1. Introducción a las Bio-moléculas y al Metabolismo
a. Estructura de las células procaróticas.
b. Principales bioelementos y bio-moléculas que intervienen en los procesos metabólicos. 2. El agua
a. Estructura de la molécula del agua. b. Propiedades fisicoquímicas del agua.
c. Relevancia Los amortiguadores en los sistemas biológicos. 3. Aminoácidos
a. Estructura y clasificación de los aminoácidos.
b. Estereo isómeros y propiedades ópticas de los aminoácidos.
c. Ionización de los aminoácidos y propiedades ácido-base. Curva de titulación. d. Propiedades químicas de los aminoácidos.
4. Péptidos y proteínas.
a. Estructura y características del enlace peptídico.
b. Péptidos con actividad biológica oxitocina, glutatión, factor liberador de las gonadotropinas, etc. c. Niveles estructurales de las proteínas.
d. Clasificación de las proteínas: estructurales, catalíticas, de defensa, de transporte, etc. e. Propiedades físicas y químicas de las proteínas (ácido-base, solubilidad, etc.).
5. Enzimas y cinética enzimática.
a. Concepto de enzima.
b. Propiedades de las enzimas (centro activo y especificidad por el sustrato, requerimiento de coofactores y coenzimas, las vitaminas como coenzimas, isoenzimas, etc.).
c. Clasificación de las enzimas (deshidrogenasas, hidrolasas, cinasas, etc.).
d. Regulación de la actividad enzimática (efecto de temperatura, pH, fuerza iónica, concentración de sustrato, inhibidores, etc.).
h. Energía libre y la constante de equilibrio de los sistemas biológicos. Procesos endergónicos y exergónicos. i. Biomoléculas de alta energía (ATP, fosfoenolpiruvato, etc.).
j. Reacciones acopladas.
k. Ecuación de Michaelis-Menten, Km Vmax.
l. Métodos gráficos de Lineweaver-Burk y Eddie Hofstee.
m. Inhibición enzimática: inhibición reversible: competitiva, no competitiva y acompetitiva, inhibición irreversible. n. Regulación enzimática.
o. Alosterismo: inhibidores y activadores. p. Proenzimas.
q. Mecanismos de catálisis enzimática (ácido-base, óxido-reducción. etc.). 6. Carbohidratos.
a. Clasificación de los carbohidratos (con base en su número de átomos de carbono, su grupo funcional, el número de unidades).
b. Estructura de los monosacáridos.
c. Estructura y propiedades de los disacáridos.
d. Estructura e importancia biológica de los polisacáridos. e. Proteoglicanos, glucoproteínas y glucolípidos.
7. Lípidos.
a. Clasificación de los lípidos.
b. Ácidos grasos. Estructura y propiedades. c. Acetilglicéridos. Estructura y propiedades. d. Ceras.
Lípidos estructurales. Membranas. e. Lipoproteínas.
f. Separación y análisis de lípidos. 8. Nucleótidos.
9. Bioenergética y Bioquímica aplicada al ejercicio.
a. Sistemas Bioenergéticos
b. Evaluaciones fisiológicas de laboratorio y campo.
c. Evaluación de aptitudes físicas en distintas poblaciones. d. Pruebas de Ejercicio Cardiopulmonar.
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INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA
La Bioquímica, es el estudio de las sustancias presentes en los organismos vivos y de las reacciones químicas en las que se basan los procesos vitales. Esta ciencia es una rama de la Química y de la Biología. El prefijo bio- procede de bios, término griego que significa ‘vida’. Su objetivo principal es el conocimiento de la estructura y comportamiento de las moléculas biológicas, que son compuestos de carbono que forman las diversas partes de la célula y llevan a cabo las reacciones químicas que le permiten crecer, alimentarse, reproducirse y usar y almacenar energía. La célula contiene un gran número de moléculas. La estructura de cada molécula determina la reacción química en la que interviene y, por tanto, el papel que desempeña en los procesos vitales celulares. Los tipos más importantes de moléculas biológicas son los ácidos nucléicos, las proteínas, los hidratos de carbono y los lípidos.
Los ácidos nucléicos son responsables del almacenamiento y transferencia de la información genética. Son moléculas grandes formadas por cadenas largas de unas subunidades llamadas nucleótidos, que se disponen según una secuencia exacta. Cada nucleótido está formado por una molécula de azúcar, un grupo fosfato y uno de 4 posibles compuestos nitrogenados llamados bases. Estas subunidades, son "leídas" por otros componentes de las células y utilizadas como patrones para la fabricación de proteínas.
Las proteínas son moléculas grandes formadas por pequeñas subunidades denominadas aminoácidos. Utilizando sólo 20 aminoácidos distintos, la célula elabora miles de proteínas diferentes, cada una de las cuales desempeña una función altamente especializada. Las proteínas más interesantes para los bioquímicos son las enzimas, moléculas "trabajadoras" de las células. Estas enzimas actúan como promotores o catalizadores de las reacciones químicas.
Los hidratos de carbono son las moléculas energéticas básicas de la célula. Contienen proporciones aproximadamente iguales de carbono e hidrógeno y oxígeno. Las plantas verdes, algunas bacterias, protozoos y algas utilizan el proceso de la fotosíntesis para formar hidratos de carbono simples (azúcares) a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar. Los animales, sin embargo, obtienen sus hidratos de carbono de los alimentos. Una vez que la célula posee hidratos de carbono, puede romperlos para obtener energía química o utilizarlos como base para producir otras moléculas.
Los lípidos son sustancias grasas que desempeñan diversos papeles en la célula. Algunos se almacenan para ser utilizados como combustible de alto valor energético, mientras que otros se emplean como componentes esenciales de la membrana celular.
1. INTRODUCCIÓN A LAS BIO-MOLÉCULAS Y AL METABOLISMO
1.1. ESTRUCTURA DE LAS CÉLULAS PROCARIÓTICAS.
Las células procariotas son pequeñas y menos complejas que las eucariotas. Contienen ribosomas pero carecen de sistemas de endomembranas (esto es, orgánulos delimitados por membranas biológicas, como puede ser el núcleo celular). Por ello poseen el material genético en el citosol. Sin embargo, existen excepciones: algunas bacterias fotosintéticas poseen sistemas de membranas internos. Por lo general podría decirse que los procariotas carecen de citoesqueleto. Sin embargo se ha observado que algunas bacterias, como Bacillus subtilis, poseen proteínas tales como MreB y mbl que actúan de un modo similar a la actina y son importantes en la morfología celular.
De gran diversidad, los procariotas sustentan un metabolismo extraordinariamente complejo, en algunos casos exclusivos de ciertos taxa, como algunos grupos de bacterias, lo que incide en su versatilidad ecológica.
Las procariotas se clasifican, según Carl Woese, en arqueas y bacterias. 1.1.1. ARQUEAS
ARQUEAS
Las arqueas poseen un diámetro celular comprendido entre 0,1 y 15 μm, aunque las formas filamentosas pueden ser mayores por agregación de células. Presentan multitud de formas distintas: incluso las hay descritas cuadradas y planas.
la bacteriana, dicha tinción es aplicable pero carece de valor taxonómico. El orden Methanobacteriales tiene una capa de pseudomureína, que provoca que dichas arqueas respondan como positivas a la tinción de Gram.
