción general:
AH + B A- + BH
Ared + Box Aox + Bred
2. TRANSFERASAS catalizan la transferencia de un grupo químico (≠ del H) de un sustrato a
otro, según la reacción:
A—X + B A + B—X (rompiendo y formando enlaces)
*Todas las reacciones implican esto.
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![BIOQ GENERAL
Esto implica que en ocasiones el CUS y el CC se encuentran en sitios distintos: CC ≠ CUS
2. MODELO DE KOSHLAND o DE COMPATIBILIDAD (fisiológico)
Este modelo es el más aceptado debido a que explica la actividad fisiológica enzimática.
• El CUS es COMPATIBLE al S, es decir, posee una forma aproximadamente igual a la forma del S.
Esto explica las características enzimáticas:
- Que en el CUS haya aá que orienten al S para su correcta unión con la enzima (E)
- La FLEXIBILIDAD proteica
- La EFECTIVIDAD de las enzimas (la formación de ES aumenta la probabilidad de “choque”)
- La creación de TENSIÓN (aumentará la capacidad del ES para romper el S y crear ese P)
- La disminución de la cantidad de energía que hay que suministrar para que S P (como
consecuencia de las 2 anteriores)
- La ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA ([1] por sustrato o absoluta y [2] de función o de grupo)
- Que puedan trabajar en condiciones fisiológicas de pH y Tª suaves (CA)
- La REGULACIÓN (fundamento de la acción farmacéutica, medicamentos)
Es compatible con:
La separación física entre el CUS y el CC: CUS ≠ CC
Explicación
Cuando el sustrato (S) se une a la enzima (E), esta encaja perfectamente con el S, adaptándose a su
forma (“flexibilidad”).
A medida que encaja la E, ésta sufrirá un cambio en su estructura que acerca los aá del CC al CUS (zona
en la que está unido el S a la E).
La cadena lateral (R) de los aá ralentiza el movimiento del S y lo orienta, dando tiempo a que la E se
adapte a la forma del S (los aá se acercan: catálisis), simplemente por interacciones débiles (enlaces de
hidrógeno) ya que serán interacciones rápidas (debido a su “debilidad” se rompen/forman muy rápido), que
es lo que no interesa (si fuera por interacciones covalentes ocurriría de una forma mucho más lenta).
Este modelo de unión/interacción E—S, explica todas las características que son propias de las enzimas
como catalizadoras, es decir, explica la EFECTIVIDAD de las enzimas, ya que, al formarse el complejo ES,
se aumenta la proximidad entre el sustrato y los aá (que tienen que transformar ese sustrato), y como una
reacción química se da como resultado de la probabilidad de choque con formación de productos,
concluimos que la interacción E S aumenta la probabilidad de choque y por tanto la efectividad.
Además la formación del complejo ES crea TENSIÓN, lo que facilita la transformación del S P; así,
cuanto mayor sea la tensión de la molécula, más capacidad tendrá el complejo ES para romper ese S en 2
P (P1 y P2), ya que reducirá la energía necesaria para que se lleve a cabo la reacción.
(E-S ↔ P1 + P2)
Por último, como consecuencia de los 2 anteriores (proximidad/efectividad + tensión), DISMINUYE LA
CANTIDAD DE ENERGÍA que hay que suministrar al S para que se transforme en P.
Este modelo explica asimismo la ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA. Hay 2 tipos, siendo los 2 igual de
habituales:
1) POR SUSTRATO, o especificidad ABSOLUTA
Una enzima solo va a poder reconocer UN sustrato y transformarlo en UN producto. Va a ser el
centro de unión al sustrato (CUS) el encargado de reconocer al sustrato y unirlo.
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![BIOQ GENERAL
La transformación del sustrato se realiza mediante la creación de enlaces covalentes con el centro
catalítico de la enzima.
Esta unión covalente es transitoria, y está reservada a reacciones que tienen que transcurrir más
lentamente (a una velocidad más lenta), es decir, cuando el organismo necesita disminuir la velocidad de
sus reacciones.
LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
Nos va a permitir estudiar:
• La velocidad a la que se lleva a cabo una • Los factores que pueden alterar a esa
reacción velocidad
Además, el objetivo del estudio de la catálisis enzimática es de interés clínico, es decir, este se realiza
para conocer:
− La NATURALEZA de la reacción, es decir, la propia reacción, y cómo se DESARROLLA
− La concentración fisiológica de sustrato [S] que puede haber en el organismo
− La concentración fisiológica de las enzimas [E]
Esto es, la afinidad entre enzima—sustrato*
*Gran implicación clínica, pues puede ser necesario modificar esto para curar o retrasar la enfermedad.
− Cuál es el paso limitante de una ruta metabólica (las reacciones químicas se hallan agrupadas
en rutas metabólicas futura aplicación de fármacos)
Para el estudio de la cinética enzimática, necesitamos:
− Disponer de todos los elementos que forman
parte de la reacción: enzima y sustratos
− Tener las condiciones óptimas de pH y
temperatura a las cuales la enzima es
funcional
− Una herramienta que nos permita ver la
desaparición gradual de los sustratos, o ver la
aparición de los productos; esto es una
reacción química específica que
identifique característicamente el
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![BIOQ GENERAL
sustrato o el producto, para comprobar la variación de sus concentraciones.
La velocidad de una reacción enzimática responde pues a las siguientes ecuaciones:
− d [S ] d [ P]
V = ≡
t t
FACTORES QUE AFECTAN A LA CINÉTICA ENZIMÁTICA
A. Factores INTRÍNSECOS
Son aquellos que forman parte de la propia reacción, es decir, los que participan en ella:
[S] = la que más afecta a la velocidad de [E] = solo afectará en situación saturante
la reacción
El organismo se pone en marcha o se para según haya o no sustrato; por ej., el colesterol es esencial para
mantener la estructura celular ~ sustrato.
B. Factores EXTRÍNSECOS
Son aquellos que no forman parte de la propia reacción, es decir, que son externos a ella.
Explican cómo las condiciones del medio (pH, temperatura, presencia de alguna molécula distinta al
sustrato, etc.) afectan a la cinética enzimática o velocidad de la reacción.
Es importante no confundir estos factores ya que modifican la velocidad, pero no la propia enzima.
A. Factores INTRÍNSECOS
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO [S] (*la más relevante*)
Si representamos cómo varía la velocidad de la reacción en función de la concentración de sustrato,
encontramos unas cinéticas de tipo HIPERBÓLICO.
En esta reacción distinguimos 3 partes bien diferenciadas:
1. En esta primera parte, el sustrato condiciona la velocidad de la reacción enzimática. Se trata de
una cinética de primer orden en la cual la velocidad de la reacción química es totalmente
proporcional a la concentración de sustrato.
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2. Aquí tenemos un orden mixto. Parece que al aumentar la concentración de sustrato aumenta la
velocidad, pero esta tendencia no se mantiene en toda la franja; así concluimos que la velocidad de
la reacción no depende totalmente de la concentración de sustrato.
3. La tercera parte de esta gráfica hiperbólica indica que la velocidad es totalmente independiente
de la concentración de sustrato. En esta tercera parte se dice que la cinética es de orden 0.
En estas reacciones se asume que la concentración de enzimas siempre va a ser menor que la
de sustrato, incluso en condiciones de baja concentración de sustrato:
[E] <<< [S]
Explicación
E + S ⇔ ES ⇔ EX ⇔ EP ⇔ E + P
ES = Enzima-sustrato (*Todos los pasos se resumen en este*)
EX = Enzima-producto intermedio
EP = Enzima-producto
En cuanto aumentamos la concentración de sustrato comienza la reacción en la que no todas las
enzimas están ocupadas, siendo así su velocidad óptima; por tanto, en la parte 1 siempre habrá enzima
disponible para interactuar con el producto (a pesar de que [S] siempre es mayor que [E], ya que, debido a
la velocidad de la cinética enzimática, siempre quedará una enzima libre dispuesta a interactuar con el
sustrato).
En la zona de orden 0 (3) la concentración de enzima libre es prácticamente nula. Toda ella se encuentra
en forma de complejo ES. Así, en cuanto una enzima se queda libre, pasa a ser ocupada por una
molécula de sustrato debido a la elevadísima concentración [S]. En estos casos se afirma que la enzima
está saturada de sustrato. Aunque en ocasiones significa que la velocidad de la reacción es máxima
debido a que se ha agotado el sustrato, y la velocidad no puede ser mayor.
Una ecuación que defina este comportamiento cinético hiperbólico se deduce por las siguientes
consideraciones:
− La concentración de sustrato siempre será mayor que la de enzima: [S] >>> [E]
− Las reacciones son monosustrato, es decir, solo interviene un sustrato.
− La formación de complejos ES a partir de los productos no se lleva a cabo. Se considera a la
reacción irreversible.
¡OJO! Esto fisiológicamente no siempre es así,
ya que la reacción puede ser reversible.
Se considerará la reacción tal que así:
E + S K 1 ← K 2 ES → E + P
→ K3
Y por tanto la ecuación cinética tendría los
siguientes elementos:
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V0 = K3 [ES]
e incluiría los conceptos de [S] y de [E]
HIPÓTESIS DEL EQUILIBRIO RÁPIDO DE MICHAELIS-MENTEN
Los primeros que estudiaron la cinética enzimática fueron Michaelis-Menten.
Consideraron que para estudiar la formación del complejo enzima-sustrato (ES) se había de tener en
cuenta que la enzima y el sustrato se encontraban en un equilibrio, y que rápidamente daban lugar al
complejo ES, el cual se descomponía mucho más lentamente hacia la generación del producto que la
velocidad de formación enzima-sustrato.
Por tanto, en la reacción antes expuesta se despreció K3 (ya que K3 <<< K1). Esto se conoce como
hipótesis del equilibrio rápido.
Así, la velocidad de formación enzima-sustrato dependía de la velocidad de descomposición de ES hacia
las condiciones iniciales (E + S). De esta forma deducimos esta
ecuación:
K1 [ E ][S ] = K 2 [ ES ]
En resumen: fisiológicamente un efecto de la [S] en nuestras células (1) variará/modificará la
velocidad a la cual se llevan a cabo las reacciones enzimáticas/químicas y (2) dará lugar a una
típica cinética hiperbólica (con 3 pasos) que se deberá o se explicará por la interacción E-S según
la siguiente reacción y su ecuación de velocidad inicial:
Vo = K3 [ES]
Así nos es posible establecer una serie de deducciones:
1. [S] >>> [E], la concentración de enzima deber ser fisiológicamente inferior a la concentración de
sustrato
2. [ET] = [E]libre + [S]
MICHAELIS-MENTEN. Hipótesis del equilibrio rápido
La velocidad de formación del complejo enzima-sustrato (ES) es igual a la velocidad de desaparición de
este complejo:
V.form [ES] = V.desap [ES]
K3 << K2
K1 [E] [S] = K2 [ES]
[E] [S] = K2/K1 [ES] Cte. de afinidad
Según Michaelis-Menten, la velocidad de formación del producto (P) es mucho más lenta que la velocidad
de formación del complejo E—S, por tanto, al ser la cte. de esta reacción (K3) mucho más inferior a K2, se
debe de despreciar.
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![BIOQ GENERAL
Pronto veremos que esta teoría no tendrá un sentido muy lógico, ya
que aunque se forme de forma lenta, no se puede desprecia la
formación de productos.
BRIGGS-HALDANE
En su búsqueda de una ecuación que explicara la cinética enzimática hiperbólica, hicieron una corrección
de la anterior hipótesis, y dijeron lo siguiente: “la velocidad de formación del complejo E—S es igual a la
velocidad de desaparición de este complejo con la formación de producto”:
V.form [ES] = V.desap [ES] P
Corrección de la hipótesis del equilibrio rápido de Michaelis-Menten: hay que considerar la
formación de los productos, es decir, no se debe de despreciar K3, ya que llegará un momento
en el que la velocidad de desaparición del complejo E—S no será tan lenta porque se estará
formando producto (P).
Así, a la ecuación anterior habrá que añadir la participación de K3:
K1 [E] [S] = K2 [ES] + K3 [ES]
[E] [S] = (K2 + K3/ K1) [ES]
Conclusión: la relación resultante entre las ctes. de Briggs-Haldane es similar a la que anteriormente
habían propuesto Michaelis-Menten (K2/ K1), con la única diferencia de que la de éstos últimos solo era
aplicable en un momento dado de la reacción (ya que no consideraban la formación de productos),
mientras que la de Briggs-Haldane era aplicable a toda la reacción, pues considera todas las ctes. del
equilibrio.
Así llegan a definir Km, a la que denominan cte. de Michaelis-Menten por su parecido tan próximo a la
relación de ctes. propuesta anteriormente: Km = K2 + K3/ K1
[E] [S] = Km [ES]
Seguimos desarrollando la ecuación:
[ET] = [E]libre + [ES] [E]libre* = [ET] – [ES]
*Sustituimos en [E]libre en la ecuación anterior: [E] [S] = Km [ES]
( [ET] – [ES] ) [S] = Km [ES]
[ET] [S] – [ES] [S] = Km [ES]
[ET] [S] = *Km [ES] + [ES] [S]
*Sacamos factor común [ES]
[ET] [S] = [ES] ( Km + [S] )
[ET] [S]/ Km + [S] = [ES]*
*Sustituimos en la ecuación de la velocidad inicial: Vo = K3 [ES]
Vo = K3 [ET]* [S]/ Km + [S]
*ET Vmáx: no habrá enzima libre porque toda ella estará trabajando para que se forme el
producto, es decir, se encontrará en su expresión máxima de velocidad.
Vo = Vmáx [S]/ Km + [S]
ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN
(define la influencia de [S] en una reacción enzimática)
SIGNIFICACIÓN FISIOLÓGICA DE LA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN
Vo = Vmáx [S]/ Km + [S]
De esta ecuación, fisiológicamente deducimos 3 cosas:
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![BIOQ GENERAL
1. Un parámetro, Km ó Cte. de Michaelis: constante de afinidad que siente una enzima por un
sustrato concreto.
− Esta es característica para cada enzima (por un sustrato concreto).
− Km puede variar, es decir, la podemos modificar* cambiando la afinidad que la enzima siente por
un sustrato concreto.
*Aquí habrá actuación clínica: si una enzima “va mal”, se intentará modificar su afinidad, es decir, la Km.
• Si Km aumenta indicará que la enzima tiene una afinidad disminuida por el sustrato (S).
aumenta Km = disminuye afinidad
• Si Km disminuye indicará que la enzima tiene una afinidad aumentada por el sustrato (S).
disminuye Km = aumenta afinidad
Conclusión: Km y afinidad enzimática son inversamente proporcionales
¿Cuál nos conviene más? Dependiendo fisiológicamente de la situación necesitaremos una u otra (que
aumente o disminuya Km).
Ej.: en el hígado tiene lugar el metabolismo de la glucosa; en una breve descripción de la entrada de
glucosa en el hígado decimos que éste quiere coger toda la glucosa que hay en sangre; así habrá una
enzima (la quinasa) que dará la “bienvenida” a la glucosa fosforilandola. La Km aumentará y por tanto
disminuirá la afinidad de la enzima por la glucosa. Esto constituye una estrategia contra la saturación, ya
que así podrá entrar toda la glucosa dentro del hígado sin que la enzima se sature.
En cambio en el músculo ocurrirá lo contrario; la Km disminuye de manera que la afinidad por la glucosa
aumenta para que así el músculo pueda captarla.
− Además, Km es una medida de la [S] a la cual la reacción adquiere la mitad de la velocidad
máxima (V.máx):
Km = [S] ½ Vmáx cte. adimensional que adquirirá las unidades de concentración de sustrato
2. Podemos deducir indirectamente la concentración intracelular de sustrato – [S]intracelular – a partir
de Km:
[S]intracelular ≈ Km
¿Por qué?
− Si la [S] fuera inferior a Km (si [S] << Km) no estaríamos aprovechando todo el poder catalítico de
la enzima, es decir, ésta estaría trabajando a una velocidad inferior la reacción se produciría a
una velocidad mucho menor de la que es capaz de realizar la enzima.
− Si la [S] fuera superior a Km (si [S] >> Km) la reacción sería independiente de la [S], lo que
resulta fisiológicamente imposible (no tendría sentido fisiológico).
3. A partir de la ecuación de Michaelis-Menten podemos comprobar las aproximaciones empíricas, es
decir, entender el comportamiento de la cinética hiperbólica.
Decíamos que había 3 zonas – (1) de 1er orden, (2) de orden mixto y (3) de orden 0, en la que en realidad
se distinguían solamente 2, la 1ª y la 3ª; ya que la 2ª, al ser de orden mixto, no se puede expresar en la
ecuación:
• Una en la que la velocidad era dependiente de la concentración de sustrato: V [S]
• Otra en la que la velocidad era independiente de la concentración de sustrato: V — [S]
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− En la cinética de 1er Orden [1], la Vo depende de la [S]; si en este caso consideramos que la [S]
<< Km, podemos despreciar [S]:
Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] Vo = Vmáx [S]/ Km = cte. Vo ≈ Ф* [S]
*Proporcional.
− En la cinética de orden 0 [3], la Vo se hace independiente de la [S]; si en este caso consideramos
que la [S] >> Km, podemos despreciar Km, llegando a la conclusión de que la enzima se halla
saturada, por lo que alcanza a su velocidad máxima:
Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] Vo = Vmáx Vo = Vmáx
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE ENZIMA [E] (mucho menos relevante que [S])
Solamente contribuye a la velocidad de una
reacción enzimática si esa reacción está en
una situación SATURANTE, es decir,
solo se modificará la velocidad cuando la
enzima se encuentra saturada.
En esta situación saturante, si aumenta
la [E] aumentará la velocidad.
Comentado en clase: tiene su
importancia porque en la
actualidad ya existen
fármacos que aumenta la [E],
por ej., la metformina (un
antidiabético oral) que inhibe un gen r/c la [glucosa].
Solo veríamos su efecto cuando la reacción química ha alcanzado su máxima velocidad.
FORMAS DE EXPRESAR LA [E] o velocidad de una reacción en función de la [E]
a) Como ACTIVIDAD ENZIMÁTICA = concentración de enzima [E] necesaria para llevar a cabo una
reacción enzimática
Las UNIDADES DE CONCENTRACIÓN pueden ser de 2 tipos:
1. En unidades internacionales: cantidad de enzima que necesitamos para transformar
-3
1µmol sustrato/ 1 min 1 µmol = 0,001 milimol = 1 × 10 milimol
2. En katales: cantidad de enzima necesaria para transformar 1 mol sustrato/ 1 seg
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b) Como ACTIVIDAD ESPECÍFICA = actividad
enzimática expresada en función del total de
proteínas/enzima (en miligramos) que
tenemos en la célula, TJ…
Ventajas
− Es la más exacta
− Es la empleada en los *fármacos*
Unidades de concentración de la A.esp:
1. UI/ mg proteína
2. Katal/ mg proteína
c) A través de la CTE. CATALÍTICA
Vmax
K cat =
[ ET ]
KCAT = V.máx (de la reacción)/ [ET] (concentración total de enzima)
Ventajas
− Es la forma más intuitiva para ver la eficacia de la enzima:
• Si aumenta la KCAT mayor transformación de productos P
• Si disminuye la KCAT menor transformación de productos P
− Es la empleada en *investigación*
Nota introductoria a factores extrínsecos: LINEALIZACIÓN DE LA EC DE VELOCIDAD DE
MICHAELIS-MENTEN
Ec original: Vo = Vmáx x [S]/ Km + [S]
Realmente es difícil aplicar esta ecuación, por lo que es necesario LINEALIZARLA con el objetivo de: (1)
hacerla más operativa/útil y (2) calcular con muchísima más precisión/exactitud la V.máx o la Km,
cometiendo el mínimo error
Consiste en la transformación de esa ecuación hiperbólica en la ecuación de una recta: y = mx + n
1 Km [S ] 1 K 1 1
Para ello aplicaremos dobles inversos: = + = m· +
V0 Vmax ·[ S ] Vmax ·[ S ] V0 Vmax [ S ] Vmax
1/ Vo = Km/ Vmáx x [S] + [S]/ Vmáx x [S] 1/ Vo = Km/ Vmáx x 1/ [S] + 1/Vmáx
y =m x + n
Linealización de LINEWEAVER-BURK
La gráfica de velocidad frente a [S] mostrada anteriormente no es lineal. Aunque a bajas concentraciones
de sustrato se mantenga lineal, se va curvando a medida que aumenta la concentración de sustrato. Antes
de la llegada de los ordenadores, que permiten ajustar regresiones no lineales de forma sencilla, podía
llegar a ser realmente difícil estimar los valores de la Km y la Vmáx en las gráficas no lineales. Esto dio lugar
a que varios investigadores concentraran sus esfuerzos en desarrollar linealizaciones de la ecuación de
Michaelis-Menten, dando como resultado la gráfica de Lineweaver-Burke o el diagrama de Eadie-Hofstee
(*solo desarrollaremos la de Lineweaver*).
La gráfica de Lineweaver-Burk o representación de doble recíproco es la forma más común de
mostrar los datos cinéticos. Para ello, se toman los valores inversos a ambos lados de la ecuación de
Michaelis-Menten. El resultado de este tipo de representación es una línea recta cuya ecuación es y = mx
+ n, siendo n el punto de corte entre la recta y el eje de ordenadas equivalente a 1/Vmáx, y el punto de
corte entre la recta y el eje de abscisas equivalente a -1/Km.
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Obviamente, no se pueden tomar valores negativos para 1/[S]; el mínimo valor posible es 1/[S] = 0, que
correspondería a una concentración infinita de sustrato, donde 1/v = 1/Vmáx.
B. Factores EXTRÍNSECOS: no forman parte de la ecuación E + S ES E+P
pH (*no siempre desnaturalizante*) Inhibidores
Tª (fisiológicamente poco destacado)
1. pH: una variación de pH produce un cambio en la ionización de las cadenas laterales (R) de los
aá de esa proteína, pudiendo afectar a 2 sitios: (efecto muy destacado fisiológicamente)
− Al centro de unión al sustrato (CUS) E no se une a S por lo que no se forma el complejo ES y
por tanto no hay reacción enzimática
CUS E no se podrá unir al S = no reacción
− Al centro catalítico (CC) la E se podrá
unir al S, pero el complejo ES no dará lugar
aP
CC ES no P
El efecto del pH no tiene
porqué producir la desnaturalización de las
enzimas; aunque habrá veces que sí, en
ocasiones una variación de los valores del
pH simplemente actúa como una señal que
avisa a la enzima para que comience a
funcionar
Ej.: En el estómago existen enzimas en
estado inactivado que no se activarán hasta
que alcancen su pH óptimo (es decir,
cuando le llegan los alimentos).
Así, todas las enzimas tienen un pH óptimo de función, por encima o por debajo del cual no
funcionan porque los aá del CUS ó del CC no están correctamente posicionados (inoperativos).
Aún así mantienen su estructura nativa, es decir, no tienen porque perder su conformación espacial
y desnaturalizarse.
Ej.: el metabolismo de las proteínas funciona mediante la activación o inhibición por cambios de pH.
2. TEMPERATURA: un incremento de la Tª afectará a los enlaces débiles que mantienen la
estructura nativa de un enzima. (Efecto poco destacado fisiológicamente)
Comportamiento general (el efecto será muy variable dependiendo de la enzima)
Casi todas las enzimas aumentan su actividad (la velocidad de la reacción) a medida que aumentan su Tª,
hasta llegar a un punto en el cuál la velocidad de la reacción cae en picado.
¿Por qué ocurre esta drástica caída?
Este punto de inflexión es debido a que llegada a una determinada Tª (50-60ºC) la proteína se
desnaturaliza. Cabe apuntar que esto va a ocurrir siempre en los seres humanos y en la mayoría de
seres vivos, pero no en bacterias, levaduras…
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Esto ocurre en la mayoría de los casos, pero no siempre es así. Mediante la experiencia y desde
un punto de vista fisiológico sabemos que la enzima, aunque haya sido afectada de forma
reversible, ya no volverá a llevar a cabo la reacción de la misma forma ni con la misma eficacia.
Cabe apuntar que la interacción inhibidor-enzima no es de 1-1, es decir, un inhibidor actuará
sobre el global de un conjunto de enzimas.
En conclusión, los inhibidores reversibles son moléculas que quedan unidas a la enzima
reversiblemente, de modo que en un momento determinado podrán modificar la Km ó la Vmáx de la
reacción enzimática o incluso ambas a la vez, pero siempre la enzima se vuelve a reciclar.
En una visión global, 1 molécula de inhibidor reacciona con un global de enzimas.
Existen 3 tipos de inhibidores reversibles: (1) competitivos, (2) no competitivos y (3)
acompetitivos o mixtos
1) COMPETITIVOS = análogo estructural del sustrato (es decir, el inhibidor [I] se parece al
S, por lo que se unirán a la E exactamente igual que lo haría éste)
Así el (I) competirá con el sustrato para unirse a la enzima, debido a este parecido estructural con el
sustrato.
− Se unirá al CUS e impedirá la formación del complejo ES
− Se formará el complejo EI por lo que no se producirán productos P
Efecto sobre la reacción enzimática (será observable en concentraciones saturantes - Vmáx)
• Aumentarán la Km de la enzima • Apenas modifican la Vmáx
¿Cómo se revierte/neutraliza su efecto? Simplemente aumentando la concentración de sustrato, ya
que por la ley de probabilidad habrá más sustrato que compita por unirse a la enzima
2) NO COMPETITIVOS = no son análogos estructurales del sustrato (es decir, no compiten
con el sustrato por unirse al enzima en el CUS)
− Poseen un propio sitio de unión al enzima denominado SITIO DE UNIÓN AL INHIBIDOR (CUI)
− El inhibidor siempre se une al complejo E—S, ya que es necesario que la enzima esté unida al
sustrato para que quede libre el sitio al que se unirá el inhibidor: E + S ES + I EIS
Esto se explica por la sencilla razón de que la unión y formación del complejo E—S supone un
cambio conformacional del enzima que facilitará la posterior unión del inhibidor no competitivo.
¡OJO! El inhibidor no se unirá al enzima libre, sino que será requerimiento que la enzima se
encuentre formando ya el complejo E—S, es decir, ya unida al sustrato, para que el inhibidor pueda
unirse.
Efecto sobre la reacción enzimática • Disminuirán la Vmáx de la reacción
92](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-92-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
3) ACOMPETITIVOS o MIXTOS = tampoco son análogos estructurales del sustrato ni se unen
al CUS, pero pueden unirse tanto al enzima libre como al complejo E—S
− Al igual que los inhibidores no competitivos, poseen un propio sitio específico de unión al
enzima (CUI) distinto al CUS, con la diferencia de que éste estará *accesible en cualquier
momento*, y no solo cuando se halla formado el complejo E—S.
Efecto sobre la reacción enzimática
• Disminuirán la Km y la Vmáx
Son los inhibidores más frecuentes tanto en rutas metabólicas (RM) como en no metabólicas.
Existen otros 2 tipos de inhibición que se dan exclusivamente en enzimas que forman parte de RUTAS
METABÓLICAS: (1) inhibición por sustrato e (2) inhibición por producto
1) POR SUSTRATO: la inhibición por sustrato es muy infrecuente (mecanismo poco habitual)
porque para que una enzima pueda inhibirse por sustrato ha de presentar 2 centros de
unión al sustrato (CUS) distintos: (1) activo de alta afinidad y (2) inactivo de baja afinidad
Uno de ellos funcional, completo y un centro “normal”, es decir, que se une al centro
catalítico (CUS + CC) constituyendo un verdadero centro activo (CA), así que, catalíticamente se
encuentra activo (cuando el sustrato se une al enzima en este centro de unión se facilita la acción
de los aá catalíticos y la consecuente formación de producto). Además se dice que es un CENTRO
DE UNIÓN DE ALTA AFINIDAD ya que, en condiciones normales – bajas [S] –, será el sitio al
que se dirigirá el sustrato.
Del otro se dice que es un CENTRO DE UNIÓN DE BAJA AFINIDAD, ya que, cuando
aumenta la concentración de sustrato y solo cuando ello ocurra, será el sitio al que se dirigirá el
sustrato (es unicamente un sitio de unión al sustrato). Es un centro incompleto e inactivo, ya que
no se une al CC por lo que no forma el CA y carece de aá catalíticos, por lo que tampoco podrán
transformar el sustrato en productos.
No obstante, puede ralentizar la actividad catalítica del otro centro activo de alta afinidad, ya
que “secuestra” una parte del sustrato que iba dirigida a él, y al unirse el sustrato a este 2º centro
puede producir un cambio conformacional del enzima, que podría modificar estructuralmente al 1er
centro, produciéndose el bloqueo de la reacción por el bloqueo de la generación de productos.
Así, podemos decir que el centro inactivo de unión de baja afinidad inhibe la actuación del
centro de unión activo de alta afinidad. En conclusión, no será una inhibición muy útil o práctica, ya
que requerirá de una gran regulación.
94](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-94-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
2) P
O
R
P
R
O
D
U
C
T
O
:
m
e
c
a
nismo habitual (debido a su sencillez) que emplea la célula para detener la formación de
productos, es decir, para bloquear la reacción enzimática y regular la velocidad de las
enzimas que participan en rutas metabólicas. Además, su regulación es también muy
sencilla.
Cuando la célula detecta un cierto aumento en la [P] éste no se suelta del complejo E—P, sino que se
queda unido al enzima, y por tanto impide el paso a nuevas moléculas de sustrato:
E+S ES EX EP E (libre para iniciar una nueva ruta metabólica) + P*1
Es decir, *1este producto (P) se quedará unido al enzima, no se soltará, impidiendo el acceso a
nuevas moléculas de sustrato (S) que seguirían transformando producto (P), por lo que se bloquea su
formación.
La enzima recibirá una señal que le indicará que no suelte ese producto (P).
95](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-95-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
MECANISMOS DE REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: (1) Regulación alostérica
y (2) Regulación covalente, que a su vez se divide en reversible* (la más común que siguen las
enzimas reguladas covalentemente) o irreversible (la menos común).
Antes de desarrollar cada uno de los mecanismos, cabe aclarar que un enzima puede sufrir
regulación alostérica y covalente a la vez, siempre que la covalente sea de tipo reversible,
es decir, no son incompatibles sino todo lo contrario, son compatibles; en cambio, la regulación
alosterica sí que será incompatible con la covalente irreversible*.
1) Regulación ALOSTÉRICA
− Solo la pueden sufrir enzimas formadas por más de 1 cadena proteica, es decir,
proteínas oligoméricas (más de 1 subunidad).
− Es reversible, una de las razones por las que es la más corriente en rutas enzimáticas,
ya que será fácilmente reversible e inmediata.
− Cada subunidad podrá disponerse de 3 formas distintas: (1) con un CA y un centro
alostérico (*lo más habitual*), (2) solo con un centro activo y (3) solo con un centro
alostérico
Puede ocurrir que las enzimas que la sufran, en cada una de las subunidades de esa enzima
existan 2 centros: un centro activo (CA = CUS + CC) y un centro independiente de ese CA,
denominado centro alostérico.
Lo que ocurre más habitualmente, o lo más normal, es que en cada subunidad haya (1)
un centro activo y (2) un centro alostérico [enzima 1]
Pero también puede ocurrir que haya subunidades que solo tengan el CA o
subunidades que solo tengan el centro alostérico [enzima 2].
En este caso estas enzimas se caracterizarán porque el CA siempre va a estar oculto
(protegido) por las subunidades que contienen el centro alostérico.
Así, las subunidades que contienen el CA reciben el nombre de subunidades catalíticas,
mientras que las que contienen el centro alostérico son las subunidades reguladoras.
La REGULACIÓN ALOSTÉRICA se basa en 2 tipos de interacciones (básicamente en ambos casos
– subunidades con 2 centros o subunidades con 1 solo centro – el mecanismo será el mismo): (1) homotrópicas
o de cooperatividad y (2) heterotrópicas.
*La Hemoglobina no es una enzima alostérica*
Este comportamiento homotrópico nos recuerda al comportamiento que sufría la hemoglobina; no
obstante, el punto clave para afirmar que la hemoglobina no posee una regulación alostérica es
que ésta no tiene especificidad, es
decir, no tiene un sitio específico
de unión al sustrato donde
pueda unirse el O2 (éste se une a
la Hg porque ésta tendrá Fe, que
será el condicionante de la
afinidad). Así que concluimos que,
aunque el mecanismo sea
similar o equiparable, la Hb no
será una proteína alostérica por
su carácter inespecífico de
unión al sustrato (además ni si
97](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-97-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
quiera es un enzima ya que no realiza catálisis).
1. HOMOTRÓPICAS: son debidas a la unión del sustrato (S) a su centro de unión al
enzima (CUS) – S E -.
La unión del sustrato a una de las subunidades del enzima provocará en esta subunidad una
serie de cambios estructuras que facilitarán la unión del sustrato a la siguiente subunidad.
Fundamentos de este comportamiento
Esto está basado en que, por lo general, estas enzimas solo tienen una subunidad que posea
el CUS accesible, y en el resto de las subunidades ese CUS estará poco o no totalmente
accesible a ese sustrato.
Así, cuando se produce la unión del sustrato a su CUS accesible, se produce un cambio de
morfología que permite (“abre”) el acceso a otro centro de otra subunidad (antes “oculto”), y
así sucesivamente.
De esta manera aunque disminuya la concentración de sustrato, éste se seguirá uniendo al CUS
accesible, provocando el consiguiente cambio estructural que hará más accesible al CUS de la
siguiente subunidad.
Representación gráfica: SIGMOIDE
Este comportamiento homotrópico que siguen las enzimas alostéricas se puede representar
gráficamente: velocidad (eje y) frente a la concentración del sustrato (eje x).
o La cinética de unión al sustrato resultará pues de tipo sigmoidea, en la que se observa
que a bajas [S] la enzima apenas tiene poder catalítico.
o Así, el S se unirá a las subunidades en las cuales el CUS se encuentre accesible (pero no
al resto).
o Otra cosa que podemos observar mediante esta gráfica es que, a altas velocidades todas
las enzimas tendrán el sustrato unido; la enzima posee su máximo poder catalítico.
La enzima se puede encontrar en 2 estados: tenso (T) o relajado (R)
Este comportamiento sigmoide implica que la enzima puede estar en 2 estados:
• TENSO (T): en el que existe interacción máxima entre las distintas subunidades (más
estable y por tanto baja afinidad)
• RELAJADO (R): de alta afinidad por el sustrato, en el que todas las subunidades
llevan unido sustrato (las interacciones entre las distintas subunidades se han “roto” al
producirse la unión del sustrato a causa del cambio conformacional, así que son mínimas;
menos estable y por tanto alta afinidad por el sustrato)
98](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-98-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
Las vitaminas son indispensables para el organismo, pero como éste no las puede
sintetizar, por eso resulta fundamental su ingesta.
Tipos de CoE
Debido a la posibilidad de que exista un complejo vitamínico en su estructura, las CoE se
clasifican según este criterio, es decir, según lo posean o no lo posean: (1) Vitamínicas o (2) No
vitamínicas. Además, esto determinará su capacidad de transferir grupos químicos o electrones.
(1) CoE CON PARTE VITAMÍNICA (que los humanos solo podemos adquirir a través de la
alimentación)
Estas CoE vitamínicas no las podremos sintetizar sin la presencia de vitamina en el organismo,
por lo que su ausencia (al contrario que su exceso, muy habitual) generará enfermedad o
patología.
Coenzima Parte vitamínica Grupo que Patología
transfiere asociada por
carencia
VITAMÍNICAS
TRANSPORTADORES DE GRUPO
Pirofosfato de Vit.B1 = Tiamina Aldehídos Beriberi
Tiamina (TPP)
Ácido Vit.B9 = Ácido Fragmentos Anemia
Tetrahidrofólico fólico monocarbonados macrocítica
Espina bífida
Deficiencia poco habitual: [1] presentes en muchos alimentos, [2] el organismo
las requiere en pocas cantidades y [3] son sintetizadas en el intestino por
bacterias (para ellas no son necesarias)
CoE A (CoA) Vit.B5 = Ácido Acilo ≈ Ác. grasos Difícil que se
pantoténico produzca
Piridoxal Fosfato Vit.B6 = Piridoxal Amino Difícil que se
(PLP) produzca
Biocitina ó Biotinil Vit.B8 = Biotina Carboxilo Difícil que se
Enzima produzca
Adenosil Metil Vit.B12 = Metilo, alquilo Difícil que se
Cobalamina Cobalamina produzca
TRANSPORTADORES DE ELECTRONES – Esenciales para el metabolismo
Nucleótidos de Vit.B2 = Electrones Difícil que se
Flavina (FMN, Riboflavina produzca
FAD) Se asocia con Puede aceptar
otra molécula: 2H+ y 2e- gracias
Si es fosfato (P) a su anillo de
= FMN isoaloxacina
112](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-112-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
TEMA 7:
GLÚCIDOS (azúcares) o CARBOHIDRATOS
(hidratos de carbono)
Introducción
Los Carbohidratos no poseen una función tan característica o específica como la de las proteínas, por eso
estudiaremos más a fondo su metabolismo que su forma estructural.
