unidad 2. los aminoácidos

UNIDAD 1. CAMPO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA. LA
BIOQUÍMICA SE ENCARGA DEL ESTUDIO DE LA VIDA A NIVEL
MOLECULAR.
Propósito: Conocer el campo de estudio de la bioquímica.
Bohinski, Robert C. Bioquímica
(Versión en español de Ramón Elizondo Mata, UNAM)
Addison-Wesley Iberoamericana, 1991,739 pp.
CAMPO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA
La química- es decir, la ciencia que estudia las propiedades de la materia y los
cambios que ésta sufre- se divide en varias áreas o campos que se traslapan unos
con otros: química orgánica, química inorgánica, fisicoquímica, química analítica y
otras. Como su nombre implica, la bioquímica estudia la química de la vida en
todas sus manifestaciones- animales, plantas, bacterias, etc.- e incluso los virus
que infectan a los seres vivos. La razón por la que se hizo hincapié en las
divisiones clásicas de la química es resaltar la extensa base de la bioquímica, que
es parte orgánica (en su mayoría), en parte inorgánica, en parte física y en parte
analítica.
Hoy en día, la bioquímica se reconoce como una de las principales áreas de la
química y es a la biología lo que las matemáticas a la física.
El avance de la bioquímica ha sido tan amplio y expansivo que en la actualidad ya
se aceptan diversas áreas de especialización: bioenergética, biología molecular,
bioquímica de las membranas, bioquímica de las proteínas, bioquímica de las
plantas, neurobioquímica, química analítica y otras más, así como
subespecialidades de cada campo.
Repaso de la teoría molecular
Todos los organismos vivientes están formados por sustancias químicas de dos
tipos: inorgánicas y orgánicas. Así, el primer enunciado de la unidad bioquímica en
el cual se hará hincapié es:
Todos los organismos están formados por los mismos tipos de
sustancias, más o menos en idénticas proporciones, que realizan los
mismos tipos de funciones generales.
De hecho, en todos los organismos hay un compuesto inorgánico específico que
constituye la sustancia más importante para la vida: el agua.
Las principales clases de sustancias orgánicas_ proteínas, ácidos nucleicos,
carbohidratos y lípidos_ se conocen en general como biomoléculas.
Casi todas las moléculas están formadas por sólo seis elementos, todos de
naturaleza no metálica: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre.
El estudio de estas biomoléculas orgánicas esenciales es el meollo de la
bioquímica.
¿Cómo se sintetizan en la célula viva?
¿Cómo las degrada la célula?
¿De qué manera se relaciona su degradación con la producción de energía
química útil dentro de la célula?
¿Cómo se produce esta energía?
¿Cuáles son los mecanismos de interconversión de estas sustancias?
¿En que forma entran y salen de la célula?
¿Cómo se aíslan en el laboratorio?
¿De qué modo se sintetizan en el laboratorio?
¿Cuál es su estructura molecular?
¿Qué funciones específicas realizan?
¿Cuál es la explicación de su funcionamiento en términos de su estructura
molecular?
¿De que manera se controlan los genes cromosómicos para que regulen la
individualidad bioquímica de un organismo?
¿Cómo es posible modificar la información genética de un organismo a través de
manipulaciones en el laboratorio?
¿En que forma se comunican químicamente las células entre sí?
¿Cuáles son las explicaciones del estado anormal, es decir, de las condiciones
patológicas, incluso de las enfermedades mentales?
¿Cómo funcionan los antibióticos, los agentes antivirales, las sustancias
psicotrópicas, los agentes inmunosupresores y otros medicamentos?
¿Qué diferencias bioquímicas existen entre las células normales y las
cancerosas?
¿Qué procesos bioquímicos permiten explicar la transformación de una célula
normal en una cancerosa?
¿De que manera puede mejorar el diagnóstico médico con el uso de criterios
bioquímicos precisos?
¿En que forma regulan las hormonas las actividades de un organismo y de que
otros mecanismos disponen las células para autorregularse?
Regresando a la composición química de las células vivas, conviene consultar
ahora la tabla 1.1 aunque los datos corresponden a la composición estimada de la
bacteria unicelular Escherichia coli, los valores no difieren mucho de los otros
organismos, incluso del ser humano. Sin embargo, en el nivel celular la
composición de una célula de E.coli es muy diferente a la de un hepatocito, la cual
es distinta a su vez de la de un adipocito, y así sucesivamente.
Con base en los datos de la tabla 1.1 se pueden establecer otras generalizaciones
interesantes.