Como en casi todos los procariotas, las células de las arqueas carecen de núcleo, y presentan un sólo cromosoma circular. Existen elementos extracromosómicos, tales como plásmidos. Sus genomas son de pequeño tamaño, sobre 2-4 millones de pares de bases. También es característica la presencia de ARN polimerasas de constitución compleja y un gran número de nucleótidos modificados en los ácidos ribonucleicos ribosomales. Por otra parte, su ADN se empaqueta en forma de nucleosomas, como en los eucariotas, gracias a proteínas semejantes a las histonas y algunos genes poseen intrones. Pueden reproducirse por fisión binaria o múltiple, fragmentación o gemación.
1.1.2. BACTERIAS
BACTERIAS
Las bacterias son organismos relativamente sencillos, de dimensiones muy reducidas, de apenas unas micras en la mayoría de los casos. Como otros procariotas, carecen de un núcleo delimitado por una membrana, aunque presentan un nucleoide, una estructura elemental que contiene una gran molécula generalmente circular de ADN. Carecen de núcleo celular y demás orgánulos delimitados por membranas biológicas. En el citoplasma se pueden apreciar plásmidos, pequeñas moléculas circulares de ADN que coexisten con el nucleoide y que contienen genes: son comúnmente usados por las bacterias en la parasexualidad (reproducción sexual bacteriana). El citoplasma también contiene ribosomas y diversos tipos de gránulos. En algunos casos, puede haber estructuras compuestas por membranas, generalmente relacionadas con la fotosíntesis.
La mayoría de las bacterias disponen de un único cromosoma circular y suelen poseer elementos genéticos adicionales, como distintos tipos de plásmidos. Su reproducción, binaria y muy eficiente en el tiempo, permite la rápida expansión de sus poblaciones, generándose un gran número de células que son virtualmente clones, esto es, idénticas entre sí.
1.2. PRINCIPALES BIOELEMENTOS Y BIO-MOLÉCULAS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS METABÓLICOS.
Ningún elemento químico es exclusivo de los seres vivos y todos se encuentran también en la Naturaleza. Sin embargo, hay sólo 27 que forman parte permanente de la vida y otros 60 pueden aparecer ocasionalmente. Estos elementos se denominan elementos biogénicos o biolementos.
Según su importancia y abundancia se clasifican en:
Elementos plásticos primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Representan algo más del 96% del peso de cualquier organismo. Son elementos imprescindibles para la creación de materia orgánica
Elementos secundarios indispensables: fósforo, azufre, sodio, potasio, calcio, magnesio y cloro. Constituyen el 3% en peso aproximadamente. Son bioelementos necesarios para la vida de la célula.
Oligoelementos o elementos traza: Además de los señalados existen otros que son necesarios para el funcionamiento celular y que en conjunto representan menos del 1%. No todos forman parte de los seres vivos. Cabe citar por ejemplo el hierro, cinc, bromo, yodo y silicio.
Al contrario que en los seres inertes, donde el silicio es la base, en los seres vivos se utiliza la química del carbono por varias razones:
1. Al tener peso atómico bajo permite enlaces covalentes estables, pero no tanto para impedir las reacciones metabólicas.
2. La estructura del átomo de carbono permite conseguir largas cadenas ramificadas que pueden romperse con facilidad.
3. Los átomos de carbono se unen con facilidad al nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y azufre, facilitando así la unión de diferentes grupos funcionales.
FUNCIÓN DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS: El carbono y el hidrógeno constituyen la estructura básica de las moléculas orgánicas y, junto al oxígeno, son los principales componentes. El nitrógeno participa en la construcción de proteínas y ácidos nucleicos. El fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y sus enlaces son utilizados en la obtención de energía. El azufre constituye parte de la mayoría de las proteínas.
impulso nervioso. El calcio actúa como constitutivo de estructuras esqueléticas, en el mecanismo de contracción muscular y en la coagulación entre otros procesos. El magnesio es imprescindible para la acción catalítica de muchas enzimas.
FUNCIÓN DE LOS OLIGOELEMENTOS:Son necesarios para el funcionamiento de la célula y suelen asociarse a enzimas. El hierro participa en los procesos redox de la cadena respiratoria y forma parte de la hemoglobina. El cobre forma parte de múltiples enzimas de oxidación. El cobalto y el molibdeno forman parte de coenzimas. El yodo es fundamental para la hormona del tiroides y el flúor en la formación de los dientes.
1.2.1. LAS BIOMOLÉCULAS
2. EL AGUA
El agua constituye el 75 % en peso de la materia viva. Cuanto más joven es el individuo, más porcentaje de agua tiene en su organismo, que va perdiendo con el paso del tiempo. Según su situación se clasifica en:
Agua circulante: que se desplaza a través del organismo y es utilizada como transporte de sustancias.
Agua de imbibición: Se encuentra empapando los materiales citoplasmáticos, unida débilmente a los materiales biológicos de los que se separa por desecación a los 100 ºC
Agua ligada: retenida en combinaciones diversas en el interior de las células, no desaparece por desecación.
2.1. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA.
Cada molécula de agua está formada por dos átomos de H y uno de O unido mediante enlace covalente. El átomo de oxígeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de H.
Esta molécula es eléctricamente neutra, pero, la diferencia de electronegatividad de los átomos de O y de H provoca un desplazamiento de los electrones hacía el núcleo de oxígeno. Como consecuencia, constituye un dipolo eléctrico.
El carácter polar de las moléculas de agua es responsable de la mayoría de sus propiedades. Permite que se produzcan interacciones electrostáticas, denominadas enlaces de hidrogeno, con otras moléculas polares y con iones, o interacciones dipolo -dipolo con otras moléculas de agua.
Debido a la ordenación casi tetraédrica de los electrones alrededor de los átomos de O, cada molécula de agua es potencialmente capaz de unirse mediante enlaces de hidrógeno con otras 4 moléculas de agua. Esta propiedad es responsable de la elevada cohesión interna del agua líquida.
Los enlaces de H entre las moléculas de agua se forman y escinden a una gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al aumentar la temperatura.
Por lo tanto, por debajo de 0 ºC, en el hielo, todas las moléculas de agua se hallan unidas mediante enlaces de H.
2.2. PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL AGUA.
La estructura dipolar del agua es responsable de las peculiares propiedades físico -química que le permiten cumplir importantes funciones en los organismos.
GRAN FUERZA DE COHESIÓN. Se debe a la elevada tendencia del agua a unirse a otras 4 moléculas vecinas, lo que la convierte en un líquido incompresible, capaz de conferir volumen y turgencia. También permite las deformaciones de algunas estructuras, sirviendo como lubricante en zonas de contacto.
ELEVADO CALOR ESPECÍFICO. Este calor se debe a la tendencia de formar enlaces de H entre moléculas de agua.
Esto lo convierte en un BUEN AMORTIGUADOR TÉRMICO que mantiene la temperatura interna de los seres vivos a pesar de las variaciones externas.
ALTO CALOR DE VAPORIZACIÓN. El agua tiene la propiedad de absorber mucho calor cuando cambia del estado líquido al gaseoso, porque han de romperse los enlaces de H.
El agua se evapora en la superficie, absorbe gran parte de calor del entorno inmediato. Esta propiedad se utiliza como mecanismo de regulación térmica.
Elevada constante dieléctrica. Las sales cristalizadas y otros compuestos iónicos se disocien en sus cationes y aniones, los cuales son atraídos con fuerzas por lo dipolos de agua y se impide su unión
El agua disuelve con facilidad otros compuestos no iónicos al establecer enlaces de H entre ellos.
El agua también dispersa, formando micelas, muchos compuestos anfipáticos Todos ellos la convierten en la sustancia disolvente por excelencia, lo que da
lugar a dos funciones del agua en los seres vivos.
El vehículo de transporte que permite la circulación de sustancias en el interior de los organismos y en su intercambio con el exterior
Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquímicas.