Clasificación. En 2 grandes grupos, ampliamente ramificados:
(1) OSAS ó MONOSACÁRIDOS
(2) ÓSIDOS
Holósidos (solo azúcares)
• Oligosacáridos [3-12 monosacáridos]
• Polisacáridos o Heterosacáridos [> 12 monosacáridos]
o Homopolisacáridos (repetición del mismo azúcar)
o Heteropolisacáridos (repetición de distintos azúcares)
Heterósidos (azúcar + molécula no glucídica = proteína o lípido)
1) OSAS ó MONOSACÁRIDOS
− Son las unidades estructurales básicas de todos los hidratos de carbono, es decir, no se pueden
descomponer en unidades más sencillas.
− Se caracterizan porque están formadas por un carbono carbonilo y otros carbonos que portan
una función alcohol (grupos hidroxilo -OH).
El grupo carbonilo puede ser:
• Aldehído = se encontrará en los extremos
(normalmente en el C1)
• Cetona = se encontrará entre medias, nunca en los
extremos (normalmente en el C2)
Clasificación. Se pueden clasificar según 2 criterios:
a) Según el grupo carbonilo:
(1) ALDOSAS = un grupo aldehído en su estructura
(2) CETOSAS = un grupo cetona en su estructura
b) Según el número de carbonos que los constituyen:
• Triosas (3 átomos de carbono)
o Aldotriosas Ej.: *Gliceraldehído* (clave en el metabolismo, G3P, esencial intermediario
en la glucólisis o respiración celular)
o Cetotriosas Ej.: *Dihidroxiacetona* (clave en el metabolismo, DHAP, también esencial
intermediario en la glucólisis, que se transforma en G3P)
• Tetrosas (4 átomos de carbono)
o Aldotetrosas
116](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-116-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
Como en unidades de superficie hay más músculo que hígado, se dice que el
almacenamiento de glucógeno es mayor en el músculo. Sin embargo, el hígado almacena
mucho más glucógeno por gramos que el músculo.
Además del citoplasma, el hígado y el músculo esquelético, existen otros órganos que también almacenan
glucógeno: TJ adiposo, cerebro y Ms cardiaco, aunque no es mucha proporción.
¿Por qué es más abundante en % de glucógeno en el hígado que en el músculo, es decir, por qué el
hígado constituye el principal almacén del glucógeno? Porque la función del glucógeno en el hígado es
vital para la vida, ya que garantiza que la glucosa llegue correctamente al cerebro y a los glóbulos
rojos.
− Misión del glucógeno del hígado
Mantener la homeostasis de glucosa en sangre, es decir, mantener siempre una [glucosa] constante en
sangre, lo que resulta vital para la vida, pues la glucosa es la fuente principal de energía de todos los
órganos, y en especial del cerebro y de los glóbulos rojos o eritrocitos, ya que constituye su única
fuente de energía. El glucógeno del hígado se “rompe” en situación de ayuno (Ø de glucosa en sangre) ≈
expresión de su función de reserva de energía.
− Misión del glucógeno del músculo
En cambio el glucógeno del musculo no proporciona glucosa a las células ni a la circulación sanguínea, lo
empleará para consumo propio, es decir, el glucógeno que entra en el músculo no volverá a salir de él, no
se recupera. El glucógeno del músculo se “rompe” en situación de ejercicio.
b) HETEROPOLISACÁRIDOS
NITROGENADOS o GLUCOSAMINOGLUCANOS (GAG) - *interés fisiológico* - : forman parte de
la matriz extracelular, confiriendo resistencia a la misma.
Son azúcares constituidos por un azúcar urónico (grupo ácido), del que deriva el ácido hialurónico (otro
componente de la matriz extracelular) y un aminoazúcar (grupo amino).
Principales heteropolisacáridos nitrogenados de la matriz extracelular:
− Ácido Hialurónico ( ácido urónico)
− Sulfato de condroitina
− Queratán sulfato
Poseen un elevado número de cargas negativas o aniones (-), lo que les permite captar cationes (+)
como Ca2+, Mg2+… necesarios para la conformación de la matriz, y fijarlos en su estructura.
Además poseen muchos grupos –OH lo que significa que están altamente hidratados, por lo que confieren
fluidez.
HETERÓSIDOS (nivel superior de estructura): moléculas formadas por azúcares y otra
macromolécula (proteína o lípido)
GLUCOLÍPIDOS. En Mb celulares. Poseen mayor componente lipídico que glucídico.
GLUCOPROTEÍNAS
122](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-122-320.jpg)
![BIOQ GENERAL
• MONOTERPENOS = condensación de 2 isoprenos (10 ádC)
- Existen pocos fisiológicamente y predominan en el reino vegetal (aceites con olor
característico)
• DITERPENOS = asociación de 4 isoprenos (20 ádC)
- Tampoco existen muchos fisiológicamente (fitol)
• *TRITERPENOS* (el más importante de los terpenos fisiológicamente hablando) = asociación de 6
isoprenos (30 ádC)
- El representante de los triterpenos es el ESCUALENO, y de él derivan los esteroides.
• TERPENOS SUPERIORES: más de 6 moléculas de isopreno en su estructura. Son importantes
debido a que darán lugar a las VITAMINAS LIPOSOLUBLES ([1] difícil absorción y eliminación, [2]
almacenamiento en hígado y TJ adiposo, [3] tóxicas por exceso)
Ejemplos de Vit. liposolubles:
- Vit. E ≈ α ó γ-TOCOFEROL
Función antioxidante (reducen el riesgo de los radicales libres, neutralizándolos), especialmente
en su forma isómera α-tocoferol (el γ-tocoferol es el que ingerimos normalmente)
Se encuentra de forma natural en semillas (pipas, nueces, cacahuetes…) y en el aceite de oliva
y de girasol
*No es recomendable adquirir la Vit. E o α-tocoferol a través de suplementos vitamínicos,
porque se estará tomando un solo tipo de antioxidante, así que, por sí solo, actuará como
radical libre, potenciándose el efecto oxidante.
Su déficit provoca una alteración o mal funcionamiento celular, pues se destruirán las Mb
celulares
- Vit. A ≈ RETINOL
Pequeño poder antioxidante, aunque su función principal es hormonal, es decir, regula la división
celular (cáncer). Además, también constituye un pigmento que participa en la visión
Se encuentra de forma natural en frutas y verduras rojas (fresas, tomates…)
Su déficit provoca ceguera nocturna
- Vit. K
Participa en los procesos de coagulación Su déficit inhibe la cascada de
coagulación sanguínea (hemorragias)
- Vit. D.
Participa haciendo posible la absorción del Ca2+
Se sintetiza a partir de un precursor tópico (de la piel) análogo al colesterol, por lo que no
necesitamos administrarlo de forma exógena.
Su déficit provoca raquitismo en niños y osteomalacia en adultos
125](https://image.slidesharecdn.com/bioqumicageneral-111123213607-phpapp02/85/Bioquimica-general-125-320.jpg)
Subido porBárbara Soto Dávila
Bioquímica general
Este documento presenta una introducción a la bioquímica general, con énfasis en las proteínas, aminoácidos, péptidos y agua. Se clasifican las proteínas según su función, composición y forma. Los aminoácidos son los bloques constitutivos de las proteínas y se clasifican en proteicos y no proteicos. El agua es esencial para la vida y tiene propiedades únicas como su capacidad para formar enlaces de hidrógeno y actuar como disolvente universal. El pH y los tampones juegan un pap
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Bioquímica general
- 1. Bioquímica general Bioquímica general Alberto Gómez & Laura del Olmo 1º de Medicina Alberto Gómez & Laura del Olmo 1
- 2. Bioquímica general Índice decontenidos Introducción: El agua………………………………………………….…………………………………….3 Proteínas Tema 2. Aminoácidos, péptidos y proteínas…………………………..………………………………....8 Tema 3. Ejemplos de proteínas……………………………………….………………………………….37 Enzimas Tema 4. Cinética enzimática……………………………………………………………………….……..77 Tema 5. Regulación enzimática………………………………………………………………………….96 Tema 6. Coenzimas…………………………………………………………………………………...…106 Otras biomoléculas Tema 7. Hidratos de carbono……………………………………………………………….…………..116 Tema 8. Lípidos……………………………………………………………………………….………….124 Tema 9. Bioenergética……………………………………………………………………………..…….136 Alberto Gómez & Laura del Olmo 2
- 3. Bioquímica general Leccion 1 Elagua Importancia biológica El agua es la sustancia inorgánica de mayor importancia biológica, esta importancia se debe en gran parte a sus características, que son las siguientes: • Se trata, como ya ha sido mencionado, de una molécula inorgánica • Constituye las 2/3 partes del organismo de media, aunque existen variaciones en el porcentaje determinadas sobre todo por la edad: − El recién nacido está compuesto en un 80% de agua − El individuo adulto esta cantidad disminuye al 70% de agua − En el anciano, esta cantidad ronda el 60-65% de agua • Al ser uno de los principales componentes del organismo, forma parte de todos los líquidos del cuerpo. • Determina la estructura de numerosas macromoléculas, resaltando fundamentalmente proteínas y enzimas. • Tiene una importante función disolvente, de la que se hablara mas adelante • Participa activamente en la respiración, siendo el medio en el que se lleva a cabo el intercambio de gases por disolución de los mismos. • Participa en la digestión • Favorece la absorción de nutrientes. Estructura El agua es un dipolo que presenta dos cargas parciales, una carga δ+ en cada uno de los hidrógenos y una carga δ2- Alberto Gómez & Laura del Olmo 3
- 4. Bioquímica general Propiedades Las propiedadesque hacen del agua imprescindible para la vida son fundamentalmente las siguientes: • Puede formar enlaces de hidrógeno. Debido a que es una molécula que presenta un marcado momento dipolar, el agua puede formar enlaces de hidrógeno entre sí, y con otras moléculas con electronegatividad de distinto signo, este enlace de enorme importancia biológica presenta las siguientes características: − Es un enlace débil de naturaleza electrónica, pero es estable en la dirección adecuada − Es un enlace cooperativo, pues favorece la formación de otros enlaces − Es un enlace dinámico debido a que se forma y se rompe con facilidad. • El agua se trata del disolvente cuasi-universal, por tanto puede disolver las siguientes sustancias: − Sustancias iónicas, formando esferas de solvatación con los iones. El agua tiene una elevada constante dieléctrica lo que facilita la separación de cargas con distinto signo. − Sustancias polares no iónicas (p.e. OH, SH, COOH, NH2). Disuelve estas sustancias empleando enlaces iónicos o de hidrógeno y forma clatratos. − Es en cambio incapaz de disolver sustancias apolares, pero es capaz de dispersar sustancias anfóteras y anfolitos, que se disponen en micelas en un medio acuoso. • El agua es altamente termorreguladora. Esto se debe a que es preciso aportar mucha energía para romper los enlaces de hidrogeno, por ello también el agua tiene un elevado calor de vaporización, y es un excelente conductor térmico. • Distinta densidad en estado líquido/sólido. El agua líquida es mas densa que el agua sólida debido a la apertura angular que pasa de ser de 104,5º en el agua líquida, a 109,5º en el agua sólida. • El agua tiene una elevada tensión superficial debido al ordenamiento de sus moléculas. Fisiológicamente esto presenta un problema en la presión sanguínea que debería ser muy elevada, pero el organismo soluciona esto favoreciendo el intercambio de materia células/sangre, con lo que aumenta el desorden molecular, y se rompe la tensión superficial. Balance hídrico El organismo siempre controla la concentración de sustancias perjudiciales en exceso, como la glucosa, o el agua. El organismo ha de mantener la concentración acuosa constante en la sangre y en el interior celular (mediante la homeostasis del H2O). Esta regulación depende de la ingesta de sólidos y líquidos (que provienen tanto de alimentos, bebida, y agua metabólica). El exceso de agua se elimina a través de orina, piel (sudor), y respiración. En el medio celular, el intercambio de agua con el medio se realiza a través de proteínas transmembrana denominadas acuaporinas, y depende de la concentración iónica a ambos lados de la célula. Si la concentración iónica [Ión] en el interior de la célula [Iónint] es igual a la del exterior de la célula [Ionext] y a su vez es igual al 0,9%, hablamos de un medio isotónico. En cambio si la concentración iónica exterior es mayor que la intracelular, hablamos de un medio hipertónico. Para igualar su concentración con la del medio, la célula expulsa agua al exterior, Alberto Gómez & Laura del Olmo 4
- 5. Bioquímica general pudiendo producirseplasmolisis. Cuando la concentración iónica exterior es inferior a la intracelular se habla de un medio hipotónico, entrando agua al interior de la célula para compensar la diferencia, y produciéndose turgencia celular. Ambos fenómenos (turgencia y plasmolisis) pueden conducir a la citolisis o muerte celular. Electrolitos y pH El agua en sí es un electrolito débil que se ioniza según la formula (H2O->H3O++OH-) tiene una baja constante de equilibrio Keq Normalmente en el agua pura, las concentraciones moleculares son las siguientes: − [H2O]= 55,55 M − [H3O+]= 10-7 M − [OH-]= 10-7 Se ha definido una nueva constante, Kw, que se obtiene multiplicando [H3O+] por [OH-] y es igual a 10-14 El pH se obtiene mediante el –log[H3O] (u [H+]) El pH es una medida de gran importancia biológica que determina entre otras cosas la estructura de todas las moléculas del organismo, fundamentalmente las proteínas (y dentro de estas, las enzimas), que a valores fuera de parámetros biológicos (pH= 7) se desnaturalizan. No podemos hablar de un pH fisiológico como tal, ya que en distintas partes del organismo existen distintos pH, como por ejemplo los siguientes: − pH(sangre)= 7,35 - 7,45 − pH(intracelular)= 6,8 − pH(gástrico)= 1,5 – 3 − pH(páncreas)= 8 – 8,5 Tampones Los tampones se tratan de sistemas encargados de mantener constante el pH. En el organismo existen tres sistemas de amortiguación de pH: 1.) Tampones especies químicas. En ellos coexisten en equilibrio una especie ácida y una especie básica. Según la siguiente reacción, extraemos una nueva constante en los tampones: pK Keq= [A-]·[H3O+]/[AH] Keq·[AH-]=[A-]·[H3O+] [H+]=Keq·[AH]/[A-] Alberto Gómez & Laura del Olmo 5
- 6. Bioquímica general -log[H+]=-log(Keq)+log([A-]/[AH]) [ A−] pH = pK + log [ AH ] Esta es la fórmula de Henderson-Hasselbach, que determina el comportamiento de los tampones, sabiendo su pK y sus concentraciones de especie ácida y básica [ Base] pH = pK + log [ Ácido] Los tampones cumplen las siguientes características − El pK de un tampón determina su eficacia amortiguadora con respecto al medio. Ésta capacidad es máxima cuando pK= pH ± 1 − El pH de un tampón depende de la relación entre su especie ácida, y su especie básica, y permanece invariable a la dilución − La capacidad amortiguadora de un tampón depende de su concentración total Los principales sistemas especie química en el organismo son los siguientes Medio intracelular. Tampón fosfato H3PO4 –(1)- H2PO4- -(2)- HPO42- -(3)- PO43- (1) pK= 1,98 (Sólo neutraliza hidroxilos) (2) pK= 6,8 (3) pK= 12 (Sólo neutraliza protones) Medio extracelular (sangre). Tampón bicarbonato En este tampón intervienen activamente el sistema renal, y respiratorio a pesar de ser un tampón especie química. CO2 (pulmones) -> CO2 + H2O –(1)- H2CO3 –(2)- HCO3- (Especie bicarbonato) Este tampón tiene las siguientes características: − pK= 6,1 − Alta concentración de bicarbonato (22-26 Mm) y aproximadamente 20 veces más de bicarbonato que de dióxido de carbono − La especie ácida es el CO2 y la básica el HCO3- Alberto Gómez & Laura del Olmo 6
- 7. Bioquímica general − El dióxido de carbono se elimina mediante los pulmones, si estos fallan, se produce una acidosis (bajada de pH en sangre) respiratoria al aumentar la concentración de (especie acida) en sangre, en cambio, si se produce hiperventilación, se produce alcalosis (subida de pH en sangre) al eliminarse demasiada especie acida − El bicarbonato se elimina vía renal, por ello si fallan los riñones por defecto se produce una alcalosis metabólica al no eliminarse suficiente bicarbonato, y si fallan por exceso de eliminación, se producirá una acidosis metabólica. − La acidosis es una afección que consiste en que el pH sanguíneo baje por debajo de 7,35 − La alcalosis es una afección que consiste en que el pH sanguíneo suba por encima de 7,45 Alberto Gómez & Laura del Olmo 7
- 8. Bioquímica general Tema 2 AMINOÁCIDOS,PÉPTIDOS y PROTEÍNAS PROTEÍNA = una de las moléculas más versátiles de nuestro organismo cuyos bloques constitutivos son los AMINOÁCIDOS Existen muchos sistemas de clasificación de las proteínas. Nosotros las clasificaremos según 3 criterios: CRITERIO I: según su FUNCIÓN 1. ESTRUCTURALES: su misión es conferir CONSISTENCIA a un orgánulo o TJ. Se pueden encontrar en la MB de las células, en las uñas o en los cabellos, en el líquido intersticial, en el ADN (dan consistencia a los CR)… 2. RECONOCIMIENTO de sustancias o moléculas que se encuentran fuera de la célula. Ej.: en un diabético la insulina actúa “metiendo” la glucosa dentro de las células. ¿Cuál es la función concreta de la insulina? Avisar a las células de la existencia de glucosa en el medio que puede ser utilizada. ¿Cómo actúa? “Toca” un receptor al que se une, activando a los canales de glucosa (= funcionamiento de todas las hormonas). 3. ENZIMÁTICA: ¿qué somos? reacciones químicas catalizadas por enzimas. 4. TRANSPORTADORA: de O2 (aquoporinas), de lípidos apolares, de e- en la cadena respiratoria… a través de la MB. 5. HORMONAL 6. DE DEFENSA: proceso inmune. CRITERIO II: según su COMPOSICIÓN 1. SIMPLES: sólo por aá = HOLOPROTEÍNAS 2. CONJUGADAS: parte no proteica o grupo prostético + parte proteica (aá) = HETEROPROTEÍNAS • Tipos de grupos prostéticos (partes no proteicas): metales (citocromos), grupos hemo (hemoglobina), lípidos, glúcidos… Los iones resultan esenciales para que se unan. CRITERIO III: según su FORMA/MORFOLOGÍA 1. FIBROSAS: aspecto de fibra e INSOLUBLES en agua Ej.: colágeno 2. GLOBULARES: aspecto esférico (tridimensionales) y SOLUBLES en agua Así una proteína se puede encajar dentro de los 3 criterios de clasificación. Ej.: hemoglobina = - Según su función - Según su composición transportadora heteroproteína Alberto Gómez & Laura del Olmo 8
- 9. Bioquímica general - Según su forma globular AMINOÁCIDOS (AÁ) = bloques constitutivos de las proteínas Clasificación 1. PROTEICOS = forman parte de las proteínas 2. NO PROTEICOS = jamás van a formar parte de las proteínas como los aá ornitina y citrulina, que son intermediarios en el metabolismo de algunos compuestos nitrogenados en el organismo. 1. PROTEICOS A. COMUNES: una vez transcritos forman parte tal cual de la proteína. Ej.: los 20 aá comunes en las proteínas B. NO COMUNES: una vez transcritos y que ya forman parte de la proteína sufren una modificación. Hay algunos aá raros que forman parte de algunos tipos particulares de proteínas, tales como las fibrosas. Por ejemplo, el aá hidroxiprolina se encuentra casi exclusivamente en la proteína llamada colágena. Hay otros aá que no forman parte de ninguna proteína. Estructura Constan de un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo distintivo R (cadena lateral), unidos al átomo de carbono α. El grupo distintivo R o cadena lateral determinará su clasificación. CLASIFICACIÓN DE LOS AÁ COMUNES I. Según la polaridad de la cadena lateral distinguimos 2 grandes grupos: POLARES - Sin carga neta - Con carga neta APOLARES = Ø carga ¡OJO! la Glycina es APOLAR (así lo consideramos en clase aunque en alguno sitios la consideren polar) Características aá APOLARES Todas las cadenas laterales ® apolares están formadas por CADENAS HIDROCARBONADAS ALIFÁTICAS (no se pueden ionizar) y se encuentran separadas por un C de la estructura común 3 Excepciones: • Glycina • Prolina = su cadena lateral se encuentra directamente unida al Cα • Alanina y al α-amino Aparecen otros grupos que según el giro: • Grupos benceno = fenialanina • Grupos indol = triptófano Alberto Gómez & Laura del Olmo 9
- 10. Bioquímica general Características aá POLARES - Todos separados - Aparecen otros grupos que se pueden ionizar: -OH, amida, tiol… Casi nunca van a aparecer ionizados porque no van a tener carga en nuestro cuerpo AÁ POLARES SIN CARGA CON CARGA HYSTIDINA = grupo IMIDAZOL Hay otros grupos que sí aportan cargas: • ÁCIDOS = cadena lateral negativa • BASES = cadena lateral positiva Existen otros grupos –COO- y –NH3+ en las cadenas laterales que no se deben confundir con el Cα Ej.: Cα-CβH2-COO- = β-carboxilo II. Según la NATURALEZA de los GRUPOS FUNCIONALES que se encuentran dentro de las CADENAS LATERALES - Alifáticos - Cíclicos - Aromáticos = benceno - Carboxílicos - Azufrados - Aminos - *Hidroxílicos* = los más - Imidazol importantes porque permiten unir el P, lo que determina que las … cadenas metabólicas funcionen o no III. Según su OBTENCIÓN ESENCIALES: dependemos de la dieta para adquirirlos NO ESENCIALES: los sintetizamos sin ningún problema Hay aá esenciales cuyo carácter “esencial” puede variar a lo largo de las etapas de la vida. Ejemplo.: - His = esencial en niños y jóvenes - Lys = esencial en adultos - Arg = esencial en niños Estructura Los 20 tipos de cadenas laterales de los aminoácidos que conforman las proteínas, varían en tamaño, forma, carga, capacidad de formar puentes de hidrógeno y reactividad química. La Alberto Gómez & Laura del Olmo 10
- 11. Bioquímica general clasificación de aminoácidos se hace con base en la estructura y polaridad de sus cadenas laterales. Aminoácidos con cadenas laterales alifáticas Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina Prolina (Gly, G) (Ala, A) (Val, V) (Leu, L) (Ile, I) (Pro, P) Aminoácidos con cadenas laterales aromáticas Fenilalanina Tirosina Triptófano (Phe, F) (Tyr, Y) (Trp, W) Aminoácidos con cadenas laterales azufradas Cisteína Metionina (Cys, C) (Met, M) Aminoácidos con cadenas laterales hidroxiladas Alberto Gómez & Laura del Olmo 11
- 12. Bioquímica general Serina Treonina (Ser, S) (Thr, T) Aminoácidos con cadenas laterales básicas Lisina Arginina Histidina (Lys, K) (Arg, R) (His, H) pKa=10.8 pKa=12.5 pKa=6.0 Aminoácidos con cadenas laterales ácidas y sus amidas respectivas Aspartato Glutamato Asparagina Glutamina (Asp, D) (Glu, E) (Asn, N) (Gln, Q) pKa=4.0 pKa=4.3 1/10/2010 ESTRUCTURA DE LOS AÁ COMUNES PROPIEDADES FÍSICAS Alberto Gómez & Laura del Olmo 12
- 13. Bioquímica general Entodos los aminoácidos, *excepto la glicina = glicocola*, el carbono-a está unido a cuatro sustituyentes/radicales diferentes: grupo amino, carboxilo, cadena lateral (R) e hidrógeno Debido a esto, el carbono-a constituye un centro quiral = sitio donde es posible tener 2 configuraciones diferentes, que son imágenes especulares no superponibles, llamadas ENANTIÓMEROS Los enantiómeros se pueden distinguir porque rotan de manera diferente el plano de la luz polarizada. Todos los aminoácidos que forman parte de las proteínas son enantiómeros L. Algunos D- aminoácidos se encuentran en péptidos sintetizados fuera de los ribosomas. La forma química correcta de “escribir” un aá es colocando el grupo α-carboxilo en la parte superior porque es el grupo más oxidado. Características del Cα - Es un carbono asimétrico porque posee 4 sustituyentes o radicales distintos *Excepto la glicina o glicocola porque su cadena lateral es un H, así que posee 2 sustituyentes iguales* - Debido a ello constituye un centro quiral, por lo que los aá pueden existir como IMÁGENES ESPECULARES NO SUPERPONIBLES - Esto confiere una propiedad física, la ENANTIOMERÍA Formas en las que el grupo 3HN+α puede adquirir una orientación concreta en el espacio Hay 2 formas de representar a los ENANTIÓMEROS MODELO CONVENCIONAL 2 tipos: 1. Según a dónde desvíen el plano de la luz polarizada a) (+) Dextrógiro = hacia la b) (-) Levógiro = hacia la derecha izquierda No posee ninguna trascendencia fisiológica ya que el organismo no tiene haces de luz polarizada 2. Según la orientación que adopte 3HN+α con respecto a un eje imaginario CONVENCIÓN DE FISCHER = ¡trascendencia fisiológica! Gliceraldehído primero que se descubrió + Si el grupo 3HN α se queda hacia la IZQUIERDA = L aminoácido + 3HN -Cα ¡¡¡Gran trascendencia fisiológica!!! Todos nuestros aá son de la forma L Si el grupo 3HN+α se queda hacia la DERECHA = D aminoácido Cα -3HN+ Alberto Gómez & Laura del Olmo 13
- 14. Bioquímica general En humanos los D aminoácidos son TÓXICOS; el organismo los discrimina y los elimina por la orina, por lo que no debe haber Daá en nuestras proteínas ya que todas las reacciones enzimáticas de nuestro organismo son ESTEREOESPECÍFICAS, es decir, todas las reacciones químicas son capaces de diferenciar si el grupo α-amino se encuentra a la derecha o a la izquierda. Podemos encontrar Daá en la pared celular de las bacterias. Cuando éstas entran en nuestro organismo las atacamos rompiendo su pared. Si los acumulamos se almacenan en forma libre en nuestro organismo, por eso son tóxicos, porque aumenta la concentración y el organismo no sabe qué hacer con ellos. PROPIEDADES QUÍMICAS Derivan de su estructura; por tener un grupo amino y un grupo carboxilo = SUSTANCIAS ANFÓTERAS Se pueden comportar como ácido o como base Por tanto los aá ionizables se pueden describir a través de equilibrios de ionización y poseerán pK (valor del pH en el que tengo la misma cantidad de ácido y de base) a) Aminoácidos APOLARES Partimos de un aá común, con su grupo α-amino protonado, es decir, cargado positivamente, en un medio ácido (exceso de H+) + 3HN - CαH – COOH 1. El grupo α-carboxilo perderá 1 protón (y se desprenderá 1 H2O) dando lugar a una especie neutra capaz de captar un exceso de H+, y manteniéndose constante el pH: + - 3HN - CαH – COO pK1 = 1.5 – 2.5 - Hace referencia a la pérdida del H+ del Ácido carboxílico - 2. El siguiente grupo en perder 1 protón será el α-amino (y se desprenderá otra molécula de H2O) dando lugar a una especia cargada negativamente: - 2HN – CH – COO pK2 = 8 – 9.0 - Hace referencia al valor aproximado del pH en el que se pierde el H+ del grupo α-amino – Así podemos definir el PUNTO ISOELÉCTRICO (pI) = pH del aá sin q Valor del pH al cual el aá NO TIENE CARGA NETA, apareciendo la especie ZWITTERION Cálculo del pI (es un pH) = en este punto el aá no tiene carga Media de los valores de pH (a ambos lados) adyacentes a la especie sin carga (q) o especie ZWITTERION (q0): pI = pK1 + pK2 / 2 Propiedades ácido-base (derivan de las propiedades químicas = anfóteros) Todos los aminoácidos tienen por lo menos 2 grupos ionizables, y por lo tanto, su carga neta depende del pH del entorno - Los grupos carboxilo del Cα tienen valores de pKa entre 1.8 - 2.8 Alberto Gómez & Laura del Olmo 14
- 15. Bioquímica general - Los valores de pKa de los grupos α-amino varían entre 8.8 - 10.6 A pH neutro, los aminoácidos en disolución se encuentran como iones dipolares (zwitteriones), es decir, el grupo amino se encuentra protonado y el grupo carboxilo disociado Los aminoácidos ácidos y básicos también tienen grupos ionizables en su cadena lateral. Sus valores de pKa se encuentran tabulados. Para ilustrar la dependencia de la carga neta de un aminoácido con respecto al pH del entorno, se considerará al aminoácido histidina (curva de titulación de la His). Además de los grupos carboxilo y amino en el Cα, (valores de pKa de 1.8 y 9.2, respectivamente), la histidina tiene un anillo de imidazol en su cadena lateral con un valor de pKa de 6.0. Por lo tanto, la carga neta (la suma de las cargas positivas y negativas) cambia de +2 a -1 a medida que se incrementa el pH. A pH de 7.6, la carga neta es cero aunque la molécula contiene dos grupos casi completamente ionizados bajo estas condiciones. Al valor de pH donde la carga neta es cero, se llama punto isoeléctrico. El pI se calculará considerando los grupos imidazol (grupo R) y el grupo α-amino: - El primero al ionizarse da lugar a la especie con carga neta 0 pK2 = 6.0 - El segundo al ionizarse convierte a esta especie en una con carga neta -1 pK3 = 9.2 Así, el pKa será (6.0 + 9.2)/2 = 7.6 b) Aminoácidos POLARES SIN CARGA Ej.: Tyr posee un grupo –OH en la cadena lateral, así que la pérdida del protón se producirá en el siguiente orden 1. – OH C O 2. –OH de la cadena lateral 3. -3HN ¡OJO! Aunque tengan en una cadena lateral 1 grupo polar sin carga, NO SE IONIZA FISIOLÓGICAMENTE, sino que SIGUE LAS MISMAS PAUTAS que Alberto Gómez & Laura del Olmo 15
- 16. Bioquímica general los AMINOÁCIDOS APOLARES c) Aminoácidos POLARES CON CARGA ÁCIDOS (R-COOH) 1. El 1er H+ que siempre se pierde sin excepción es el del grupo α-carboxilo = pK1 El grupo α-amino va a tirar del grupo α-carboxilo facilitando que éste pierda su protón 2. En siguiente grupo en perder el protón será el grupo polar cargado de la cadena lateral del aá ÁCIDO = pKR 3. Por último el grupo α-amino perderá su protón = pK2 El rango sigue siendo el mismo que el de los aá apolares sin carga: - pK1 = 1.5-2.5 - pKR = ¿? - pK2 = 8-9 pI = pK1 + pKR / 2 Curva de Ionización 4-6/10/2010 Alberto Gómez & Laura del Olmo 16
- 17. Bioquímica general Recordatorio: un aminoácido es una SUSTANCIA ANFÓTERA - En un medio ácido exceso de H+ - En un aá neutro (apolar o polar sin carga): - α-COOH = 1º en desprotonar SIEMPRE - α-NH3+ = 2º en desprotonar pI = pK1 + pK2 / 2 En un aá ácido (polar con q) se desprotonará primero el grupo ácido de la cadena lateral (R-COOH) que el grupo α-NH3+ pI = pK1 + pKR / 2 En un aá básico (polar con q) se desprotonará primero el grupo α- NH3+ que el grupo básico de la cadena lateral (R-NH3+) pI = pK2 + pKR / 2 d) Aminoácidos POLARES CON CARGA BÁSICOS (R-NH3+) 1. El 1er H+ que siempre se pierde sin excepción es el del grupo α-carboxilo = pK1 2. El siguiente grupo en perder el protón será el grupo α-amino = pK2 3. Por último el grupo polar cargado de la cadena lateral del aá BÁSICO perderá su protón = pKR pI = pK2 + pKR / 2 Tampones orgánicos: Las proteínas y aminoácidos como tampón Los aminoácidos y proteínas son electrolitos anfóteros, es decir, pueden tanto ceder protones (ácidos) como captarlos (bases) y, a un determinado pH (en su pI), tener ambos comportamientos al mismo tiempo. La carga depende del pH del medio: • En un medio muy básico se cargan negativamente • En un medio muy ácido se cargan positivamente Desde el punto de vista fisiológico este tipo de amortiguador resulta de especial interés a nivel tisular. Casi ningún aminoácido puede comportarse como un tampón en la sangre o en el medio intracelular; sí en el jugo gástrico. • A pH = 8-9 (básico) todos los aminoácidos actuarán como tampón se cargarán negativamente Alberto Gómez & Laura del Olmo 17
- 18. Bioquímica general • A pH < 7 (ácido) los aminoácidos se cargarán positivamente *Excepción*: HISTIDINA (His) pKR = 6 Posee en su cadena lateral (R) 1 Grupo IMIDAZOL ciclado, con 2 grupos amino (captan 1 H+ de más) Es un IMINOÁCIDO = molécula que contiene tanto un grupo funcional imino (>C=NH) como un carboxilo (-COOH). - 1er H+ en desprotonar -COOH - 2º H+ en desprotonar uno de los grupos amino de la cadena lateral -NH ¡Único aminoácido que en la sangre y en el medio intracelular puede actuar como acidificador (dador de protones H+)! Enorme importancia en la funcionalidad de la hemoglobina – Hb – (en los glóbulos rojos) = transporte de O2 La histidina contiene un grupo IMIDAZOL, un anillo aromático que también puede estar cargado positivamente. Con un valor de pKR cercano a 6, el grupo imidazol puede estar sin carga o cargado positivamente en las proximidades del pH neutro, dependiendo del entorno local. Por ello, la histidina se encuentra a menudo en los centros activos enzimáticos, donde el anillo de imidazol puede unir y liberar protones durante las reacciones que se dan en ellos. Los aminoácidos se pueden clasificar según su grupo R 5 clases principales basadas en las propiedades de sus grupos R, en especial su polaridad, o tendencia a interaccionar con el agua a pH biológico (cerca de pH = 7.0). La polaridad de los grupos R varía enormemente desde totalmente apolar o hidrofóbico (insoluble en agua) a altamente polar o hidrofílico (soluble en agua). Dentro de c/clase existen gradaciones de polaridad, tamaño y forma de los grupos R. 1. Grupos R apolares alifáticos = glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina y metionina 2. Grupos R aromáticos = fenilalanina, tirosina y triptófano 3. Grupos R polares sin carga = serina, treonina, cisteína, asparagina y glutamina Son más solubles en agua, o más hidrofílicos, que los de los aá apolares, debido a que contienen grupos funcionales que forman puentes de H con el agua. Fisiológicamente no pierden el H+ del grupo -OH *Excepciones* La serina (ser) y la cisteína (cys), en el plegamiento de la proteína se encuentran localizadas en el centro activo de la proteína; por lo que, en condiciones adecuadas y en determinadas proteínas sí se puede perder ese H+ del grupo –OH o tiol (-SH) Serina (ser) Su polaridad proviene de sus grupos –OH Cisteína (cys) Alberto Gómez & Laura del Olmo 18
- 19. Bioquímica general Su polaridadproviene de su grupo sulfhidrilo -SH = ácido débil que puede establecer enlaces de H débiles con el O2 o el N2 La cisteína se oxida con suma facilidad formando un aminoácido dimérico unido covalentemente llamado cistina, en el que 2 moléculas de cisteína están unidas a través de un enlace disulfuro. Los residuos unidos por un enlace disulfuro son fuertemente hidrofóbicos o apolares. Desempeñan un papel esencial en la estructura de muchas proteínas puesto que forman uniones covalentes entre partes de una molécula de proteína o entre dos cadenas proteica diferentes 4. Grupos R cargados positivamente (básicos) = lisina, arginina e histidina *Aunque el grupo R de la histidina se muestra sin carga, su pKR es tal que una fracción pequeña pero significativa de estos grupos está cargada positivamente a pH = 7.0 Al ser el único aminoácido común que posee una cadena lateral ionizable con un pKR próximo a la neutralidad, la histidina tanto puede estar cargada positivamente (forma protonada) como no tener carga a pH = 7.0 Los residuos de His facilitan muchas reacciones catalizados por enzimas al servir de dadores/aceptores de protones. 5. Grupos R cargados negativamente (ácidos) = aspartato y glutamato Los 2 aminoácidos que tienen grupos R con una carga neta negativa a pH 7.0 son el aspartato y el glutamato, cada uno de los cuales tiene un 2º grupo carboxilo. Otra propiedad: CAPACIDAD DE ABSORBANCIA DE LA LUZ Los aminoácidos pueden absorber la luz a una longitud de onda (λ) determinada: λ = 220 nm máximo de absorbancia característico Los aminoácidos con grupos R aromáticos, debido a su estructura hexagonal, poseen un máximo de absorbancia mayor: λ = 280 nm SUSCEPTIBLES DE SUFRIR REACCIONES QUÍMICAS Los aminoácidos, debido a sus grupos –COOH y –NH3 son susceptibles de sufrir reacciones químicas. A. Debidas al grupo α-COOH: 1. ESTERIFICACIÓN: proceso por el cual se sintetiza un éster (compuesto derivado de la reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol) y se desprende 1 molécula de H2O. Es una de las formas que tienen las moléculas para interaccionar con los aminoácidos. 2. “AMIDACIÓN”: proceso por el cual se sintetiza una amida por sustitución del grupo — OH del ácido por un grupo —NH2, —NHR o —NRR' (llamado grupo amino) y se desprende 1 molécula de H2O. 3. DESCARBOXILACIÓN a AMINAS: proceso por el cual se sintetiza una AMINA mediante una reacción química en la cual el grupo carboxilo es eliminado del compuesto en forma de dióxido de carbono (CO2) con la pérdida de 1 molécula de H2O. Ej.: histidina histamina Es una reacción NO ESPONTÁNEA, catalizada por ENZIMAS del tipo DESCARBOXILASAS. Alberto Gómez & Laura del Olmo 19