Las células contiene una mayor variedad de proteínas que de cualquier otra
sustancia.
Alrededor del 50 % de la materia sólida de una célula está formada por proteínas
(15 % del peso húmedo)
Las células contienen mucho más moléculas de proteínas que de DNA.
La mayor biomolécula de la célula es el DNA.
E.coli y otras bacterias similares sólo poseen un cromosoma, es decir, una sola
molécula de DNA. (La relación 1:1 entre los cromosomas y las moléculas de DNA
significa que cada célula diploide del ser humano contiene en su núcleo 46
moléculas diferentes de DNA.)
Alrededor del 99 % de las moléculas de la célula son de H2O.
Según el punto seis de la lista, cabe decir que la ciencia de la bioquímica sólo se
relaciona con el 1 % de las moléculas específicas que conforman ese 1 % y la
totalidad de los fenómenos químicos en los cuales intervienen son particulares en
cada célula.
tabla 1.1 Composición Química aproximada de una célula de E.coli en división rápida
Porcentaje en
Peso molecular
Número aproximado
Tipos de
peso húmedo
promedio
de moléculas por
moléculas por
totala
(g/mol)
célulab
célulab
Agua
70
18
4X1010
1
Proteínas
15
10 000-100 000
2-3 X106
2000-3000
RNA total 7 % y
1
2.5 X 109c
2ó4
1
DNA*
RNAd
6
RNA 5S ribosomal
40 000c
30 000
1
RNA 16 S ribosomal
500 000c
30 000
1
RNA 23 S ribosomal
1X106c
30 000
1
RNA
de
25 000
400 000
40
transferencia
RNA mensajero
105-106
100 000
1000
Carbohidratos
y
3
150(excluyendo
2X108
200
metabolitos
polímeros)
Lípidos y metabolitos
2
750
2.5X107
50
Iones inorgánicos
1
40
2.5X108
20
(minerales)
Aminoácidos
y
0.8
120
3X107
100
metabolitos
Nucleótidos
y
0.8
300
1.2X107
200
metabolitos
Otros
0.4
150
1.5X107
200
Los valores aproximados son aplicables a la mayor parte de los organismos vivos
que existen en un estado normal.
Los números de algunos materiales varían en forma considerable de las células
bacterianas a las células de los organismos superiores.
Las sustancias correspondientes tienen mayores dimensiones en las células de
los organismos superiores.
En las células de las plantas y los animales existen otras clases de RNA.
Aunque en el estudio de la bioquímica se hace hincapié en las sustancias
orgánicas, también son importantes los elementos y compuestos inorgánicos (los
llamados minerales). De hecho, algunos de esos minerales son nutrientes
esenciales para todos los organismos y deben estar presentes en los alimentos o
en el medio circundante. Los elementos inorgánicos se encuentran en sus formas
iónicas (Tabla I.2), de modo que existen como iones libres o están unidos a una
sustancia orgánica, pero por ahora no se enumerarán los muchos y variados
procesos en los cuales intervienen: simplemente se hará un enunciado cuya
explicación vendrá más adelante.
Las funciones vitales de ciertos iones inorgánicos están relacionadas
con su efecto sobre la actividad de las proteínas.
Todos los minerales que se presentan en la tabla I.2 son nutrientes esenciales
para los seres humanos y, con excepción del yodo, también para los demás seres
vivos. En diversos organismos se han detectado cantidades diminutas de casi una
docena de otros elementos. No obstante, la importancia de varios de ellos aún no
queda clara, de modo que la investigación en el campo de la nutrición es muy
intensa. Por ejemplo, hace poco los científicos descubrieron que el níquel (Ni), el
silicio (Si) y el selenio (Se) son elementos esenciales, aunque en cantidades
diminutas, para varios organismos entre los que está el ser humano.
TABLA I.2 Lista parcial de las sustancias inorgánicas con importancia biológica
ELEMENTO (FORMA IÓNICA)
Calcio (Ca+2)
Cloro (Cl-1)
Cobalto (Co+2)
Cobre (Cu+1, Cu+2)
Yodo (I-1) sólo en vertebrados
Hierro (Fe+2, Fe+3)
Magnesio (Mg+2)
Manganeso (Mn+2)
Molibdeno (Mo+6)
ELEMENTO (FORMA IÓNICA)
Fósforo (H2PO4-1, HPO4-2)
Potasio (K+1)
Sodio (Na+1)
Azufre (SO4-2, S-2)
Zinc (Zn+2)
La bioquímica es un campo muy extenso. De hecho, resulta apabullante hasta
para quienes ostentan el título de bioquímicos profesionales.