Gran fuerza de adhesión. Esta propiedad deriva de la tendencia a formar enlaces de H entre las moléculas de agua (Cohesión) y éstas con otras moléculas polares (adhesión), lo que hace al agua responsable de todos los fenómenos relacionados con la capilaridad.
2.3. FUNCIONES DEL AGUA
Disolvente, porque es un vehículo de transporte
Bioquímica, porque permite realizar las reacciones vitales Transporte, transporta sustancia necesarias
Estructural, forma parte de la estructura celular, formando lo principal de las células, principalmente la vegetal.
Mecánica, está para que no “choque” las cosas, es decir, no se rompan los organismos.
Termorregulador, para no depender de la temperatura exterior.
2.4. RELEVANCIA LOS AMORTIGUADORES EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS.
En el agua líquida, además de las moléculas de agua, existe una pequeña proporción de moléculas disociadas en sus iones. Este número es constante, y se denomina producto iónico del agua, siendo su valor a 25 ºC. En los fluidos biológicos, las variaciones del pH afectan, en gran medida, a la actividad de muchas moléculas. Éste es el caso de las proteínas y, en concreto, de las enzimas. Por ello, en el transcurso de la evolución, los seres vivos han adquirido mecanismos que mantienen constante el pH: son los sistemas tampón o amortiguadores.
Vehículo de transporte de sustancias: debido a su poder disolvente y dispersante transporta sustancias de un punto a otro del organismo. Por otra parte, resulta indispensable para el intercambio de materia entre célula y medio.
Medio de reacción: gracias al poder disolvente, la mayoría de las bio-moléculas están disueltas en agua y de ese modo reaccionan entre sí.
Reactivo químico: participa en las reacciones por su capacidad de disociarse en iones H+ y OH-, como ocurre en la hidrólisis, rotura de enlaces introduciendo agua. Agente regulador de la temperatura: ya que su alto calor específico le convierte en un
3. AMINOÁCIDOS
Un aminoácido, como su nombre indica, es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH; ácido). Los aminoácidos más frecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación que libera agua formando un enlace peptídico. Estos dos "residuos" amino acídicos forman un dipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así, sucesivamente, para formar un polipéptido. Esta reacción ocurre de manera natural en los ribosomas, tanto los que están libres en el citosol como los asociados al retículo endoplasmático.
Todos los aminoácidos componentes de las proteínas son alfa-aminoácidos, lo que indica que el grupo amino está unido al carbono alfa, es decir, al carbono contiguo al grupo carboxilo. Por lo tanto, están formados por un carbono alfa unido a un grupo carboxilo, a un grupo amino, a un hidrógeno y a una cadena (habitualmente denominada R) de estructura variable, que determina la identidad y las propiedades de los diferentes aminoácidos; existen cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de aminoácidos diferentes, pero sólo 20 forman parte de las proteínas y tienen codones específicos en el código genético.
La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos o simplemente péptidos, que se denominan proteínas cuando la cadena polipeptídica supera los 50 aminoácidos o la masa molecular total supera las 5.000 uma.
3.1. ESTRUCTURA Y CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS.
La estructura general de los aminoácidos se establece por la presencia de un carbono central alfa unido a: un grupo carboxilo (rojo en la figura), un grupo amino (verde), un hidrógeno (en negro) y la cadena lateral (azul):
cambios de pH; por eso, al pH de la célula prácticamente ningún aminoácido se encuentra de esa forma, sino que se encuentra ionizado.
Los aminoácidos a pH bajo (ácido) se encuentran mayoritariamente en su forma catiónica (con carga positiva), y a pH alto (básico) se encuentran en su forma aniónica (con carga negativa). Sin embargo, existe un pH específico para cada aminoácido, donde la carga positiva y la carga negativa son de la misma magnitud y el conjunto de la molécula es eléctricamente neutro. En este estado se dice que el aminoácido se encuentra en su forma de ion dipolar o zwitterión.
Existen muchas formas de clasificar los aminoácidos; las dos formas que se presentan a continuación son las más comunes.
3.1.1. SEGÚN LAS PROPIEDADES DE SU CADENA
Otra forma de clasificar los aminoácidos de acuerdo a su cadena lateral. Los aminoácidos se clasifican habitualmente según las propiedades de su cadena lateral:
2. Neutros no polares, apolares o hidrófobos: Glicina (Gly, G), Alanina (Ala, A), Valina (Val, V), Leucina (Leu, L), Isoleucina (Ile, I), Metionina (Met, M), Prolina (Pro, P), Fenilalanina (Phe, F) y Triptófano (Trp, W).
3. Con carga negativa, o ácidos: Ácido aspártico (Asp, D) y Ácido glutámico (Glu, E).
4. Con carga positiva, o básicos: Lisina (Lys, K), Arginina (Arg, R) e Histidina (His, H).
5. Aromáticos: Fenilalanina (Phe, F), Tirosina (Tyr, Y) y Triptófano (Trp, W) (ya incluidos en los grupos neutros polares y neutros no polares).
3.1.2. SEGÚN SU OBTENCIÓN
A los aminoácidos que necesitan ser ingeridos por el cuerpo para obtenerlos se los llama esenciales; la carencia de estos aminoácidos en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Para el ser humano, los aminoácidos esenciales son:
1. Valina (Val) 2. Leucina (Leu) 3. Treonina (Thr) 4. Lisina (Lys) 5. Triptófano (Trp) 6. Histidina (His) 7. Fenilalanina (Phe) 8. Isoleucina (Ile)
9. Arginina (Arg) (Requerida en niños y tal vez ancianos) 10. Metionina (Met)
3.1.3. SEGÚN SU CAPACIDAD DE SÍNTESIS
1. aminoácidos esenciales o indispensables: los organismos superiores no los sintetizan, es necesario incluirlos en la dieta. Estos son:
2. Valina (Val) 3. Leucina (Leu) 4. Metionina (Met) 5. Triptófano (Trp) 6. Histidina (His)
A los aminoácidos que pueden ser sintetizados por el cuerpo se los conoce como no esenciales y son:
5. Cisteína (Cys) 6. Asparagina (Asn) 7. Glutamina (Gln) 8. Tirosina (Tyr)
9. Ácido aspártico (Asp) 10. Ácido glutámico (Glu)
Estas clasificaciones varían según la especie. Se han aislado cepas de bacterias con requerimientos diferenciales de cada tipo de aminoácido.
Los datos actuales en cuanto a número de aminoácidos y de enzimas ARNt sintetasas se contradicen hasta el momento, puesto que se ha comprobado que existen 22 aminoácidos distintos que intervienen en la composición de las cadenas polipeptídicas y que las enzimas ARNt sintetasas que no son siempre exclusivas para cada aa. El aa número 21 es la Selenocisteína que aparece en eucariotas y procariotas y el número 22 la Pirrolisina, que aparece solo en arqueas (o arqueobacterias).
3.1.4. AMINOÁCIDOS CODIFICADOS EN EL GENOMA
Los aminoácidos proteicos, canónicos o naturales son aquellos que están codificados en el genoma; para la mayoría de los seres vivos son 20: alanina, arginina, asparagina, aspartato, cisteína, fenilalanina, glicina, glutamato, glutamina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, prolina, serina, tirosina, treonina, triptófano y valina.
Sin embargo, hay unas pocas excepciones: en algunos seres vivos el código genético tiene pequeñas modificaciones y puede codificar otros aminoácidos. Por ejemplo: selenocisteína y pirrolisina.