- 20. Bioquímica general B. Debidas al grupo α-NH3: 1. Adición de ÁCIDOS ORGÁNICOS (otro aminoácido R-COOH) con la formación de un ENLACE AMIDA o PEPTÍDICO (O=C-N-H) y con la pérdida de 1 molécula de H2O. 2. Adición de ALDEHÍDOS (R-CH=O) con la formación de una BASE de SCHIFF = grupo funcional que contiene un enlace doble carbono-nitrógeno el cual constituye un enlace fisiológico muy fuerte; y pérdida de 1 molécula de H2O. 3. DESAMINACIÓN OXIDATIVA (en presencia de una enzima) con pérdida de 1 molécula de H2O. Consiste en una deshidrogenación enzimática del aminoácido, el cual se hidroliza por una reacción no enzimática, formando el ácido α cetónico correspondiente y amoniaco. C. Debido a grupos reactivos en las CADENAS LATERALES (R): Grupo HIDROXILO (-OH) Grupo TIOL o Sulfhidrilo (muy reactivo): compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH). - El grupo tiol es el análogo del azufre al grupo hidroxilo (-OH), que se encuentra en los alcoholes • CISTEÍNA (tiol muy importante): se oxida formando un ENLACE DISULFURO. Para formarlo necesita energía, y una vez constituido cuesta mucho romperlo. - Gran importancia fisiológica: refuerza la estructura terciaria o cuaternaria de las proteínas, además de formar parte de centros activos enzimáticos. Cuando los grupos tiol de 2 residuos de cisteína (como en monómeros o unidades constituyentes) se acercan uno al otro durante el plegamiento de proteínas, una reacción de oxidación puede crear una unidad de cistina con un enlace disulfuro (-S- S-). Importancia biológico-fisiológica del enlace disulfuro Alberto Gómez & Laura del Olmo 20
- 21. Bioquímica general - Pueden contribuir a la estructura terciaria de una proteína si las císteinas forman parte de una misma cadena peptídica o contribuir a la estructura cuaternaria de proteínas multiméricas formando fuertes enlaces covalentes entre diferentes cadenas de péptidos. - Las cadenas pesadas y ligeras de los anticuerpos se mantienen unidas por puentes disulfuro. - Los pliegues en el pelo rizado son producto de la formación de cistina. - Los productos químicos utilizados en el alisamiento del cabello son reductores de puentes disulfuro de cistina a cisteína con grupos sulfhidrilo libres, mientras que los productos químicos utilizados en el cabello rizado son oxidantes que oxidan los grupos sulfhidrilo de la cisteína y forman puentes disulfuro de cistina. - Los grupos sulfhidrilo en el sitio activo de una enzima pueden formar enlaces no covalentes con la enzima y el sustrato, lo que contribuye a la actividad catalítica. AÁ NO COMUNES O MODIFICADOS Una vez transcritos y que ya forman parte de la proteína sufren una modificación. En realidad podríamos hablar de aá comunes que sufren una modificación una vez incorporados a la proteína. a) PROTEICOS. Sufren modificación por: - CARBOXILACIÓN de un grupo fosfato (P) regula la actividad enzimática - HIDROXILACIÓN - METILACIÓN: adición de un grupo - FOSFORILACIÓN (una de las metilo metilcisteína, metilserina reacciones químicas más importantes del organismo): adición - ACETILACIÓN acetilglutámico Por ej.: el aá hidroxiprolina y la hidroxilisina (modificados por hidroxilación) se encuentran casi exclusivamente en el colágeno (proteína). Comentado en clase: ¿Por qué es importante la glucosa (hígado músculo, cerebro)? - Proporciona energía a nuestras células de forma rápida - Es la única fuente de energía del cerebro ¿Cómo sabe la célula que tiene glucosa? - Será necesario fosforilar esa glucosa para que la célula sepa que la tiene que degradarla b) NO PROTEICOS. No forman parte de ninguna proteína. Funciones • HORMONAL. Por ej.: tiroxina tirosina • NEUROTRANSMISORA. Por ej.: ácido glutámico (descarboxilación) ácido gamma- aminobutírico (GABA) = principal neurotransmisor inhibitorio cerebral • ANTIOXIDANTE Alberto Gómez & Laura del Olmo 21
- 22. Bioquímica general NIVELES ESTRUCTURALES DE LAS PROTEÍNAS ¿Cómo se van a unir los aminoácidos? ENLACES PEPTÍDICOS = enlace covalente fuerte y resistente que permite unir ≠ aá entre sí - Formación: • Catalizado enzimáticamente • Hay un gasto de energía (ATP/GTP) • En una zona concreta de la célula: los ribosomas • Siempre interviene: α-Carboxilo de un aá α-Amino del siguiente = Reacción de deshidratación con la pérdida de 1 molécula de H2O - Nomenclatura: la unión de 2 aá da lugar a un DIPÉPTIDO; 3aá = tripéptido; 4aá = tetrapéptido… Conclusión: como resultado de la unión de 2 aminoácidos a través del enlace peptídico se forman PÉPTIDOS - Características 1. Presenta una particularidad, es un HÍBRIDO DE RESONANCIA; es decir, tiene carácter de ENLACE SENCILLO y ENLACE DOBLE (oscila entre una forma sencilla-doble), lo que resulta fisiológicamente importante. • 60% = simples 60 simples > 40 dobles • 40% = dobles Esto condiciona que los elementos que forman parte del enlace peptídico se encuentren en un MISMO PLANO 2. Ø CAPACIDAD de GIRO. Derivado de la oscilación simple-doble, los elementos que forman parte del enlace peptídico (O=C-NH) se encuentran en un MISMO PLANO constituyendo un enlace rígido, por lo que no pueden girar. Al no poder girar, el péptido resultante limita su capacidad de giro a los enlaces del Canomérico o Cα. 3. La capacidad de giro del péptido resultante se limita al Cα Alberto Gómez & Laura del Olmo 22
- 23. Bioquímica general 4. El oxígeno (O) y el hidrógeno (H) que se encuentran dentro del plano adoptan una disposición TRANS: - O a un lado del plano - H al otro lado del plano (lado opuesto al O) *CYS: en un mismo plano 5. Siempre que la proteína pueda las cadenas laterales (R) de los aminoácidos adyacentes se sitúan a ambos lados del eje imaginario que podríamos establecer. 6. Capacidad de formar enlaces de hidrógeno con otros elementos electronegativos (O, S, P) LÍMITE PÉPTIDO-PROTEÍNA (convenio) PÉPTIDO: resultado de la asociación de < de 50 aá PROTEÍNA: asociación de > de 50 aá Hay excepciones. Ej.: la insulina (secuencia de 51 aá) se considera un péptido PÉPTIDOS. Capacidad de IONIZACIÓN Capacidad de ionización debido a sus grupos: • α-amino • Grupos amino y carboxilo de las cadenas laterales (R) • α-carboxilo Se sintetizan siempre: Nt Ct - Grupo α amino-terminal = izquierda - Grupo α carboxilo-terminal = derecha Conclusión: la ionización queda limitada a estos extremos terminales y a los grupos amino y carboxilo de las cadenas laterales (R) Excepción: grupo hidroxilo (-OH) y grupo TIOL (-SH) de la cisteína PROTEÍNAS. PUNTO ISOELÉCTRICO (Pi) Todas las proteínas tienen un pI característico, determinado por los grupos que se pueden ionizar en esa proteína. HORMONAS = PÉPTIDOS INSULINA: indica a las células de los TJ que hay glucosa en circulación (sangre) que pueden utilizar. • 2 Tejidos que si usan glucosa no la devuelven a la sangre: muscular y adiposo Alberto Gómez & Laura del Olmo 23
- 24. Bioquímica general • En cambio, la glucosa que entra en el hígado es devuelta a la sangre por la vena porta GLUCAGÓN (sintetizado en el páncreas): indica los niveles de glucosa en sangre. Es complementario a la insulina, ya que indica a las células de los TJ que no tienen glucosa homeostasis • Insulina = hay glucosa • Glucagón = no hay glucosa Desmayo = llega poca glucosa al cerebro levantar piernas para facilitar la circulación de la glucosa hasta el cerebro OXITOCINA (5 aá): regula la contracción uterina – importante para la dilatación cervical previa al parto. VASOPRESINA (9 aá): regula la presión, y por tanto, la tensión arterial Hormona antidiurética (ADH), o arginina vasopresina (AVP) Liberada principalmente en respuesta a cambios en la osmolaridad sérica o en el volumen sanguíneo - Hace que los riñones conserven agua mediante la concentración de orina y la reducción de su volumen, estimulando la reabsorción de agua. - También tiene funciones en el cerebro y en los vasos sanguíneos. Curiosidad: el consumo de alcohol hace que esta hormona se inhiba y no se produzca la reabsorción del agua. Esta agua es desechada por la orina, razón por la cual se acude tanto al servicio cuando se bebe alcohol. NEUROTRANSMISORES = PÉPTIDOS Endorfinas (“hormona de la alegría”) Encefalinas Neurotransmisores opioides producidos en el Sistema Nervioso Central como moduladores del dolor, reproducción, temperatura corporal, hambre y funciones reproductivas. Sustancia P: participa en la percepción del dolor. AGENTES VASOACTIVOS: reguladores de la presión y tensión en el interior de venas y arterias = PÉPTIDOS Bradiquinina (9 aá): causa vasodilatación disminuye la PA y la TA Angiotensina: causa vasoconstricción aumenta la PA y la TA ANTIOXIDANTES = PÉPTIDOS GLUTATIÓN (3 aá - tripéptido): principal antioxidante intracelular que ayuda a proteger las células de especies reactivas de oxígeno (como los radicales libres o peróxidos). - Ác. glutámico (Glu) - Glicina (Gly) - Cisteína (Cys) ANTIBIÓTICOS = PÉPTIDOS Valinomicina: rompe la pared D de las bacterias Alberto Gómez & Laura del Olmo 24
- 25. Bioquímica general - Péptido cíclico con acción antibiótica que contiene aminoácidos de la serie D - Es un ionóforo: capaz de transportar iones potasio a través de las MB biológicas. Amanita = PÉPTIDO TÓXICO 8/10/2010 NIVELES ESTRUCTURALES Las proteínas tienden a adoptar en el espacio una estructura de máxima estabilidad que guiará al resto de estructuras = ESTRUCTURA NATIVA - Características de la estructura nativa: • Estructura de máxima estabilidad de una proteína • Funcional • Supone la disposición final de la proteína en el espacio • El alcanzarla condiciona todos los niveles estructurales que tiene esa proteína Los aá polares se disponen esencialmente en el exterior, y tienden a estar separados para que no aparezcan interacciones entre ellos (cargas) o con el H2O, que conducirían al plegamiento de la proteína y su consecuente pérdida de funcionalidad (desnaturalización). El pI no tiene por qué coincidir con los valores de pK de los aá individuales, porque interaccionan entre ellos o con el medio, lo que hace que varíe este pI: - Si un aá posee un pK/pH < pI + (no hay carga suficiente para que la proteína pueda interactuar con el medio) - Si un aá posee un pK/pH = pI igual nº de cargas + que – por lo que no tiene carga neta (q0) - Si un aá posee un pK/pH > pI - Todas las proteínas alcanzan 3 niveles estructurales (hasta la estructura terciaria) pero solo algunas alcanzan un 4º nivel, la estructura cuaternaria. A. ESTRUCTURA PRIMARIA = estructura COVALENTE de las proteínas Secuencia de aá, orden en el que se encuentran colocados en la cadena peptídica. - Va a determinar indirectamente la función de la proteína, ya que determina su forma. - Va a determinar directamente: • La forma de la proteína • Su vida media • Su localización • La unión de otras moléculas a esa proteína (glúcidos, metales…grupos prostéticos o no aminoacídicos) y la presencia de modificaciones. Alberto Gómez & Laura del Olmo 25
- 26. Bioquímica general ¿Qué aá? ¿En qué orden? ¿Qué grupos prostéticos? Clasificación de las proteínas según su estructura primaria Las secuencias de aá de las proteínas pueden ser semejantes o no: Las proteínas con una estructura primaria semejante (muy conservada) = HOMÓLOGAS Las proteínas con una estructura primaria no semejante, que no se parece en nada (no conservada) = HETERÓLOGAS Clasificación de los aá que forman parte de la estructura primaria Dentro de la estructura primaria puede haber aá: Fundamentales para el funcionamiento de esa proteína, es decir, si fueran sustituidos por otros la proteína perdería su función = INVARIABLES No esenciales para el funcionamiento de la proteína = VARIABLES Gran importancia fisiológica: por ej., una de las teorías que se “baraja” acerca del origen del cáncer, es la mutación de los aá invariables de la proteína. Otra enfermedad debida a un cambio en 1 solo aá (invariable) es la anemia falciforme o drepanocítica, ya que la mutación en ese aá hace que la hemoglobina (Hb) cambie su forma, por tanto el eritrocito cambia también la suya (de forma normal bicóncava forma patológica de media luna) lo que hace que se “atasque”, provocando obstrucciones o trombos. Es una hemoglobinopatía, enfermedad que afecta a la hemoglobina, una proteína que forma parte de los glóbulos rojos y se encarga del transporte de oxígeno. Es de origen genético y se da por la sustitución de un aminoácido en su conformación, lo que provoca que a baja tensión de oxígeno la hemoglobina se deforme y el eritrocito adquiera apariencia de una hoz o media luna. La nueva forma provoca dificultad para la circulación de los glóbulos rojos, por ello se obstruyen los vasos sanguíneos y causan síntomas como dolor en las extremidades. Los glóbulos rojos también padecen de una vida más corta provocando anemia por no ser reemplazados a tiempo. La estructura primaria está sujeta fisiológicamente a alteraciones/modificaciones producidas por enzimas específicas PEPTIDASAS, que rompen la estructura “cortando” el enlace peptídico entre bastante aá Distintos tipos de peptidasas según donde actúen: Si actúan en los extremos (carboxilo) de la cadena peptídica (los más habituales) = CARBOXIPEPTIDASAS A, B y C - Carboxipeptidasa A: rompen el enlace peptídico (por el extremo carboxilo terminal) del último aminoácido si no es prolina (Pro), lisina (Lys) ni arginina (Arg) - Carboxipeptidasa B: exclusivamente si el último aminoácido es Pro, Lys o Arg Carboxipeptidasa A (complementaria) ~ de la Carboxipeptidasa B - Carboxipeptidasa C: exclusivamente si el último aminoácido es PROLINA, ya que se trata de un aá “difícil” debido a su cadena lateral alifática Las carboxipeptidasas pueden llegar a romper por completo la estructura proteica, y no se encuentran de forma libre en el organismo, sino que se sintetizan por un precursor activado por 1 señal. Alberto Gómez & Laura del Olmo 26
- 27. Bioquímica general Si actúan en el interior de la cadena peptídica = ENDOPEPTIDASAS c y n - Endopeptidasa c: reconoce al aá que aporta el grupo carboxilo al enlace peptídico TRIPSINA y QUIMIOTRIPSINA • TRIPSINA o AÁ básicos: Arg ó Lys Enzima endopeptidasa c, que rompe los enlaces de las proteínas mediante hidrólisis para formar péptidos de menor tamaño y aminoácidos. Es producida en el páncreas y secretada en el duodeno, donde es esencial para la digestión. Es una enzima específica ya que liga al péptido en las posiciones del carboxilo de residuos Arginina (Arg) o Lisina (Lys) en la cadena, ambos aminoácidos con grupos R cargados positivamente, fragmentando al péptido inicial. • QUIMIOTRIPSINA (tinción específica) o AÁ aromáticos: Trp ó Phe o AÁ alifáticos con cadenas voluminosas ramificadas: Val ó Leu Facilita la rotura de enlaces peptídicos por reacciones hidrolíticas El principal sustrato de la quimotripsina incluye el triptófano, tirosina, fenilalanina y metionina (cadena lateral azufrada), que son hidrolizados en el carboxilo terminal. - Endopeptidasa n: reconoce al aá que aporta el grupo amino al enlace peptídico TERMOLISINA y PEPSINA • TERMOLISINA (carácter apolar) o AÁ hidrofóbicos Es un termoestable neutral metaloproteinasas de la enzima producida por el gramo-positivas Bacillus (bacterias). Necesita 1 ión Zn para la actividad enzimática y 4 iones Ca para la estabilidad estructural. Cataliza específicamente la hidrólisis del enlace peptídico que contiene, en el extremo amino, aminoácidos hidrofóbicos. Pero la termolisina es utilizada a menudo para la formación de enlaces peptídicos por la reacción inversa de hidrólisis. • PEPSINA o AÁ aromáticos: Phe, Tyr ó Trp o AÁ alifáticos voluminosos Es una endopeptidasa n que corta a los aá Phe, Tyr y al Trp en los grupos amino. Es una enzima digestiva que degrada proteínas en el estómago. Las otras enzimas digestivas importantes son la tripsina y la quimiotripsina. Se produce en el estómago, actúa sobre las proteínas degradándolas, y proporciona péptidos y aá en un ambiente muy ácido. El pepsinógeno es un precursor de la pepsina; cuando actúa el HCl sobre el pepsinógeno, éste pierde aá y queda como pepsina, de forma que ya puede actuar como proteasa. Es más activa con un pH de entre 2 y 4; y se desactiva permanentemente con un pH > 6. PEPSINA (extremo izquierdo Nt) & QUIMIOTRIPSINA (extremo derecho Ct) = COMPLEMENTARIAS: se diferencian en la localización La mayor parte de las PEPTIDASAS se forman en el PÁNCREAS pero no se encuentran libres en el organismo, sino que se activan dentro del bolo alimenticio Pancreatitis = inflamación del páncreas Alberto Gómez & Laura del Olmo 27
- 28. Bioquímica general - Mecanismo normal: las peptidasas se sintetizan en el páncreas en proforma (como precursoras) no activa y se liberan al intestino; solo se sintetizarán cuando hay alimento que degradar, y cuando no lo hay se autodegradan, pero todo ello ya en el intestino. - Mecanismo patológico: si las peptidasas se activan en el páncreas irán a degradar a las proteínas (molécula básica de todo TJ), y producirán la inflamación. Conclusión: uno de los motivos de la pancreatitis es que las peptidasas se activen en el páncreas (cuando el mecanismo normal sería que se activasen en el intestino) 14/10/2010 B. ESTRUCTURA SECUNDARIA: estructura tridimensional que adopta un segmento de la proteína (un nº limitado de aá) en el espacio, repetitiva y ordenada. Mismo plano Misma cadena peptídica Está condicionada por la limitación de giro del enlace peptídico CARÁCTER PLANAR + • Enlace Ф: 3HN – Cα • Enlace ψ: Cα – COOH De modo que la cadena peptídica solo podrá girar a través de estos enlaces - de los extremos α- aminoterminal (Ф) y α-carboxiloterminal (ψ) – lo que condiciona el nº de estructuras secundarias, mayoritariamente de 2 tipos (aunque existen más): α-HÉLICE LÁMINA β Todas vienen indicadas en las representaciones tabuladas de RAMACHANDRAN (posibles variaciones en los giros de los enlaces Ф y ψ) α-HÉLICE: disposición helicoidal que adopta un fragmento de aá en el espacio, constituido entre 11-17 aá. - Dimensiones estructurales que siempre se cumplen: • Hélice dextrógira • 3.6 aá x vuelta aprox. (5.4 Å) • Diámetro (Ø): 5 Å - ¿Cómo se ESTABILIZA? A través de ENLACES de HIDRÓGENO intracatenarios (se forman dentro de la cadena peptídica) = estabilización COOPERATIVA (“efecto cremallera”) • Se forman entre los elementos del enlace peptídico: o Entre el grupo amino del enlace peptídico de un aá o El grupo carboxilo de otro enlace peptídico de otro aá separados el uno del otro por 4 aá (i i + 4) Ej.: entre 1-5, 2-6, 3-7… Solo cuando ocurre esta distribución se permite que los enlaces de hidrógeno estén perfectamente orientados en paralelo (alineados) al eje imaginario de esa α-hélice - Las cadenas laterales (R) siempre quedan en el exterior, lo que genera impedimentos pues habrá aá que debido a su R no podrán adoptar una estructura en α-hélice. Alberto Gómez & Laura del Olmo 28
- 29. Bioquímica general Tipos de aá que dificultan la estructura en α-hélice: • Cadenas laterales VOLUMINOSAS en la estructura primaria: 5 ó + aá • Fragmentos con aá muy PEQUEÑOS: glicina (Gly) ó alanina (Ala) • AÁ IONIZADOS (con q) - NO ADOPTARÁN la estructura en α-hélice – - ¿Dónde se encuentran las α-hélice? • Mayoritariamente en las proteínas FIBROSAS (> 70 %) • También en las proteínas globulares LÁMINA β: fragmentos de aá que adoptan una disposición en ZIGZAG en el espacio (dentro de una misma proteína): Se asocian en el espacio con otras, y estas se pueden apilar a su vez dando lugar a 2 tipos de Láminas β: A. PARALELAS: cuando los extremos aminoterminal (Nt) y carboxiloterminal (Ct) de cada una de esas láminas β coinciden en la misma orientación - ¿Cómo se estabilizan? Mediante enlaces de hidrógeno de disposición cruzada - Las cadenas laterales (R) se disponen a ambos lados del plano definido por las Lβ (hacia arriba ó hacia abajo) - Unión entre las distintas Lβ = LAZOS heterogéneos (pueden tener o no tener una estructura secundaria concreta) B. ANTIPARALELAS: cuando sus extremos aminoterminal (Nt) y carboxiloterminal (Ct) no coinciden en la misma orientación - ¿Cómo se estabilizan? Mediante enlaces de hidrógeno de disposición paralela - Unión entre las distintas Lβ = GIROS muy concretos (formados siempre por aá pequeños o con impedimento de giro: glicina -Gly- y prolina –Pro-) Mucho MÁS ESTABLES que las Lβ PARALELAS debido a la orientación alineada de sus enlaces de hidrógeno Tipos de aá que dificultan la estructura en lámina β: • AÁ VOLUMINOSOS • AÁ CARGADOS ó IONIZADOS (se repelen) ¿Dónde se encuentran las lámina β? • Mayoritariamente en las proteínas GLOBULARES Alberto Gómez & Laura del Olmo 29
- 30. Bioquímica general • También en las proteínas fibrosas Subtipos de α-hélice: - Hélice 310 - Hélice Л Alberto Gómez & Laura del Olmo 30
- 31. BIOQ GENERAL Poseen menor probabilidad de que se establezcan enlaces de hidrógeno entre los elementos del enlace peptídico de sus aá por lo que disminuye su estabilidad Estructura SUPERSECUNDARIA: asociaciones repetitivas de estructura secundaria 15/10/2010 C. ESTRUCTURA TERCIARIA: plegamiento de la estructura secundaria, es decir, disposición de toda la cadena peptídica en el espacio. - ¿Cómo se estabiliza? Por enlaces débiles: • Enlaces de hidrógeno • Interacciones electroestáticas/iónicas/dipolo-dipolo/hidrofóbicas • Enlaces de Van der Waals Cuando la proteína alcance su conformación nativa (de máxima estabilidad) podrán aparecen enlaces covalentes disulfuro con el objetivo de reforzar esta estructura una vez que ya está estabilizada. o Enlaces covalentes disulfuro: refuerzan la estructura terciaria, NO ESTABILIZAN - Objetivo de la estructura terciaria: “esconder” a los aá con cadenas laterales apolares • Los aá con cadenas polares se orientan hacia el exterior • Los aá con cadenas apolares se orientan hacia el interior o Los aá con cadenas polares sin q pueden orientarse hacia el interior No siempre será así, ya que por ej., hay proteínas fibrosas con gran nº de aá apolares, así que alguno de ellos estará en contacto con el agua. “TODAS” las proteínas alcanzan una estructura terciaria; sin embargo, no todas llegan a adoptar una estructura cuaternaria. D. ESTRUCTURA CUATERNARIA: sólo en proteínas con más de 1 cadena proteica = proteína OLIGOMÉRICA PROTÓMERO = cada una de las cadenas polipeptídicas de una proteína oligomérica - ¿Cómo se estabiliza? Mediante enlaces débiles *¡”nunca” covalentes!* Excepcionalmente, en proteínas muy concretas (funcionales) es necesaria la aparición de un enlace covalente entre los protómeros. - Objetivo de la estructura cuaternaria: 31
- 32. BIOQ GENERAL 1. Facilitar la síntesis proteica en el organismo, pues es más fácil sintetizar varios protómeros que una cadena polipeptídica larga. Ej.: 4 subunidades en vez de una cadena muy larga 2. Facilitar la solución de daños/modificaciones o mutaciones de la proteína. En el caso de que 1 protómero esté dañado es fácil solucionar ese daño, cambiando un protómero por otro; en cambio en una cadena larga habría que modificar toda la proteína 3. Facilitar la regulación de la actividad de estas proteínas en reacciones concretas FACTORES QUE PODRÍAN DESESTABILIZAR LA ESTRUCTURA NATIVA DE LA PROTEÍNA (Agentes desnaturalizantes) Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes, disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica). Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en: 1) TEMPERATURA: un aumento de la temperatura hace que se rompan los enlaces débiles que mantienen la estructura terciaria, perdiendo la estructura de forma irreversible. • Formará otros enlaces débiles (no suficientemente estables) para esconder los aá apolares, para lo que se volverá a plegar. Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan. Asimismo, un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de la proteína desnaturalizada. Una desnaturalización producida por calor es siempre IRREVERSIBLE. Únicamente, una proteína extremadamente soluble en medio básico (como por ej. la albúmina) podría redisolverse lentamente en medio básico. 2) pH: los cambios bruscos de pH provocan un cambio de carga, principalmente en las cadenas laterales polares (R), lo que produce un cambio de estructura: • + — + = cargas eléctricas de tipo repulsivo: se repelen mantienen la estructura • - — + = se atraen: facilitan la agregación intermolecular precipitación - pH < pI proteínas + 32
- 33. BIOQ GENERAL 0 - pH = pI no hay carga neta (q ) - pH > pI proteínas – + - Los iones H y OH del agua, además de afectar a la envoltura acuosa de las proteínas, también afectan a la carga eléctrica de los grupos ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Esta alteración de la carga superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la estructura terciaria y a menudo provoca su precipitación. La solubilidad de una proteína es mínima en su punto isoeléctrico, ya que su carga neta es cero y desaparece cualquier fuerza de repulsión electrostática que pudiera dificultar la formación de agregados. 3) SALES NEUTRAS: se disuelven con el agua (disociación) “robando” la esfera de solvatación que rodea a las proteínas, produciéndose una pérdida de solubilidad drástica al aumentar la concentración de la sal. Así estos solutos compiten por el agua, rompiendo los enlaces débiles o interacciones electroestáticas y por tanto, la proteína pierde su estructura (se expande) y función. - Redisolución y Renaturalización. Serían posibles simplemente recuperando el agua (añadiendo agua) - Constituye un excelente método de purificación 4) FUERZA IÓNICA — Adición de ácidos o bases muy concentrados Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico, urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, ya que estos solutos: • Compiten por el agua • Rompen los puentes de hidrógeno o las interacciones electrostáticas de forma que las moléculas proteicas se agregan y precipitan - Redisolución y renaturalización. En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza iónica es reversible. Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y recuperar tanto la estructura como la función original. A veces es una disminución en la fuerza iónica la que provoca la precipitación. Así, las proteínas que se disuelven en medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original - Ejemplo: tenemos 3 tubos de ensayo con una proteína soluble en el agua; en 2 de ellos añadimos un ácido fuerte y ambas precipitan; en otro añadimos una base fuerte (NaOH) y no precipita. 33
- 34. BIOQ GENERAL En los 2 primeros tubos la proteína precipita porque se le han agregado o ha interaccionado con aniones muy voluminosos (-) su redisolución se producirá en medio básico para que deje de tener carga + (y así no interaccionará); sin embargo la proteína se hallará totalmente desnaturalizada: soluble pero inservible En el tubo con NaOH la proteína no precipita porque se le ha agregado un catión poco voluminoso (Na+ = catión ligero), por lo que no se supera el producto de solubilidad. 5) SOLVENTES ORGÁNICOS — POLARIDAD • Disminuyen la cte. dieléctrica del medio = capacidad solvente capacidad de oponerse a la atracción de las moléculas (q1 x q2) Fuerza de interacción (Fe) = K q1 x q2 / r2 Cuanto más fuerte la interacción entre las cargas (q1 x q2) menos capacidad solvente • “Roban” también la esfera de solvatación • Favorecen las interacciones entre las cadenas laterales apolares (R) del interior sacándolas al exterior = pérdida de solubilidad Casi siempre IRREVERSIBLE - Ejemplo: el agua posee una elevadísima cte. dieléctrica, mucho más elevada que la del etanol-acetona, así que al ser añadido éste, rebajamos la potencia del agua como solvente, disminuyendo la interacción proteína-disolvente las cadenas peptídicas se acercan y la proteína precipita. - Redisolución y renaturalización. Si se hubiera trabajado en condiciones de frío (a -20ºC) no se hubiera alterado su estructura, y por tanto se redisolvería en agua; por otro lado, en condiciones de frío algo superiores a la anterior (0ºC), se hubiera podido redisolver forzando el medio hacia ácido. Sin embargo, si hubiéramos necesitado forzar mucho el medio hacia ácido significaría que habríamos producido mucho desnaturalización. La polaridad del disolvente disminuye cuando se le añaden sustancias menos polares que el agua como el etanol o la acetona. Con ello disminuye el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la molécula proteica, provocando la agregación y precipitación. Los disolventes orgánicos interaccionan con el interior hidrofóbico de las proteínas y desorganizan la estructura terciaria, provocando su desnaturalización y precipitación. La acción de los detergentes es similar a la de los disolventes orgánicos. 6) METALES PESADOS: interaccionan con los enlaces débiles, pudiendo llegar a: • Oxidar a cadenas laterales (R) • Intercalarse en la estructura proteica de forma IRREVERSIBLE formando enlaces covalentes; además, al ser voluminosos, pueden superar el producto de solubilidad de la proteína con su consecuente precipitación 34
- 35. BIOQ GENERAL 7) AGENTESREDUCTORES: rompen los enlaces covalentes disulfuro, que están reforzando a la estructura proteica. - Casi ninguna estructura se recupera = IRREVERSIBLE; aunque por ej., con las sales neutras a veces se puede recuperar la estructura nativa *Recordatorio* Objetivo de la adopción de una estructura terciaria o cuaternaria: llegar a una estructura de máxima estabilidad, la cual está proporcionada por los enlaces débiles; si se rompen = pérdida de función Las cadena laterales (R) se disponen separadas para que no interaccionen entre sí, pero sí con el agua, formándose la esfera de solvatación, que permite el mantenimiento de esta estructura nativa o de máxima estabilidad. Todo lo que cambie esto llevará a la pérdida de estructura. Aquí es donde actúan los agentes reductores, “robando” la esfera de solvatación a la proteína, lo que provoca: • Plegamientos de la molécula proteica que hacen que los R se dispongan más “juntos” y que interaccionen entre sí • Además, al perder la esfera de solvatación se condiciona que las cadenas laterales (R) de la proteína pueden interaccionar con los R de otras proteínas aumenta interacción proteína-proteína = precipitación Ej.: etanol, agua oxigenada… Comentado en clase Problema actual con los metales pesados: debido a la contaminación presente en nuestros mares, cada vez son más los peces contaminados con mercurio, plomo… que son metales pesados, muy peligrosos para nuestro organismo por su interacción con las proteínas. ¿Qué ocurre entonces? No hay manera de saber si el pescado que consumimos está contaminado o no, a no ser que provenga de piscifactoría. Si lo consumimos, el mercurio y el plomo se intercalarán en la estructura nativa de nuestras proteínas, y oxidarán a los aminoácidos de las cadenas peptidicas, lo que impedirá que la proteína lleve a cabo su función. Falsos mitos sobre la desinfección de heridas mediante soluciones orgánicas: “El agua oxigenada y el alcohol son buenos desinfectantes” - El agua oxigenada destruye a los tejidos (necrosis tisular). - El alcohol produce vasodilatación. • Cómo desinfectar una herida correctamente: limpiar con agua y jabón, del centro a la periferia. Si la herida es profunda, utilizar suero fisiológico. "La saliva es un buen desinfectante" (base fundamental en la imitación animal). Está compuesta por una enzima, la lisozima, que rompe las paredes celulares de las bacterias contenidas en los alimentos, protegiendo en parte a los dientes de las caries y de las 35
- 36. BIOQ GENERAL infecciones. Sin embargo, su poder bactericida es muy bajo y lo más probable es que la aplicación de saliva en las heridas favorezca el transporte de gérmenes más agresivos que aumenten el riesgo de infección de las mismas. Todo este plegamiento (conformación de las estructuras en el espacio) se produce en los seres vivos de forma natural, simplemente por la interacción del agua con las cadenas polipeptidicas. REPLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS: CHAPERONAS En ocasiones es necesario plegar proteínas que han sufrido un desplegamiento parcial; Ej.: las proteínas de transmembrana se han de “desplegar” un poco para atravesar la membrana plasmática. Este REPLEGAMIENTO es realizado por las CHAPERONAS = cilindros ( chaperoninas). Así las proteínas incapaces de adoptar su estructura nativa requieren de ellas. Además, en el RER forman parte del CONTROL de CALIDAD en la síntesis proteica. Así las proteínas mal plegadas son bloqueadas por chaperonas, uniéndose a ellas y estabilizando la proteína. Las mantiene desplegadas hasta que se corrige el plegamiento. Son un conjunto de proteínas presentes en todas las células, muchas de las cuales son proteínas de choque térmico. Función: ayudar al plegamiento de otras proteínas recién formadas en la síntesis de proteínas. No forman parte de la estructura primaria de la proteína funcional, sino que sólo se unen a ella para ayudar en su plegamiento, ensamblaje y transporte celular a otra parte de la célula donde la proteína realiza su función. Los cambios de conformación tridimensional de las proteínas pueden estar afectados por un conjunto de varias chaperonas que trabajan coordinadas, dependiendo de su propia estructura y de la disponibilidad de las chaperonas. 36
- 37. BIOQ GENERAL Tema 3 EJEMPLOSDE PROTEÍNAS La estructura condiciona la función. Así como los polisacáridos se reducen a ser sustancias de reserva o moléculas estructurales, las proteínas asumen funciones muy variadas gracias a su gran hetereogeneidad estructural (derivada de sus cadenas laterales). Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes: • función enzimática • función de defensa • función hormonal • función de movimiento • función de reconocimiento de señales • función de reserva • función de transporte • transducción de señales • función estructural • función reguladora *Transducción de señales: proceso por el que una célula convierte una determinada señal o estímulo exterior, en otra señal o respuesta específica. Muchas proteínas ejercen a la vez más de una de las funciones enumeradas: Las proteínas de membrana tienen tanto función estructural como enzimática; la ferritina es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el hierro; la miosina interviene en la contracción muscular, pero también funciona como un enzima capaz de hidrolizar el ATP… Podemos agruparlas en 2 grandes grupos que se subdividen en otros 2 grupos: 1) FIBROSAS 2) GLOBULARES MATRIZ CONTRÁCTILES DEFENSA UNIÓN AL O2 EXTRACELULAR COLÁGENO ACTINA INMUNO- HEMO- GLOBULINAS GLOBINA ELASTINA MIOSINA (transporte y QUERATINA (componentes del almacenamiento) citoesqueleto de las células del TJ muscular, huso mitótico…) 1) FIBROSAS A. MATRIZ EXTRACELULAR (se hallan formando parte de ella) - Función = principalmente ESTRUCTURAL • ESTABILIZACIÓN de todas las células del TJ (conglomerado) • DELIMITACIÓN • CONSISTENCIA resistencia mecánica • Permite FIJAR IONES (Ca2+, Mg2+…) 37