La historia moderna de la humanidad está repleta de hechos notables y
admirables (y algunos no tan admirables) en las áreas de la ciencia, la ingeniería,
la medicina, la agricultura, las comunicaciones, la exploración espacial, el avance
social, la economía y las artes, y en el futuro se acumularán muchos más. Sin
embargo, de todo el progreso previsible, el mayor impacto puede provenir del
anhelo de aprender cómo funcionan los organismos vivos en términos de las
moléculas que los integran, de la ulterior manipulación de esas moléculas y, por
consiguiente, de la manipulación de esas moléculas y, por consiguiente, de la
manipulación del organismo en sí. Quizá esta aseveración suene exagerada, pero
este tipo de logros ya es una posibilidad real en el futuro. La médula de esa
búsqueda es el conocimiento bioquímico.
En este curso nos centraremos en los siguientes puntos que estudia la
bioquímica:
Las moléculas formadoras de las estructuras de las células.
La manera en que los seres vivos obtienen sus nutrientes y los transforman en
moléculas capaces de formar parte de sus propias estructuras.
Los mecanismos a través de los cuales los seres visos obtienen energía para
realizar sus procesos vitales.
Los procesos a través de los cuales se comunican las células.
Los mecanismos involucrados en el almacenamiento y la transmisión de la
información genética en los seres vivos.
UNIDAD 2. LOS AMINOÁCIDOS
Propósito: Conocer que las proteínas están formadas por unidades que son los
aminoácidos.
2.1) Los aminoácidos están constituidos por un grupo amino, un grupo
carboxilo, un grupo R variable y un átomo de H.
Figura 2.1 Estructura química de los aminoácidos esenciales
En las proteínas se encuentran habitualmente 20 tipos de cadenas laterales que
varían en tamaño, forma carga, capacidad de formar puentes de hidrógeno,
carácter hidrofóbico y reactividad química. De hecho, todas las proteínas de todas
las especies –bacterias, árqueas y eucariotas- se construyen con los mismos 20
aminoácidos con unas pocas excepciones. Este alfabeto fundamental de las
proteínas tiene varios miles de millones de años de antigüedad. La extraordinaria
variedad de funciones realizadas por las proteínas es el resultado de la diversidad
y versatilidad de estos veinte sillares de construcción. Conocer como es utiliza
este alfabeto para crear las intricadas estructuras tridimensionales que permiten a
las proteínas llevar a cabo tantos procesos biológicos.
La molécula de un aminoácido contiene un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo
amino (NH2-) libres. Pueden expresarse en general por NH2-CHR-COOH, siendo
R un radical característico para cada ácido (Figura 2.2).
Químicamente son muy variados. Los
hay que forman proteínas (proteicos),
mientras otros nunca se encuentran en
ellas. Todos los aminoácidos que
componen proteínas presentan un
carbono asimétrico denominado alfa.
Como existen cuatro grupos diferentes
conectados al átomo de carbono α, los
α-aminoácidos son quirales; las dos
formas especulares se llaman isómero
L e isómero D.
Figura 2.2) Estructura general de un aminoácido
Solamente los L-aminoácidos
constituyen las proteínas.
Para
casi
todos
los
aminoácidos, el isómero L
(Figura
2.3)
tiene
configuración absoluta S (y no
R). aunque se ha empleado
un enorme esfuerzo para
entender
por
qué
los
aminoácidos en las proteínas
tienen esta configuración
Figura 2.3) Estructura general de un aminoácido
absoluta, todavía no se ha
llegado a una explicación satisfactoria. Parece probable que la selección L sobre d
fuese arbitraria, pero una vez realizada, se fijó temprano en la historia evolutiva.
Regla para distinguir estereoisómeros
Los cuatro sustituyentes diferentes de un átomo
de carbono asimétrico tiene asignada una
prioridad de acuerdo con sus números atómicos
de forma que la prioridad de los sustituyentes
será S> O > N > C > H. El sustituyente de
prioridad más baja, a menudo el hidrógeno, se
orienta en dirección contraria al observador. La
configuración alrededor del carbono se llama S,
del latín sinister (izquierda), si la dirección de la
progresión de los sutituyentes de mayor a
menor prioridad es contraria a las agujas del
reloj. La configuración se conoce como R, del
Figura 2.4) Configuración R y S de
los estereoisómero
latín rectus (derecha), si la progresión es en el sentido de las agujas del reloj
(Figura 2.4).