3.1.5. AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS
Existen además de los 20 aminoácidos proteicos alrededor de 150 adicionales que no se consideran proteicos aunque aparecen en algunas proteínas. Son derivados de otros aminoácidos, es decir, se incorporan a la proteína como uno de los aminoácidos proteicos y, después de haber sido formada la proteína, se modifican químicamente; por ejemplo, la hidroxiprolina. Algunos aminoácidos no proteicos actúan como neurotransmisores, vitaminas, etc. Por ejemplo, la beta-alanina, el ácido gamma-aminobutírico (GABA) o la biotina.
3.2. ESTEREO ISÓMEROS Y PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS AMINOÁCIDOS.
hacia la derecha (en sentido horario), el compuesto se denomina dextrógiro, mientras que si se desvía a la izquierda (sentido antihorario)se denomina levógiro. Un aminoácido puede en principio existir en sus dos formas enantioméricas (una dextrógira y otra levógira), pero en la naturaleza lo habitual es encontrar sólo una de ellas.
Estructuralmente, las dos posibles formas enantioméricas de cada aminoácido se denominan configuración D o L dependiendo de la orientación relativa en el espacio de los 4 grupos distintos unidos al carbono alfa. El hecho de que sea dextrógiro no quiere decir que tenga configuración D.
3.3. IONIZACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Y PROPIEDADES ÁCIDO-BASE. CURVA DE TITULACIÓN.
Comportamiento de cualquier aminoácido cuando se ioniza. Cualquier aminoácido puede comportarse como ácido y como base, se denominan sustancias anfóteras.
Cuando una molécula presenta carga neta cero está en su punto isoeléctrico. Si un aminoácido tiene un punto isoeléctrico de 6,1 su carga neta será cero cuando el pH sea 6,1. Los aminoácidos y las proteínas se comportan como sustancias tampón.
3.4. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS AMINOÁCIDOS.
Las que afectan al grupo carboxilo, como la descarboxilación. Las que afectan al grupo amino, como la desaminación. Las que afectan al grupo R.
3.5. PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS.
Las proteínas son compuestos químicos muy complejos que se encuentran en todas las células vivas: en la sangre, en la leche, en los huevos y en toda clase de semillas y pólenes. Hay ciertos elementos químicos que todas ellas poseen, pero los diversos tipos de proteínas los contienen en diferentes cantidades. En todas se encuentran un alto porcentaje de nitrógeno, así como de oxígeno, hidrógeno y carbono. En la mayor parte de ellas existe azufre, y en algunas fósforo y hierro.
El valor químico (o "puntuación química") de una proteína se define como el cociente entre los miligramos del aminoácido limitante existentes por gramo de la proteína en cuestión y los miligramos del mismo aminoácido por gramo de una proteína de referencia. El aminoácido limitante es aquel en el que el déficit es mayor comparado con la proteína de referencia, es decir, aquel que, una vez realizado el cálculo, da un valor químico más bajo. La "proteína de referencia" es una proteína teórica definida por la FAO con la composición adecuada para satisfacer correctamente las necesidades proteicas. Se han fijado distintas proteínas de referencia dependiendo de la edad, ya que las necesidades de aminoácidos esenciales son distintas. Las proteínas de los cereales son en general severamente deficientes en lisina, mientras que las de las leguminosas lo son en aminoácidos azufrados (metionina y cisteina). Las proteínas animales tienen en general composiciones más próximas a la considerada ideal.
El valor químico de una proteína no tiene en cuenta otros factores, como la digestibilidad de la proteína o el hecho de que algunos aminoácidos pueden estar en formas químicas no utilizables. Sin embargo, es el único fácilmente medible. Los otros parámetros utilizados para evaluar la calidad de una proteína (coeficiente de digestibilidad, valor biológico o utilización neta de proteína) se obtienen a partir de experimentos dietéticos con animales o con voluntarios humanos.
En disolución acuosa, los aminoácidos muestran un comportamiento anfótero, es decir pueden ionizarse, dependiendo del pH, como un ácido liberando protones y quedando COO'), o como base, los grupos -NH2 captan protones, quedando como (-NH3+), o pueden aparecer como ácido y base a la vez. En este caso los aminoácidos se ionizan doblemente, apareciendo una forma dipolar iónica llamada zwitterion
3.6. ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO.
Los péptidos están formados por la unión de aminoácidos mediante un enlace peptídico. Es un enlace covalente que se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, dando lugar al desprendimiento de una molécula de agua.
Así pues, para formar péptidos los aminoácidos se van enlazando entre sí formando cadenas de longitud y secuencia variable. Para denominar a estas cadenas se utilizan prefijos convencionales como:
Oligopéptidos.- si el n º de aminoácidos es menor de 10. Dipéptidos.- si el n º de aminoácidos es 2.
Tripéptidos.- si el n º de aminoácidos es 3. Tetrapéptidos.- si el n º de aminoácidos es 4.
(-NH-CH-CO-), es idéntico a todos ellos. Lo que varía de unos péptidos a otros, y por extensión, de unas proteínas a otras, es el número, la naturaleza y el orden o secuencia de sus aminoácidos. Si la hidrólisis de una proteína produce únicamente aminoácidos, la proteína se denomina simple. Si, en cambio, produce otros compuestos orgánicos o inorgánicos, denominados grupo prostético, la proteína se llama conjugada.
3.7. PÉPTIDOS CON ACTIVIDAD BIOLÓGICA: OXITOCINA, GLUTATIÓN, FACTOR LIBERADOR DE LAS GONADOTROPINAS, ETC.
Los péptidos y polipéptidos son estructuras similares a las proteicas, es decir que están constituidas por aminoácidos, pero son de menor tamaño que éstas. Sin embargo, los péptidos pueden cumplir funciones biológicas de importancia para la vida del individuo. De hecho, existen péptidos pequeños, de entre 3 y 50 aminoácidos, con actividad biológica que estimulan el crecimiento y la regeneración de órganos y tejidos. Tal es el caso de los llamados "factores de crecimiento", entre los que podemos destacar el factor de crecimiento renal y el factor de crecimiento hepático.
Por otro lado existen pequeños péptidos que contribuyen a la disminución de la tensión arterial, como es el caso de las atriopeptinas que son segregadas por las aurículas cardíacas, y que contribuyen en el tratamiento de la hipertensión independientemente del origen. Las proteínas de la dieta aportan los aminoácidos necesarios para el desarrollo y mantenimiento de células y tejidos de nuestro organismo. Como consecuencia de la digestión de las proteínas, además de aminoácidos libres, se liberan péptidos, que son cadenas lineales con distinto número de aminoácidos.
En los últimos años existe un creciente interés por determinados fragmentos específicos de las proteínas de la dieta que tienen además de su valor nutricional, una actividad biológica, que regula diferentes procesos fisiológicos, además de su valor nutricional. La literatura científica evidencia que estos péptidos bioactivos pueden atravesar el epitelio intestinal y llegar a tejidos periféricos vía circulación sistémica, pudiendo ejercer funciones específicas a nivel local, tracto gastrointestinal, y a nivel sistémico. Dentro de estas actividades, los péptidos bioactivos podrían alterar el metabolismo celular y actuar como vasoreguladores, factores de crecimiento, inductores hormonales y neurotransmisores como la oxitocina, glutatión, factor liberador de las gonadotropinas, etc.
3.8. NIVELES ESTRUCTURALES DE LAS PROTEÍNAS.
La estructura de las proteínas puede jerarquizarse en una serie de niveles, interdependientes. Estos niveles corresponden a:
Estructura primaria, que corresponde a la secuencia de aminoácidos. Estructura secundaria, que provoca la aparición de motivos estructurales.