- 38. BIOQ GENERAL - Composición: • Glúcidos o Minoritarias = lamininas y • Proteínas = COLÁGENO, proteoglicanos ELASTINA y QUERATINA que se implican entre sí, por lo que es difícil establecer qué es proteína y qué es glúcido; no es posible delimitarlas porque ambas van a formar parte entre sí. Ej. de estructura no delimitable = proteoglicanos (compuesto proteico y glucídico): los clasificamos como hidratos de carbono, ya que estos tienen mayor peso en la molécula. COLÁGENO Es una de las proteínas mayoritarias del organismo (constituye más de 1/3 del total de las proteínas) Se sintetiza en las células del TJ CONJUNTIVO, pero no se queda dentro de las células, sino que se exporta a la matriz extracelular del TJ celular, en especial del TJ conjuntivo. Es el componente fundamental de: vasos sanguíneos, tendones, huesos, cartílagos, córnea… (TJ conjuntivo o conectivo, óseo, cartilaginoso…) de todas aquellas estructuras de gran elasticidad pero que precisan de una gran resistencia (por eso es una de las más abundantes) ESTRUCTURA El colágeno propiamente dicho es una MACROESTRUCTURA formado por apilamiento de FIBRAS - Compleja y fibrosa - Elevado carácter de insolubilidad en H2O - Elevado carácter apolar a) Estructura primaria presenta una particularidad, exclusiva del colágeno, que es la que lo hace tan APOLAR = repeticiones sucesivas de 1 triplete de aá que siempre será: GLY – X – Y pudiendo ser X ó Y mayoritariamente (58-60%) = • Ala • Pro – OHPro • Lys – OHLys La Pro y la Lys son hidroxiladas una vez sintetizada la proteína dando lugar a la OHPro y la OHLys = ejemplo de aá modificados dentro de una estructura proteica (aá no comunes) Esta particular estructura primaria condiciona la estructura secundaria. b) Estructura secundaria = CADENA α Debido principalmente a la abundancia de Pro en el triplete de aá que se repite sucesivamente y a la apolaridad de los aá que forman la cadena, la cadena peptídica adopta una estructura helicoidal, ya que no puede ser de otra forma: Pro giro; Pro giro… Surge así un subtipo de estructura secundaria exclusiva del colágeno = CADENA α Características de la CADENA α — muy distinta de la α-hélice 38
- 39. BIOQ GENERAL • Levógira — α-hélice dextrógira • Muy estrecha, diámetro (Ø) = 3.8Å — α-hélice Ø = 5Å • 3 aá por vuelta — α-hélice 3.6 casi 4 aá por vuelta • NO ESTABILIZADA POR NINGÚN TIPO DE ENLACE — α-hélice estabilizada por enlaces débiles ¿Por qué no se encuentra estabilizada por ningún tipo de enlace? Porque la estructura primaria del colágeno, a consecuencia de ese triplete de aá característico y exclusivo, no puede adoptar otro tipo de estructura; la Pro (muy abundante, casi 1 Pro c/3 aá) impone el giro, es decir, el hecho de esa particular estructura primaria impone una estructura obligatoria, que es la cadena α. Aunque no se estabilice por enlaces (débiles) de hidrógeno, no significa que no los pueda formar. • Puede formar enlaces de hidrógeno (que no han contribuido a su estabilización) Conclusión: la CADENA α es estable por sí misma porque es la única estructura que puede adoptar la estructura primaria a consecuencia de los giros provocados por la abundante prolina (Pro). • Las cadenas laterales (R) de los aá que forman la cadena α (estructura secundaria del colágeno) quedan en el EXTERIOR La estructura secundaria o cadena α no es la estructura definitiva. c) “Estructura terciaria indefinida” No carece de estructura terciaria, pero no podemos aislarla del conjunto, ya que se trata de una macromolécula (las fibras de colágeno no constituyen el colágeno propiamente dicho, sino su conjunto). Conclusión: resulta difícil identificar a la estructura terciaria, ya que ésta se encuentra entre la estructura secundaria (cadena peptídica o cadena α ya plegada) y la estructura cuaternaria (cadena polipeptídica/oligomérica o triple asociación de cadenas α = tropocolágeno). ¿Dónde se encuentra la separación? No se puede saber. d) Estructura cuaternaria = TROPOCOLÁGENO Asociaciones triples de cadenas α o cadenas peptídicas TRIPLE HÉLICE de cadenas α = TROPOCOLÁGENO El tropocolágeno constituye uno de los últimos pasos para llegar a la estructura definitiva. • La triple hélice gira a derechas = *DEXTRÓGIRA* esto es lo que le da la tremenda RESISTENCIA/CONSISTENCIA al colágeno ¿Por qué? El tropocolágeno o triple hélice tendrá un sentido de giro (derecha) contrario al de las cadenas α (izquierda), lo que hace que actúe como una cuerda de 3 cabos; si se intenta “desmontar” se enrrollará aún más. • Se estabiliza simplemente por su estructura: o levógiro-helicoidal (cadenas o tropocolágeno dextrógiro α) 39
- 40. BIOQ GENERAL • Además, también contribuyen a su estabilización, y resultan totalmente fundamentales y necesarios: - Enlaces de hidrógeno intercatenarios: aparecen entre los elementos de los enlaces peptídicos de las 3 cadenas α - Residuos de OHPro e OHLys de distintas cadenas permiten la formación de los enlaces de hidrógeno intercatenarios - Interacciones hidrofóbicas: al tratarse de cadenas polipeptídicas apolares se dispondrán intentando repeler el agua, para lo que se juntarán y pegarán mucho entre sí, intentando exponer el menor número de aá apolares posibles al agua (aunque siempre habrá algún aá que contacte con el agua) ¿Cómo se hidroxila la Pro y la Lys? *HIDROXILACIÓN: reacción química en la que se introduce un grupo hidroxilo (-OH) en un compuesto reemplazando un átomo de hidrógeno, oxidando al compuesto. En la hidroxilación de las proteínas, el principal receptor del grupo hidroxilo suele ser la prolina, formándose hidroxiprolina, uno de los principales componentes del colágeno. - Las hidroxilaciones de la cadena primaria se llevan a cabo en estructura secundaria, cuando la cadena peptídica ya ha adoptado la cadena α. - Las reacciones de hidroxilación de las proteínas son facilitadas (catalizadas) por enzimas específicas: • PROLIL HIDROXILASA • LISIL HIDROXILASA Reconocen específicamente en una cadena α cuando hay un residuo de Pro o Lys ya que al añadir el grupo –OH marcan a los aminoácidos (si están presentes se hidroxilarán, recibirán el grupo -OH) Lo único que las diferencia es la especificidad de la enzima hidroxilasa: prolil ó lisil Añaden un grupo –OH (la lisil hidroxilasa podrá hacerlo en 2 disposiciones, pero no tendrá mayor trascendencia) Ambas enzimas requerirán de unos elementos esenciales, que les ayudarán a añadir ese grupo –OH, y sin los que no podrán realizar la hidroxilación: o α-cetoglutarato (αKG) o Fe2+ o O2 o *Vit. C* = propensa a la oxidación La Vit. C resulta FUNDAMENTAL para que la prolil o lisil hidroxilasa añada ese grupo –OH a esa Pro ó Lys, es decir, ambas necesitarán la participación esencial de la vitamina C (su estructura es inestable, por eso al zumo se le “va” la Vit. C, porque al estar en contacto con el aire se oxida y se va perdiendo progresivamente) para hidroxilar al aminoácido. 22/10/2010 40
- 41. BIOQ GENERAL *Curiosidad*: ElCiclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos recibe erróneamente el nombre del Ciclo de Krebs, cuando en realidad el señor Hans Adolf Krebs dedicó su trabajo al estudio del Ciclo de la Urea. Resumen: COLÁGENO Estructura primaria GLY-X-Y = Pro-giro Estructura secundaria = cadena α Estructura terciaria indefinida Estructura cuaternaria = tropocolágeno (triple hélice = asociación de 3 cadenas α) - Residuos = grupos –OH derivados de la prolil-lisil hidroxilasas - Permiten la formación de enlaces de H intercatenarios que estabilizan al tropocolágeno - A su vez estos permitirán la UNIÓN DE GLÚCIDOS al tropocolágeno Los enlaces de hidrógeno intercatenarios (formados gracias a los grupos –OH de los residuos de OHPro e OHLys) van a permitir la unión de glúcidos. UNIÓN DE GLÚCIDOS AL TROPOCOLÁGENO Así clasificamos al colágeno (todavía no constituido completamente) dentro del grupo de las: • OLIGOPROTEÍNAS (varias cadenas polipéptidicas o tropocolágenos) • HETEROPROTEÍNAS (criterio II: según su composición conjugadas = parte no proteica o grupo prostético + parte proteica) Las 3 cadenas α (estructura secundaria) pueden ser = ó ≠: - Pueden variar en su secuencia/orden de aá - Pueden variar en el nº de hidroxilaciones y su posición - Pueden variar en la proporción y en el tipo de glúcidos que tengan asociados Así surgen DISTINTOS TIPOS DE TROPOCOLÁGENO (estructura cuaternaria): - Los más habituales se diferencian según su secuencia u orden de los aá: a) Cadenas α 1 b) Cadenas α 2 - Según el nº y posición de las hidroxilaciones y la proporción y el tipo de glúcidos surgen SUBTIPOS de las cadenas α 1 y 2: • α1 (Tipo I), α1 (Tipo II), α1 (Tipo III)… α1 (Tipo XI) 41
- 42. BIOQ GENERAL • α2 (Tipo I), α2 (Tipo II), α2 (Tipo III)… α2 (Tipo XI) FORMACIÓN (propiamente dicha) del COLÁGENO Existe un nivel estructural superior al tropocolágeno = FIBRAS DE COLÁGENO (último nivel para llegar a la estructura definitiva). FIBRAS DE COLÁGENO = asociaciones de tropocolágeno, en concreto: - Apilamientos de distintas moléculas de tropocolágeno en triples hélices - Posterior superposición y apilamiento de las triples hélices de tropocolágeno en FIBRAS - Dando lugar a una estructura fibrilar que en su conjunto constituye el COLÁGENO Estabilización (como se encuentra en los TJs, y los TJs están constituidos fundamentalmente de agua, se encontrará ya en un medio polar) - Enlaces de hidrógeno con los grupos –OH libres - Interacciones hidrofóbicas (por su tremenda apolaridad): el tropocolágeno se “juntará” para esconder las partes apolares, lo que le dará consistencia Al ser una proteína mayoritariamente APOLAR, en un medio polar como el agua, sus moléculas se juntarán para “escapar” (lo que contribuye a mantener su estructura estable), por lo que se producirá su polimerización y formación final del polímero o macromolécula. *Polimerización : proceso químico por el que los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso, llamada polímero, bien una cadena lineal o una macromolécula tridimensional. Pero, además, para este nivel estructural superior necesitamos algo más de estabilidad para que el tropocolágeno se junte aún más (para que se llegue a “montar”) que nos la conferirán: - Enlaces fuertes covalentes = enlaces ALDOL CRUZADOS Se forman a través de enzimas: LISIL ó AMINO OXIDASAS En ocasiones solo 1 de las 2 cadenas de tropocolágeno se convierte en AL-LISINA, la cual reaccionará con la Lys de la otra cadena α de tropocolágeno, con la formación de una BASE de SCHIFF = grupo funcional que contiene un enlace doble carbono-nitrógeno el cual constituye un enlace fisiológico muy fuerte (CH=NH) 42
- 43. BIOQ GENERAL Sise reduce se formará un enlace de Norlisina (CH- NH) – no tiene ninguna trascendencia. Los enlaces covalentes de aldol cruzados aumentan con la edad por lo que la proteína se vuelve rígida y por tanto más frágil y quebradiza; Relacionado con la aparición de arrugas y “grietas” en la piel ¡OJO! ¿Más enlaces covalentes confieren mayor estabilidad o mayor fragilidad? El que haya más significa que la proteína se hará más rígida, y por tanto más frágil y quebradiza. El colágeno representa el 30% del peso total de la proteína humana, siendo el responsable de la elasticidad, la firmeza, consistencia de la piel. El déficit de colágeno que aumenta progresivamente con la edad, origina entre otros fenómenos la formación de arrugas en la piel. Estructura del colágeno - Podemos observar como la glicina (Gly) queda desplazada, formando un ENORME BORDE APOLAR. - Según su localización y función, el colágeno se encuentra en mayor o menor proporción (abundante si la zona precisa de resistencia mecánica, como en el músculo) y se dispone de forma cruzada y desordenada o en paralelo y ordenado. 43
- 44. BIOQ GENERAL • Piel = fibrillas de colágeno apiladas (cruzadas) • Tendones = haces de colágeno en paralelo • Córnea = fibrillas de colágeno desordenadas BIOSÍNTESIS DEL COLÁGENO. 1. La estructura primaria se sintetiza en el RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO (RER) en forma de PRE-PROCADENA α (péptido precursor) - Contiene en su secuencia una secuencia señal que dirigirá/orientará que la pre- procadena α llegue al interior del RER 2. Ya dentro del RER la pre-procadena α pierde el péptido señal = PROCADENA α - Los extremos α-amino terminal (-NH3+, Nt) y α-carboxilo terminal (-COOH, Ct) carecen de aá apolares y de prolina (Pro), por lo que no girarán 3. La procadena α pasa al APARATO DE GOLGI (AG) - En el AG las procadenas α se asocian = PRO-TROPOCOLÁGENO - Se forma una TRIPLE HÉLICE en casi toda su extensión salvo en los extremos Nt y Ct (porque carecen de Pro y por tanto no tendrán forma helicoidal) • El extremo Nt se estabiliza mediante enlaces disulfuro INTRACATENARIOS, que se forman mediante la unión a residuos de Cys de una de las cadenas α • El extremo Ct se estabiliza mediante enlaces disulfuro INTERCATENARIOS de otra cadena α La existencia de estos extremos a modo de “pelillos” y pobres en prolina (no helicoidales) impide la polimerización/apilamiento del pro-tropocolágeno dentro de la célula (lo que generaría un aumento excesivo del volumen celular). 4. Así el pro-tropocolágeno sale de la célula por EXOCITOSIS a la MATRIZ EXTRACELULAR, donde PEPTIDASAS rompen los extremos Nt y Ct *PEPTIDASAS (antes conocidas como proteasas): enzimas que rompen los enlaces peptídicos de las proteínas. Usan una molécula de agua para hacerlo y por lo tanto se clasifican como hidrolasas. 5. Ahora el pro-tropocolágeno ya se puede polimerizar/apilar formándose el TROPOCOLÁGENO 25/10/2010 44
- 45. BIOQ GENERAL APLICACIONES TERAPÉUTICAS DEL COLÁGENO • Úlceras por presión • Grandes quemaduras - PARCHES: contienen células de colágeno y se aplican sobre la piel ulcerada del paciente, donde las células del parche continuarán reproduciéndose y estimulan a las del propio herido para formar tejido nuevo y sanar la úlcera estimulan la regeneración del TJ. Además de colágeno contienen los elementos que resultan fundamentales para su formación (minerales, Vit. C…), que también ayudarán a que se absorba el calcio. - SÁBANAS DE COLÁGENO: cubren la quemadura del paciente formando una especie de “película” que sirve de asentamiento para que el TJ pueda cicatrizar. PATOLOGÍAS RELACIONADAS CON ALTERACIONES (metabólicas o de biosíntesis) DEL COLÁGENO • OSTEOGÉNESIS IMPERFECTA = HUESOS DE CRISTAL Genética (autosómica recesiva); de padre a hijos, poco frecuente (1 caso x 50000 habitantes) - Causa: sustitución de la glicina (Gly) en el triplete de la cadena primaria Gly-X-Y, por un aá más voluminoso - Consecuencia: la estructura secundaria (cadena α) ya no tiene las características que propician su formación (las dimensiones adecuadas), ya que se encontraran con este impedimento (el aá voluminoso); así al unirse las 3 cadenas α no se podrá formar bien el tropocolágeno y por tanto no se conseguirá una estructura estable. No habrá colágeno para rellenar la matriz ósea (poco colágeno en los huesos), así que a medida que el individuo crece sus huesos se van arqueando, dando lugar a huesos huecos, y por tanto frágiles. Típico en el colágeno Tipo I (el más abundante en los huesos) - Riesgo: fracturas (frecuentes) - Tratamiento (conservativo): con BIFOSFONATO (fármaco) que reducirá el riesgo de fracturas, aunque estas seguirán siendo muy frecuentes. Doble acción: 1. Inhibe la regeneración del hueso, es decir, bloquea a los osteoblastos se evitará la malformación del hueso pero éste no crecerá 2. Facilita la fijación de Ca2+ • SÍNDROME DE EHLERS-DANLOS (SED) o HIPERLAXITUD Trastorno hereditario (factor de riesgo) caracterizado por articulaciones extremadamente sueltas o laxas, piel hiperelástica que presenta equimosis (moratones) con gran facilidad y vasos sanguíneos que se dañan fácilmente. Normalmente asintomática. Hasta hace relativamente poco los afectados por este síndrome no acudían a diagnosticarse, simplemente había una cierta curiosidad sobre el tema, por lo que no se buscaron tratamientos. Los mayores problemas surgían en operaciones (difícil parar el sangrado). 45
- 46. BIOQ GENERAL - Causa: alteración del colágeno (material que brinda estructura y fortaleza a la piel, huesos, vasos sanguíneos y órganos internos) de muchos tipos (en las hidroxilaciones, glicosilaciones, en la formación de los enlaces aldol cruzados…) - Consecuencia: gran elasticidad de la piel, tendones… lo que predispone a una cicatrización difícil (hematomas, úlceras) - Riesgo: hemorragia interna - Tratamiento: no existe cura específica. Con frecuencia se necesita fisioterapia o la evaluación de un médico especialista en rehabilitación. • LATIRISMO = origen tóxico - Causa: envenenamiento por el consumo de almortas (especie de fabácea leguminosa empleado habitualmente para hacer pan), que contienen un inhibidor de la LISIL OXIDASA. - Consecuencia: no se formarán los enlaces aldol cruzados que estabilizan a la estructura de colágeno, por lo que ésta se irá degenerando y perdiendo consistencia, provocando la deformación de los huesos (puede desembocar en huesos de cristal). - Tratamiento: dejar de/evitar comer este elemento (“reversible”, aunque el colágeno ya afectado no se recupera) Parece una cura simple, pero en países como India o Sudamérica ha costado mucho desarraigar el consumo de la almorta, ya que es un producto de fácil obtención, y en un país donde al día mueren cientos de personas a causa del hambre, la futura “deformación” de sus huesos es el menor de sus problemas. - Riesgo: fractura *Curiosidad*: Goya recogió en uno de sus cuadros, <<Gracia a la almorta>>, los efectos tan devastadores del consumo de esta leguminosa sobre la población (personas tiradas en el suelo a causa de fracturas), durante la época de la Independencia francesa en España. ELASTINA - Importante en zonas que requieren una gran flexibilidad, una flexibilidad extra (además de la del colágeno): garganta, grandes vasos circulatorios (aorta), pulmones… (la elastina se encontrará en la matriz extracelular de estos Tjs) - Responsable del color amarillento típico de la matriz extracelular en estos sitios. Similitudes con el colágeno • Es sintetizada por las células del TJ conjuntivo o conectivo • Es excretada hacia la matriz extracelular (no actúa dentro de la célula) Diferencias con el colágeno • No posee una secuencia repetida de aminoácidos en su estructura primaria 46
- 47. BIOQ GENERAL • Muyrica en aá apolares, en especial en valina (Val) – 1 c/7 aá • Muy pobre en aá hidroxilados (modificados o no comunes) o Poca OHPro (apenas existente) o Carece por completo de OHLys y de glúcidos unidos a su estructura (ya que al carecer de aá hidroxilados no tendrán residuos de –OH a los que unirse) • Carece de una estructura secundaria concreta Estructura secundaria = forma de “ovillo” al azar (indefinida, amorfa, no llega a globular) • Estructura cuaternaria = asociación de los “ovillos” TROPOELASTINA o Los “ovillos” se entrelazan (estabilizan) mediante enlaces covalentes de tipo cruzado, que se forman entre 3 AL-Lys — 1 Lys de distintos ovillos o cadenas peptídicas o 4 cadenas peptídicas distintas unidas o Cada una de estas cadenas cede 1 Al-Lys, y la última cadena (la 4ª) cede 1 Lys Enlace resultante = ENLACE CRUZADO DE DESMOSINA (colágeno = enlace aldol cruzado Schiff) • Estructuras resultantes (tropoelastinas ~ “ovillos”) = amorfas, separadas entre sí o unidas mediante los enlaces de desmosina ELASTINA B. CONTRÁCTILES - Se hallan formando parte del citoesqueleto y de las células motoras (músculo) - Confieren, además de una gran resistencia a su estructura, capacidad de movimiento - Ambos se hallan formados por una gran variedad de proteínas: • Citoesqueleto (delimitando la MB plasmática) 3 estructuras mayoritarias: 1. MICROFILAMENTOS (microvellosidades): confieren consistencia y permiten movilidad. Están formados principalmente por ACTINA. 2. FILAMENTOS INTERMEDIOS. Muchos tipos: desmosina, bimentina, proteína ácida de la glía… 47
- 48. BIOQ GENERAL 3. MICROTÚBULOS (cilios – axonema – y flagelos): tubulina. • Músculo las proteínas musculares se hallan en el *CITOPLASMA* Las proteínas se asocian entre sí de una forma muy característica, originando el SARCÓMERO, que se haya constituido por 2 tipos de filamentos: Gruesos = MIOSINA Delgados = ACTINA, TROPOMIOSINA, TROPONINA El sarcómero no condiciona a las proteínas, sino que son las proteína las que se organizan para que aparezca el sarcómero. 48
- 49. BIOQ GENERAL 28/10/2010 PATOLOGÍAS RELACIONADAS CON ALTERACIONES DEL COLÁGENO (…Continuación…) • ESCORBUTO = enfermedad carencial - Causa: deficiencia de vitamina C (ácido ascórbico) en la dieta (necesaria para la síntesis correcta de colágeno en los seres humanos), con lo cual no puede formarse la OHPro ó OHLys ya que la enzima prolil ó lisil hidroxilasa necesita esta vitamina como cofactor. - Consecuencia: colágeno menos estable de lo normal, lo que explica muchas de las manifestaciones clínicas de esta enfermedad. - Síntomas: debilidad general, anemia, enfermedad de las encías (gingivitis) y hemorragias de piel. - Prevención: con una dieta que incluya ciertos cítricos como naranjas o limones. - Tratamiento: dieta equilibrada, por lo que es completamente reversible. - Historia: fue común en épocas pasadas entre marineros que pasaban mucho tiempo en barcos donde las frutas y verduras perecederas no podían ser almacenadas durante 49
- 50. BIOQ GENERAL mucho tiempo. - Población de riesgo: personas mayores con deficiencias nutricionales. En Resumen: o Enfermedad carencial de Vit. C en la dieta, necesaria para la síntesis del colágeno, ya que resulta fundamental para que la prolil o lisil hidroxilasa añada ese grupo –OH a esa Pro ó Lys. o Resultado = colágeno inestable hemorragias (membranas mucosas, encías, nasales…) o Afecta al colágeno de los vasos sanguíneos o Verdadero problema = hemorragias internas o Se puede revertir con una dieta equilibrada (cítricos) o Afectó a marineros y actualmente a personas malnutridas *Aclaración latirismo: se puede “evitar”, pero el colágeno ya afectado es irrecuperable. B. CONTRÁCTILES (…Continuación…): MIOSINA & ACTINA (proteínas mayoritarias del citoesqueleto y del sarcómero) - Localización: • Citoesqueleto microfilamentos + filamentos intermedios + microtúbulos • Células motoras (Ms. esquelético) sarcómero Su disposición da a las células su aspecto característico - Función: conferir una gran resistencia a la estructura del citoesqueleto y de las células motoras, y capacidad de movimiento - Normalmente adquieren una estructura filamentosa MIOSINA = FILAMENTOS GRUESOS del sarcómero - Proteína motora de las más abundantes - Constituye el 60-70 % de las proteínas de las células del músculo - 6 cadenas peptídicas organizadas en • 2 pares de cadenas peptídicas LIGERAS = 4 cadenas LIGERAS o LC1 o LC2 Iguales 2 a 2, es decir, LC1 = LC1 pero ≠ LC2; LC2 = LC2 ≠ LC1 o Peso = 20 Kda o Estructura terciaria GLOBULAR 50
- 51. BIOQ GENERAL • 2 cadenas PESADAS – Estructura MIXTA: “Esta estructura mixta no es muy común. Muy típica de la MIOSINA” a) 1 parte adopta una estructura terciaria GLOBULAR • Se concentra en el extremo Nt (amino-terminal) b) El resto adopta una estructura terciaria FIBROSA • Se concentra en el resto de la proteína, en dirección al extremo Ct (carboxilo- terminal) o Esta parte fibrosa adopta una estructura secundaria en α-hélice DEXTRÓGIRA (con giro a derechas) o 1er y 4º aá = APOLARES INTERACCIONES HIDROFÓBICAS (aversión por el agua) o El carácter apolar de esta estructura fibrosa obliga a que las 2 cadenas pesadas se asocien entre sí formando una hélice LEVÓGIRA (con giro a izquierdas) *frente a la α-hélice DEXTRÓGIRA (con giro a derechas) ~ COLÁGENO Casi todas las proteínas fibrosas adoptan una estructura de este tipo (en forma de “cuerda de 3 cabos”). Estructura resultante: MIOSINA FINAL - 2 cadenas pesadas interaccionan entre sí por su parte filamentosa - E interaccionan con las cadenas ligeras por su parte globular CADENAS LIGERAS (4) Poseen capacidad de: • Unir Ca • Unir e hidrolizar ATP Lo que permite que los filamentos de miosina participen en la CONTRACCIÓN/MOVILIDAD Para la hidrólisis del ATP se necesita la INTEGRIDAD de la parte globular, es decir, mantener esa estructura. CADENAS PESADAS (2) • No poseen capacidad ATPasa (no hidrolizan ATP) • Permiten el apilamiento (a modo de “palillos” o “puzle”) de ≠ moléculas de miosina que dan lugar a los FILAMENTOS DE MIOSINA Se necesitan mutuamente (cadenas ligeras y pesadas) ¿Cómo se apilan? Por su parte FILAMENTOSA (no globular), es decir, mediante el aprovechamiento del carácter hidrofóbico de la parte filamentosa de la cadena pesada ¿Cómo se estabilizan? Simplemente mediante las INTERACCIONES HIDROFÓBICAS de las cadenas pesadas; no por los enlaces que pueda formar la parte globular con sustancias polares del entorno. 51
- 52. BIOQ GENERAL En Resumen: MIOSINA (“egoísta”: 60-70% de las proteínas de las células únicamente del músculo) = FILAMENTOS GRUESOS DEL SARCÓMERO • 6 cadenas peptídicas - 4 ligeras (2 LC1 – 2 LC2) = GLOBULAR (Nt) unen Ca e hidrolizan ATP • Forman una cabeza apolar = sitio de unión para la actina - 2 pesadas = MIXTA: globular + fibrosa ( Ct) permiten apilamiento y dan lugar a los FILAMENTOS DE MIOSINA • Estabilización: parte fibrosa = α-hélice dextrógira interacciones hidrofóbicas 1er y 4º aá apolares = hélice levógira ACTINA = filamento DELGADO del sarcómero - Constituye el 20-30% de las proteínas de las células musculares - Además, constituye un 5-10% del total de las proteínas de todas las células (todas las células tienen actina porque todas las células tienen citoesqueleto) • A bajas [iónicas] se encuentra como MONÓMEROS de ACTINA-G (1 sola cadena peptídica) propiedad de unir Ca y ATP *Como las cadenas ligeras de la miosina • A altas [iónicas] la actina-G se polimeriza estructuras filamentosas = ACTINA-F: consiste en filamentos de actina que, empaquetadas por pares, dan lugar a una doble hélice DEXTRÓGIRA (con giro a derechas) Fisiológicamente siempre se encuentra formando una doble hélice con otra Actina-F ACTINA-G - Globular - Pequeña: 1 sola cadena polipeptídica de 375 aá - Asimétrica Esta asimetría es la *causante* de que, al polimerizar la AG AF, se advierta una POLARIDAD DE FORMA = 2 POLOS distintos, es decir, distinguimos 1 extremo del otro extremo 52
- 53. BIOQ GENERAL - Se caracterizan porque 1 extremo de los filamentos se polimeriza y se rompe a más velocidad que el otro extremo: • Extremo más rápido = Extremo + • Extremo más lento = Extremo – FUNDAMENTAL EN LOS PROCESOS DE CONTRACCIÓN/MOVILIDAD DE LOS FILAMENTOS *NO POLARIDAD QUÍMICA CON EL AGUA* Cuando la AG se polimeriza AF el ATP se rompe: ATP ADP + P - La energía liberada no impulsa la polimerización de la actina - La que impulsa la polimerización de la actina es el Ca = señal que le indica a la célula muscular que tiene que moverse (activación de las rutas metabólicas energía) • Ca = activa procesos de contracción • ATP = contribuye “un poco” La actina se encuentra formando: = fibras FILAMENTOS DELGADOS del sarcómero = microfilamentos uno de los 3 componentes del citoesqueleto FILAMENTOS DELGADOS DEL SARCÓMERO ACTINA: G y F TROPONINA TROPOMIOSINA Permiten la INTERACCIÓN ACTINA-MIOSINA TROPOMIOSINA Estructura: FILAMENTOSA Localización: surco de la doble hélice de AF Función: - A bajas [Ca] bloquea el sitio de unión con la miosina Los filamentos GRUESOS de MIOSINA poseen una cabeza apolar (2 cabezas globulares formadas por el enrollamiento de las cadenas ligeras) que actúa a modo de 53
- 54. BIOQ GENERAL “anclaje” para que los filamentos de actina se puedan deslizar e interactúen ~ unión física. - A altas [Ca] se separa de los sitios de unión actina-miosina con ayuda de la TROPONINA-T TROPONINA = complejo de 3 proteínas GLOBULARES • T interacciona con la tropomiosina • I subunidad inhibidora • C une Ca *Rigor mortis (el ATP no se puede consumir y el Ca no se puede utilizar): la troponina cambia de lugar movida ++ por los iones de Ca , y mueve a su vez a la tropomiosina; así quedan libres los sitios de unión para la actina, uniéndose la miosina. Cuando se acaba el ATP (al no haber más glucógeno) la miosina queda fijada, sin poder soltarse. En Resumen: ACTINA (“altruista”: 20-30% de las proteínas de las células del músculo & 5-10% del total de las proteínas de todas las células) = FILAMENTO DELGADO DEL SARCÓMERO/ Microfilamentos del citoesqueleto - A bajas [iones] = ACTINA-G: asimétrica confiere POLARIDAD DE FORMA - A altas [iones] = ACTINA-F: 1 polo + (polimeriza más rápido) y un polo - fundamental en la CONTRACCIÓN ¿Por qué se distinguen 2 polos en la AF? Porque la AG es asimétrica. • Ca = activador de la contracción (“polimerizador” de la AG) • FILAMENTOS DELGADOS DEL SARCÓMERO TROPOMIOSINA (surco AF): a bajas [Ca] bloquea sitio de unión con la miosina y altas [Ca] se separa con ayuda de la troponina-T TROPONINA T-I-C = une Ca 54
- 55. BIOQ GENERAL 29/10/2010 2) GLOBULARES Las proteínas globulares se encuentran en el medio circulatorio y en el citoplasma, por tanto son altamente solubles y ricas en aá polares. Suelen tener una función dinámica, como por ejemplo enzimas de transporte. Vamos a tratar 2 ejemplos: inmunoglobulinas & hemoglobina. A. DEFENSA INMUNOGLOBULINAS • Son glicoproteínas (poseen glúcidos unidos en su región FC por ser la más conservada) • Conjunto de proteínas con función defensiva. • Son sintetizadas por linfocitos de tipo B. • Están formadas por 2 pares de cadenas peptídicas (4): - 2 llamadas cadenas L ó LIGERAS Las dos cadenas ligeras son iguales, y existen 2 tipos diferentes (las 2 cadenas L son de un tipo o de otro) 1. Tipo λ 2. Tipo Κ - 2 llamadas cadenas H ó PESADAS En las cadenas pesadas existen X tipos, los cuales marcan el ISOTIPO de la inmunoglobulina, y por tanto su función característica. 1. Cadenas µ, que dan lugar a las IgM 2. Cadenas γ, que dan lugar a las IgG 3. Cadenas α, que dan lugar a las IgA 4. Cadenas ε, que dan lugar a la IgE 5. Cadenas δ, que dan lugar a las IgD 55
- 56. BIOQ GENERAL *ISOTIPO: unode los 5 tipos de anticuerpos, determinado por una de las 5 formas distintas de cadena pesada que los constituyen. Los isotipos de anticuerpos son IgM, IgG, IgD, IgA y IgE y cada uno de ellos ejecuta un grupo diferente de funciones efectoras. Subtipos distintos de IgG e IgA se caracterizan por variaciones estructurales adicionales. • DOMINIOS En todas las cadenas, tanto ligeras como pesadas, podemos distinguir (en estructura terciaria) la existencia de dominios (variables y constantes), concretamente: − Cadenas ligeras = 2 dominios − Cadenas pesadas = 4 dominios • Las cadenas ligeras y pesadas interaccionan entre sí para dar la estructura de la inmunoglobulina (Ig): − Cadenas ligeras (L) = interacción completa puesto que el tamaño de estas es aproximadamente entre 1/2 y 2/3 del tamaño de las cadenas pesadas (H); por ello hay una zona de las cadenas H que no interacciona con las ligeras, en la cual las 2 cadenas H interaccionan entre sí • Estabilización (estructura cuaternaria): − Por las interacciones entre cadenas L y H − Por interacciones débiles que aparecen entre las 2 cadenas pesadas (H) − Por enlaces disulfuro entre las 4 cadenas polipeptídicas • 2 regiones o fragmentos separados en la zona bisagra: − REGIÓN FAB: fragmento en el cual se encuentran las cadenas L junto con las H Se encarga de reconocer al antígeno Zona de reconocimiento del antígeno = la más amino-terminal de la región FAB Son unos pocos aminoácidos (14-20) los cuales se encargan de reconocer el antígeno A esta zona implicada en el reconocimiento del antígeno se la denomina ZONA VARIABLE El resto de la Ig se denomina ZONA CONSTANTE (*a pesar de no ser cte.) − REGIÓN FC: fragmento donde únicamente se encuentran las cadenas H Se encarga de unir glúcidos (porque es la zona más conservada), que participan también en la reacción de especificidad y contribuyen al isotipo 56
- 57. BIOQ GENERAL La separación entre ambas zonas = ZONA DE BISAGRA: altamente reforzada con enlaces disulfuro. • Resto de dominios de las Ig: − 2 Dominios variables de la cadena H − 2 Dominios variables de la cadena L − 2 Dominios constantes de la cadena L − 2 Dominios constantes de la cadena H • Funciones de las Ig de las cadenas pesadas (H): − IgM: primeras Ig que se sintetizan en una infección. Su síntesis da tiempo a la síntesis de las IgG. Muy corta vida (permanecen en sangre entre 2-5 días). − IgG: mayoritarias en el suero. Tienen un reconocimiento altamente específico del antígeno debido a la mutabilidad de su zona variable. Son más resistentes que las IgM, ya que duran hasta 1 mes en la circulación. Son capaces de atravesar la placenta, proporcionando inmunidad al feto. − IgA: se encuentran en múltiples fluidos corporales y se encargan de conferir inmunidad al neonato. Muy corta vida. − IgE: se encargan de dar hipersensibilidad. Muy corta vida (10 días aproximadamente). − IgD: no se conoce concretamente su función ya que participa en todas las anteriores, salvo en las de atravesar la placenta y dar inmunidad al neonato. 4/11/2010 B. UNIÓN AL O2 = MIOGLOBINA & HEMOGLOBINA Se caracterizan por tener la propiedad de unir O2 y cederlo después. Estructura básica de las proteínas de unión al O2: proteína globular conjugada = parte proteica (bolsillo hidrofóbico) & parte no proteica (grupo Hemo) a) PARTE PROTEICA 57
- 58. BIOQ GENERAL - Se caracteriza porque el 75 % de sus aá adoptan una estructura secundaria en α- hélice, lo cual es altamente anormal, y le proporciona a la proteína su función de unión al O2. • Se distinguen 8 SEGMENTOS, que se unen con el resto de la cadena por las zonas que no adoptan ninguna estructura, es decir, que carecen de una estructura concreta. Podemos observar una secuencia fundamental para la estructura de estas proteínas, donde se une el grupo hemo o parte no proteica: - BOLSILLO HIDROFÓBICO. Alta densidad de aá apolares = ambiente hidrofóbico *Muy importante porque sin él no se podría unir el O2, ya que el BH es el que incorpora el grupo hemo* Funciones del BH: 1. Permite ENCAJAR el GRUPO HEMO 2. Impide que el Fe2+ (ferroso) se oxide a Fe3+ (férrico): Fe2+ Fe3+ • Si esto sucede aparecerá una forma patológica de globina = METGLOBINA une el O2 de forma irreversible (ya no podrá soltarlo), es decir, queda unido sin poder desprenderse = provocaría la imposibilidad de la proteína de ceder O2 Comentado en clase: existe una cierta controversia en este punto. En la revista NEJM se presenta el caso clínico de un niño que había adquirido metglobina por una intoxicación debida a un metal presente en las cañerías de su casa. Se plantea su tratamiento. 3. Impide que el O2 pueda oxidar a los aá de la proteína, es decir, impide la oxidación de otros elementos. 4. Dificulta la entrada de otros gases, como CO o derivados del N. Explicación - El O2 tiene que entrar con una orientación concreta: en una disposición oblicua, la cual no constituye un problema para el O2 pues es su disposición estable. - Sin embargo, el CO (que posee mucha afinidad por el Fe), al ser “obligado” a entrar en una disposición oblicua no lo hará en su forma más estable, con lo que disminuye mucho su probabilidad de unión al Fe. Esta es la razón de que la intoxicación con CO solo sea posible a altas concentraciones, ya que él % que logra “entrar” y unirse al Fe es pequeño. Si el CO acabara entrando y uniéndose al Fe, lo haría de forma IRREVERSIBLE. b) PARTE NO PROTEICA 58
