1 Bioquímica Las reacciones bioquímicas son las ...
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Bioquímica 1 Las reacciones bioquímicas son las reacciones que ocurren en los organismos vivos, y son distintas de las del mundo de la química (inanimado).Constan de las siguientes características: Ocurren a temperaturas constantes, en los seres humanos, por ejemplo, es de 37º (con una pequeña variación), fuera de la cual se genera una incompatibilidad con la vida. La presión también debe ser constante. Los reactantes del mundo de la bioquímica son, en general, exclusivos, como proteínas, ácidos grasos, glúsidos (glucosa), nucleótidos, etc., todas las cuales se denominan biomoléculas. Hay excepciones, como el agua. Las moléculas de la bioquímica son de gran peso molecular, por lo que se denominan macromoléculas, lo que también las diferencia de las moléculas de la química. Las reacciones bioquímicas ocurren a alta velocidad, condición para una compatibilidad con la vida. Esto es posible gracias a las enzimas. Las reacciones bioquímicas son reguladas y regulables de acuerdo a ciertas circunstancias. Se puede regular, por ejemplo, la cantidad y velocidad de producción de insulina de acuerdo a la cantidad de glucosa presente en la sangre. Toda reacción bioquímica implica un cambio. Al organismo llegan una serie de sustancias (nutrición), como sales, agua, glúcidos, etc.; y salen de él (excreción) otras distintas: urea, CO2, ácido úrico. Esto evidencia la presencia de cambios. Estos cambios se involucran en el concepto de metabolismo. En el metabolismo se distinguen 2 conceptos: Síntesis o anabolismo. Degradación o catabolismo, donde se obtiene energía para la síntesis. Las biomoléculas son características de cada organismo. Así, las proteínas de un ratón son distintas a las humanas. Lo importante son los elementos que las forman, en el caso de las proteínas, los aminoácidos. MACROMOLÉCULAS Generalmente son biomoléculas, aunque no todas. Las biomoléculas son: glúcidos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, todas ellas formadas de pequeñas moléculas que se juntan, o sea, son polímeros de unidades fundamentales (llamadas también sillares o ladrillos de construcción). GLÚCIDOS Los fundamentales son: glicógeno, almidón y celulosa. Estos son macromoléculas, pero también hay micromoléculas, como la lactosa. La unidades fundamental que los forma es la glucosa. La lactosa está formada por una unidad de glucosa y otra de galactosa (es un disacárido). El glicógeno y las demás macromoléculas tienen miles de miles de moléculas de glucosa (polisacárido). El glucógeno está en los animales; el almidón y la celulosa, en los vegetales. Son moléculas necesarias y se recurre a ellas a través de la nutrición. En toda dieta debe ir glicógeno y almidón (la celulosa se ingiere pero no nutre, sí tiene fibras). La glucosa se une a otra molécula de glucosa a través de los carbonos 1-4, liberando una molécula de agua, llamadas uniones glucosídicas. También puede haber una unión en los carbonos 1-6 y las siguientes de esa rama, en 1-4. De esta forma se crea un polímiero ramificado. Esteban Arriagada Bioquímica 2 El hombre necesita en la dieta almidón, glicógeno y disacáridos. Estos elementos entran al organismo en sus unidades de glucosa. La degradación en glucosa se llama digestión. En el caso de los glúcidos esto ocurre en el intestino delgado gracias a las encimas digestivas, una de las cuales se denomina amilasa pancreática. La glucosa es una molécula necesaria. Una vez en el LEC, pasa la membrana celular (ver esquema). Para ser utilizada la molécula de glucosa, debe transformarse a través de muchas vías, o sea, se va a metabolizar. La primera transformación que le ocurre es transformarse en glucosa-6-fosfato, gracias a la adición de fosfato de un ATP, que queda como ADP. Esta transformación se llama activación de la molécula de glucosa, para transformarse en una molécula reactiva (la glucosa es poco reactiva). La glucosa-6-fosfato se polimeriza y transforma en glicógeno. Esto ocurre cuando no se necesita la glucosa, entonces se guarda. Pero no se puede guardar glucosa ni glucosa-6-fosfato. La glicógenogénesis implica guardar glucosa y liberar grupos fosfato. Cuando se necesita glucosa, se degrada glicógeno en glucosa (glicogenolisis), la glucosa hay que degradarla, formándose 2 triosas, hasta 2 piruvatos (ver esquema). Degradar