Estructura cuaternaria, si interviene más de un polipéptido. 3.8.1. ESTRUCTURA PRIMARIA
La estructura primaria de las proteínas se refiere a la secuencia de aminoácidos., es decir, la combinación lineal de los aminoácidos mediante un tipo de enlace covalente, el enlace peptídico. Los aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos siendo una de sus características más importante la coplanaridad de los radicales constituyentes del enlace. La estructura lineal del péptido definirá en gran medida las propiedades de niveles de organización superiores de la proteína. Este orden es consecuencia de la información del material genético: Cuando se produce la traducción del RNA se obtiene el orden de aminoácidos que van a dar lugar a la proteína. Se puede decir, por tanto, que la estructura primaria de las proteínas no es más que el orden de aminoácidos que la conforman.
3.8.2. ESTRUCTURA SECUNDARIA
La estructura secundaria de las proteínas es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico, es decir, un tipo de enlace no covalente. Los motivos más comunes son la hélice alfa y la beta lámina.
1. HÉLICE ALFA: Los aminoácidos en una hélice α están dispuestos en una estructura helicoidal dextrógira, con unos 3.6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácido supone un giro de unos 100° en la hélice, y los carbonos α de dos aminoácidos contiguos están separados por 1.5Å. La hélice está estrechamente empaquetada, de forma que no hay casi espacio libre dentro de la hélice. Todas las cadenas laterales de los aminoácidos están dispuestas hacia el exterior de la hélice. El grupo amino del aminoácido (n) puede establecer un enlace de hidrógeno con el grupo carbonilo del aminoácido (n+4). De esta forma, cada aminoácido (n) de la hélice forma dos puentes de hidrógeno con su enlace peptídico y el enlace peptídico del aminoácido en (n+4) y en (n-4). En total son 7 enlaces de hidrógeno por vuelta. Esto estabiliza enormemente la hélice. Esta dentro de los niveles de organización de la proteína.
3.8.3. ESTRUCTURA TERCIARIA
Se realiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia el exterior en medios acuosos. Esto provoca una estabilización por interacciones hidrofóbicas, de fuerzas de van der Waals y de puentes disulfuro (covalentes, entre aminoácidos de cisteína convenientemente orientados) y mediante enlaces iónicos.
3.8.4. ESTRUCTURA CUATERNARIA
La hemoglobina es una proteína tetramérica que suele emplearse como ejemplo de proteína con estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria deriva de la conjunción de varias cadenas peptídicas que, asociadas, conforman un ente, un multímero, que posee propiedades distintas a la de sus monómeros componentes. Dichas subunidades se asocian entre sí mediante interacciones no covalentes, como pueden ser puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas o puentes salinos.
Para el caso de una proteína constituida por dos monómeros, un dímero, éste puede ser un homodímero, si los monómeros constituyentes son iguales, o un heterodímero, si no lo son. En una cadena polipeptídica, se definen dos enlaces del armazón capaces de rotar: uno es el enlace entre el nitrógeno y el Cα, y el otro el enlace entre el Cα y el oxígeno del carbonilo.
Ambos definen dos ángulos de rotación:
EL ÁNGULO DE ROTACIÓN Φ, definido por los cuatro átomos sucesivos del esqueleto CO-NH-Cα-CO, implicando a dos aminoácidos.
EL ÁNGULO DE ROTACIÓN Ψ, definido por los cuatro átomos sucesivos del esqueleto: NH-Cα-CO-NH, que implica a dos aminoácidos.
DIAGRAMA DE RAMACHANDRAN DE UNA PROTEÍNA. Las zonas energéticamente favorables son representadas mediante contornos coloreados. Cada aminoácido está representado mediante un punto rojo. Se marcan con cruces las glicinas, carentes de cadena lateral. Se puede describir, por tanto, la conformación del armazón de cualquier residuo concreto de una proteína especificando estos dos ángulos.
Con estos dos parámetros podemos describir la conformación de dicho residuo en un mapa mediante un punto, con coordenadas φ y ψ. Para determinados tipos de estructura secundaria, como la hélice alfa, todos los residuos comparten dichos ángulos, por lo que un punto en el mapa en determinada posición puede describir una estructura secundaria. Estos mapas, denominados representaciones de Ramachandran, por el bioquímico G. N. Ramachandran que los usó por ampliamente en [1963], permiten deducir dichas conformaciones.
DOMINIOS, MOTIVOS Y OTROS ELEMENTOS CONFORMACIONALES
Dominio de unión a calcio de calmoldulina; las esferas azules representan al metal. Las proteínas están organizadas en muchas unidades.
Un dominio estructural es un elemento de la estructura de las proteínas que se autoestabiliza y a menudo estabiliza a los motivos conformacionales independientemente del resto de la cadena de proteína.
Muchos dominios son únicos y proceden de una secuencia única de un gen o una familia génica pero en cambio otros aparecen en una variedad de proteínas.
Los dominios son, a menudo, seleccionados evolutivamente porque poseen una función prominente en la biología de la proteína pertenecen; por ejemplo, "el domino de unión a calcio de calmodulina".
La ingeniería genética permite modificar los dominios de una proteína a otra para generar proteínas quiméricas con funciones novedosas.
Un motivo en este sentido se refiere a una combinación específica de elementos estructurales secundarios (como los hélice-giro-hélice). Estos elementos son llamados a menudo superestructuras secundarias.
Antígeno T del virus SV-40, proteína que consta de tres dominios diferenciados: primero, un anillo formado por seis subunidades de helicasa, en azul; segundo, un dominio de anclaje, en verde; tercero, una proteína de unión, en rojo, que, en este caso, interacciona con la proteína del retinoblastoma.
Suele denominarse motivo conformacional de forma global a un tipo de motivo, como los barriles-beta. La estructura de los motivos a menudo consiste en solo unos pocos elementos, por ejemplo, las hélice-giro-hélice, que sólo tienen tres. Se denota que la “secuencia espacial” es la misma en todas las instancias del motivo. Su orden es bastante irregular dentro del gen subyacente.
para unir dos elementos en el espacio que no están codificados por una secuencia de ADN inmediatamente adyacente en un gen. Se denota también que incluso cuando están codificados los elementos estructurales secundarios de un motivo en el mismo orden en dos genes, la composición cuantitativa de aminoácidos puede variar. Esto no sólo es cierto debido a las complicadas relaciones entre la estructura terciaria y primaria, sino por cuestiones relativas al tamaño. Si bien en la base de datos de levadura hay descritas unas 6.000 proteínas, hay muchos menos dominios, motives estructurales y pliegues. Esto es, en parte, consecuencia de la evolución.
Esto significa, por ejemplo, que un dominio de una proteína puede ser trasladado de una a otra, dando así una nueva función a las proteínas. Debido a estos mecanismos, los dominios o motivos estructurales pueden ser comunes a varias familias de proteínas.
3.9. CINÉTICA DEL PLEGADO DE LAS PROTEÍNAS
Aunque el plegamiento de las proteínas parta de un estado lineal inicial y uno final bien definidos, el proceso de plegamiento no es algo brusco con un lugar de partida y un fin, sino que está plagado de intermedios temporalmente mensurables y de vital importancia. Incluso, la estructura final dista mucho de ser estática: algunos autores imaginan a las proteínas como entidades dinámicas que continuamente cambian de estructura, de un modo similar al latido cardíaco.