- 59. BIOQ GENERAL - Se caracteriza porque aporta el GRUPO HEMO, formado por: • Un ANILLO de TETRAPORFIRINA 9 = disposición en ANILLO TETRAPIRRÓLICO o Tiene unidos 4 METILOS, 4 ETILOS y 2 PROPIONILOS • Un ion de Fe2+ = que se tiene que encontrar como ión FERROSO, es decir, en su estado REDUCIDO (*si se oxida metglobina) UNIÓN DE LA PARTE PROTEICA (BH) --- PARTE NO PROTEICA (grupo HEMO) A través de un ENLACE COVALENTE que se establece entre: • 1 HISTIDINA (HIS) del BH = parte proteica • El ión Fe2+ del grupo hemo = parte no proteica *Recordatorio: la His es el único aá que se encuentra cargado a pH fisiológico, es decir, el único que puede actuar como tampón en la sangre y en el medio intracelular; el ion Fe se caracteriza por ser un ión muy voluminoso con capacidad de establecer hasta 6 enlaces. HISTIDINA “1” Resulta muy importante, por lo que se encuentra completamente localizada en la α-hélice: o Segmento F8 o Posición 93 de la cadena peptídica *Cada α-hélice se denomina con una letra. UNIÓN DEL O2 --- PROTEÍNA = enlace ESTABLE NO COVALENTE Al Fe le queda un ENLACE LIBRE, después de haberse unido a la proteína = ENLACE QUE PERMITE LA UNIÓN DEL O2 - Este enlace queda orientado muy cerca (aunque lo suficientemente lejos) y en perpendicular de otra His, lo que provoca que el elemento que quiera unirse al Fe lo deba hacer en una disposición oblicua. HISTIDINA “2” o Segmento E7 o Posición 64 Objetivo: 1. Facilitar la entrada del O2 hasta el átomo de Fe, ya que obliga al O2 a adoptar una disposición oblicua, que es su orientación estable. 59
- 60. BIOQ GENERAL 2. A su vez y por el mismo motivo, dificultar la entrada de otros gases (como el CO), ya que la disposición oblicua no es su forma estable; con ello se evita que se “cuele” CO y se una al enlace. Conclusión: el bolsillo hidrofóbico resulta POLAR, ya que posee 2 AÁ POLARES BÁSICOS, es decir, cargados positivamente (NH+): • His F8, 93 = une la parte proteica (BH) al grupo hemo, uniéndose al Fe de éste • His E7, 64 = se sitúa cerca del enlace libre de unión al Fe que se forma, una vez unido el grupo hemo a la parte proteica, con lo que “obliga” a que el elemento que quiera unirse al Fe lo haga en una disposición oblicua = la estable del O2 pero no del CO y de otros gases MIOGLOBINA (Mb) - Función: • Almacén de O2 en los TJs • Facilitar la difusión del O2 desde los capilares hasta el interior de las células (mitocondrias) - Abunda en el interior de las células musculares (de ahí el prefijo “mio”), constituyendo su RESERVA de O2 - 1 sola cadena peptídica = 1 solo grupo hemo = solo capta 1 molécula de O2 - 153 aá conforman la globina, cuya estructura básica sigue el esquema básico que siguen todas las proteínas de unión al O2: o 75% aá en α-hélice o 8 segmentos o bolsillo hidrofóbico- grupo hemo - Posee una *alta afinidad por el O2* Esta afinidad se debe a que debe de capturar el O2 desde los capilares hasta la célula, ya que éste no es depositado en el interior de la célula, sino que es dejado a la “puerta”. Explicación: Los pulmones filtran el O2 y una proteína lo transporta, pero no hasta el interior de las células, sino que lo “suelta” en la íntima arterial (capilares) – debajo de las células, donde estará la MIOGLOBINA - y allí el O2 (al ser un gas) difunde un escaso espacio y se introduce en el interior de las células del TJ (mitocondrias), donde es captado ya por la Mb. - NO SALE DE LA CÉLULA 60
- 61. BIOQ GENERAL CONSTANTE DEEQUILIBRIO La unión del O2 a la Mb se puede describir como un equilibrio simple donde: Mb + O2 ⇔ MbO2 Como todo equilibrio químico podemos calcular una constante de equilibro (también llamada constante de asociación o afinidad), que vendrá dada por la expresión: FRACCIÓN DE SATURACIÓN ( ) depende de la PRESIÓN PARCIAL DE O2 (PO2) Dado que la Mb posee un único sitio de unión al O2, el nº de sitios totales es proporcional a la suma de [MbO2] + [Mb], y por tanto: “concentración de Mb que se encuentra unida al O2 con respecto al total de Mb que tienen en total las células” Como el oxígeno es un gas resulta más fácil medir la presión parcial del mismo que su concentración, por lo que la expresión anterior se puede expresar como: “relación de la presión parcial de O2 con respecto a la PO2 a la cual la mitad de los sitios de unión de la Mb están ocupados con O2” o lo que viene a ser lo mismo: “PO2 a la cual la mitad de las moléculas de Mb están unidas a O2” = 50% de Mb unido al O2 donde P50 es la presión parcial de O2 a la cual la mitad de los sitios de unión de la mioglobina están ocupados, es decir, a la cual la Mb presenta un 50% de saturación. 61
- 62. BIOQ GENERAL NO ES APLICABLE AL CUERPO ya que la Mb tiene O2 o no lo tiene, ya que al haber 1 solo grupo hemo solo podrá captar 1 molécula de O2 y nunca podrá tener ½ de O2, es decir, 0 ó 1 moléculas de O2, no 0.5. En realidad estas ecuaciones no dejan de ser simples expresiones matemáticas. Esta última sería la que más se acerca a la realidad. CINÉTICA DE UNIÓN AL O2 DE LA Mb = HIPERBÓLICA A un pH neutro la oxigenación de la mioglobina sigue una curva hiperbólica. A la PO2 en las células (20-40 mmHg) casi toda la Mb se encuentra unida al O2 = 90% La Mb ya no suelta ese O2, solo cuando la PO2 en la célula sea casi inexistente: PO2 ~ 4 mmHg Comportamiento de la Mb ¿Nos interesa realmente? Sí, ya que una parte del O2 se emplea para la obtención de energía en la mitocondria. ¿Funcionalidad? Sirve como reserva de O2 (Ej.: liberación en hipoxia- submarinistas) Mecanismo Cuando el O2 es depositado en los capilares difunde hacia el interior de la célula, “atraído” por la Mb (afinidad). - De ese O2 que entra en la célula, un % irá destinado al proceso de obtención de energía en la mitocondria (fosforilación oxidativa…) - Y otro % se almacenará en la Mb a modo de reserva, y se empleará cuando no le esté llegando O2 a las células. Conclusión Mb = ALMACENADORA DE O2 La Mb actúa como un almacén de O2 en el músculo, es decir, solo suelta el O2 cuando la PO2 en las células sea aproximadamente de 4 mmHg o inferior. Comentado en clase: en el 2000 se han descubierto 2 proteínas similares a la Mb: la NEUROGLOBINA y la CITOGLOBINA. 62
- 63. BIOQ GENERAL Características: Poseen un20% de homología con la Mb, es decir 20% de aá iguales o parecidos (BH-O2) Doble misión: 1. Actuar como la Mb (como almacén de O2), pero además de en el músculo, en otros TJs dependientes de O2: retina, hipófisis y cápsulas suprarrenales. 2. Además, actuar como agentes detoxificantes de O2, es decir, impedir el efecto nocivo del O2 creación de radicales libres, que son los causantes de la diabetes, el cáncer, el Alzheimer, ateromas… 5/11/2010 HEMOGLOBINA (Hb) = proteína oligomérica con 4 cadenas peptídicas: • 2 cadenas de tipo α c/una de ellas posee 141 aá ~ gran homología con la Mb • 2 cadenas de tipo β algo más larga, c/una de ellas posee 146 aá ~ tb presenta analogía con la Mb Estructura: al igual que la Mb adopta la estructura básica propia de las proteínas globulares, con un BH que encaja el grupo hemo Interacciones: 1. Las 2 cadenas α y las 2 cadenas β interaccionan entre ellas mediante interacciones débiles (enlaces de hidrógeno), iónicas e hidrofóbicas. α1 --- α2 β1 --- β2 2. Los 2 protómeros α y β entre sí, siendo estas interacciones entre las distintas cadenas más numerosas que las que hay entre las subunidades α y β. α1 --- β1 α2 --- β2 Conclusión: α-β >> numerosas – αα ó ββ Dímero de heterodímeros Esto lleva a decir que la Hb es un DÍMERO de HETERODÍMEROS: 2[αβ], porque los protómeros α=β tienen muchos más enlaces débiles entre ellos (en comparación con las subunidades α=α ó β=β), de forma que si uno se mueve, el otro también se moverá. Distintos tipos de Hb 1. Hb A: la que encontramos en la sangre normalmente = 2α y 2β 2. Hb A2: posee también 4 cadenas peptídicas = 2 cadenas α y 2 cadenas δ (delta) - Su % en sangre es bajo = 2-5 % 63
- 64. BIOQ GENERAL - Se encuentra elevado en pacientes con TALASEMIA β: no pueden sintetizar las cadenas β, así que sintetizan las cadenas δ, pero en realidad tienen las mismas propiedades a nivel de transporte de O2 (asintomático), es decir, pueden transportar el O2 perfectamente (aunque hay otras consecuencias, como la anemia) *TALASEMIA: trastorno sanguíneo que se transmite de padres a hijos (hereditario) en el cual el cuerpo produce una forma anormal de Hb (% elevado de Hb A2). Este trastorno ocasiona destrucción excesiva de los glóbulos rojos, lo cual lleva a que se presente anemia. Existen dos tipos principales de talasemia: • La talasemia alfa ocurre cuando un gen o los genes relacionados con la proteína globina alfa faltan o han cambiado (mutado). - Población de riesgo: personas del sudeste asiático, Medio Oriente, China y en aquellas de ascendencia africana. • La talasemia beta ocurre cuando defectos genéticos similares afectan la producción de la proteína globina beta. - Población de riesgo: personas de origen mediterráneo, y en menor grado, los chinos, otros asiáticos y afroamericanos. Hay muchas formas de talasemia y cada tipo tiene muchos subtipos diferentes. Tanto la talasemia alfa como la beta abarcan las siguientes dos formas: • Talasemia mayor • Talasemia menor 3. Hb F – FETAL = 2 cadenas α y 2 cadenas γ (gamma) - Constituye en el feto el 100% de la Hb - A medida que se acerca el parto, el gen que sintetiza las cadenas γ deja de estar activado y se estimula el gen que sintetiza las cadenas β. - En el adulto la Hb F constituye un 1-2% de la Hb en sangre. - En la DREPANOCITOSIS (o anemia falciforme), el % de Hb F se eleva hasta el 20% de la Hbtotal en sangre. En este caso es debido a un mecanismo de adaptación que está relacionado con la malaria. LA Hb POSEE 4 GRUPOS HEMO 4 MOLÉCULAS DE O2 Debido a esta estructura con 4 protómeros (oligomérica) = 4 grupos hemo, la Hb puede llegar a captar hasta 4 moléculas de O2. ¡OJO! Podrá tener 1, 2, 3 ó 4 moléculas de O2 unidas, es decir, tiene la posibilidad de unir hasta 4O2, pero no siempre llevará las 4. 64
- 65. BIOQ GENERAL Llevará unidas4 moléculas de O2 cuando salga de los pulmones, pero a medida que fluye hacia los TJs las irá perdiendo. Misión: TRANSPORTE DE O2 DESDE LOS PULMONES HASTA LOS *TJS* ¡OJO! NO ENTRA EN LA CÉLULA, sino que descarga el O2 en el límite de los capilares (íntima arterial), y éste difunde hasta el interior de la célula atraído por la Mb. CONSTANTE DE EQUILIBRIO ~ análoga a la Mb Para estudiar la unión del O2 a la Hb Hill consideró el siguiente equilibrio: Hb + n O2 ⇔ Hb(O2)n Este equilibrio químico corresponde a una cooperatividad máxima, es decir, se considera que la Hb sólo está en 2 estados, completamente desoxigenada o completamente oxigenada. Siendo n el coeficiente de Hill: afinidad que la Hb tiene por el O2 (no se emplea mucho). n(Hb) = 2,7 ~ la Hb transporta de media 3 moléculas de O2. FRACCIÓN DE SATURACIÓN (θ) CINÉTICA DE UNIÓN AL O2 DE LA Hb ≠ muy distinta a la de la Mb = SIGMOIDE Permite la CAPTACIÓN & CESIÓN de O2 Permite la saturación casi completa de la proteína transportadora a PO2 como las existentes en los pulmones (100%), y una liberación importante del O2 transportado cuando la PO2 es equivalente a la de los tejidos. Este comportamiento se consigue con diferencias en la afinidad por el O2 de los distintos sitios de unión de la proteína en función de la unión anterior a otros lugares. La unión de una molécula de O2 a un 1er sitio en la Hb produce cambios conformacionales que facilitan la unión de las siguientes moléculas de O2. 65
- 66. BIOQ GENERAL En lospulmones la Hb se encuentra cargada con 4 moléculas de O2 (todos sus sitios de unión ocupados). A medida que se aleja de los pulmones las va “perdiendo” y descargando en los distintos Tjs. ¿Por qué se va descargando? Porque de retorno a los pulmones tiene que llevarse el CO2, que es incompatible con el O2. Explicación del COMPORTAMIENTO SIGMOIDE = 2 MECANISMOS 1. Mecanismo HOMOTRÓPICO ~ DE 2. Mecanismo HETEROTRÓPICO: nos COOPERATIVIDAD: nos explica la explica la liberación del O2 que se unión del O2 a la Hb, de tipo realiza por medio de señales cooperativo moleculares (2,3 – BFG) 1. MECANISMO HOMOTRÓPICO O COOPERATIVO Cuando se une 1 molécula de O2 a cualquiera de los protómeros, este O2 tiene que romper muchas interacciones débiles existentes en el bolsillo hidrofóbico (estructura terciaria = interacciones débiles). Conclusión: la entrada de O2 al BH es difícil - Cuando ya ha entrado y el O2 se une al Fe2+, el O2 desplaza al Fe, y éste se sitúa en el plano del anillo tetrapirrólico del grupo hemo. - Como no cabe se situará por encima del plano. - Es decir, al unirse el O2 al Fe, tira de éste de forma que se encaja en este plano del anillo tetrapirrólico. - Entonces el Fe arrastra/desplaza la proteína a la que está unido. Consecuencia: CAMBIA LA ESTRUCTURA DEL PROTÓMERO Conclusión final: la unión es DIFÍCIL, CUESTA, pero es un COSTE MECÁNICO, por adaptación de cargas, es decir, NO CONSUME ENERGÍA. El cambio de estructura de 1 protómero afecta a las interacciones que este protómero establece con los protómeros adyacentes. - ¿Por qué? Porque los protómeros α y β se encuentran unidos por un gran nº de interacciones débiles, así que el cambio en uno de los protómeros afectará al siguiente. 66
- 67. BIOQ GENERAL - Para recuperar su estructura nativa (de máxima estabilidad) la Hb tendrá que volver a reorganizarse, para volver a ser estable. - El cambio en 1 protómero rompe las interacciones débiles del 2º protómero (algunas afectan al BH). Consecuencia: LA UNIÓN DE LA 2ª MOLÉCULA DE O2 SERÁ MÁS FÁCIL porque ya se ha modificado la estructura, es decir, ya se han roto los enlaces débiles. Además su unión al Fe supondrá los mismos cambios estructurales. COOPERATIVIDAD Según el grado de dificultad de unión del O2 a la Hb (de > a < grado de dificultad): 1er O2 > 2º O2 > 3er O2 > 4º O2 Conclusión final: la unión del 1er O2 es la más difícil ya que es la que rompe la multitud de enlaces débiles intactos; por eso llamamos a la unión cooperativa, porque prepara el “terreno” al resto de moléculas de O2, cuya unión va siendo cada vez más fácil. HEMOGLOBINA RELAJADA o TENSA Como consecuencia de que la Hb pueda encontrarse en 2 estados (con ó sin O2) aparecen 2 formas: • RELAJADA (HbR): con O2 - oxigenada = oxi-Hb menos interacciones débiles por tanto menos estable • TENSA (HbT): sin él - desoxigenada = desoxi-Hb más interacciones débiles por tanto más estable INTERACCIONES QUE SE ROMPEN. Entre muchas de las interacciones que se rompen entre los 4 protómeros podemos destacar: 1. Enlaces débiles entre el grupo carboxilo (COO-) y el grupo amino (NH3+) de los extremos de cada cadena. 2. Enlace entre el aá histidina (His - NH+) y el aá aspartato (Asp - COO-) de cada una de las cadenas β 3. Enlace entre el aá lisina (Lys – NH3+) de una cadena α y el grupo carboxilo (COO-) de una cadena β 4. Enlace entre el aá arginina (Arg – NH2+) y el aá aspartato (Asp – COO-) de cada una de las cadenas α 67
- 68. BIOQ GENERAL 2. MECANISMO HETEROTRÓPICO ó de LIBERACIÓN del O2 La Hb libera el O2 a través de interacciones heterotrópicas, es decir, en base a la unión a determinadas moléculas o elementos señal (que se unen a la Hb). Por tanto, la Hb necesita una señal para saber que no hay O2 en la célula o en el TJ. Estas moléculas o elementos señal son: a) PROTONES b) CO2 c) 2,3 BISFOSFOGLICERATO (2,3 – BFG) – molécula orgánica resultante del metabolismo de la glucosa Función: • Avisan a la Hb de que no hay O2 en la célula • REDUCEN LA AFINIDAD QUE LA Hb SIENTE POR EL O2 8/11/2010 a) EFECTO DE LOS PROTONES. La Hb es muy sensible a los cambios de pH. Un aumento de los H+ en el medio, supondría una gran protonación de los aá de la Hb, en especial de sus aá básicos (lisina, arginina e histidina), ya que el pI de la Hb se sitúa en torno al 8.3, lo que significa que posee alta densidad de aá básicos; en conclusión, este incremento de los H+ afectará mucho a la Hb. Al aumentar la protonación de esos grupos amino (de las R de los aá básicos), va aumentar el nº de cargas+ presentes en la proteína, y por tanto también aumentará el nº de enlaces iónicos que aparezcan en la proteína. A su pH “normal”, los aá de la Hb no están ionizados (-NH2), pero si el pH desciende hacia ácido (aumenta el nº de H+) los grupos básicos antes no protonados pasarán a estarlo: NH2 NH3+ Además, al aumentar el nº de enlaces iónicos, la Hb va a ser desplazada hacia su forma TENSA, es decir, se va a estabilizar, ya que cuantos más enlaces más estable (forma tensa). Consecuencia: PÉRDIDA DE AFINIDAD POR EL O2 el O2 se libera de la Hb, o dicho de otro modo, la Hb cede el O2 a los tejidos, que ahora lo están necesitando. ¿Tiene sentido fisiológico? Sí. Todas las células activas, metabólicamente hablando, y que estén en movimiento, aumentan la liberación de H+. Es decir, una célula activa: 68
- 69. BIOQ GENERAL + • Genera H • Necesita O2 Este aumento de H+ lleva implícito una demanda de O2 Los H+ le dirán a la Hb que tiene que soltar O2, NO QUE NO TIENEN. Conclusión: el aumento de protones (H+) o el desplazamiento del pH hacia ácido (< 8.3) - Estabiliza la forma TENSA y estable de la Hb - Reduce la afinidad de la Hb por el O2 Todo ello desde un punto de vista fisiológico: el aumento de H+ es una señal de las células y tejidos que se están moviendo (músculo) y que están “respirando” metabólicamente, para que la Hb les mande O2. Comentando en clase: las agujetas, bioquímicamente hablando, no son producidas por la cristalización de lactato (Ác. láctico) entre las fibras musculares. El lactato, para que no se acumule en la célula muscular, sale a la sangre. Si se sitúa cerca de H+, la probabilidad de cristalizar es grande (ya que la cristalización se produce a bajo pH), pero ésta sería una situación ideal, pues la sangre no está quieta, fluye por los vasos sanguíneos, de manera que estos H+ son desplazados y desaparecen. La probabilidad de cristalización será muy pequeña. Concluyendo, es imposible que se produzca cristalización de lactato en el cuerpo humano, porque este proceso solo es posible a pH bajo (no fisiológico) y a Tª tampoco fisiológica. Entre muchas de las teorías que se sostienen, destaca la que atribuye la aparición de las agujetas a una mala formación del riego sanguíneo (“estar en mala forma física”); los H+ permanecerían más tiempo de lo normal en circulación, aumentándose la probabilidad de cristalización. *El lactato se produce constantemente durante el metabolismo y sobre todo durante el ejercicio. ¿Cuánto ha de disminuir el pH para que se produzca la liberación de H+?. A un pH de 7.3 ya hay liberación, y < 7.3, mucha más liberación. Si se diera una alcalosis sanguínea, la Hb no podría liberar el O2 problemas respiratorios Es muy raro que haya alcalosis sanguínea (aumento de OH-) ya que el agua es un electrolito muy débil (Keq muy baja casi toda en forma molecular, es decir, pocos iones); si la hubiera no sería posible la liberación de O2 por la Hb, generándose un problema respiratorio. EFECTO BOHR (de los H+, y del CO2) La liberación de O2 es producida cuando disminuye el pH (≤7.3, hacia ácido con respecto al pI de la Hb – 8.3), es decir, cuando aumenta la [H+] o cuando la presión del CO2 se incrementa; ambos factores ocasionan que la Hb disminuya su afinidad por el O2. 2 Dicho de otro modo, a un pH menor (más ácido), la Hb se unirá al O con menos afinidad, por lo que tenderá a + cederlo. Puesto que el CO2 está directamente relacionado con la [H ] en la sangre, un aumento de los niveles de CO2 lleva a una disminución del pH, lo que conduce finalmente a una disminución de la afinidad por el oxígeno de la Hb. Curva cinética (de disociación) sigmoidea de la Hb. La línea roja punteada corresponde al desplazamiento hacia la derecha causado por el efecto Bohr. 69
- 70. BIOQ GENERAL b) Efecto del CO2. Comportamiento similar a la Hb. El CO2 que se libera a los tejidos y a las células sale a la sangre; allí puede tener 2 efectos sobre la Hb: directo e indirecto - DIRECTO: el CO2 se une a la parte proteica de la Hb, concretamente a los grupos amino-terminal de los 4 protómeros, siempre que estos no estén protonados = Hb CARBAMILADA ó CARBAMINOHb Hb-NH2 + CO2 Hb-NH-COO- Consecuencia: aparecen nuevos grupos ionizados (COO-), por lo que aparecen nuevos enlaces iónicos, produciéndose la estabilización de la forma TENSA de la Hb. Conclusión. La unión CO2-Hb (Hb Carbamilada) da lugar a la: • Aparición de nuevos enlaces iónicos APORTA UNA CARGA – (interacciones iónicas) • Nueva formación tensa (T) • Disminución de la afinidad de la Hb por el O2 DIRECTAMENTE POCO EFECTO SOBRE LA Hb (15%) Este método directo solo explica en un 15% el proceso de la pérdida de afinidad de la Hb por el O2 a causa de un aumento de la [CO2] en sangre, pues en condiciones normales solo el 15% de los grupos amino-terminal de la Hb se encuentran no protonados; así que este método no explica todo el proceso. 70
- 71. BIOQ GENERAL A pesar de ello, este método directo es el mecanismo de transporte de CO2 que normalmente conocemos, y que se da en el mecanismo de la respiración: durante la inspiración aumenta la [O2] en los pulmones, por competición el O2 se une a la Hb y activa la forma R = oxiHb (relajada – poco estable, menos enlaces iónicos); en la exhalación aumenta [CO2] que por competición desplaza al O2 (se suelta) y activa la forma T = desoxiHb (tensa – estable, más enlaces iónicos). De nuevo aparece la forma R, compensándose las interacciones débiles (efecto cooperativo), con lo que se produce la pérdida del CO2 (se libera), y vuelve a comenzar el proceso. - *INDIRECTO* (el más importante): el CO2 (formado normalmente en las reacciones metabólicas) en sangre se disuelve dando lugar a BICARBONATO, que aporta protones H+ que potenciarán el EFECTO BOHR, dando lugar a la HbT (forma tensa), con su consecuente pérdida de afinidad y cesión de O2. CO2 + H2O H2CO2 HCO3- Así las células activas se aseguran de que la Hb suelte el O2. En la curva cinética sigmoidea se podrá observar como disminuye la pendiente y aumenta la P50 (aumenta la PO2 a la cual la mitad de los sitios de unión a la Hb están ocupados) – al igual que antes. Comentado en clase. ¿La sangre venosa que lleva, CO2 ó HCO3-? Para empezar, cabe destacar que la sangre venosa será rica en CO2 ó HCO3- y la sangre arterial en O2. Lleva ambos, ya que se encuentran en un continuo equilibrio y formación. Casi todo el CO2 que se elimina es de esta forma: CO2 + H20 HCO3-; pero como es un gas de baja solubilidad necesita estar en forma de bicarbonato (HCO3-) en la sangre. Existe otro factor que asegura que la Hb libere todo el O2 si la célula lo necesita: c) Efecto del 2,3-BFG Es una molécula orgánica que se produce a partir de la glucolisis (intermediario de la glucolisis). Este intercambio se realiza en el interior del eritrocito. El ERITROCITO o GLÓBULO ROJO (Hb en su interior) se caracteriza por ser la única célula que no tiene mitocondrias (o que posee un % ínfimo), por lo que su única forma de obtención de energía, su única ruta metabólica es la GLUCOLISIS, razón de que se encuentre MUY ACTIVA. Consecuencia: producción de 2,3-BFG • Esta molécula tiene un gran nº de cargas (-) porque tiene 2 P unidos • Encaja en el hueco que queda entre los 4 protómeros de la Hb • Al encajar estabiliza la forma tensa de la Hb 71
- 72. BIOQ GENERAL • La 2,3-BFG cabrá perfectamente en este hueco que queda después de que la Hb haya adoptado la posición tensa (desoxi-Hb). Conclusión: REFUERZA EL EFECTO DE LOS H+ Y DEL CO2 Estos a su vez han sido los que han hecho que la Hb adoptase la forma tensa, propiciando una entrada más efectiva. Si la Hb se hubiera encontrado en un su forma R (oxiHb) no hubiese sido impedimento de “encaje”, pero éste hubiera tardado más, y por tanto no hubiese sido tan efectivo. Definición (2,3-BFG): molécula formada a partir de un intermediario de la glicólisis anaeróbica, que al encontrarse en alta concentración en los eritrocitos (por la ausencia de mitocondrias) , provoca la reducción de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. *ALOSTERÍA: modo de regulación de las enzimas por el cual la fijación de una molécula en una ubicación (sitio catalítico) modifica las condiciones de fijación de otra molécula, en otra ubicación distante de la enzima. La Hb posee propiedades alostéricas = “cooperatividad o efecto homotrópico”. La 2,3-BFG es muy importante en 2 situaciones: - HbF (fetal) En Resumen: PROTEÍNAS GLOBULARES − Globulares − Función dinámica − Medio circulatorio y citoplasma − Inmunoglobulinas & Hemoglobina − Muy solubles y ricas en aá polares DEFENSA: INMUNOGLOBULINAS = glicoproteínas (glúcidos región FC) − 2 pares de cadenas peptídicas que interaccionan entre sí y dan la Ig: • (2)Cadenas L: LIGERAS 2 tipos: λ y Κ [2 DOMINIOS variables y constantes] • (2)Cadenas H: PESADAS 5 tipos: δ (IgM), γ (IgG), α (IgA), ε (IgE) y µ (IgD) = marcan el ISOTIPO [4 DOMINIOS] IgM sintetizadas cuando hay infección (las 1as). Corta vida (2-5 días en sangre) IgG (sueros) reconocimiento muy específico (mutabilidad zona variable). Proporcionan inmunidad al feto. 1 mes en sangre. 72
- 73. BIOQ GENERAL IgA (fluidos corporales) inmunidad al neonato. Corta vida. IgE hipersensibilidad. Corta vida (10 días). IgD participa en las demás salvo en la inmunidad del feto y del neonato (no se conoce concretamente su función). − Estabilización: (1) simple interacción entre las cadenas, (2) interacciones débiles entre las cadenas pesadas y (3) enlaces disulfuro entre las 4 cadenas polipeptídicas − 2 regiones (fab & fc) separadas por la zona de bisagra (enlaces disulfuro): • Región FAB (cadenas L y H) reconocimiento del antígeno en su zona más amino-terminal (14-20 aá) = ZONA VARIABLE • Región FC (solo cadenas H) une glúcidos que contribuyen a la especificidad y al isotipo = ZONA CONSTANTE DE UNIÓN AL O2: MIOGLOBINA & HEMOGLOBINA Estructura básica (proteína globular conjugada) Parte proteica = alto contenido en α-hélice (75%) con 8 SEGMENTOS - Propiedad de unión al O2 - Bolsillo hidrofóbico (“polar” x tener 2 His): • Unión con el grupo hemo • Impide la oxidación del Fe2+ y por tanto su consecuente formación de metglobina e imposibilidad de ceder el O2 • Impide tb la oxidación de otros elementos y la entrada de otros gases ≠ al O2 como el CO Parte no proteica - Aporta el grupo HEMO (anillo de tetraporfirina 9 + Fe2+) o Unión de la parte proteica con la no proteica a través de la His F8, posición 93 = enlace covalente o Unión del O2 a través del Fe (ya unido a la proteína) = enlace estable no covalente La His E7, 64 (situada cerca del enlace libre de Fe) “obliga” a que el elemento que quiera unirse al Fe lo haga en una disposición oblicua = la estable del O2 pero no del CO MIOGLOBINA - 1 cadena peptídica de 153 aá con 1 solo grupo hemo por lo que solo capta 1 O2 73
- 74. BIOQ GENERAL - Abunda en células musculares - Almacena el O2 y facilita la difusión del O2 de los capilares interior de las células (mitocondrias) - Alta afinidad por el O2, el cual debe captar desde los capilares, pues la Mb NO SALE DE LA CÉLULA, y el O2 no es transportado hasta dentro. Equilibrio: Mb + O2 MbO2 Fracción de saturación: “PO2 a la cual la mitad de las moléculas de Mb están unidas a O2” Cinética = curva hiperbólica La Mb suelta el O2 cuando la célula se esté quedando sin él (cuando la PO2 a nivel celular sea ≤ 4 mmHg), es decir, actúa a modo de reserva. HEMOGLOBINA = oligomérica con 4 cadenas peptídicas: • 2 α = 141 aá c/una interaccionan entre sí: α=α • 2 β = 146 aá c/una interaccionan entre sí: β=β 4 grupos hemo posibilidad de unir hasta 4 moléculas de O2 (a nivel de los pulmones) Interacciones: α-β más numerosas DÍMERO de HETERODÍMEROS 2[αβ] = si uno se mueve el otro tb Tipos de Hb: 1. A (2α y 2β) = la habitual 2. A2 (2α y 2δ) = bajo % en sangre; si el % fuera alto = talasemia: no afecta al transporte de O2 3. F (2α y 2γ) = 100% en el feto; 1-2% en el adulto; 20% en drepanocitosis Objetivo: transporte de O2 desde los pulmones hasta la íntima arterial (capilares) Equilibrio de Hill: Hb + n O2 ⇔ Hb(O2)n n (coeficiente de Hill – afinidad por el O2) = 2,7 Cinética = comportamiento SIGMOIDE permite la captación y cesión de O2 (la unión del 1er O2 facilita las uniones posteriores por cambios de conformación) para llevarse el CO2 (incompatible con el O2) en su retorno a los pulmones 2 formas de Hb: • Tensa (HbT): desoxi-Hb = + interacciones débiles • Relajada (HbR): oxi-Hb = - interacciones débiles 74
- 75. BIOQ GENERAL Explicación delcomportamiento SIGMOIDE por 2 mecanismos: 1) HOMOTRÓPICO o COOPERATIVO = unión cooperativa del O2 a la Hb La entrada de O2 al BH es difícil, ya que tiene que romper muchos enlaces débiles; además, cuando ya ha entrado y se une al Fe2+, lo arrastra, encajándolo en el plano del anillo tetrapirrólico cambio de estructura Conclusión: unión difícil COOPERATIVIDAD = el cambio estructural afecta a las interacciones α=β, rompiéndose los enlaces débiles del 2º protómero, lo que facilita la unión del 2º O2 al BH (al estar ya rotos los enlaces) y también su posterior unión al Fe, que supondrá los mismos cambios estructurales. Conclusión final: el 3er y 4º O2 serán unidos de forma todavía más fácil. INTERACCIONES QUE SE ROMPEN 1. COO- --- NH3+ (extremos) 2. βHis+ --- βAsp- 3. αLys+ --- βCOO- 4. αArg+ --- αAsp- 75
- 76. BIOQ GENERAL 2) HETEROTRÓPICO = cesión del O2 por señales moleculares que avisan a la Hb de que no hay O2 en la célula y reducen su afinidad: protones, CO2 y 2,3-BFG a) Efecto de los PROTONES (H+) pIHb = 8.3 (gran densidad aá básicos) aumento de H+ en el medio (pH hacia ácido ≤ 7.3) protonación aá básicos aumento del nº de cargas+ aumento del nº de enlaces iónicos en la proteína forma tensa (estable) pérdida de afinidad por el O2 liberación de O2 Conclusión: los H+ son una señal que avisa a la Hb de que las células y TJs activos (metabólicamente y en movimiento – músculo) requieren O2 Efecto Bohr la liberación de O2 de la Hb se produce cuando: - Aumenta [H+] - Aumenta la PCO2 Ambos conducen a una pérdida de afinidad por el O2 Curva cinética sigmoidea: disminuye la pendiente y aumenta la P50 b) Efecto del CO2 - Directo (explica un 15% el proceso de la pérdida de afinidad porque en CN solo este % de los grupos amino-t de la Hb se encuentran no protonados): CO2 + parte proteica Hb (amino-t de los 4 protómeros) = Hb CARBAMILADA ó CARBOAMINOHb nuevos grupos ionizados (COO-) nuevos enlaces iónicos forma TENSA = desoxiHb T disminuye afinidad de la Hb por el O2 Conclusión: directamente efecto discreto sobre la Hb (15%) - Indirecto: explica de forma importante el efecto del CO2 sobre la Hb. CO2 en sangre bicarbonato aporta H+ potenciación del efecto Bohr pérdida de afinidad por el O2 liberación c) Efecto del 2,3-BGF (producto de la glucolisis) ERITROCITO (Ø de mitocondrias) glucolisis muy activa porque es su única posibilidad de obtención de energía producción de 2,3-BFG 2,3-BFG gran nº de cargas negativas (2P unidos) encaja en el hueco entre los 4 protómeros, más fácilmente si se encuentra en su forma tensa (favorecida anteriormente por los H+ y el CO2) REFUERZA LA FORMA T Y POR TANTO EL EFECTO DE LOS H+ Y DEL CO2 76
- 77. BIOQ GENERAL TEMA 4 ENZIMAS.CINÉTICA ENZIMÁTICA ENZIMOLOGÍA Somos reacciones químicas fisiológicas, por lo que éstas tienen que cumplir una serie de características de acuerdo con la fisiología humana: 1. Compatibles: condiciones de pH y temperatura suave. 2. Velocidad adecuada: rápida o lenta (depende). 3. Nunca alcanzan el equilibrio: lo buscan, están al borde del equilibrio; pero el equilibrio absoluto equivale a la muerte. 4. No producen reacciones secundarias: en las cuales se pierdan metabolitos o energía. 5. Coordinadas Todas las reacciones químicas en los seres vivos están catalizadas por la participación de enzimas (E) - proteínas globulares - que unen sustratos (S). Algunas reacciones (en vez de estar catalizadas por enzimas) son catalizadas por moléculas de ARN. CARACTERÍSTICAS Las reacciones químicas en el organismo cumplen una serie de condiciones. Éstas se logran gracias a los catalizadores enzimáticos, cuyas características son las siguientes: Comunes a todos los catalizadores (enzimáticos y químicos) - Trabajan a baja concentración; no es necesaria una elevada [ ] (a veces sí). - No se consumen en el transcurso de la reacción (a veces sí) pero al ser proteínas tienen una vida media. - No modifican las características termodinámicas de la reacción que catalizan. Propias de enzimas y distintas de otros catalizadores químicos - Pueden “trabajar”, catalizar las reacciones en condiciones fisiológicas (pH y Tª suaves). - Son específicas. - Poseen un elevado poder catalítico respecto al catalizador químico (pueden llegar a aumentar la velocidad de una reacción química en 107 veces más que un catalizador químico o sin catalizador). - Reguladas*: no todas van a estar reguladas pero todas podrían estar sujetas a regulación. *Importante ya que existirán fármacos que afecten a la regulación enzimática. CLASIFICACIÓN. En 6 grupos según el tipo de función que catalizan: (*Nota: aunque se indiquen como tal, no todas son reversibles ) — : enlace simple; = : enlace doble 1. OXIDORREDUCTASAS catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de protones (H+) o electrones (e-) de un sustrato a otro, según la reacción general: AH + B A- + BH Ared + Box Aox + Bred 2. TRANSFERASAS catalizan la transferencia de un grupo químico (≠ del H) de un sustrato a otro, según la reacción: A—X + B A + B—X (rompiendo y formando enlaces) *Todas las reacciones implican esto. 77
- 78. BIOQ GENERAL 3. HIDROLASAS catalizan las reacciones de hidrólisis (ruptura de enlaces con participación de agua): A—B + H2O AH + B—OH 4. LIASAS catalizan reacciones de ruptura o soldadura de sustratos, es decir, acciones de pérdida de una parte de la molécula pero sin la participación de agua y energía, y con la formación de dobles enlaces o estructuras cíclicas: AX + BY A=B + XY A—B A+B *SINTASA: no requiere gasto de energía. 5. ISOMERASAS catalizan la interconversión de isómeros, es decir, cambian la posición de un grupo pero dentro de la misma molécula: A A´ 6. LIGASAS catalizan la formación de enlaces con participación de moléculas ricas en energía, es decir, la unión de 2 S con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.): A + B + XTP A—B + XDP + Pi *SINTETASA: requiere gasto de energía (ATP, GTP…) BASES DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA (Cómo funcionan las enzimas) Catálisis química: cualquier reacción química consiste en la transformación de un sustrato (S) en un producto (P). S→P Para que cualquier reacción sea favorable (no necesario para que se lleve a cabo) los sustratos tienen que tener más energía que los productos. - Trabajo mecánico = contracción pulmones, corazón, músculos… - Trabajo osmótico = bomba Na+/K+ - Trabajo químico = formación de sustancias o descomposición (normalmente la formación necesita energía) A veces la energía se pierde en forma de calor (energía NO útil químicamente aunque fisiológicamente sí es útil como mecanismo de defensa ante infecciones). En el transcurso de una reacción química los sustratos adquieren un nivel de energía superior al inicial y ahí es donde se llevan a cabo las transformaciones químicas del sustrato; en ese momento de máxima energía la molécula S se encuentra en un estado intermedio o de TRANSICIÓN X(ya no es tal sustrato) para dar lugar al producto. 78