Si bien el plegamiento de una proteína es un suceso rápido, que se completa en apenas un segundo, topológicamente es un problema muy complejo. Este hecho dio lugar a la paradoja de Levinthal, propia de Cyrus Levinthal en 1968: un cálculo aproximado indica que una cadena polipeptídica de unos 120 residuos posee unas 1050 conformaciones. Aunque la molécula pudiera intentar una nueva conformación cada 10-13 segundos, se necesitarían unos 1030 años para intentar un número significativo de ellas. No obstante, proteínas de estas características se pliegan in vitro en un minuto.
La resolución de la paradoja pasa por la aceptación de la existencia de estados de plegamiento intermedios, en los que la proteína se encuentra parcialmente desplegada, en una ruta como sigue:
Proteína desplegada. Nucleación del plegado. Estados intermedios. Estado de glóbulo fundido. Reordenamientos finales. Proteína plegada.
Las proteínas tipo chaperona son un conjunto de proteínas presentes en todas las células cuya función es la de ayudar al plegamiento de otras proteínas, tras su síntesis o durante su ciclo de actividad (por ejemplo, en defensa de estrés térmico).
Estas chaperonas 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.
Existen sustancias químicas no proteicas que pueden estabilizar a las proteínas mediante el establecimiento de enlaces de puente de hidrógeno, en sustitución a los del agua. Por ejemplo, es el caso de la trehalosa, un azúcar que se emplea en biotecnología para favorecer la viabilidad de las soluciones ricas en proteína aun en condiciones de estrés ambiental. Las chaperonas, localizadas en todos los compartimentos celulares, se agrupan en dos familias generales.
La chaperonina GroEL-GroES de Escherichia coli, con una disposición en cilindro hueco capaz de reconocer, albergar y plegar a determinados polipéptidos.
3.10.1. Chaperonas moleculares
Que se unen y estabilizan a proteínas desplegadas o parcialmente plegadas, evitando así que se agrupen y que sean degradadas. Integran la familia de las Hsp70 en el citosol y la matriz de la mitocondria, BiP en el retículo endoplasmático y DnaK en las bacterias.
3.10.2. Chaperoninas
Que facilitan directamente el plegado de las proteínas. Incluyen a: TriC, en eucariotas; y GroEL, en bacterias y cloroplastos,
Muchos métodos han sido desarrollados para la clasificación estructural de las proteínas; la recopilación de datos es almacenada en el Banco de Datos de Proteínas. Muchas bases de datos existentes clasifican las proteínas usando diferentes métodos. El SCOP, CATH y FSSP son los más usados. Los métodos usados podrían clasificarse en: puramente manuales, manuales y automáticos y puramente automáticos. El mayor problema de estos métodos es la integración de los datos. La clasificación es constante entre SCOP, CATH Y FSSP para la mayoría de las proteínas que han sido clasificadas, pero hay todavía algunas diferencias e inconsistencias.
3.11.1. Determinación de la estructura proteica
Alrededor del 90% de las estructuras de las proteínas disponibles en el Banco de Datos de Proteínas han sido determinadas por cristalografía de rayos X. Este método permite medir la densidad de distribución de los electrones de la proteína en las 3 dimensiones (en el estado de cristalización), lo que permite obtener las coordenadas 3D de todos los átomos para determinar su posición con certeza. Aproximadamente el 9% de las estructuras de proteínas conocidas han sido obtenidas por técnicas de resonancia magnética nuclear, que también pueden ser usadas para identificar estructuras secundarias.
El efecto del dicroismo circular en la transmisión de ondas polarizadas se emplea en la determinación de la estructura de las proteínas.
Nótese que los aspectos de las estructuras secundarias pueden ser detectados mediante medios bioquímicos como el dicroísmo circular.
El microscopio crioelectrónico que se ha convertido recientemente en un medio para determinar las estructuras proteicas con una resolución baja (menos de 5 Å ó 0,5 nm) y se prevé que será una herramienta importante para los trabajos de alta resolución en la década próxima.
APROXIMACIÓN A LA ESTRUCTURA PROTEICA A DISTINTAS RESOLUCIONES
RESOLUCIÓ
N INTERPRETACIÓN
>4.0 Coordenadas individuales sin significado
3.0 - 4.0 cadenas laterales poseen mal los rotámeros.Plegamiento posiblemente correcto, pero comúnmente con errores. Algunas
2.5 - 3.0 Plegamiento bien dilucidado salvo en algunos pliegues superficiales, mal modelados. Algunas cadenas laterales largas (Lys, Glu, Gln) y otras cortas (Ser, Val, Thr) mal orientadas.
2.0 - 2.5 El número de cadenas laterales con un rotámero incorrecto es mucho menor. Los errores, pequeños, son detectados normalmente. Los pliegues superficiales están bastante bien definidos. Los ligandos y el agua son visibles.
1.5 - 2.0 Pocos residuos poseen mal rotámero. Los errores pequeños son detectados. Los pliegues incorrectos son muy raros, incluso en superficie.
0.5 - 1.5 En general, todo está correctamente resuelto. Las librerías de rotámeros y os estudios geométricos se hacen a este nivel de precisión.
3.12. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS: ESTRUCTURALES, CATALÍTICAS, DE DEFENSA, DE TRANSPORTE, ETC.
Las proteínas se clasifican de acuerdo a sus características en estructurales, catalíticas, de defensa, de transporte, por su composición,
Las proteínas poseen veinte aminoácidos, los cuales se clasifican en:
1. Glicina, 2. Alamina, 3. Valina, 4. Leucina, 5. Isoleucina, 6. Fenil, 7. Alanina, 8. Triptófano,
9. Serina, 10.Reonina, 11.Tirosina, 12.Prolina,
13.Hidroxiprolina, 14.Metionina,
Cisteína, 15.Cistina,
16. Lisina, 17. Arginina, 18. Histidina,
3.13. SEGÚN SU COMPOSICIÓN
Pueden clasificarse en proteínas "simples" y proteínas "conjugadas".
Las "simples" o "Holoproteínas" son aquellas que al hidrolizarse producen únicamente aminoácidos. Se clasifican en:
a. GLOBULARES
i. PROLAMINAS: Zeína (maíz),gliadina (trigo), hordeína (cebada) ii. GLUTENINAS: Glutenina (trigo), orizanina (arroz).
iii. ALBÚMINAS: Seroalbúmina (sangre), ovoalbúmina (huevo), lactoalbúmina (leche)
iv. HORMONAS: Insulina, hormona del crecimiento, prolactina, tirotropina
v. ENZIMAS: Hidrolasas, Oxidasas, Ligasas, Liasas, Transferasas...etc.
b. FIBROSAS
i. Colágenos: EN TEJIDOS CONJUNTIVOS, CARTILAGINOSOS ii. Queratinas: EN FORMACIONES EPIDÉRMICAS: PELOS, UÑAS,
PLUMAS, CUERNOS.
iii. Elastinas: EN TENDONES Y VASOS SANGUÍNEOS iv. Fibroínas: EN HILOS DE SEDA, (ARAÑAS, INSECTOS)
Las "conjugadas" o "Heteroproteínas" son proteínas que al hidrolizarse producen también, además de los aminoácidos, otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no proteica de una proteína conjugada se denomina "grupo prostético". Las proteínas conjugadas se sub clasifican de acuerdo con la naturaleza de sus grupos prostéticos. Nucleoproteínas (Ácidos nucléicos), Lipoproteínas (Lípidos), Fosfoproteínas (Grupos fosfato), Metaloproteínas (Metales), Glucoproteínas (Monosacáridos)
a. GLUCOPROTEÍNAS i. Ribonucleasa ii. Mucoproteínas iii. Anticuerpos
iv. Hormona luteinizante b. LIPOPROTEÍNAS
i. De alta, baja y muy baja densidad, que transportan lípidos en la sangre.
c. NUCLEOPROTEÍNAS
i. Nucleosomas de la cromatina ii. Ribosomas
d. METALOPROTEÍNAS
i. Hemoglobina, hemocianina, mioglobina, que transportan oxígeno ii. Citocromos, que transportan electronesPLES
3.14. SEGÚN SU CONFORMACIÓN
Se entiende como conformación, la orientación tridimensional que adquieren los grupos característicos de una molécula en el espacio, en virtud de la libertad de giro de éstos sobre los ejes de sus enlaces. Existen dos clases de proteínas que difieren en sus conformaciones características: "proteínas fibrosas" y "proteínas globulares".