- 79. BIOQ GENERAL La energíaque hay que suministrar para esa transformación es la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN y procede de: - Cambios de pH - Cambios de Tª - Aumentos de presión (comprimiéndola se rompen enlaces y se facilita su transformación) Catálisis enzimática (~ catálisis química fisiológica) La catálisis química en el ser humano difiere en ciertos aspectos, y se convierte en catálisis enzimática, ya que todas las reacciones químicas están catalizadas, “gobernadas por enzimas”. La función de las enzimas en nuestro cuerpo es la de disminuir la energía de activación. Esto se consigue a través de la formación de una serie de complejos intermedios: - Unión de enzima al sustrato formación complejo ES - Formación enzima – intermediario EI - Formación enzima – producto EP - Finalmente liberará un producto reciclando la enzima para que vuelva a funcionar E + S → ES → EI (S transformándose en P) → EP → P + E La eficacia de la catálisis enzimática se basa en la formación de un complejo ES (E pueda unirse a S). Esta unión depende de la estructura de la enzima (E). Estructura de la enzima (condiciona la eficacia de la catálisis) Normalmente su estructura es GLOBULAR (99,9%). • REGIÓN (15%): se encuentran las cadenas laterales (R) de los aminoácidos de la enzima, que van a poder unirse a grupos concretos del S. Si S tiene grupos básicos, en la región de la E habrá grupos ácidos y viceversa. En esta región también hay R de aminoácidos que participan en orientar correctamente al S para que interaccionen con la E. Estos aminoácidos, los que unen y orientan al sustrato, se llaman SITIO DE UNIÓN AL SUSTRATO. En la estructura terciaria de estas enzimas existen R de aminoácidos que llevan a cabo la acción catalítica, la transformación del S. Este sitio se llama CENTRO CATALÍTICO (y puede coincidir con el sitio de unión al sustrato). El conjunto del sitio de unión al sustrato y el centro catalítico es el CENTRO ACTIVO. MODELOS ENZIMÁTICOS La unión enzima—sustrato (E S = ES) se lleva a cabo por 2 modelos: 1. MODELO DE FISCHER (no fisiológico) • Impone que el Centro de Unión al Sustrato (CUS) ha de poseer una forma EXACTA a la forma del Sustrato (S): CUS = S • Esto implica que la proteína NO es FLEXIBLE, por lo que el Centro Catalítico (CC) no podrá disponerse en un sitio distinto al CUS (como ocurre realmente en nuestro organismo): CUS = CC Incompatibilidades fisiológicas: La estructura de las proteínas (enzimas) posee un cierto grado de FLEXIBILIDAD 79
- 80. BIOQ GENERAL Esto implica que en ocasiones el CUS y el CC se encuentran en sitios distintos: CC ≠ CUS 2. MODELO DE KOSHLAND o DE COMPATIBILIDAD (fisiológico) Este modelo es el más aceptado debido a que explica la actividad fisiológica enzimática. • El CUS es COMPATIBLE al S, es decir, posee una forma aproximadamente igual a la forma del S. Esto explica las características enzimáticas: - Que en el CUS haya aá que orienten al S para su correcta unión con la enzima (E) - La FLEXIBILIDAD proteica - La EFECTIVIDAD de las enzimas (la formación de ES aumenta la probabilidad de “choque”) - La creación de TENSIÓN (aumentará la capacidad del ES para romper el S y crear ese P) - La disminución de la cantidad de energía que hay que suministrar para que S P (como consecuencia de las 2 anteriores) - La ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA ([1] por sustrato o absoluta y [2] de función o de grupo) - Que puedan trabajar en condiciones fisiológicas de pH y Tª suaves (CA) - La REGULACIÓN (fundamento de la acción farmacéutica, medicamentos) Es compatible con: La separación física entre el CUS y el CC: CUS ≠ CC Explicación Cuando el sustrato (S) se une a la enzima (E), esta encaja perfectamente con el S, adaptándose a su forma (“flexibilidad”). A medida que encaja la E, ésta sufrirá un cambio en su estructura que acerca los aá del CC al CUS (zona en la que está unido el S a la E). La cadena lateral (R) de los aá ralentiza el movimiento del S y lo orienta, dando tiempo a que la E se adapte a la forma del S (los aá se acercan: catálisis), simplemente por interacciones débiles (enlaces de hidrógeno) ya que serán interacciones rápidas (debido a su “debilidad” se rompen/forman muy rápido), que es lo que no interesa (si fuera por interacciones covalentes ocurriría de una forma mucho más lenta). Este modelo de unión/interacción E—S, explica todas las características que son propias de las enzimas como catalizadoras, es decir, explica la EFECTIVIDAD de las enzimas, ya que, al formarse el complejo ES, se aumenta la proximidad entre el sustrato y los aá (que tienen que transformar ese sustrato), y como una reacción química se da como resultado de la probabilidad de choque con formación de productos, concluimos que la interacción E S aumenta la probabilidad de choque y por tanto la efectividad. Además la formación del complejo ES crea TENSIÓN, lo que facilita la transformación del S P; así, cuanto mayor sea la tensión de la molécula, más capacidad tendrá el complejo ES para romper ese S en 2 P (P1 y P2), ya que reducirá la energía necesaria para que se lleve a cabo la reacción. (E-S ↔ P1 + P2) Por último, como consecuencia de los 2 anteriores (proximidad/efectividad + tensión), DISMINUYE LA CANTIDAD DE ENERGÍA que hay que suministrar al S para que se transforme en P. Este modelo explica asimismo la ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA. Hay 2 tipos, siendo los 2 igual de habituales: 1) POR SUSTRATO, o especificidad ABSOLUTA Una enzima solo va a poder reconocer UN sustrato y transformarlo en UN producto. Va a ser el centro de unión al sustrato (CUS) el encargado de reconocer al sustrato y unirlo. 80
- 81. BIOQ GENERAL Así pues, se puede decir que está basada o es debida al CUS. Ej.: glucosa-6-fosfatasa E1 + S1 P1 2) DE FUNCIÓN, o especificidad DE GRUPO Una enzima va a poder reconocer un GRUPO, o un ENLACE o una PARTE CONCRETA DEL SUSTRATO, sobre la que actúa. Viene determinada por el centro catalítico (CC). • Podemos encontrar en este caso que distintos sustratos se unen a una misma enzima para formar distintos productos, es decir, dependiendo del sustrato darán un producto u otro. Ej.: peptidasas, que reconocen enlaces peptídicos específicos, escindiéndolos. • O también podemos encontrar que un mismo sustrato es reconocido por distintas enzimas para dar lugar a distintos productos. El modelo de ajuste inducido de Koshland (formación del complejo ES) también explica que las enzimas actúen/trabajen en condiciones fisiológicas de pH y temperatura suaves, debido a que el centro activo aporta el medio adecuado para que se lleve a cabo la catálisis. También explica el hecho de que las enzimas sean REGULABLES, ya que cualquier factor (por ej. fármacos) que altere la formación del complejo enzima—sustrato (ES)*, altera la formación del producto, y por tanto va a afectar a la reacción de catálisis. *Aquí es donde se requerirá una implicación clínica, mediante el uso de distintos fármacos (inhibición, activación…). MECANISMOS DE CATÁLISIS Una vez formado el complejo ES, habrá 3 mecanismos habituales de catálisis: 1) Catálisis ÁCIDO-BASE (*la más habitual porque es la más rápida*) El sustrato se une a la enzima donde se realizan reacciones red/ox (de oxidorreducción) llevadas a cabo (catalizadas) por aminoácidos del centro catalítico. Consiste en la transferencia de protones (H+) o en la transformación de enlaces, de forma lenta, es decir, paso a paso para no perder energía en forma de calor. 2) Catálisis IÓNICA La transformación de los sustratos se lleva a cabo por iones* como Mg2+, Mn2+, Cu2+ (cationes divalentes especialmente). *Se requerirán en poca cantidad pues si no se acumularán en el hígado. Se forma un complejo ternario en forma de complejo enzima—ion—sustrato. 3) Catálisis COVALENTE 81
- 82. BIOQ GENERAL La transformacióndel sustrato se realiza mediante la creación de enlaces covalentes con el centro catalítico de la enzima. Esta unión covalente es transitoria, y está reservada a reacciones que tienen que transcurrir más lentamente (a una velocidad más lenta), es decir, cuando el organismo necesita disminuir la velocidad de sus reacciones. LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Nos va a permitir estudiar: • La velocidad a la que se lleva a cabo una • Los factores que pueden alterar a esa reacción velocidad Además, el objetivo del estudio de la catálisis enzimática es de interés clínico, es decir, este se realiza para conocer: − La NATURALEZA de la reacción, es decir, la propia reacción, y cómo se DESARROLLA − La concentración fisiológica de sustrato [S] que puede haber en el organismo − La concentración fisiológica de las enzimas [E] Esto es, la afinidad entre enzima—sustrato* *Gran implicación clínica, pues puede ser necesario modificar esto para curar o retrasar la enfermedad. − Cuál es el paso limitante de una ruta metabólica (las reacciones químicas se hallan agrupadas en rutas metabólicas futura aplicación de fármacos) Para el estudio de la cinética enzimática, necesitamos: − Disponer de todos los elementos que forman parte de la reacción: enzima y sustratos − Tener las condiciones óptimas de pH y temperatura a las cuales la enzima es funcional − Una herramienta que nos permita ver la desaparición gradual de los sustratos, o ver la aparición de los productos; esto es una reacción química específica que identifique característicamente el 82
- 83. BIOQ GENERAL sustrato o el producto, para comprobar la variación de sus concentraciones. La velocidad de una reacción enzimática responde pues a las siguientes ecuaciones: − d [S ] d [ P] V = ≡ t t FACTORES QUE AFECTAN A LA CINÉTICA ENZIMÁTICA A. Factores INTRÍNSECOS Son aquellos que forman parte de la propia reacción, es decir, los que participan en ella: [S] = la que más afecta a la velocidad de [E] = solo afectará en situación saturante la reacción El organismo se pone en marcha o se para según haya o no sustrato; por ej., el colesterol es esencial para mantener la estructura celular ~ sustrato. B. Factores EXTRÍNSECOS Son aquellos que no forman parte de la propia reacción, es decir, que son externos a ella. Explican cómo las condiciones del medio (pH, temperatura, presencia de alguna molécula distinta al sustrato, etc.) afectan a la cinética enzimática o velocidad de la reacción. Es importante no confundir estos factores ya que modifican la velocidad, pero no la propia enzima. A. Factores INTRÍNSECOS INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO [S] (*la más relevante*) Si representamos cómo varía la velocidad de la reacción en función de la concentración de sustrato, encontramos unas cinéticas de tipo HIPERBÓLICO. En esta reacción distinguimos 3 partes bien diferenciadas: 1. En esta primera parte, el sustrato condiciona la velocidad de la reacción enzimática. Se trata de una cinética de primer orden en la cual la velocidad de la reacción química es totalmente proporcional a la concentración de sustrato. 83
- 84. BIOQ GENERAL 2. Aquí tenemos un orden mixto. Parece que al aumentar la concentración de sustrato aumenta la velocidad, pero esta tendencia no se mantiene en toda la franja; así concluimos que la velocidad de la reacción no depende totalmente de la concentración de sustrato. 3. La tercera parte de esta gráfica hiperbólica indica que la velocidad es totalmente independiente de la concentración de sustrato. En esta tercera parte se dice que la cinética es de orden 0. En estas reacciones se asume que la concentración de enzimas siempre va a ser menor que la de sustrato, incluso en condiciones de baja concentración de sustrato: [E] <<< [S] Explicación E + S ⇔ ES ⇔ EX ⇔ EP ⇔ E + P ES = Enzima-sustrato (*Todos los pasos se resumen en este*) EX = Enzima-producto intermedio EP = Enzima-producto En cuanto aumentamos la concentración de sustrato comienza la reacción en la que no todas las enzimas están ocupadas, siendo así su velocidad óptima; por tanto, en la parte 1 siempre habrá enzima disponible para interactuar con el producto (a pesar de que [S] siempre es mayor que [E], ya que, debido a la velocidad de la cinética enzimática, siempre quedará una enzima libre dispuesta a interactuar con el sustrato). En la zona de orden 0 (3) la concentración de enzima libre es prácticamente nula. Toda ella se encuentra en forma de complejo ES. Así, en cuanto una enzima se queda libre, pasa a ser ocupada por una molécula de sustrato debido a la elevadísima concentración [S]. En estos casos se afirma que la enzima está saturada de sustrato. Aunque en ocasiones significa que la velocidad de la reacción es máxima debido a que se ha agotado el sustrato, y la velocidad no puede ser mayor. Una ecuación que defina este comportamiento cinético hiperbólico se deduce por las siguientes consideraciones: − La concentración de sustrato siempre será mayor que la de enzima: [S] >>> [E] − Las reacciones son monosustrato, es decir, solo interviene un sustrato. − La formación de complejos ES a partir de los productos no se lleva a cabo. Se considera a la reacción irreversible. ¡OJO! Esto fisiológicamente no siempre es así, ya que la reacción puede ser reversible. Se considerará la reacción tal que así: E + S K 1 ← K 2 ES → E + P → K3 Y por tanto la ecuación cinética tendría los siguientes elementos: 84
- 85. BIOQ GENERAL V0 = K3 [ES] e incluiría los conceptos de [S] y de [E] HIPÓTESIS DEL EQUILIBRIO RÁPIDO DE MICHAELIS-MENTEN Los primeros que estudiaron la cinética enzimática fueron Michaelis-Menten. Consideraron que para estudiar la formación del complejo enzima-sustrato (ES) se había de tener en cuenta que la enzima y el sustrato se encontraban en un equilibrio, y que rápidamente daban lugar al complejo ES, el cual se descomponía mucho más lentamente hacia la generación del producto que la velocidad de formación enzima-sustrato. Por tanto, en la reacción antes expuesta se despreció K3 (ya que K3 <<< K1). Esto se conoce como hipótesis del equilibrio rápido. Así, la velocidad de formación enzima-sustrato dependía de la velocidad de descomposición de ES hacia las condiciones iniciales (E + S). De esta forma deducimos esta ecuación: K1 [ E ][S ] = K 2 [ ES ] En resumen: fisiológicamente un efecto de la [S] en nuestras células (1) variará/modificará la velocidad a la cual se llevan a cabo las reacciones enzimáticas/químicas y (2) dará lugar a una típica cinética hiperbólica (con 3 pasos) que se deberá o se explicará por la interacción E-S según la siguiente reacción y su ecuación de velocidad inicial: Vo = K3 [ES] Así nos es posible establecer una serie de deducciones: 1. [S] >>> [E], la concentración de enzima deber ser fisiológicamente inferior a la concentración de sustrato 2. [ET] = [E]libre + [S] MICHAELIS-MENTEN. Hipótesis del equilibrio rápido La velocidad de formación del complejo enzima-sustrato (ES) es igual a la velocidad de desaparición de este complejo: V.form [ES] = V.desap [ES] K3 << K2 K1 [E] [S] = K2 [ES] [E] [S] = K2/K1 [ES] Cte. de afinidad Según Michaelis-Menten, la velocidad de formación del producto (P) es mucho más lenta que la velocidad de formación del complejo E—S, por tanto, al ser la cte. de esta reacción (K3) mucho más inferior a K2, se debe de despreciar. 85
- 86. BIOQ GENERAL Pronto veremosque esta teoría no tendrá un sentido muy lógico, ya que aunque se forme de forma lenta, no se puede desprecia la formación de productos. BRIGGS-HALDANE En su búsqueda de una ecuación que explicara la cinética enzimática hiperbólica, hicieron una corrección de la anterior hipótesis, y dijeron lo siguiente: “la velocidad de formación del complejo E—S es igual a la velocidad de desaparición de este complejo con la formación de producto”: V.form [ES] = V.desap [ES] P Corrección de la hipótesis del equilibrio rápido de Michaelis-Menten: hay que considerar la formación de los productos, es decir, no se debe de despreciar K3, ya que llegará un momento en el que la velocidad de desaparición del complejo E—S no será tan lenta porque se estará formando producto (P). Así, a la ecuación anterior habrá que añadir la participación de K3: K1 [E] [S] = K2 [ES] + K3 [ES] [E] [S] = (K2 + K3/ K1) [ES] Conclusión: la relación resultante entre las ctes. de Briggs-Haldane es similar a la que anteriormente habían propuesto Michaelis-Menten (K2/ K1), con la única diferencia de que la de éstos últimos solo era aplicable en un momento dado de la reacción (ya que no consideraban la formación de productos), mientras que la de Briggs-Haldane era aplicable a toda la reacción, pues considera todas las ctes. del equilibrio. Así llegan a definir Km, a la que denominan cte. de Michaelis-Menten por su parecido tan próximo a la relación de ctes. propuesta anteriormente: Km = K2 + K3/ K1 [E] [S] = Km [ES] Seguimos desarrollando la ecuación: [ET] = [E]libre + [ES] [E]libre* = [ET] – [ES] *Sustituimos en [E]libre en la ecuación anterior: [E] [S] = Km [ES] ( [ET] – [ES] ) [S] = Km [ES] [ET] [S] – [ES] [S] = Km [ES] [ET] [S] = *Km [ES] + [ES] [S] *Sacamos factor común [ES] [ET] [S] = [ES] ( Km + [S] ) [ET] [S]/ Km + [S] = [ES]* *Sustituimos en la ecuación de la velocidad inicial: Vo = K3 [ES] Vo = K3 [ET]* [S]/ Km + [S] *ET Vmáx: no habrá enzima libre porque toda ella estará trabajando para que se forme el producto, es decir, se encontrará en su expresión máxima de velocidad. Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN (define la influencia de [S] en una reacción enzimática) SIGNIFICACIÓN FISIOLÓGICA DE LA ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] De esta ecuación, fisiológicamente deducimos 3 cosas: 86
- 87. BIOQ GENERAL 1. Un parámetro, Km ó Cte. de Michaelis: constante de afinidad que siente una enzima por un sustrato concreto. − Esta es característica para cada enzima (por un sustrato concreto). − Km puede variar, es decir, la podemos modificar* cambiando la afinidad que la enzima siente por un sustrato concreto. *Aquí habrá actuación clínica: si una enzima “va mal”, se intentará modificar su afinidad, es decir, la Km. • Si Km aumenta indicará que la enzima tiene una afinidad disminuida por el sustrato (S). aumenta Km = disminuye afinidad • Si Km disminuye indicará que la enzima tiene una afinidad aumentada por el sustrato (S). disminuye Km = aumenta afinidad Conclusión: Km y afinidad enzimática son inversamente proporcionales ¿Cuál nos conviene más? Dependiendo fisiológicamente de la situación necesitaremos una u otra (que aumente o disminuya Km). Ej.: en el hígado tiene lugar el metabolismo de la glucosa; en una breve descripción de la entrada de glucosa en el hígado decimos que éste quiere coger toda la glucosa que hay en sangre; así habrá una enzima (la quinasa) que dará la “bienvenida” a la glucosa fosforilandola. La Km aumentará y por tanto disminuirá la afinidad de la enzima por la glucosa. Esto constituye una estrategia contra la saturación, ya que así podrá entrar toda la glucosa dentro del hígado sin que la enzima se sature. En cambio en el músculo ocurrirá lo contrario; la Km disminuye de manera que la afinidad por la glucosa aumenta para que así el músculo pueda captarla. − Además, Km es una medida de la [S] a la cual la reacción adquiere la mitad de la velocidad máxima (V.máx): Km = [S] ½ Vmáx cte. adimensional que adquirirá las unidades de concentración de sustrato 2. Podemos deducir indirectamente la concentración intracelular de sustrato – [S]intracelular – a partir de Km: [S]intracelular ≈ Km ¿Por qué? − Si la [S] fuera inferior a Km (si [S] << Km) no estaríamos aprovechando todo el poder catalítico de la enzima, es decir, ésta estaría trabajando a una velocidad inferior la reacción se produciría a una velocidad mucho menor de la que es capaz de realizar la enzima. − Si la [S] fuera superior a Km (si [S] >> Km) la reacción sería independiente de la [S], lo que resulta fisiológicamente imposible (no tendría sentido fisiológico). 3. A partir de la ecuación de Michaelis-Menten podemos comprobar las aproximaciones empíricas, es decir, entender el comportamiento de la cinética hiperbólica. Decíamos que había 3 zonas – (1) de 1er orden, (2) de orden mixto y (3) de orden 0, en la que en realidad se distinguían solamente 2, la 1ª y la 3ª; ya que la 2ª, al ser de orden mixto, no se puede expresar en la ecuación: • Una en la que la velocidad era dependiente de la concentración de sustrato: V [S] • Otra en la que la velocidad era independiente de la concentración de sustrato: V — [S] 87
- 88. BIOQ GENERAL − En la cinética de 1er Orden [1], la Vo depende de la [S]; si en este caso consideramos que la [S] << Km, podemos despreciar [S]: Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] Vo = Vmáx [S]/ Km = cte. Vo ≈ Ф* [S] *Proporcional. − En la cinética de orden 0 [3], la Vo se hace independiente de la [S]; si en este caso consideramos que la [S] >> Km, podemos despreciar Km, llegando a la conclusión de que la enzima se halla saturada, por lo que alcanza a su velocidad máxima: Vo = Vmáx [S]/ Km + [S] Vo = Vmáx Vo = Vmáx INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE ENZIMA [E] (mucho menos relevante que [S]) Solamente contribuye a la velocidad de una reacción enzimática si esa reacción está en una situación SATURANTE, es decir, solo se modificará la velocidad cuando la enzima se encuentra saturada. En esta situación saturante, si aumenta la [E] aumentará la velocidad. Comentado en clase: tiene su importancia porque en la actualidad ya existen fármacos que aumenta la [E], por ej., la metformina (un antidiabético oral) que inhibe un gen r/c la [glucosa]. Solo veríamos su efecto cuando la reacción química ha alcanzado su máxima velocidad. FORMAS DE EXPRESAR LA [E] o velocidad de una reacción en función de la [E] a) Como ACTIVIDAD ENZIMÁTICA = concentración de enzima [E] necesaria para llevar a cabo una reacción enzimática Las UNIDADES DE CONCENTRACIÓN pueden ser de 2 tipos: 1. En unidades internacionales: cantidad de enzima que necesitamos para transformar -3 1µmol sustrato/ 1 min 1 µmol = 0,001 milimol = 1 × 10 milimol 2. En katales: cantidad de enzima necesaria para transformar 1 mol sustrato/ 1 seg 88
- 89. BIOQ GENERAL b) Como ACTIVIDAD ESPECÍFICA = actividad enzimática expresada en función del total de proteínas/enzima (en miligramos) que tenemos en la célula, TJ… Ventajas − Es la más exacta − Es la empleada en los *fármacos* Unidades de concentración de la A.esp: 1. UI/ mg proteína 2. Katal/ mg proteína c) A través de la CTE. CATALÍTICA Vmax K cat = [ ET ] KCAT = V.máx (de la reacción)/ [ET] (concentración total de enzima) Ventajas − Es la forma más intuitiva para ver la eficacia de la enzima: • Si aumenta la KCAT mayor transformación de productos P • Si disminuye la KCAT menor transformación de productos P − Es la empleada en *investigación* Nota introductoria a factores extrínsecos: LINEALIZACIÓN DE LA EC DE VELOCIDAD DE MICHAELIS-MENTEN Ec original: Vo = Vmáx x [S]/ Km + [S] Realmente es difícil aplicar esta ecuación, por lo que es necesario LINEALIZARLA con el objetivo de: (1) hacerla más operativa/útil y (2) calcular con muchísima más precisión/exactitud la V.máx o la Km, cometiendo el mínimo error Consiste en la transformación de esa ecuación hiperbólica en la ecuación de una recta: y = mx + n 1 Km [S ] 1 K 1 1 Para ello aplicaremos dobles inversos: = + = m· + V0 Vmax ·[ S ] Vmax ·[ S ] V0 Vmax [ S ] Vmax 1/ Vo = Km/ Vmáx x [S] + [S]/ Vmáx x [S] 1/ Vo = Km/ Vmáx x 1/ [S] + 1/Vmáx y =m x + n Linealización de LINEWEAVER-BURK La gráfica de velocidad frente a [S] mostrada anteriormente no es lineal. Aunque a bajas concentraciones de sustrato se mantenga lineal, se va curvando a medida que aumenta la concentración de sustrato. Antes de la llegada de los ordenadores, que permiten ajustar regresiones no lineales de forma sencilla, podía llegar a ser realmente difícil estimar los valores de la Km y la Vmáx en las gráficas no lineales. Esto dio lugar a que varios investigadores concentraran sus esfuerzos en desarrollar linealizaciones de la ecuación de Michaelis-Menten, dando como resultado la gráfica de Lineweaver-Burke o el diagrama de Eadie-Hofstee (*solo desarrollaremos la de Lineweaver*). La gráfica de Lineweaver-Burk o representación de doble recíproco es la forma más común de mostrar los datos cinéticos. Para ello, se toman los valores inversos a ambos lados de la ecuación de Michaelis-Menten. El resultado de este tipo de representación es una línea recta cuya ecuación es y = mx + n, siendo n el punto de corte entre la recta y el eje de ordenadas equivalente a 1/Vmáx, y el punto de corte entre la recta y el eje de abscisas equivalente a -1/Km. 89
- 90. BIOQ GENERAL Obviamente, nose pueden tomar valores negativos para 1/[S]; el mínimo valor posible es 1/[S] = 0, que correspondería a una concentración infinita de sustrato, donde 1/v = 1/Vmáx. B. Factores EXTRÍNSECOS: no forman parte de la ecuación E + S ES E+P pH (*no siempre desnaturalizante*) Inhibidores Tª (fisiológicamente poco destacado) 1. pH: una variación de pH produce un cambio en la ionización de las cadenas laterales (R) de los aá de esa proteína, pudiendo afectar a 2 sitios: (efecto muy destacado fisiológicamente) − Al centro de unión al sustrato (CUS) E no se une a S por lo que no se forma el complejo ES y por tanto no hay reacción enzimática CUS E no se podrá unir al S = no reacción − Al centro catalítico (CC) la E se podrá unir al S, pero el complejo ES no dará lugar aP CC ES no P El efecto del pH no tiene porqué producir la desnaturalización de las enzimas; aunque habrá veces que sí, en ocasiones una variación de los valores del pH simplemente actúa como una señal que avisa a la enzima para que comience a funcionar Ej.: En el estómago existen enzimas en estado inactivado que no se activarán hasta que alcancen su pH óptimo (es decir, cuando le llegan los alimentos). Así, todas las enzimas tienen un pH óptimo de función, por encima o por debajo del cual no funcionan porque los aá del CUS ó del CC no están correctamente posicionados (inoperativos). Aún así mantienen su estructura nativa, es decir, no tienen porque perder su conformación espacial y desnaturalizarse. Ej.: el metabolismo de las proteínas funciona mediante la activación o inhibición por cambios de pH. 2. TEMPERATURA: un incremento de la Tª afectará a los enlaces débiles que mantienen la estructura nativa de un enzima. (Efecto poco destacado fisiológicamente) Comportamiento general (el efecto será muy variable dependiendo de la enzima) Casi todas las enzimas aumentan su actividad (la velocidad de la reacción) a medida que aumentan su Tª, hasta llegar a un punto en el cuál la velocidad de la reacción cae en picado. ¿Por qué ocurre esta drástica caída? Este punto de inflexión es debido a que llegada a una determinada Tª (50-60ºC) la proteína se desnaturaliza. Cabe apuntar que esto va a ocurrir siempre en los seres humanos y en la mayoría de seres vivos, pero no en bacterias, levaduras… 90
- 91. BIOQ GENERAL Además, fisiológicamentenunca llegamos a esa Tª a causa de procesos infecciosos; a lo mejor de forma local en algún TJ se podría llegar, pero globalmente este efecto de la Tª no es tan marcado. 3. INHIBIDORES = fármacos: sustancias que unidas a la enzima van a provocar (1) un cambio en su Km (cte. de Michaelis)o (2) en su Vmáx, o incluso (3) en ambos parámetros. A grandes rasgos los clasificamos en 2 grupos: (A) irreversibles o (B) reversibles. A. IRREVERSIBLES: aquellos que al unirse a la enzima producen un cambio irreversible en esa enzima, de modo que la enzima no se puede recuperar para seguir llevando a cabo la acción enzimática. El cambio en la estructura de la enzima impide su reciclado. Actúan de 2 formas: 1) El inhibidor se une covalentemente a la enzima, impidiendo que la enzima pueda reaccionar con 1 sustrato, y por tanto, impidiendo la acción catalítica. Sitios de unión del inhibidor = múltiples: − En el centro de unión al sustrato (CUS): E no une S − En el centro catalítico (CC): ES no P − A cualquier sitio de la enzima que suponga un cambio conformacional de ésta que bloquee al CUS ó al CC o incluso a ambos. 2) El inhibidor se una a la enzima produciendo la modificación de algún aminoácido del CUS o del CC que sea esencial para la unión al S o para la actividad catalítica, inhabilitando a la enzima, y luego soltándose de ella. Por ej.: la enzima requiere a la lisina en su CUS para la unión del sustrato o el CC posee serina que es indispensable para la transformación; si el inhibidor las destruyera la enzima ya no se unirá al sustrato y el CC quedará inhabilitado al perder su capacidad de cambio conformacional, es decir, perderá su capacidad de adaptación. De cualquier de las 2 formas, la enzima queda inactivada de forma permanente (irreversiblemente). ¿Qué habrá que hacer para recuperar esa enzima, o más bien, para crear una nueva? Activar al gen que codifica a la proteína/enzima, es decir, si la célula siguiera dividiéndose tendrá que sintetizar nuevas. Ejemplo de inhibidores irreversibles: • PENICILINA • Venenos (insecticidas) • Agentes oncológicos B. REVERSIBLES: también modifican la Km y la Vmáx de una reacción enzimática. La única diferencia con respecto a los irreversibles es, evidentemente, que una vez que desaparece el inhibidor (una vez que se ha soltado) la enzima puede volver a llevar a cabo la reacción, es decir, la enzima sigue siendo funcional. 91
- 92. BIOQ GENERAL Esto ocurre en la mayoría de los casos, pero no siempre es así. Mediante la experiencia y desde un punto de vista fisiológico sabemos que la enzima, aunque haya sido afectada de forma reversible, ya no volverá a llevar a cabo la reacción de la misma forma ni con la misma eficacia. Cabe apuntar que la interacción inhibidor-enzima no es de 1-1, es decir, un inhibidor actuará sobre el global de un conjunto de enzimas. En conclusión, los inhibidores reversibles son moléculas que quedan unidas a la enzima reversiblemente, de modo que en un momento determinado podrán modificar la Km ó la Vmáx de la reacción enzimática o incluso ambas a la vez, pero siempre la enzima se vuelve a reciclar. En una visión global, 1 molécula de inhibidor reacciona con un global de enzimas. Existen 3 tipos de inhibidores reversibles: (1) competitivos, (2) no competitivos y (3) acompetitivos o mixtos 1) COMPETITIVOS = análogo estructural del sustrato (es decir, el inhibidor [I] se parece al S, por lo que se unirán a la E exactamente igual que lo haría éste) Así el (I) competirá con el sustrato para unirse a la enzima, debido a este parecido estructural con el sustrato. − Se unirá al CUS e impedirá la formación del complejo ES − Se formará el complejo EI por lo que no se producirán productos P Efecto sobre la reacción enzimática (será observable en concentraciones saturantes - Vmáx) • Aumentarán la Km de la enzima • Apenas modifican la Vmáx ¿Cómo se revierte/neutraliza su efecto? Simplemente aumentando la concentración de sustrato, ya que por la ley de probabilidad habrá más sustrato que compita por unirse a la enzima 2) NO COMPETITIVOS = no son análogos estructurales del sustrato (es decir, no compiten con el sustrato por unirse al enzima en el CUS) − Poseen un propio sitio de unión al enzima denominado SITIO DE UNIÓN AL INHIBIDOR (CUI) − El inhibidor siempre se une al complejo E—S, ya que es necesario que la enzima esté unida al sustrato para que quede libre el sitio al que se unirá el inhibidor: E + S ES + I EIS Esto se explica por la sencilla razón de que la unión y formación del complejo E—S supone un cambio conformacional del enzima que facilitará la posterior unión del inhibidor no competitivo. ¡OJO! El inhibidor no se unirá al enzima libre, sino que será requerimiento que la enzima se encuentre formando ya el complejo E—S, es decir, ya unida al sustrato, para que el inhibidor pueda unirse. Efecto sobre la reacción enzimática • Disminuirán la Vmáx de la reacción 92
- 93. BIOQ GENERAL • Apenas modifican la Km (como no hay “competición” la afinidad no se ve modificada) 93
- 94. BIOQ GENERAL 3) ACOMPETITIVOS o MIXTOS = tampoco son análogos estructurales del sustrato ni se unen al CUS, pero pueden unirse tanto al enzima libre como al complejo E—S − Al igual que los inhibidores no competitivos, poseen un propio sitio específico de unión al enzima (CUI) distinto al CUS, con la diferencia de que éste estará *accesible en cualquier momento*, y no solo cuando se halla formado el complejo E—S. Efecto sobre la reacción enzimática • Disminuirán la Km y la Vmáx Son los inhibidores más frecuentes tanto en rutas metabólicas (RM) como en no metabólicas. Existen otros 2 tipos de inhibición que se dan exclusivamente en enzimas que forman parte de RUTAS METABÓLICAS: (1) inhibición por sustrato e (2) inhibición por producto 1) POR SUSTRATO: la inhibición por sustrato es muy infrecuente (mecanismo poco habitual) porque para que una enzima pueda inhibirse por sustrato ha de presentar 2 centros de unión al sustrato (CUS) distintos: (1) activo de alta afinidad y (2) inactivo de baja afinidad Uno de ellos funcional, completo y un centro “normal”, es decir, que se une al centro catalítico (CUS + CC) constituyendo un verdadero centro activo (CA), así que, catalíticamente se encuentra activo (cuando el sustrato se une al enzima en este centro de unión se facilita la acción de los aá catalíticos y la consecuente formación de producto). Además se dice que es un CENTRO DE UNIÓN DE ALTA AFINIDAD ya que, en condiciones normales – bajas [S] –, será el sitio al que se dirigirá el sustrato. Del otro se dice que es un CENTRO DE UNIÓN DE BAJA AFINIDAD, ya que, cuando aumenta la concentración de sustrato y solo cuando ello ocurra, será el sitio al que se dirigirá el sustrato (es unicamente un sitio de unión al sustrato). Es un centro incompleto e inactivo, ya que no se une al CC por lo que no forma el CA y carece de aá catalíticos, por lo que tampoco podrán transformar el sustrato en productos. No obstante, puede ralentizar la actividad catalítica del otro centro activo de alta afinidad, ya que “secuestra” una parte del sustrato que iba dirigida a él, y al unirse el sustrato a este 2º centro puede producir un cambio conformacional del enzima, que podría modificar estructuralmente al 1er centro, produciéndose el bloqueo de la reacción por el bloqueo de la generación de productos. Así, podemos decir que el centro inactivo de unión de baja afinidad inhibe la actuación del centro de unión activo de alta afinidad. En conclusión, no será una inhibición muy útil o práctica, ya que requerirá de una gran regulación. 94
- 95. BIOQ GENERAL 2) P O R P R O D U C T O : m e c a nismo habitual (debido a su sencillez) que emplea la célula para detener la formación de productos, es decir, para bloquear la reacción enzimática y regular la velocidad de las enzimas que participan en rutas metabólicas. Además, su regulación es también muy sencilla. Cuando la célula detecta un cierto aumento en la [P] éste no se suelta del complejo E—P, sino que se queda unido al enzima, y por tanto impide el paso a nuevas moléculas de sustrato: E+S ES EX EP E (libre para iniciar una nueva ruta metabólica) + P*1 Es decir, *1este producto (P) se quedará unido al enzima, no se soltará, impidiendo el acceso a nuevas moléculas de sustrato (S) que seguirían transformando producto (P), por lo que se bloquea su formación. La enzima recibirá una señal que le indicará que no suelte ese producto (P). 95
- 96. BIOQ GENERAL TEMA 5 REGULACIÓNENZIMÁTICA Introducción Hasta ahora hemos visto mecanismos a través de los cuales podemos modificar o regular la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas o enzimáticas. Nos introducimos pues en un tema cuyo objeto de estudio es la propia actividad de la enzima. ¿Por qué queremos regular la velocidad del enzima? En los seres vivos, y en concreto en los seres humanos, la mayor parte de las reacciones forman parte de rutas metabólicas, y el producto (P) resultante de la reacción se convierte en el sustrato (S) de la reacción siguiente. Para degradar un sustrato hasta el producto final de la ruta metabólica, es necesaria la actuación de múltiples enzimas cuya misión será ir obteniendo poco a poco la energía acumulada en el sustrato inicial. En estas rutas metabólicas siempre habrá una enzima/reacción/etapa concreta que va a ser LIMITANTE* (clave en el funcionamiento de los fármacos y del organismo). REACCIÓN LIMITANTE (RL) S → P1→ P 2 → P3 → P 4 ↑E 2 ↑E 4 Misión: obtener energía en cantidades discretas (si se pretendiese hacerlo en cantidades más grandes, mucha energía se perdería en forma de calor, situación que no conviene a nuestras células). Esta enzima o reacción es LIMITANTE en los siguientes aspectos: − De la velocidad global de la ruta metabólica − Del sentido/dirección global de la RM (va a determinarlo) Además: − Suele ser irreversible = punto de NO retorno − Siempre está controlada por un enzima que pueda ser regulable (no todas lo son) Ventaja que ofrece la RL: Permite el control de la ruta metabólica, o bien en sus inicios (con el ahorro celular energético que eso conlleva), o bien al final; es decir, controlando 1 sola reacción podrá ejercer un control sobre la RM en conjunto. Solo en rutas metabólicas que son clave (fundamentales) para el organismo puede existir más de una reacción limitante. Por ej., en la glucolisis existen 3 reacciones limitantes: (1) una al principio que controla el destino – dirección – de la glucosa fosfatada; (2) otra al final por si fuera necesario “dar marcha atrás” y volver a los inicios, conservando intermediarios y volviendo a sintetizar la glucosa; y una (3) hacia la mitad de la RM. Cuanto más importante es la ruta metabólica o según su relevancia dentro del metabolismo, más reacciones limitantes tendrá: RM* + RL En resumen, características de las RL: − Son irreversibles − Deben cumplir las ley de la termodinámica o principio de conservación de la energía − Son catalizadas por enzimas susceptibles de regulación (no todas lo son) 96
- 97. BIOQ GENERAL MECANISMOS DEREGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: (1) Regulación alostérica y (2) Regulación covalente, que a su vez se divide en reversible* (la más común que siguen las enzimas reguladas covalentemente) o irreversible (la menos común). Antes de desarrollar cada uno de los mecanismos, cabe aclarar que un enzima puede sufrir regulación alostérica y covalente a la vez, siempre que la covalente sea de tipo reversible, es decir, no son incompatibles sino todo lo contrario, son compatibles; en cambio, la regulación alosterica sí que será incompatible con la covalente irreversible*. 1) Regulación ALOSTÉRICA − Solo la pueden sufrir enzimas formadas por más de 1 cadena proteica, es decir, proteínas oligoméricas (más de 1 subunidad). − Es reversible, una de las razones por las que es la más corriente en rutas enzimáticas, ya que será fácilmente reversible e inmediata. − Cada subunidad podrá disponerse de 3 formas distintas: (1) con un CA y un centro alostérico (*lo más habitual*), (2) solo con un centro activo y (3) solo con un centro alostérico Puede ocurrir que las enzimas que la sufran, en cada una de las subunidades de esa enzima existan 2 centros: un centro activo (CA = CUS + CC) y un centro independiente de ese CA, denominado centro alostérico. Lo que ocurre más habitualmente, o lo más normal, es que en cada subunidad haya (1) un centro activo y (2) un centro alostérico [enzima 1] Pero también puede ocurrir que haya subunidades que solo tengan el CA o subunidades que solo tengan el centro alostérico [enzima 2]. En este caso estas enzimas se caracterizarán porque el CA siempre va a estar oculto (protegido) por las subunidades que contienen el centro alostérico. Así, las subunidades que contienen el CA reciben el nombre de subunidades catalíticas, mientras que las que contienen el centro alostérico son las subunidades reguladoras. La REGULACIÓN ALOSTÉRICA se basa en 2 tipos de interacciones (básicamente en ambos casos – subunidades con 2 centros o subunidades con 1 solo centro – el mecanismo será el mismo): (1) homotrópicas o de cooperatividad y (2) heterotrópicas. *La Hemoglobina no es una enzima alostérica* Este comportamiento homotrópico nos recuerda al comportamiento que sufría la hemoglobina; no obstante, el punto clave para afirmar que la hemoglobina no posee una regulación alostérica es que ésta no tiene especificidad, es decir, no tiene un sitio específico de unión al sustrato donde pueda unirse el O2 (éste se une a la Hg porque ésta tendrá Fe, que será el condicionante de la afinidad). Así que concluimos que, aunque el mecanismo sea similar o equiparable, la Hb no será una proteína alostérica por su carácter inespecífico de unión al sustrato (además ni si 97
- 98. BIOQ GENERAL quiera es un enzima ya que no realiza catálisis). 1. HOMOTRÓPICAS: son debidas a la unión del sustrato (S) a su centro de unión al enzima (CUS) – S E -. La unión del sustrato a una de las subunidades del enzima provocará en esta subunidad una serie de cambios estructuras que facilitarán la unión del sustrato a la siguiente subunidad. Fundamentos de este comportamiento Esto está basado en que, por lo general, estas enzimas solo tienen una subunidad que posea el CUS accesible, y en el resto de las subunidades ese CUS estará poco o no totalmente accesible a ese sustrato. Así, cuando se produce la unión del sustrato a su CUS accesible, se produce un cambio de morfología que permite (“abre”) el acceso a otro centro de otra subunidad (antes “oculto”), y así sucesivamente. De esta manera aunque disminuya la concentración de sustrato, éste se seguirá uniendo al CUS accesible, provocando el consiguiente cambio estructural que hará más accesible al CUS de la siguiente subunidad. Representación gráfica: SIGMOIDE Este comportamiento homotrópico que siguen las enzimas alostéricas se puede representar gráficamente: velocidad (eje y) frente a la concentración del sustrato (eje x). o La cinética de unión al sustrato resultará pues de tipo sigmoidea, en la que se observa que a bajas [S] la enzima apenas tiene poder catalítico. o Así, el S se unirá a las subunidades en las cuales el CUS se encuentre accesible (pero no al resto). o Otra cosa que podemos observar mediante esta gráfica es que, a altas velocidades todas las enzimas tendrán el sustrato unido; la enzima posee su máximo poder catalítico. La enzima se puede encontrar en 2 estados: tenso (T) o relajado (R) Este comportamiento sigmoide implica que la enzima puede estar en 2 estados: • TENSO (T): en el que existe interacción máxima entre las distintas subunidades (más estable y por tanto baja afinidad) • RELAJADO (R): de alta afinidad por el sustrato, en el que todas las subunidades llevan unido sustrato (las interacciones entre las distintas subunidades se han “roto” al producirse la unión del sustrato a causa del cambio conformacional, así que son mínimas; menos estable y por tanto alta afinidad por el sustrato) 98
- 99. BIOQ GENERAL − Forma T (Tensa) = + interacciones débiles/ enlaces iónicos, + estable, menos afinidad − Forma R (Relajada) = - interacciones débiles/enlaces iónicos, - estable, más afinidad Explicación de la transición estructural entre las distintas subunidades en base a 2 modelos: (1) de Monod y (2) de Koshland (el fisiológico) I. Modelo de MONOD o modelo de todo o nada: la unión de un sustrato a una subunidad implica un cambio estructural automático del resto de subunidades. − Así que, según Monod, la enzima solo se podía encontrar en 2 estados: (1) normal o (2) cambiado. II. Modelo fisiológico de KOSHLAND (contrario al de Monod): la unión de una molécula de sustrato a una subunidad no implica el cambio estructural automático del resto de enzima o subunidades, sino que este cambio estructural se producirá de forma paulatina/progresiva (subunidad por subunidad). − Así que, según Koshland, la enzima va pasando por distintos estadíos (según el > ó < tiempo de reacción) Este modelo explica mejor el comportamiento enzimático alostérico homotrópico, pues éste no se produce de una forma tan brusca como expone Monod. 2. HETEROTRÓPICAS: son debidas a la unión de un modulador (cualquier molécula ≠ del sustrato) al centro alostérico de las enzimas (sitio ≠ al CUS). Estos modulares se conocen como REGULADORES: moléculas que se unen al centro alostérico con la misma especificidad que lo hace el sustrato a su CUS. Conclusión: un centro alostérico es específico para su modulador o regulador, será el único sitio del enzima al que se pueda unir el modulador (*lo que no ocurría en la Hb, pues ésta no poseía un sitio específico) y un modulador alostérico puede actuar sobre distintas enzimas 2 tipos de moduladores: (1) positivos o efectores alostéricos y (2) negativos o inhibidores alostéricos Existen 2 tipos de moléculas (moduladores o reguladores) que se pueden unir al centro alostérico: I. Reguladores que potencian/aumentan la capacidad catalítica de la enzima = EFECTORES ALOSTÉRICOS o MODULADORES/REGULADORES POSITIVOS − Se unen al enzima estabilizando la forma R o de alta afinidad por el sustrato o máximo poder catalítico del enzima. II. Reguladores que disminuyen la actividad del enzima = INHIBIDORES* ALOSTÉRICOS o MODULARES/REGUL ADORES NEGATIVOS *No es una denominación muy 99
- 100. BIOQ GENERAL correcta porque no llegan a bloquear por completo al enzima. − Se unen al enzima estabilizando la forma T de baja afinidad por el sustrato o de mínimo poder catalítico del enzima. Todas las enzimas clave del metabolismo tienen un mecanismo de regulación alostérico. 100
- 101. BIOQ GENERAL En resumen: REGULACIÓN ALOSTÉRICA ENZIMAS ALOSTÉRICAS = oligoméricas Poseen 2 tipos de subunidades: (1) catalíticas o (2) reguladoras su actividad catalítica va a depender siempre de la unión de 1 modulador alostérico a las subunidades reguladoras (*la enzima jamás va a poder unirse al sustrato si no hemos hecho antes accesibles sus centros de unión). − Se basa en 2 tipos de interacciones: • Homotrópicas: unión del sustrato a su CUS cambio estructural modifica la afinidad • Heterotrópicas: unión del modulador o regulador (+ ó -) al centro alostérico estabilización de la forma T o de la forma R de alta afinidad por el S o máx. poder catalítico del enzima 2) Regulación COVALENTE Junto a la regulación alostérica constituye una de las regulaciones más habituales que se dan en el metabolismo. Características generales − Típica de enzimas que pueden existir en 2 formas estructurales distintas, a saber: (1) una forma se encontrará en su estado activo (2) otra forma en su estado inactivo Pudiendo ser cualquier de los 2 su estado natural o de máxima estabilidad (estructura nativa). Así, según lo que nos “convenga”, podremos activar o inhibir cualquiera de las 2 formas. En conclusión, una enzima, sea cual sea su estructura proteica* puede adoptar una 2ª forma estructural: en una de las estructuras la enzima será más activa y en la otra será menos activa. *Siempre estará en su forma nativa o de máxima estabilidad, que puede estar activa o inactiva. − Por tanto, la regulación covalente consiste en una MODIFICACIÓN QUÍMICA de esta enzima que estabiliza una de sus dos estructuras. Semejanza con la RA: ambas se dan en enzimas que pueden encontrarse en 2 estados • R. alostérica formas T y R (de menos y de más afinidad por el sustrato) • R. covalente formas activa e inactiva (de más y de menos actividad catalítica) 101
- 102. BIOQ GENERAL Diferencia conla RA: ésta NO implicaba un cambio químico • R. alostérica que la enzima se encuentre en una forma u otra se debía a un cambio exclusivamente morfológico • R. covalente que la enzima se encuentra en una forma u otra se debe a un cambio químico Hay 2 tipos de regulación covalente: 1. Reversible (la más común que 2. Irreversible (la menos común) siguen las enzimas reguladas covalentemente) 1. Regulación covalente REVERSIBLE − Cuando la modificación química consiste en la formación de un enlace covalente reversible (se forma/rompe de forma rápida). − Muy habitual en el organismo (metabolismo). − Implica la participación obligatoria de una 2ª enzima que tiene que modificar químicamente a la enzima que va a sufrir la regulación covalente. − Comúnmente la formación de este enlace covalente implica la unión de un grupo a la enzima, que principalmente puede ser de 3 tipos: (1) fosfato, (2) metilo y (3) adenilo (normalmente AMP). o Independientemente del grupo que se una a la enzima, éste aportará cargas q (lo que generará interacciones iónicas en la enzima), que son las responsables de la estabilización de esa estructura enzimática (activa o menos activa). o Por regla habitual ese grupo se suele unir a un aá que se encuentra en el CA de la enzima, con el fin de modificar (bloquear/potenciar) su actividad catalítica; aunque también lo podrá hacer, de forma mucho menos habitual, a cualquier aá del enzima. o En resumen: Este mecanismo (unión de un grupo al enzima) será el que nos encontremos habitualmente en la regulación covalente, con el único requisito de que la enzima pueda sufrir un cambio en su estructura a través de la adición de uno de estos grupos mediante un enzima covalente, que estabilizarán bien la forma más activa o bien la forma menos activa (ya que aportan cargas). Conclusión: estos grupos activarán o no al enzima. − El único requisito que debe de tener un enzima para poderse regular covalentemente debe ser el de tener más de una estructura, es decir, implica la participación obligatoria de una 2ª enzima que añada (o que quite) ese grupo = + de 1 enzima Este hecho de que una enzima modifique a otra enzima, que a su vez pueda modificar a otra, y así sucesivamente (participación de 2ªs enzimas que añadan o quiten esos grupos), es muy habitual, y se denomina CASCADA DE REGULACIÓN COVALENTE. 102
- 103. BIOQ GENERAL Regulación covalente reversible POR FOSFATO (es la más habitual) Nexos de unión para el fosfato Cuando el grupo fosfato se une a una enzima regulada covalentemente, normalmente lo hace a un residuo – grupo hidroxilo (-OH) de su cadena lateral R - de SERINA (en el 90% de los casos), que se encuentra en el centro activo (en el CUS ó en el CC) de esa enzima. También puede aparecer unido a residuos de tirosina (menos habitual) y de forma mucho menos frecuente a residuos de histidina o treonina. En resumen: − La mayoría de las veces al grupo – OH de la SERINA (polar sin carga) − A veces al grupo –OH de la tirosina (apolar aromático) − Casi nunca al grupo –OH de la treonina (polar sin carga) o a residuos de histidina 103
- 104. BIOQ GENERAL Enzimas quecatalizan la unión de fosfato (P): QUINASAS Mecanismo general de acción: sacan el grupo (P) de la ruptura/hidrólisis del ATP, molécula rica en energía por poseer 3 grupos fosfato P en su estructura; así con esta ruptura se generará energía en forma de ADP y se liberará fosfato libre, fundamental para el organismo. Objetivo: A través de estas quinasas una enzima que no tenía 1 grupo fosfato unido, lo podrá añadir para que así pueda sufrir la regulación covalente. ¿Cómo añadimos el grupo fosfato P a una enzima? Siempre a través de la enzima quinasa. Cascada de regulación covalente: éstas, a su vez, pueden estar reguladas covalentemente Esta quinasa estará a su vez regulada covalentemente por otra quinasa, que le añadirá ese grupo fosfato, y ésta a su vez estará regulada por otra quinasa, etc. = CASCADA DE REGULACIÓN COVALENTE Así es cómo funcionan el 90% de las hormonas (transmisión de señales al interior de la célula) Mecanismo de desfosforilación o eliminación de fosfato (P): FOSFATASAS Al igual que existe el mecanismo expuesto de fosforilación, existe un mecanismo de defosforilación o eliminación de ese fosfato (P), llevado a cabo por fosfatasas, que a su vez también pueden estar reguladas en cascada. En resumen: tantos las QUINASAS (fosforilación) como las FOSFATASAS (desfosforilación) son susceptibles de sufrir una regulación covalente en cascada, pero no obligatoriamente ocurre siempre así; en ocasiones podrá darse la actuación de una sola quinasa o una sola fosfatasa. ¡OJO! Estamos suponiendo que la forma fosforilada es la forma activa de la enzima, pero no tiene porque ser siempre así. 2. Regulación covalente IRREVERSIBLE Consiste en la transformación de una proteína/enzima mediante la eliminación irreversible de una de sus partes que hace que sea funcional. Es típica de los ZIMÓGENOS = proteínas/enzimas que con una estructura concreta no son funcionales por lo que necesitarán perder parte de su estructura para volverse funcionales. Esta pérdida de una parte de la estructura proteica se producirá de forma irreversible, y así se quedarán activados “para siempre” o hasta que les llegue una señal que las cese. 104
- 105. BIOQ GENERAL La sufrenhabitualmente enzimas que participan en la digestión o en la cascada de coagulación sanguínea. 105
- 106. BIOQ GENERAL TEMA 6 COENZIMAS Introducción Hayenzimas que para ser funcionales necesitan de la participación de una molécula que les aportará ese último “detalle” que les falta para serlo, es decir, requieren llevar una molécula unida, o bien: • Un grupo necesario para la catálisis • Una molécula que estabilice al centro catalítico (CC) de la enzima Estas moléculas necesarias para que la enzima lleve a cabo su actividad catalítica o para que se haga funcional se unen a ella, y reciben el nombre de COFACTORES. En general, independientemente del tipo de cofactor: o Cuando éste se encuentre unido fuertemente a la proteína o enzima recibirá el nombre de GRUPO PROSTÉTICO o Cuando éste se encuentre unido de forma normal, débil, a la proteína o enzima constituirá el COFACTOR propiamente dicho Los cofactores se encuentra unidos a la enzima de forma más débil de la que se encuentra el grupo prostético. Existen 2 tipos de cofactores: 1. METÁLICOS u INORGÁNICOS = iones. Entre los más abundantes destacamos: Fe2+, Mg2+ y Cu+. − Pueden actuar: (1) En la propia (2) De puente entre (3) Estabilizando la catálisis la enzima y el estructura de la sustrato enzima Dentro de los cofactores metálicos u inorgánicos, dependiendo de la unión de ese cofactor metal (ión) a la enzima distinguimos 2 tipos de complejos enzimáticos: • METALOENZIMAS: si la unión del cofactor metálico (ión) a la enzima es fuerte o En este caso los iones metálicos u inorgánicos se conocen como grupos prostéticos • ENZIMAS ACTIVADAS POR UN METAL: si la unión del cofactor metálico (ión) a la enzima es débil o En este caso los iones metálicos u inorgánicos no serían grupos prostéticos sino cofactores metálicos propiamente dichos. 2. NO METÁLICOS u ORGÁNICOS, también conocidos con el nombre de COENZIMAS − Actúan transfiriendo o bien GRUPOS o bien ELECTRONES entre: • 2 sustratos = *lo más habitual* 106
- 107. BIOQ GENERAL S1X + S2 ↔ S1 + S2X Siendo X = un grupo ó un electrón La enzima transferasa (cataliza la transferencia de un grupo químico) no reconocería al sustrato si no fuera por la presencia de la coenzima, es decir, si la coenzima no se uniera a la enzima no se produciría la transferencia de grupo o de electrón de un sustrato a otro. • Un sustrato y una enzima: S E Cabe apuntar que todos los cofactores (incluyendo los metálicos), para que se lleve a cabo la reacción, van a implicar a 2 sustratos, es decir, ésta sería la reacción clásica o la forma más habitual, aunque también se pueda dar entre sustrato y enzima. Características: − Las coenzimas, a diferencia de las enzimas son TERMOESTABLES. − Se pueden transformar químicamente en el transcurso de la reacción, pero lo harán de forma REVERSIBLE (la transformación no es irreversible), es decir, se regeneran al finalizar la reacción. − Son INESPECÍFICAS, no participan en la especificidad de la reacción, es decir, una misma coenzima puede actuar con distintas enzimas, siendo el grupo/función que transfiere siempre el mismo; las que determinan la especificidad de la reacción son las enzimas. REGENERACIÓN Las coenzimas sufren un cambio químico y se regeneran al final de la reacción. Esta regeneración química de las coenzimas puede llevarse a cabo de 2 formas: (1) forma directa y (2) forma indirecta 1) Regeneración DIRECTA: − Una enzima libre “trabaja” con una coenzima libre y ambas se unen formando el complejo E1-CoE para actuar sobre el S1, que tiene un grupo o electrón X que transferir. Resultado: el grupo o electrón X queda añadido al complejo E1-CoEX gracias su unión al CoE. La misión concreta de la CoE será transportar el grupo o electrón X, ya que la E solo podrá unir esta X si se encuentra unida al CoE. − El complejo E1-CoEX actúa o cataliza al S2 y le añade el grupo o electrón X. − La E1 y la CoE quedan libres. Entonces la CoE sufre una transformación química y ambas, enzima y coenzima, se regeneran. 107
- 108. BIOQ GENERAL La enzima y la coenzima se encuentran por separado; cuando es necesario llevar a cabo su actividad catalítica se unen en un complejo enzima—coenzima (E-CoE). La enzima reconoce dos sustratos, un sustrato primero (S1) que va unido al grupo que es preciso transferir, y con el que la coenzima lleva a cabo la siguiente reacción: E1 − CoE + S1 ⊗ → E1 − CoE ⊗ + P1 Acto seguido, la enzima, cuyo cofactor ya va unido al grupo a transferir, reconoce un segundo sustrato (S2), al que une el grupo a transferir según la siguiente reacción: E1 − CoE ⊗ + S 2 → E1 − CoE + P2 ⊗ Después de este paso, enzima y coenzima se desunen, y vuelven a su estado inicial. 2) Regeneración INDIRECTA 108
- 109. BIOQ GENERAL − Un enzima (E1) reacciona con una coenzima (CoE) dando lugar al complejo E1-CoE, con el objetivo de poder transferir un grupo o electrón X de un sustrato a otro. Así el complejo reacciona con S1X y el grupo o electrón X se queda añadido al complejo, con la consiguiente liberación de producto (P1). − Este complejo (E1-CoEX) reacciona con una segunda enzima (E2), liberándose E1 (vuelve a su estado inicial) y quedando la coenzima y el grupo o electrón X añadidos a E2 (E2-CoEX). Así este complejo reacciona con S2, al cual cede el grupo o electrón X, con la consiguiente liberación de producto (P2). − Por fin la E2 y la CoE quedan libres. Entonces la CoE sufre una transformación química; entonces la enzima volverá a su estado inicial y la coenzima se regenera tal cual estaba al inicio. Esta regeneración se realiza PARA SUSTRATOS TOTALMENTE DIFERENTES, es decir, para cuando el sustrato al que se retira el grupo a transferir (X), y el sustrato al que se transfiere el grupo son muy diferentes entre sí, y por tanto requieren una enzima con distinta especificidad. En conclusión: • E1 pierde la CoEX al reaccionar con S1 porque otra enzima E2 se la “arrebata” • CoEX pierde el grupo o electrón X cuando reacciona con el segundo sustrato S2 ya que éste queda añadido a él (S2X) La 109
- 110. BIOQ GENERAL primera reacciónse lleva a cabo de manera muy semejante a la regeneración directa: se constituye el grupo E1-CoE, que es específico para un sustrato 1 (S1) al que se le retira el grupo a transferir E1 − CoE + S1 ⊗ → E1 − CoE ⊗ + P1 Después, el complejo coenzima + grupo a transferir se separa de la enzima 1 que queda libre, y se une a otra enzima (E2) específica para el sustrato 2 (S2) al que se le transfiere el grupo E 2 − CoE ⊗ + S 2 → E 2 − CoE + P2 ⊗ Después de este paso se desune el complejo E2-CoE, siendo posible la unión de la coenzima a la E1 para volver a llevar a cabo la reacción. ¡OJO! En la regeneración indirecta el CoE reacciona con una segunda enzima (E2), que será a la que se una el complejo CoEX y, a continuación, este complejo E2—CoEX reaccionará con el S2, que será al que ceda el grupo. Conclusión final: sin la unión de la coenzima a la enzima el grupo o electrón X no se podría transferir. Estructura de las coenzimas: PARTE VITAMÍNICA Normalmente las CoE poseen dentro de su estructura un componente vitamínico de naturaleza hidrosoluble, lo que condiciona el resto de sus características: − Al ser hidrosolubles son, evidentemente, solubles en agua (es decir, polares, no iónicas) − De fácil absorción intestinal y eliminación − No tóxicas porque no se almacenan en los humanos A diferencia de las vitaminas de naturaleza liposoluble: − Insolubles en agua − No se absorben fácilmente y se eliminan con dificultad − Transportan lipoproteínas 110
- 111. BIOQ GENERAL − Sontóxicas por ingesta excesiva porque se almacenan en el hígado y en el TJ adiposo ≈ patológico 111
- 112. BIOQ GENERAL Las vitaminas son indispensables para el organismo, pero como éste no las puede sintetizar, por eso resulta fundamental su ingesta. Tipos de CoE Debido a la posibilidad de que exista un complejo vitamínico en su estructura, las CoE se clasifican según este criterio, es decir, según lo posean o no lo posean: (1) Vitamínicas o (2) No vitamínicas. Además, esto determinará su capacidad de transferir grupos químicos o electrones. (1) CoE CON PARTE VITAMÍNICA (que los humanos solo podemos adquirir a través de la alimentación) Estas CoE vitamínicas no las podremos sintetizar sin la presencia de vitamina en el organismo, por lo que su ausencia (al contrario que su exceso, muy habitual) generará enfermedad o patología. Coenzima Parte vitamínica Grupo que Patología transfiere asociada por carencia VITAMÍNICAS TRANSPORTADORES DE GRUPO Pirofosfato de Vit.B1 = Tiamina Aldehídos Beriberi Tiamina (TPP) Ácido Vit.B9 = Ácido Fragmentos Anemia Tetrahidrofólico fólico monocarbonados macrocítica Espina bífida Deficiencia poco habitual: [1] presentes en muchos alimentos, [2] el organismo las requiere en pocas cantidades y [3] son sintetizadas en el intestino por bacterias (para ellas no son necesarias) CoE A (CoA) Vit.B5 = Ácido Acilo ≈ Ác. grasos Difícil que se pantoténico produzca Piridoxal Fosfato Vit.B6 = Piridoxal Amino Difícil que se (PLP) produzca Biocitina ó Biotinil Vit.B8 = Biotina Carboxilo Difícil que se Enzima produzca Adenosil Metil Vit.B12 = Metilo, alquilo Difícil que se Cobalamina Cobalamina produzca TRANSPORTADORES DE ELECTRONES – Esenciales para el metabolismo Nucleótidos de Vit.B2 = Electrones Difícil que se Flavina (FMN, Riboflavina produzca FAD) Se asocia con Puede aceptar otra molécula: 2H+ y 2e- gracias Si es fosfato (P) a su anillo de = FMN isoaloxacina 112
- 113. BIOQ GENERAL Si es adenina = nitrogenado (se FAD carga en las reacciones red/ox que sufre al transferir e- y H+) Características de algunos CoE vitamínicos Transportadores de grupo • Pirofosfato de tiamina (TPP) ~ Vit.B1 ó Tiamina La Tiamina o Vit.B1 será necesaria para completar la estructura de la coenzima TPP, es decir, si no adquirimos mediante la dieta esta vitamina, no seremos capaces de forma la TPP; sí que podemos sintetizar una parte de ella, pero la síntesis completa se produce con la adquisición de la Vit. B1. Así, la enfermedad carencial resultante es el Beriberi. Así, al resto de CoE vitamínicas les sucederá igual, que requerirán de su parte vitamínica ingerida en la dieta para poder completar su estructura, y si ésta ingesta fuese insuficiente se generarán patologías. • CoE A (CoA) ~ Vit.B5 ó Ácido Pantoténico La CoA resulta esencial para el metabolismo de los lípidos o ácidos grasos. Su misión consiste en “marcar” a los lípidos o ácidos grasos mediante su unión a ellos; si no la célula no sabrá que puede sintetizarlos, es decir, no sabe de su existencia en el organismo por lo que no los podrá degradar. ¿Por qué el “marcaje” de los azúcares o hidratos de carbono es distinto, y se realiza añadiendo un grupo fosfato en vez de la CoA? Esto se debe a 2 razones: (1) para distinguir el metabolismo y (2) para garantizar algo de degradación (mecanismo de supervivencia), ya que si tuvieran el mismo “marcaje” y éste fallara, nos quedaríamos sin poder degradar nada, y si en nuestro organismo no hay flujo de energía se dará lugar a un equilibrio ≈ Ø de vida. Por tanto, la CoA se une a los acilos o ácidos grasos (cadenas hidrocarbonadas) y permite su metabolización. • Ácido Tetrahidrofólico ~ Vit.B9 ó Ácido Fólico Participa en el metabolismo de ácidos nucleicos. Su carencia implica una grave repercusión patológica, ya que supone la aparición de anemia macrocítica, que es la incapacidad de la médula espinal para sintetizar el grupo hemo de la hemoglobina (Hb). La consecuencia de esta carencia deriva en otra patología, y es que impide durante el desarrollo prenatal (intrauterino) el cierre correcto del tubo neural (conformador del futuro sistema nervioso). La médula espinal se cierra por un vaina en los primeros meses de gestación, por lo que una carencia de ácido fólico impedirá este cierre, produciéndose la espina bífida. Por esta razón se les recomienda a las mujeres embarazadas un incremento en el consumo de alimentos que contengan ácido fólico, especialmente antes y durante los primeros días de embarazo o gestación (24-28), pues resultará esencial para la correcta formación del tubo neural. La espina bífida consiste en que la médula espinal se queda “abierta” o mal cerrada, lo que conlleva un alto riesgo de infección. En los casos más graves de espina bífida, el cierre del tubo 113
- 114. BIOQ GENERAL neural hafracasado totalmente, y es entonces cuando se observa un bulto en la columna vertebral del recién nacido, correspondiente a la salida de la médula espinal hacia fuera (en ambas partes o solo en una de las partes). En realidad al ácido fólico es abundante en muchos alimentos (cualquier tipo de vegetal – verduras –, carnes rojas – hígado, morcilla, chorizo…-) y además también es sintetizado en nuestro intestino por bacterias, por lo que si se sigue una dieta adecuada, no tendría que haber ningún problema de déficit de esta vitamina. Transportadores de electrones • Nucleótidos de Flavina (FMN, FAD) ~ Vit.B2 ó Riboflavina − Van a transportar electrones gracias a que los nucleótidos de Flavina tienen un anillo de isoaloxacina, el cuál posee dos nitrógenos que pueden actuar como aceptores/dadores de 2 electrones (e-) y 2 protones (H+). Esto resulta fundamental para la transferencia de e-. o Cuando el anillo tiene H+ - estado reducido o Cuando el anillo no tiene H+ ya que lo ha perdido – estado oxidado − Participa en reacciones mediadas por deshidrogenasas (localizadas fundamentalmente en las mitocondrias). o La enzima clave que actúa con el nucleótido de flavina es el succinil- deshidrogenasa (vital en el metabolismo central energético). − Constituyen el ejemplo típico de una unión fuerte a la enzima (es decir, prácticamente no se separan de ella) ≈ grupos prostéticos FAD+ (en estado oxidado porque ha cedido e-) FADH2 (en estado reducido porque ha - ganado e ) *El + significa que ese N podrá captar o no electrones, no que su carga sea positiva, pues al tener núcleos fosfato el FAD tiene carga negativa. Oxidación = pérdida de electrones Reducción = ganancia de electrones 114
- 115. BIOQ GENERAL 115
- 116. BIOQ GENERAL TEMA 7: GLÚCIDOS(azúcares) o CARBOHIDRATOS (hidratos de carbono) Introducción Los Carbohidratos no poseen una función tan característica o específica como la de las proteínas, por eso estudiaremos más a fondo su metabolismo que su forma estructural. Clasificación. En 2 grandes grupos, ampliamente ramificados: (1) OSAS ó MONOSACÁRIDOS (2) ÓSIDOS Holósidos (solo azúcares) • Oligosacáridos [3-12 monosacáridos] • Polisacáridos o Heterosacáridos [> 12 monosacáridos] o Homopolisacáridos (repetición del mismo azúcar) o Heteropolisacáridos (repetición de distintos azúcares) Heterósidos (azúcar + molécula no glucídica = proteína o lípido) 1) OSAS ó MONOSACÁRIDOS − Son las unidades estructurales básicas de todos los hidratos de carbono, es decir, no se pueden descomponer en unidades más sencillas. − Se caracterizan porque están formadas por un carbono carbonilo y otros carbonos que portan una función alcohol (grupos hidroxilo -OH). El grupo carbonilo puede ser: • Aldehído = se encontrará en los extremos (normalmente en el C1) • Cetona = se encontrará entre medias, nunca en los extremos (normalmente en el C2) Clasificación. Se pueden clasificar según 2 criterios: a) Según el grupo carbonilo: (1) ALDOSAS = un grupo aldehído en su estructura (2) CETOSAS = un grupo cetona en su estructura b) Según el número de carbonos que los constituyen: • Triosas (3 átomos de carbono) o Aldotriosas Ej.: *Gliceraldehído* (clave en el metabolismo, G3P, esencial intermediario en la glucólisis o respiración celular) o Cetotriosas Ej.: *Dihidroxiacetona* (clave en el metabolismo, DHAP, también esencial intermediario en la glucólisis, que se transforma en G3P) • Tetrosas (4 átomos de carbono) o Aldotetrosas 116
- 117. BIOQ GENERAL o Cetotetrosas • Pentosas (5 átomos de carbono) o Aldopentosas Ej.: Ribosa, Desoxirribosa o Cetopentosas Ej.: Ribulosa • Hexosas (6 átomos de carbono) o Aldohexosas Ej.: Glucosa, Galactosa, Manosa o Cetohexosas Ej.: Fructosa (no olvidar que dentro del metabolismo sintetiza glucosa) Características (derivadas de su estructura) − Todos son hidrosolubles, es decir, se pueden disolver en agua, lo que no quiere decir que se ionicen. Su enorme solubilidad se debe simplemente a la abundancia de grupos hidroxilo –OH, por lo que podrán reaccionar con el H2O mediante interacciones débiles. − Todos poseen al menos un átomo de carbono asimétrico (con los 4 radicales o sustituyentes distintos) esto también lo vimos en proteínas ¡Excepción!: la DIHIDROXIACETONA (DHA) no posee ningún carbono asimétrico, ya que no posee un carbono con los 4 sustituyentes ≠. − La existencia de este Casimétrico hace que existan isómeros según la posición que adopte el grupo –OH del Casimétrico: Grupo – OH a la derecha = forma D Grupo – OH a la izquierd a = forma L Son imágenes especulares la una de la otra. Si el monosocárido tuviera más de 1 Casimétrico, ¿cuál de estos carbonos tomaríamos como punto de referencia para clasificarlo en la forma D o en la forma L? El Casimétrico más alejado del grupo carbonilo. Los monosacáridos más frecuentes en humanos (no en otras especies) son los D-monosacáridos – 99,9% - (grupo –OH del Casimétrico a la derecha). Además, a diferencia de lo que ocurría en proteínas (L- aá los comunes y D-aá tóxicos), los L-monosocáridos no son tóxicos, lo único que ocurre es que son menos frecuentes porque son reconocidos por pocas enzimas. Esto va a tener una gran implicación clínica. − Además poseen la capacidad de poder desviar el plano de la luz polarizada (lo que no tiene nada que ver con las formas D y L). Esto significa que si hacemos incidir un rayo de luz polarizado con una longitud de onda determinada (λ) podemos distinguir 2 formas: Si la desvían a la derecha = (+) 117