Las proteínas fibrosas se constituyen por cadenas polipeptídicas alineadas en forma paralela. Esta alineación puede producir dos macro-estructuras diferentes: fibras que se trenzan sobre sí mismas en grupos de varios haces formando una "macro-fibra", como en el caso del colágeno de los tendones o la a-queratina del cabello; la segunda posibilidad es la formación de láminas como en el caso de las b-queratinas de las sedas naturales. Las proteínas fibrosas poseen alta resistencia al corte por lo que son los principales soportes estructurales de los tejidos; son insolubles en agua y en soluciones salinas diliudas y en general más resistentes a los factores que las desnaturalizan.
Las proteínas globulares son conformaciones de cadenas polipeptídicas que se enrollan sobre sí mismas en formas intrincadas como un "nudillo de hilo enredado". El resultado es una macro-estructura de tipo esférico.
La mayoría de estas proteínas son solubles en agua y por lo general desempeñan funciones de transporte en el organismo. Las enzimas, cuyo papel es la catálisis de las reacciones bioquímicas, son proteínas globulares.
3.15. SEGÚN SU FUNCIÓN
La diversidad en las funciones de las proteínas en el organismo es quizá la más extensa que se pueda atribuir a una familia de bio moléculas.
Enzimas: Son proteínas cuya función es la "catálisis de las reacciones bioquímicas". Algunas de Estas reacciones son muy sencillas; otras requieren de la participación de verdaderos complejos multi enzimáticos. El poder catalítico de las enzimas es extraordinario: aumentan la velocidad de una reacción, al menos un millón de veces. Las enzimas pertenecen al grupo de las proteínas globulares y muchas de ellas son proteínas conjugadas.
Proteínas de transporte: Muchos iones y moléculas específicas son transportados por proteínas específicas. Por ejemplo, la hemoglobina transporta el oxígeno y una porción del gas carbónico desde y hacia los pulmones, respectivamente. En la membrana mitocondrial se encuentra una serie de proteínas que transportan electrones hasta el oxígeno en el proceso de respiración aeróbica.
Proteínas estructurales o de soporte: Las proteínas fibrosas como el colágeno y las a-queratina constituyen la estructura de muchos tejidos de soporte del organismo, como los tendones y los huesos.
Anticuerpos: Son proteínas altamente específicas que tienen la capacidad de identificar su sustancias extrañas tale como los virus, las bacterias y las células de otros organismos.
Proteoreceptores: Son proteínas que participan activamente en el proceso de recepción de los impulsos nerviosos como en el caso de la "rodapsina" presente en los bastoncillos de la retina del ojo.
Hormonas y Proteínas represoras: son proteínas que participan en la regulación de procesos metabólicos; las proteínas represoras son elementos importantes dentro del proceso de transmisión de la información genética en la biosíntesis de otras moléculas.
Las proteínas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada una de ellas y permiten a las células mantener su integridad, defenderse de agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones, etc...Todas las proteínas realizan su función de la misma manera: por unión selectiva a moléculas. Las proteínas estructurales se agregan a otras moléculas de la misma proteína para originar una estructura mayor. Sin embargo, otras proteínas se unen a moléculas distintas: los anticuerpos a los antígenos específicos, la hemoglobina al oxígeno, las enzimas a sus sustratos, los reguladores de la expresión génica al ADN, las hormonas a sus receptores específicos, etc...
A continuación se exponen algunos ejemplos de proteínas y las funciones que desempeñan:
FUNCIÓN ESTRUCTURAL
Algunas proteínas constituyen estructuras celulares:
.1. Ciertas glicoproteínas forman parte de las membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias.
.2. Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la expresión de los genes.
Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos: .1. El colágeno del tejido conjuntivo fibroso.
.2. La elastina del tejido conjuntivo elástico. .3. La queratina de la epidermis.
Las arañas y los gusanos de seda segregan fibrina para fabricar las telas de araña y los capullos de seda, respectivamente.
Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular.
3.15.2. FUNCIÓN HORMONAL
Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica (que regula la síntesis de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).
3.15.3. FUNCIÓN REGULADORA
Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan la división celular (como la ciclina).
3.15.4. FUNCIÓN HOMEOSTATICA
Algunas mantienen el equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno.
3.15.5. FUNCIÓN DEFENSIVA
Las inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos.
La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias.
Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas.
Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes, son proteínas fabricadas con funciones defensivas.
3.15.6. FUNCIÓN DE TRANSPORTE
La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados. La hemocianina transporta oxígeno en la sangre de los invertebrados. La mioglobina transporta oxígeno en los músculos.
3.15.7. FUNCIÓN CONTRACTIL
La actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción muscular.
La dineina está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos.
3.15.8. FUNCIÓN DE RESERVA
La ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeina de la cebada, constituyen la reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión.
La lactoalbúmina de la leche.
3.16. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LAS PROTEÍNAS (ÁCIDO-BASE, SOLUBILIDAD, ETC.).
1. TEMPERATURA: El papel de la temperatura es crucial puesto que su entidad
físico-química, la energía cinética contenida en los átomos, dota de reactividad a los aminoácidos y, por ello, a las proteínas.
No obstante, existe un límite, a unos 50 °C, sobrepasado el cual las proteínas pierden su conformación, esto es, se desnaturalizan. La desnaturalización, producida por la temperatura y otros agentes desnaturalizantes, ocurre a varios niveles: En la desnaturalización de la estructura cuaternaria, las subunidades de proteínas se separan o su posición espacial se corrompe.
La desnaturalización de la estructura terciaria implica la interrupción de:
Enlaces covalentes entre las cadenas laterales de los aminoácidos (como los puentes disulfuro entre las cisteínas).
Enlaces no covalentes dipolo-dipolo entre cadenas laterales polares de aminoácidos.
Enlaces dipolo inducidos por fuerzas de Van Der Waals entre cadenas laterales no polares de aminoácidos.
En la desnaturalización de la estructura secundaria las proteínas pierden todos los patrones de repetición regulares como las alfa hélices y adoptan formas aleatorias.
La estructura primaria, la secuencia de aminoácidos ligados por enlaces peptídicos, no es interrumpida por las desnaturalización.
3. ESPECIFICIDAD: Las propiedades de las proteínas dependen de la estructura tridimensional en el medio acuoso, es decir, de los aminoácidos que se disponen en su superficie, que son los que constituyen el centro activo; también de los aminoácidos que se disponen hacia el interior, ya que son los que dan rigidez y forma a la proteína. Cada proteína tiene una conformación según su estructura primaria. Así, un pequeño cambio en la secuencia de aminoácidos provoca cambios en la estructura primaria, secundaria, terciaria, y por tanto pérdida de la actividad biológica.
4. SOLUBILIDAD: Las proteínas globulares son solubles en agua, debido a que sus radicales polares o hidrófilos se sitúan hacia el exterior, formando puentes de hidrógeno con el agua, constituyendo una capa de solvatación. Esta solubilidad varía dependiendo del tamaño, de la forma, de la disposición de los radicales y del pH.
5. DESNATURALIZACIÓN: Pérdida de la estructura tridimensional o conformación, y por tanto también de la actividad biológica. Se produce al variar la temperatura, presión, pH, electronegatividad, etc. Esto provoca la rotura de los puentes de hidrógeno que mantienen las estructuras secundaria y terciaria, y las proteínas se convierten en fibras insolubles en agua. Si las condiciones son suaves, el proceso es reversible, y si el cambio es más drástico, es irreversible.
3.17. ENZIMAS Y CINÉTICA ENZIMÁTICA.
En bioquímica, se llaman enzimas las sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.
Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.[1] No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de ARN son capaces de catalizar reacciones (como el fragmento 16S de los ribosomas en el que reside la actividad peptidil transferasa).
La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan la actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, la actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propia enzima y del sustrato y otros factores físico-químicos.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos y productos domésticos de limpieza. Además, ampliamente utilizadas en variados procesos industriales, como son la fabricación de alimentos, distinción de jeans o producción de biocombustibles.
3.18. CONCEPTO DE ENZIMA.
3.19. PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen la moléculas se los reactivos para formar posteriormente los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos, ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos pero en el que aun no se han formado los nuevos se conoce como estado de transición o estado de activado; para acelerar el estado de transición y en definitiva, para que la reacción química tenga lugar es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía denominada “energía de activación”. En las reacciones espontáneas la energía de activación es tan baja, que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de la reacción, en las reacciones no espontáneas, esta energía es tan alta que no se produce si no se aplica calor.
alguna excepción son reacciones catalizadas por enzimas. Usando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas:
1. El sustrato se une al enzima formando el complejo enzima-sustrato (E.S.). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad de modo que cada tipo de sustrato y de reacción necesita un enzima concreto; la especificidad enzimatica se debe a la estructura proteica del enzima el cual presenta una zona denominada centro activo con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. Este acoplamiento es explicado mediante dos teorías:
2. La teoría de la “llave-cerradura”: el enzima y el sustrato encaja tan exactamente en el centro activo como una llave en su cerradura, por lo que cualquier cambio que se produzca en la forma impedirá su acoplamiento.
3. La teoría del “ajuste inducido” o del guante y la mano: en algunos enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adoptarse al sustrato.
La especificidad del enzima puede darse en varios grados:
1. Especificidad absoluta: se da cuando un enzima solo actúa sobre un sustrato. 2. Especificidad de grupo: se da cuando el enzima reconoce un determinado grupo
de moléculas.
3. Especificidad de clase: es la menos específica ya que la actuación del enzima no depende del tipo de molécula sino del tipo de enlace.
La unión enzima-sustrato es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato se disocia y debido precisamente a esta reversibilidad esta primera etapa es la más lenta. La unión de los radicales de los aminoácidos (aa) del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces provocando cambios energéticos que permiten alcanzar más fácilmente el estado de transición.
Una vez formado el complejo enzima-sustrato: si el enzima posee coofactor o grupo prostético éste es el que lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final esta etapa es muy rápida e irreversible, en el caso de que no existan partes no proteicas en el enzima la acción catalítica la realizan algunos aa del propio centro activo. El producto de libera del centro activo y el enzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato, es irreversible.
Centro activo.
El sitio de unión del ligando está muy bien definido. En él habrá distintos residuos que aporten los grupos funcionales necesarios para cada función:
1. Residuos catalíticos: son capaces de llevar a cabo la catálisis.
La proteína al plegarse determina el centro activo que será una cavidad hidrofóbica (ambiente especial). No habrá agua si no participa en la reacción. Se crea un microambiente especial para que los grupos catalíticos sean más reactivos. La unión del centro activo y el enzima es la base de la especificidad.
1.
Proposición de Fisher:
Un enzima distingue un sustrato igual que una cerradura y una llave. El sustrato y el centro activo son complementarios. El centro activo sólo es complementario cuando se a unido al sustrato, no antes.2.
Hipótesis de Koshland:
ajuste inducido. El sitio activo es complementario después de la unión. Un sustrato correcto induce un cambio de conformación adecuada y uno malo no. Cuando se produce la unión el sustrato queda unido al centro activo de manera determinada por lo que tiene menos movilidad que en entorno acuoso. La posición será la adecuada para que los grupos catalíticos estén lo mejor orientados posibles. La actividad molecular es muy alta porque es la mejor posición para que actúen los grupos catalíticos. Los sustratos pasan por un estado de transición tras superar la energía de activación antes de convertirse en productos. El catalizador ayuda a alcanzar ese estado de transición por lo que la reacción ocurre. El enzima es complementario del estado de transición. Si la función del enzima debe estar regulada puede tener moduladores.Especificidad de los enzimas.
Los enzimas son proteínas catalíticas. Casi todas las reacciones celulares están catalizadas. Alguna actividad catalítica no reside en las proteínas sino en el RNA, es el caso de la ribosoma que tiene parte de RNA y parte proteica aunque la catálisis la efectúa el ácido nucleico. Esto tiene una importancia evolutiva pues demuestra que el RNA catalizaba antes que los enzimas que luego se especializaron. El RNA es peor catalizador. La función de los enzimas estás relacionada con la unión de un ligando que será el sustrato. Se forma complejo enzima-sustrato, que luego se convierte en producto:
ENZIMA + SUSTRATO ® ENZIMA-SUSTRATO ® ENZIMA + PRODUCTO
Como es un catalizador el enzima no se consume, acelerando la velocidad de reacción sin modificar la posición de equilibrio. Las propiedades que tienen los enzimas que los hacen efectivos como catalizadores son:
1. Capaces de acelerar las reacciones en las condiciones suaves de la célula. 2. Alto poder catalítico por su gran actividad molecular, aceleran las reacciones
que ocurre en los confines de éste ve rebajada su energía de activación como consecuencia de esa unión.
3. Son muy específicos respecto a:
a. Tipo de reacción: ya que no son catalizadas reacciones de naturaleza distinta.
b. Respecto al sustrato: el enzima no puede unirse con cualquier sustrato. Hay enzimas más específicos que otros. La especificidad puede ser tan alta que se distinga entre estéreo isómeros. Sin embargo los enzimas digestivos son poco específicos porque si no harían falta demasiados. La ventaja de la especificidad reside en que se pueden catalizar muchas reacciones a la vez sin reacciones laterales ni que se acumulen los productos secundarios.
Requerimiento de cofactores
A veces se necesitan grupos catalíticos que no se encuentran en los aminoácidos por lo que se necesita una molécula extra, un cofactor, que puede ser inorgánico (iones en general) u orgánicos. Estos últimos pueden estar unidos reversiblemente (coenzimas) o permanentemente (grupo prostético).
Catálisis de la hidratación de CO2 por la anhidrasa carbónica (que contiene Zn ²+):
CO2 + H2O « H+ + HCO3- Zn ²+
Como ninguna cadena lateral de los aminoácidos puede formar OH el Zn aporta lo que se necesita. El Zn se une al H2O y luego se separan:
Zn --- H - O - H « Zn --- H - O- + H+ + CO2 « Zn ²+ + HCO3
-Los enzimas que catalizan reacciones redox necesita algún grupo donde transportar los electrones y no hay ninguna cadena lateral de aminoácido que pueda, por lo que necesita un cofactor. Muchos cofactores deben ser ingeridos porque la célula no los sintetiza. Las vitaminas suelen ser cofactores o precursores de cofactores. Las vitaminas B2 y B3 son precursores de cofactores redox.
Coenzimas