- 118. BIOQ GENERAL Si la desvían a la izquierda = (-) Esto no va a tener trascendencia clínica. − Ningún monosacárido va a ser esencial para los humanos pues los sintetizamos de forma endógena. ¡Excepción!: la Vit.C ó Ácido Ascórbico. Es una osa con función vitamínica y constituirá el único azúcar que los humanos no podemos sintetizar. − Los monosacáridos dentro las células o de la sangre (fisiológicamente) no se encuentran en forma lineal, si no en forma ciclada. Esta ciclación se produce por la reacción del grupo carbonilo con el grupo –OH del Casimétrico más alejado de este grupo carbonilo. Por tanto, lo más habitual es encontrarse a los monosacáridos en su forma ciclada. Una vez ciclado el carbono carbonilo pierde su función, pasando a llamarse carbono ANOMÉRICO (mismo carbono pero sin su función carbonilo). Este Canomérico poseerá 2 formas isómeras, dependiendo de la posición de su grupo hidroxilo –OH. o Si su grupo –OH se sitúa en el mismo plano que el O que ha dado lugar al ciclo = forma β o Si su grupo –OH se sitúa en ≠ plano que el O = forma α Por tanto, aparece un nuevo Canomérico: o -OH parte de arriba = β o -OH parte de abajo = α Esto será importante fisiológicamente hablando pues en el cuerpo se van a dar reacciones esteroespecíficas (enzimáticas), es decir, que reconocerán si el grupo –OH del Canomérico se sitúa o no en ese plano. Reconocerán únicamente a la forma α (si cambia a β se producirán patologías comunes). Según la estructura sea en hexágono o en pentágono, será una furanosa o una piranosa. El enlace será hemiacetal en caso de que el carbonilo sea aldehído, o hemicetal, en caso de que el carbonilo sea una cetona. 2) ÓSIDOS. Asociaciones de monosacáridos dan lugar a hidratos de carbono (ósidos) más complejos. Funciones en humanos 1. ENERGÉTICA. Poseen básicamente una función energética (aunque no es la única función que tienen). − Proporcionan energía de forma rápida, por lo que su degradación es vital cuando el metabolismo requiere energía de forma urgente (por eso la glucolisis es una de las rutas metabólicas más importantes, porque se activa rápidamente antes la demanda). No obstante, la energía que proporcionan no es muy abundante. 118
- 119. BIOQ GENERAL − Constituyen la única fuente de energía en condiciones anaerobias (en Ø de oxígeno), por eso los carbohidratos resultan tan fundamentales y se encuentran tan regulados. 2. ESTRUCTURAL. Se hallan formando parte de estructuras rígidas o unidos a proteínas (formando grupos prostéticos). 3. SEÑALIZADORES CELULARES. Sirven para identificar células (glucocálix, sistema ABO, etc.) 4. FORMAN PARTE DE MACROMOLÉCULAS. No solo forman parte de proteínas y lípidos, sino también de ácidos nucleicos (ADN, ARN). DISACÁRIDOS = ósidos más sencillos, formados por asociaciones de 2 osas ó monosacáridos a través de un enlace O-glucosídico, el cual consiste en la interacción de 2 monosacáridos = ó ≠ a través de 2 de sus grupos alcohol (-OH), dando lugar a una reacción de deshidratación (liberación de 1 molécula de H2O). − En la formación del enlace O-glucosídico: • Si participan los 2 hidroxilos de los 2 carbonos anoméricos, el enlace será dicarbonílico, y el disacárido carecerá de poder reductor • Si reacciona sólo 1 de los carbonos anoméricos con otro -OH cualquiera, el enlace será monocarbonílico, y el disacárido tendrá poder reductor. Ejemplos de disacáridos comunes: • Sacarosa = Glucosa + Fructosa Disacárido no reductor • Maltosa = Glucosa + Glucosa esencial para el almacenaje de glucosa • Lactosa = Glucosa + Galactosa • Celobiosa lo que en principio parece una desventaja, y es que no la podemos digerir, se convierte en una ventaja fisiológica, pues nos proporciona fibra, la cual tiene un efecto de protección en cáncer de colon. Concepto de EPÍMEROS: 2 monosacáridos son epímeros entre sí cuando se diferencian en un solo sustituyente de un solo carbono. Cabe apuntar que tanto aldohexosas/cetohexosas pueden dar lugar a cualquiera de las 2 estructuras cíclicas: furano = pentágono, o pirano = hexágono REACCIONES GLUCÍDICAS (solo hay que saberse 3: mutarrotación, esterificación y sustitución) 119
- 120. BIOQ GENERAL 1. CAPACIDAD DE MUTARROTACIÓN: a diferencia de los aminoácidos los azucares van a estar “mutando”, es decir, todos los monosacáridos mutan entre (1) su forma lineal D L, (2) su forma cíclica pirano furano… Esta capacidad va a afectar normalmente al azúcar ciclado. Así, cuando un azúcar se cicla, el 60% se mantendrá en esa forma ciclada (por ej.: α) frente a un 30% que se mantendrá en la otra forma posible (por ej.: β); un 9% se encontrará como anillo de pirano frente a un 1% que se encontrará como anillo de fuerano… El organismo emplea este fenómeno de la mutarrotación para regular las rutas metabólicas. 2. OXIDACIÓN: su importancia no radica a nivel del metabolismo si no a nivel alimentario (de la dieta). Por ej.: el ácido glucurónico (ácido carboxílico similar a la glucosa pero que presenta un grupo carboxilo en el C6, por lo que es muy hidrosoluble) no se metaboliza, si no que se mantiene en su forma oxidada formando parte de la matriz extracelular. 3. ESTERIFICACIÓN: unión/reacción del grupo fosfato P o sulfato S a un grupo hidroxilo –OH del azúcar. Así, todos los azúcares para poder ser metabolizados, sufren esterificación. La reacción clave fisiológica es con fosfato, que se suele unir al grupo –OH en el C1 o al C6. Esta reacción es metabólicamente fundamental, ya que es el marcaje de glúcidos. 4. SUSTITUCIÓN: en un grupo hidroxilo –OH de un carbono se añade un grupo metilo o amino. POLISACÁRIDOS (> de 12 monosacáridos) a) Si el monosacárido que se asocia es siempre el mismo = HOMOPOLISACÁRIDOS • ALMACENAMIENTO/RESERVA • ESTRUCTURALES (poco ENERGÉTICA = Glucógeno presentes en humanos) = Quitina b) Si el monosacárido que se asocia no es siempre el mismo, es decir, si se unen distintos tipos de monosacáridos = HETEROPOLISACÁRIDOS • NITROGENADOS = Ácido • NO NITROGENADOS hialurónico, Sulfato de condroitina y Queratán sulfato a) HOMOPOLISACÁRIDOS 120
- 121. BIOQ GENERAL Principales De ALMACENAMIENTO o ESTRUCTURALES HOMOPOLISACÁRIDOS RESERVA ENERGÉTICA En animales (fisiológico) *GLUCÓGENO* QUITINA (uñas, pelo…) En vegetales ALMIDÓN CELULOSA Análogo vegetal del glucógeno, formado también por repeticiones de glucosa aunque con menos ramificaciones y nuestra principal fuente de glucosa. GLUCÓGENO: principal homopolisacárido de reserva o almacenamiento energético en humanos Se trata de asociaciones de α-glucosas mediante enlaces 1 4 entre el grupo –OH del C1 y el grupo –OH del C4 de la siguiente glucosa. − Si esta asociación es lineal, la molécula se denomina AMILOSA, la cual posee un extremo no reductor y un extremo reductor (no químicamente activo). − Si esta asociación es ramificada (c/ 8-10 moléculas de glucosa aparece una ramificación), es decir, una serie de moléculas de glucosa se enganchan a otra serie de moléculas (que a su vez pueden estar ramificadas) mediante enlaces 1 6, la molécula se denomina AMILOPECTINA, la cual estará muy ramificada, y por tanto, poseerá muchos extremos no reductores. En resumen, el glucógeno tendrá: − Cadenas de AMILOSA α(1 4) no − Cadenas de AMILOPECTINA α(1 6) ramificadas muy ramificadas c/ 8-10 moléculas de glucosa Importancia fisiológica Lo que nos convendrá fisiológicamente es tener muchos extremos no reductores, porque es el lugar por donde se degrada el glucógeno (el extremo reductor no estará químicamente activo, es decir, no tendrá enzimas que lo reconozcan), y al ser estos muchos, la degradación de glucosa podrá dar comienzo en muchos lugares a la vez. Y, por tanto, este gran nº de ramificaciones y extremos no reductores es el que permite que el glucógeno actúe como tal, de almacén energético. Por ej.: en un momento determinado en el que aparezca mucha glucosa en sangre que “guardar” (como después de 1 comida) el mayor número de ramificaciones y en consecuencia de extremos no reductores permitirá un/a almacenamiento/captación de glucosa muy rápido. Almacenamiento − En el citoplasma celular en forma de gránulos sin membrana. − Principalmente en el *hígado* − En el músculo (esquelético y cardíaco) 121
- 122. BIOQ GENERAL Como en unidades de superficie hay más músculo que hígado, se dice que el almacenamiento de glucógeno es mayor en el músculo. Sin embargo, el hígado almacena mucho más glucógeno por gramos que el músculo. Además del citoplasma, el hígado y el músculo esquelético, existen otros órganos que también almacenan glucógeno: TJ adiposo, cerebro y Ms cardiaco, aunque no es mucha proporción. ¿Por qué es más abundante en % de glucógeno en el hígado que en el músculo, es decir, por qué el hígado constituye el principal almacén del glucógeno? Porque la función del glucógeno en el hígado es vital para la vida, ya que garantiza que la glucosa llegue correctamente al cerebro y a los glóbulos rojos. − Misión del glucógeno del hígado Mantener la homeostasis de glucosa en sangre, es decir, mantener siempre una [glucosa] constante en sangre, lo que resulta vital para la vida, pues la glucosa es la fuente principal de energía de todos los órganos, y en especial del cerebro y de los glóbulos rojos o eritrocitos, ya que constituye su única fuente de energía. El glucógeno del hígado se “rompe” en situación de ayuno (Ø de glucosa en sangre) ≈ expresión de su función de reserva de energía. − Misión del glucógeno del músculo En cambio el glucógeno del musculo no proporciona glucosa a las células ni a la circulación sanguínea, lo empleará para consumo propio, es decir, el glucógeno que entra en el músculo no volverá a salir de él, no se recupera. El glucógeno del músculo se “rompe” en situación de ejercicio. b) HETEROPOLISACÁRIDOS NITROGENADOS o GLUCOSAMINOGLUCANOS (GAG) - *interés fisiológico* - : forman parte de la matriz extracelular, confiriendo resistencia a la misma. Son azúcares constituidos por un azúcar urónico (grupo ácido), del que deriva el ácido hialurónico (otro componente de la matriz extracelular) y un aminoazúcar (grupo amino). Principales heteropolisacáridos nitrogenados de la matriz extracelular: − Ácido Hialurónico ( ácido urónico) − Sulfato de condroitina − Queratán sulfato Poseen un elevado número de cargas negativas o aniones (-), lo que les permite captar cationes (+) como Ca2+, Mg2+… necesarios para la conformación de la matriz, y fijarlos en su estructura. Además poseen muchos grupos –OH lo que significa que están altamente hidratados, por lo que confieren fluidez. HETERÓSIDOS (nivel superior de estructura): moléculas formadas por azúcares y otra macromolécula (proteína o lípido) GLUCOLÍPIDOS. En Mb celulares. Poseen mayor componente lipídico que glucídico. GLUCOPROTEÍNAS 122
- 123. BIOQ GENERAL − Proteoglucanos:mayor componente glucídico que proteico ≈ azúcares que en su estructura llevan adicionados proteínas. Conforman una parte importante de la matriz extracelular. − Glicoproteínas: mayor componente proteico que glucídico. Ej.: inmunoglobulinas, colágeno… ≈ proteínas que en su estructura llevan adicionados azúcares. 123
- 124. BIOQ GENERAL TEMA 8: LÍPIDOSo GRASAS Los lípidos son moléculas muy heterogéneas y, debido a ello, se clasifican según diversos criterios. Nuestra clasificación se basará en la presencia o no de un ácido graso (AG) en la estructura del lípido desde su conformación o inicio. Clasificación 1) LÍPIDOS SIMPLES - “No AG” en su estructura inicial (aunque posteriormente los podrán adquirir) - “No saponificables” (término poco correcto, pues todos los lípidos en un momento determinado se podrán saponificar). TERPENOS ESTEROIDES PROSTAGLANDINAS 2) LÍPIDOS COMPLEJOS - AG unido a una molécula en su estructura inicial - 3 grupos mayoritarios en humanos: ACILGLICÉRIDOS FOSFOGLICÉRIDOS o FOSFOACILGLICÉRIDOS (denominados erróneamente fosfolípidos, pues existen más lípidos capaces de unir el grupo fosfato P) ESFINGOLÍPIDOS o ESFINGOACILGLICÉRIDOS CERAS (asociación de AG unidos a moléculas de gran peso molecular y apolares, con una función defensiva/estructural y no fundamentales para el ser humano, si no en animales inferiores) 3) LIPOPROTEÍNAS apoproteínas: proteínas de las lipoproteínas QUILOMICRONES VLDL (lipoproteína de muy baja densidad) LDL (lipoproteína de baja densidad) HDL (lipoproteína de alta densidad) 1) LÍPIDOS SIMPLES: no tienen el AG inicialmente en su estructura TERPENOS: constituidos por una unidad estructural básica de 5 átomos de carbono (ádC), el ISOPRENO. Según el nº de isoprenos surgen distintos tipos de terpenos: 124
- 125. BIOQ GENERAL • MONOTERPENOS = condensación de 2 isoprenos (10 ádC) - Existen pocos fisiológicamente y predominan en el reino vegetal (aceites con olor característico) • DITERPENOS = asociación de 4 isoprenos (20 ádC) - Tampoco existen muchos fisiológicamente (fitol) • *TRITERPENOS* (el más importante de los terpenos fisiológicamente hablando) = asociación de 6 isoprenos (30 ádC) - El representante de los triterpenos es el ESCUALENO, y de él derivan los esteroides. • TERPENOS SUPERIORES: más de 6 moléculas de isopreno en su estructura. Son importantes debido a que darán lugar a las VITAMINAS LIPOSOLUBLES ([1] difícil absorción y eliminación, [2] almacenamiento en hígado y TJ adiposo, [3] tóxicas por exceso) Ejemplos de Vit. liposolubles: - Vit. E ≈ α ó γ-TOCOFEROL Función antioxidante (reducen el riesgo de los radicales libres, neutralizándolos), especialmente en su forma isómera α-tocoferol (el γ-tocoferol es el que ingerimos normalmente) Se encuentra de forma natural en semillas (pipas, nueces, cacahuetes…) y en el aceite de oliva y de girasol *No es recomendable adquirir la Vit. E o α-tocoferol a través de suplementos vitamínicos, porque se estará tomando un solo tipo de antioxidante, así que, por sí solo, actuará como radical libre, potenciándose el efecto oxidante. Su déficit provoca una alteración o mal funcionamiento celular, pues se destruirán las Mb celulares - Vit. A ≈ RETINOL Pequeño poder antioxidante, aunque su función principal es hormonal, es decir, regula la división celular (cáncer). Además, también constituye un pigmento que participa en la visión Se encuentra de forma natural en frutas y verduras rojas (fresas, tomates…) Su déficit provoca ceguera nocturna - Vit. K Participa en los procesos de coagulación Su déficit inhibe la cascada de coagulación sanguínea (hemorragias) - Vit. D. Participa haciendo posible la absorción del Ca2+ Se sintetiza a partir de un precursor tópico (de la piel) análogo al colesterol, por lo que no necesitamos administrarlo de forma exógena. Su déficit provoca raquitismo en niños y osteomalacia en adultos 125
- 126. BIOQ GENERAL ESTEROIDES: derivan del triterpeno ESCUALENO • COLESTEROL: esteroide más importante fisiológicamente. Único metabolito o macromolécula que no podemos degradar/oxidar hasta CO2 o H2O, por lo que, para poder metabolizarlo, hay que transformarlo en otras moléculas que sí se puedan degradar. Así van aparecer moléculas derivadas del colesterol (≈ productos derivados de su degradación) que harán posible su eliminación: - Ácidos biliares: facilitan la emulsión de los lípidos o grasas (la emulsión permite la formación de micelas, sin las cuales no podríamos metabolizar las grasas) - Hormonas esteroideas: dependiendo del sitio físico en el que se hayan sintetizado Glucocorticoides (cortisol y corticosterona): regulan directamente el metabolismo de hidratos de carbono o glúcidos, e indirectamente el metabolismo de los lípidos, por estar su metabolismo íntimamente ligado al primero. *No administrar en diabéticos pues se producirá un peligroso incremento de glucosa en sangre. Además, se debe tener un sumo cuidado en su administración, que debe ser lenta y progresiva, al igual que su retirada. Mineralocorticoides (derivan de la corticosterona): se sintetizan en las cápsulas suprarrenales, por lo que regulan el metabolismo de los iones a nivel renal fundamentalmente. Hormonas sexuales (andrógenos y estrógenos) PROSTAGLANDINAS. Derivan de un AG, el ÁCIDO ARAQUIDÓNICO, cuyas funciones están relacionadas con procesos inflamatorios. 2) LÍPIDOS COMPLEJOS = tienen un AG inicialmente en su estructura Ácidos grasos Constituyentes de los lípidos complejos. Los vamos a clasificar a parte de los lípidos simples o complejos. Estructura Están formados por un grupo carboxilo (-COOH) y una cadena hidrocarbonada (CH3)n Características (derivadas de su estructura) - Químicamente son moléculas anfipáticas. El carácter polar se lo aporta el grupo –COOH y el carácter apolar las cadenas hidrocarbonadas. 126
- 127. BIOQ GENERAL *Específicamente,es decir, fisiológicamente hablando, no lo son, pues el grupo –COOH nunca va a estar ionizado, y debido a la longitud de las cadenas hidrocarbonadas (> 16 átomos de C) o zona apolar, predomina el carácter apolar en la molécula, por lo que apenas habrá AG libres (trazas) en circulación o en las células. - Los AG se van a encontrar siempre unidos a moléculas, o bien a (1) proteínas (mayoritariamente albúmina), que se encargan de trasportarlos por la sangre, es decir, constituyen su medio de transporte mayoritario en sangre; o bien a (2) estructuras más complejas como las lipoproteínas, constituyendo éste su medio de transporte minoritario. Clasificación. Dependiendo de la longitud de la cadena hidrocarbonada (se consideran largas a aquellas que están conformadas por más de 16 átomos de carbono, y en ellas predominará el carácter apolar), y de que tenga o no insaturaciones (dobles enlaces), tenemos distintos tipos de AG. En humanos los AG más abundantes son lo que tienen un nº par de átomos de carbono (entre 16-18) - Si la cadena hidrocarbonada del AG no presenta insaturaciones o dobles enlaces = AG SATURADOS Consecuencia por exceso de AG en dieta: imprimen rigidez a la Mb, con lo que se dificulta el intercambio de sustancias a través de las Mb y los receptores hormonales (proteínas) no podrán transmitir correctamente las señales una de las causas que origina la diabetes - Si la cadena hidrocarbonada del AG presenta alguna insaturación o doble enlace = AG INSATURADOS - El aumento del nº de átomos de carbono: o Incrementa el carácter apolar del AG o Incrementa los puntos de fusión y de ebullición del AG (lo que hace por ejemplo, que los AG saturados a tª ambiente sean sólidos) - La presencia de insaturaciones o dobles enlaces, en igual nº de átomos de carbono, hace que disminuyan los puntos de fusión y de ebullición del AG - En humanos, las insaturaciones o dobles enlaces de los AG insaturados siempre se encuentran en posición -CIS, lo cual crea un “quiebro” en el AG que disminuye la rigidez del mismo, y se dan entre el C9 y el C10. *La presencia de una insaturación de un AG insaturado en posición –TRANS confiere rigidez a la Mb. No debemos de mantener las insaturaciones de los AG insaturados en posición –trans porque aumentan la rigidez de la Mb, y por tanto, dificultan el intercambio de sustancias y la transmisión de señales hormonales. El problema es que la mayoría de AG insaturados que ingerimos poseen sus insaturaciones en posición –trans, pues proceden de un proceso de desoxigenación industrial, y al ingerirlas se incorporan a la Mb inmediatamente. Como ya hemos dicho anteriormente, este aumento de la rigidez de las Mb se relaciona con la aparición de diabetes. 127
- 128. BIOQ GENERAL Acilglicérido cis Acilglicérido trans Ácidos grasos importantes a nivel fisiológico - Saturados: no dobles enlaces o insaturaciones en sus cadenas hidrocarbonadas. Su formula responde a X: 0* *Siendo el 1er dígito en nº de átomos de carbono, y el 2º el nº de insaturaciones, en este caso 0; si las tuviera llevará un superíndice que indicará el lugar en el que se encuentran las insaturaciones. • ÁCIDO PALMÍTICO (16:0). Uno de los pocos AG que podemos sintetizar de forma endógena. o A partir de él se sintetiza el ácido esteárico y el ácido palmitoleico • ÁCIDO ESTEÁRICO (18:0). Síntesis a partir del ácido palmítico. 128
- 129. BIOQ GENERAL - Insaturados: dobles enlaces o insaturaciones en sus cadenas hidrocarbonadas. Su formula responde a X:Z (nº del C que presente la insaturación, empezando a contar desde el grupo carboxilo –COOH) Monoinsaturados (abundantes en la dieta) • ÁCIDO PALMITOLEICO (16:1 9). Síntesis a partir del ácido palmítico. A partir de cualquiera de los dos ácidos anteriores, esteárico o palmitoleico (derivados del palmítico), se sintetiza: • ÁCIDO OLEICO (18:1 9). Síntesis a partir del ácido esteárico o del ácido palmitoleico. Poliinsaturados. No los podemos sintetizar, por lo que son AG esenciales, es decir, los debemos adquirir por la dieta. • ÁCIDO LINOLEICO (18:2∆9, 12) • ÁCIDO α-LINOLÉNICO (18:3∆9, 12, 15) A partir de ellos (ácido linoleico y α-linolénico) se sintetiza otro AG: • ÁCIDO ARAQUIDÓNICO (20:4∆5, 8, 11, 14). Síntesis a partir del ácido linoleico y el α-linolénico. Los dobles enlaces o insaturaciones de los AG poliinsaturados no se encuentran nunca de forma conjugada o en forma de dieno, si no que siempre están separados/as por un grupo metilo. Clasificación de los AG en familias Omega (ω, ). Según la posición de la 1ª insaturación o el 1er doble enlace en la cadena hidrocarbonada, pero empezando a contar desde el final de la cadena del AG (no desde el grupo –COOH), es decir, desde el extremo metilo (CH3-). Por ejemplo, según esta clasificación: • Ácido oleico (18:1 9) = Omega 9 1ª insaturación en el C9, empezando a contar desde el final o extremo metilo • Ácido linoleico (18:2∆9, 12) = Omega 6 1ª insaturación en el C6, empezando a contar desde el final o extremo metilo ≈ C12 empezando a contar desde el grupo –COOH • Ácido α-linolénico (18:3∆9, 12, 15) = Omega 3 1ª insaturación en el C3, empezando a contar desde el final o extremo metilo ≈ C15 empezando a contar desde el grupo –COOH • Ácido araquidónico (20:4∆5, 8, 11, 14) = Omega 6 1ª insaturación 129
- 130. BIOQ GENERAL en el C6 empezando a contar desde el final o extremo metilo ≈ C14 empezando a contar desde el grupo -COOH ¡OJO! Los humanos no podemos incorporar ninguna insaturación o doble enlace por detrás del C9, es decir, podemos incluir dobles enlaces del C9 C18, pero del C1 C8 no podremos. Por tanto, el ácido linoleico (ω6) y el α-linolénico (ω3) no son intercambiables, es decir, no podremos sintetizarlos si previamente no hemos adquirido sus precursores, por lo que son esenciales. Sin embargo, el ácido araquidónico (ω6) será un AG no esencial porque lo podremos sintetizar a partir del ácido linolénico o α-linolénico. ¿Dónde se encuentran estas familias ω de AG? Familia Omega 3 = pescados; aunque ellos tampoco pueden sintetizar AG ω3, comen algas, que son las que les proporcionan estos AG. - Los AG ω3 disminuyen los niveles de triacilglicéridos en la sangre (aunque para ello es preciso gran cantidad de ellos). *Problema actual de las leches ricas en ω3: la gente que tiene problemas r/c los niveles de triacilglicéridos y que se encuentran en tratamiento, debido a los múltiples anuncios que hablan de las “milagrosas” leches ricas en Omega 3, captan mal el mensaje y pretenden sustituir su tratamiento farmacológico por un consumo de estas leches. Familia Omega 6 = semillas, aceites de girasol… Tipos de lípidos complejos Una vez descritos los AG (constituyentes fundamentales e iniciales de los lípidos complejos), es preciso describir los tipos de lípidos complejos que existen según la molécula a la que se unan. Decimos que *en humanos encontramos 3 grupos mayoritarios* de lípidos complejos: ACILGLICÉRIDOS = asociación de glicerol + AG (3 como máx.) a través de un enlace ÉSTER. Clasificación. Dependiendo del nº de AG que estén esterificando al glicerol: • Monoacilglicéridos (MAG) = 1AG unido o esterificando a la molécula de glicerol • Diacilglicéridos (DAG) = 2AG unidos • Triacilglicéridos (TAG) ≈ triglicéridos = 3AG unidos 130
- 131. BIOQ GENERAL Formación deun diacilglicérido. Se observa la formación del enlace éster, que libera una molécula de agua. Propiedades. Vienen determinadas por el tipo de AG que esterifica (o se encuentra unido) al glicerol, por tanto, derivan de las propiedades de estos: - Su polaridad* (deriva de los AG) depende del número de AG que se encuentren esterificando el glicerol: cuantos más AG haya, más apolar será el acilglicérido. *A pesar de que se afirma que los lípidos son apolares, esta apolaridad es relativa. De mayor a menor polaridad: MAG (el más polar) > DAG > TAG (el más apolar de todos los lípidos) Los lípidos más apolares que existen son los TRIACILGLICÉRIDOS, seguidos del COLESTEROL. Función Principalmente de ALMACÉN ENERGÉTICO: almacenan AG que se van a depositar en el TJ adiposo de forma específica* (existiendo el peligro de que se expanda en la cavidad abdominal ocupando sitios que no debería, pero todos los órganos necesitan una cubierta de grasa) *A diferencia de lo que ocurre con la glucosa, pues ésta no posee un TJ específico de almacenamiento; se almacena en el MS o en el hígado, pero no siendo esta su misión característica. - Se almacenan en forma anhidra (sin agua) y como triacilglicéridos, lo que permite que en un volumen determinado quepa más cantidad de AG como TAG que como AG libres. - Además se encontrarán en gotas de grasa y con ellos se almacenarán las enzimas necesarias para su hidrólisis/metabolización (rompen los enlaces éster de los MAG, DAG y TAG), las LIPASAS. Mayoritariamente los AG no se almacenan de forma libre, sino en forma de gotículas anhidradas y como triacilglicéridos (pues esto permitirá que se puedan almacenar un mayor nº de ellos) y con las enzimas lipasas precisas para su hidrólisis. FOSFOGLICÉRIDOS = asociación de glicerol-3-fosfato + AG (2 como máx. y generalmente 2) unidos a sus –OH (o esterificándolos) mediante un enlace éster. Característica (derivada de su estructura) El grupo fosfato P en la posición 3 de la molécula de glicerol les confiere polaridad, y por tanto, hace que los fosfoglicéridos sean más polares que los acilglicéridos. 131
- 132. BIOQ GENERAL Moléculade ácido fosfatídico (su radical unido al fosfato es un hidrógeno). Conferirá polaridad a la toda la estructura lipídica. Ácido fosfatídico (forma trans) Ácido fosfatidico cis Clasificación Al grupo fosfato P de cabeza se le pueden unir otras moléculas distintas al fosfoacilglicérido por su otro radical libre, dando lugar a los distintos tipos de fosfoacilglicéridos, según sea el radical al que se una el grupo fosfato P: • Unión de un hidrógeno H (lo más sencillo) = ÁCIDO FOSFATÍDICO (unidad básica de todos los fosfoglicéridos) • Unión de serina = Fosfatidilserina • Unión de etanolamina = Fosfatidiletanolamina • Unión de colina = Fosfatidilcolina (también llamada lecitina) • Unión de inositol = Fosfatidilinositol Función (deriva de su estructura, por poseer ese grupo P que en las células se encuentra ionizado contribuyendo a dar cargas (-) a las Mb celulares) - ESTRUCTURAL: todos los fosfoglicéridos tienen una función estructural, formando parte de todas las membranas celulares (Mb de cualquier orgánulo, no solo de la Mb plasmática). ¿Cómo se degradan/rompen? También mediante la acción de las lipasas, conocidas como FOSFOLIPASAS (para diferenciarlas del resto de lipasas que actúan en otro tipo de lípidos). 132
- 133. BIOQ GENERAL Existen 4tipos de fosfolipasas, según su zona de actuación: 1. Fosfolipasa A1 rompe el enlace éster que une al AG con el –OH del C1 del glicerol 2. Fosfolipasa A2 rompe el enlace éster que une al AG con el –OH del C2 del glicerol 3. Fosfolipasa C rompe el enlace que une el fosfato con la molécula de glicerol (P libre) 4. Fosfolipasa D rompe el enlace que une a la molécula “radical” con el fosfato (serina, colina… libres) ESFINGOLÍPIDOS = asociación de un aminoalcohol (normalmente esfingosina) + 1AG unido mediante un enlace amida. Clasificación. Según la molécula que se le una a la esfingosina aparecen distintos tipos de esfingolípidos. Un ejemplo de molécula de unión a los esfingolípidos son los glúcidos, que al unirse a los esfingolípidos por la esfingosina, constituirían glucoesfingolípidos, que a su vez pueden ser (según la naturaleza iónica del azúcar): • Azúcar no ionizable • Azúcar ionizable Glucoesfingolípidos Glucoesfingolípidos neutros ácidos Función: ESTRUCTURAL Se encuentran fundamentalmente en las MB del TJ nervioso, y su acumulación sobre células de estos tejidos es responsable de algunas patologías. 3) LIPOPROTEÍNAS (forma que adoptan los lípidos para poder viajar en la circulación, debido a su carácter apolar) No muy polares o apolares en medio acuoso (normalmente carácter apolar no absoluto) por tanto, se impide que las grasas sean solubles en solventes polares, es decir, son insolventes en medios polares (citosol, sangre…), por lo que, para entrar y poder viajar en estos medios, requerirán de una unión a proteínas (lípidos + proteínas = lipoproteínas) *Cabe apuntar que los lípidos se pueden encontrar dentro de la célula de 2 formas distintas (dentro de la célula no en forma de lipoproteínas): (1) no completamente esterificados o (2) unidas a proteínas específicas (lípido — proteína ≠ lipoproteína) Tipos. Existen 4 tipos de lipoproteínas mayoritarios (cada uno de ellos englobando a un conjunto): 1. QUILIMICRONES: primeras lipoproteínas que aparecen en el intestino tras la alimentación (inicio de la digestión). Composición: TAG + apoproteínas - En general son ricos en lípidos (tienen todos los que hemos ingerido), pero mayoritariamente son ricos en TAG (por ser estos los lípidos más abundantes en nuestra dieta). 133
- 134. BIOQ GENERAL - Además contienen muchas proteínas, conocidas como apoproteínas (proteínas de los lípidos), mayoritariamente: • Apo CII • Apo B48 Al llegar al hígado dan lugar a otras lipoproteínas: 2. VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad): transportan mayoritariamente TAG de síntesis endógena y su proteína mayoritaria es la Apo B100. Salen a la circulación, y a medida que se van “empobreciendo” (perdiendo TAG) se transforman en: 3. LDL (lipoproteínas de baja densidad) – derivan de las VLDL - : transportan mayoritariamente COLESTEROL hepático (endógeno) y su proteína mayoritaria es la Apo B10. Van cediendo colesterol a los TJs (se van “empobreciendo”) hasta que se transforman en: 4. HDL (lipoproteínas de alta densidad): transportan mayoritariamente COLESTEROL extrahepático (van recogiendo el colesterol sobrante de los TJs) y su proteína mayoritaria es la Apo A. Diferencias entre las distintas lipoproteínas: - A nivel de componente lipídico mayoritario que se transporta: • Quilomicrones = TAG en general • LDL = colesterol hepático • VLDL = TAG de síntesis endógena • HDL = colesterol extrahepático - A nivel de componente proteico (apoproteína) mayoritario: • Quilomicrones = Apo CII y Apo B48 • VLDL = Apo B100 • LDL = Apo B10 • HDL = Apo A 134
- 135. BIOQ GENERAL Además, amedida que se metabolizan disminuyen en tamaño pero aumentan en densidad (más contenido proteico) En *clínica* se denomina (no muy correctamente): Colesterol “bueno” = al colesterol extrahepático de las HDL (porque captan colesterol de los TJs con lo que se favorece su eliminación) Colesterol “malo” = al colesterol hepático de las LDL (porque ceden colesterol a los TJs con lo que se favorece su almacenamiento) 135
- 136. BIOQ GENERAL TEMA 9 BIOENERGÉTICA Introducciónal metabolismo Cuando hablamos de metabolismo nos referimos al conjunto de reacciones a través de las cuales el organismo lleva a cabo la degradación/descomposición de los nutrientes o macromoléculas, que sintetiza con el fin de obtener energía que se destinará a distintos fines: − Trabajo osmótico: para transportar moléculas a través de la Mb. − Trabajo mecánico: para mover los músculos… − Trabajo químico: para la ruptura de enlaces, alterar moléculas… (proseguir la obtención de energía). Clasificación. Los procesos metabólicos se engloban en las rutas metabólicas, las cuales vamos a clasificar siguiendo 2 criterios I. Según la ruta sea común o específica de los seres vivos o su finalidad sea o no energética: • Metabolismo primario: rutas comunes a todos los seres vivos. • Metabolismo secundario: rutas propias/específicas de un ser vivo. Por ej. la fotosíntesis es exclusiva de las plantas. • Metabolismo energético (metabolismo intermediario): conjunto de rutas metabólicas que tienen (todas ellas) una finalidad energética. Por ej. el metabolismo de ácidos nucleicos no se podría clasificar dentro de este grupo pues su finalidad no es la obtención de energía. II. Sin embargo la forma más habitual de clasificar las rutas energéticas es en: • CATABOLISMO (degradativas) • ANABOLISMO (de síntesis o constructivas) CATABOLISMO: rutas de descomposición/degradación en las que *siempre* se obtiene energía, que obtenemos de 2 formas mayoritarias: 1. En forma de ATP 2. En forma de poder reductor: - NADH + H+ y FADH2 (de forma mayoritaria) - NADPH + H+ (de forma minoritaria) 136
- 137. BIOQ GENERAL Son rutas convergentes en las que a partir de varias macromoléculas obtenemos muy pocos productos finales, y se suelen dar ante una demanda energética (situación de ejercicio), o en situación de alimentación (macronutrientes). ANABOLISMO: rutas de síntesis/consumición de energía (no producen) de la generada en las rutas catabólicas. Son rutas divergentes en las que a partir de pocos productos podemos formar/obtener gran cantidad de macromoléculas, y se suelen llevar a cabo cuando existe energía o cuando la célula carece de macromoléculas (situación de ayuno). Todas las reacciones químicas que se llevan a cabo de manera espontánea en nuestro organismo, desprenden energía, pero también hay reacciones que se llevan a cabo en nuestro organismo que requieren energía para llevarse a cabo. Para que una reacción anabólica o de síntesis se pueda producir, es preciso acoplarla a otra reacción catabólica o de descomposición y que por tanto desprenda energía. Esta es la base del metabolismo. A la energía que fluye en cualquier reacción química se denomina ENERGÍA LIBRE ( G) − Cuando ésta es negativa (-) ( G < 0) la reacción desprende energía = reacción exergónica − Cuando la variación de energía es positiva (+) ( G > 0) la reacción absorbe/capta energía = reacción endergónica Las reacciones endergónicas requiere la energía que desprenden las reacciones exergónicas. Alberto Gómez & Laura del Olmo 137
- 138. BIOQ GENERAL En resumen: En el metabolismo catabólico todos los componentes que han de ser degradados convergen en una molécula: el Acetil-CoA, el cual se introduce en el ciclo de los ácidos tricarboxilicos para dar lugar a energía en forma de poder reductor CO2 y GTP = proceso convergente En el metabolismo anabólico ocurre al contrario, pues partimos únicamente de CO2 (pocas macromoléculas) para sintetizar muchos tipos de productos (lípidos, glúcidos, proteínas…) =proceso divergente Alberto Gómez & Laura del Olmo 138