glucosa-6-fosfato implica liberar energía. Todos los procesos biológicos cuestan energía. La degradación hasta piruvato se llama glucolisis. El piruvato entra a la mitocondria, degradándose hasta 2 moléculas, que son CO2 y agua. Así la glucosa se ha degradado completamente. Este proceso ha dado como resultado la formación de varias moléculas de ATP, lo que significa la aparición de energía. Todos los procesos biológicas implican consumo de energía. El cerebro es un gran consumidor de energía, tanto que las células cerebrales no transforman glucosa en glicógeno. Uno de los procesos cerebrales más consumidores de energía es el sentido de la vista, por lo que se dice que es endergónico (necesita de mucha energía). En cambio, la degradación de glucosa es exergónica. (La glicogénesis y la glicolisis son llamadas vías metabólicas.) Desde el ciclo cítrico sale el CO2, y el piruvato se transforma en Acetil-CoA. LIPIDOS Son macromoléculas formadas por una unidad fundamental que se repite: ácido graso. Además de este denominador común, existen otros elementos más. Mientras más dobles enlaces tenga, el material lipídico se va haciendo más líquido, y viceversa. El aceite, por ejemplo, tiene abundancia de ácidos grasos con dobles enlaces; en las grasa sólidas hay abundancia de ácidos grasos sin dobles enlaces, por tanto, con más hidrógeno. En la glicerina (3 carbonos) se unen 3 ácidos grasos. Esto se llama trialcilglicérido (TAG). Si tiene 2 ácidos grasos, DAG, y si tiene 1, MAG. Lo más abundante en la dieta son los TAG. Otro lípido es un colesterol unido a un ácido graso. Otro lípido es cuando la glicerina tiene 2 ácidos grasos y un fosforo y un nitrógeno, lo que se llama fosfolípido. La digestión está a cargo de las lipasas, producto del páncreas. Una vez dentro de la célula, reacciona con ATP y con Acil-CoA (Acil coenzima A). Esto es para activarlo, porque el ácido graso no es reactivo. Luego se puede formar TAG o fosfolípido. Esta síntesis ocurre cuando no se necesita energía. Esto puede volver a ser Acil-CoA, y éste entra a la mitocondria, donde se va a degradar en el ciclo cítrico, con la formación de ATP. Este mecanismo se llama lipolisis, es exergónico y se producirá cuando se necesita liberar energía. El mecanismo en que la mitocondria sintetiza Acido graso (ver esquema) se realiza cuando se está en reposo; es endergónico porque requiere de energía, pero en una magnitud muy inferior a la obtenida cuando se degrada. Esteban Arriagada 3 Bioquímica Glúcidos Lípidos Proteínas Acidos nucleicos Unidades que se repiten Funciones glucosa energética ácidos grasos energética, estructural (en las membranas están presentes los fosfolípidos) aminoácidos multifuncionales (enzimas, membranas, transporte) nucleótidos información: contenerla, preservarla y trasladarla. Cada una de estas moléculas generalmente las sintetiza el organismo. Por ejemplo, la necesidad de glúcidos se satisface en la dieta a partir de las fuentes nutricionales; el organismo toma estos polímeros de glucosa los digiere y construye los glúcidos propios para el organismo. Lo mismo pasa con los lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Cualquier hepatocito va a tener glucosa, la que puede venir desde la dieta (la mayoría) o de la síntesis de la propia célula. Lo mismo pasa con los lípidos; los fosfolípidos que forman la membrana pueden venir de la dieta o ser sintetizados por el organismo. Lo mismo para los aminoácidos, pero algunos no los puede hacer el organismo, llamados esenciales (para el hombre, pero no para un pez, por ejemplo), hay otros inesenciales. En el caso de los nucleótidos, la mayoría son sintetizados por el organismo. Cuando se degrada algo para su uso, hay que restituirlo, lo que justifica el tener que alimentarse constantemente. PROTEÍNAS R H2N C H R COOH 1 H2N C H R O C N C H H R COOH 2 + H3N C COO H 3 1. ESTRUCTURA Están hechas sobre la base de unas unidades que se denominan aminoácidos (1). La variación del redical “R” va a dar origen a los distintos aminoácidos, puede ser H, tener un grupo azufrado, aromático, un grupo OH, un grupo carboxilo (caso en el que sería dicarboxílico), aminoácido (resultando monocarboxilico diamonado). Tienen la posibilidad de unirse unos (2) con otros gracias a un grupo ácido de uno de ellos y un grupo ámino del otro, perdiéndose una molécula de agua y se establece una unión entre carbono-nitrógeno, llamada unión peptídica (resistente), semi o casi de doble enlace (por lo que esa parte no puede rotar). Al unirse 3 aminoácidos hablamos de un tripéptido (con 2 uniones peptídicas), y así hasta polipéptido. Cuando este polipéptido alcanza un cierto peso molecular de más o menos 5.000 (promedio PM de aminoácidos 100), hablamos de una proteína. Hay proteínas formadas exclusivamente por aminoácidos, llamadas simples. Las complejas están unidas a otras estructuras: unidas a metales, como la hemoblobina que tiene fierro. glucoproteínas: unidas a glucosa lipoproteínas nucleoproteínas, asociadas a estructuras de los ácidos nucleicos. (ver amelogenina?) Esteban Arriagada Bioquímica 4 En la naturaleza los aminoácidos no están como aparece en el esquema (1), sino de una forma que tiene cargas eléctricas (3), por lo que un aminoácido es un ión bipolar, porque puede llegar a tener dos polos. Que el aminoácido se presente con dos o una carga depende de: Si está en agua se presenta como dipolar Si el medio es ácido, por tanto con más protones, llenarán el grupo carboxilo dejando sólo cargado el grupo amino positivamente. Si agregamos una solución básica (medio alcalino), neutralizan el protón del grupo amino, dejando el grupo carboxilo cargado negativamente. Por tanto, el comportamiento de un aminoácido va a depender del medio en que se encuentre. Hay un pH (+7) en que se encontrará con carga neta igual a cero, llamado punto isoeléctrico. Bajando el pH, el aminoácido se carga positivamente; sobre el punto isoeléctrico los amioácidos se cargan en forma negativa. Si un aminoácido tiene un radical cargado, por ejemplo, negativamente, no está en su punto isoeléctrico, sino sobre él; para que esté en el punto isoeléctrico hay que agregar ácido. Para este aminoácido el punto isoeléctrico está en un pH bajo 7 (ácido). Otro aminoácido (lisina) con un segundo grupo amino, está bajo el punto isoeléctrico por el predominio de cargas positivas, para neutralizar una de estas cargas hay que agregar una solución básica. Para este aminoácido el punto isoeléctrico está a un pH sobre 7 (básico). Al tener una mezcla de aminoácidos a pH 7 habrá aminoácidos en el punto isoeléctrico, otros con cargas positivas y otros con cargas negativas. Esto es lo que se conoce como comportamiento eléctrico de los aminoácidos. Trasladando esto a una proteína, las uniones peptídicas no se pueden cargar, por lo que las posibilidades de cargarse estarán en los extremos y en los radicales. Una proteína de 100 aminoácidos tiene un máximo de 102 grupos cargables (las cargas de los grupos de los extremos y las de los radicales) y un mínimo de 2 (sólo los extremos). Por tanto una proteína es un poli-ión. La proteína también tienen un punto isoeléctrico donde se igualen las cargas y un punto bajo el isoeléctrico. ELECTROFORESIS Es una manera de separar las proteínas aprovechando las cargas eléctricas de ellas de acuerdo al medio en que se encuentren (pH), colocándolas en un campo eléctrico que permite su migración o no migración en uno u otro sentido. Después de un tiempo la corriente se corta y se determina cuanto han migrado las proteínas de la mezcla. La velocidad de migración dependerá de cuan lejos esté la proteína del punto isoeléctrico, mientras más alejada este, migrará más. La electroforesis permite cuantificar la cantidad de proteínas que se encuentran en una mezcla. Un densitograma mide la densidad o concentración de cada una de las proteínas. Le electroforesis del suero sanguíneo tiene un perfil determinado, lo que permite compararla con el de un paciente determinado. En la sangre hay normalmente una pequeña cantidad de enzimas provenientes, por ejemplo, del hígado, porque las células se renuevan permanentemente; pero si esta enzima se encuentra exageradamente en la sangre, significa que las células del hígado se están destruyendo anormalmente. Esteban Arriagada Bioquímica 5 ESTRUCTURA PRIMARIA: Se conforman de acuerdo a un orden de aminoácidos, uniéndose a través de uniones peptídicas. El orden en que se encuentren los aminoácidos es fundamental, y está comandado por el material genético. Así la estructura de la hemoglobina está informada en un gen, para trasladar esa información al lugar de la síntesis proteica se crea un mRNA que va al ribosoma. Esto es tan estricto que si está dañado el material genético y se altera un aminoácido se crea una hemoglobina anormal que no funciona, mutación que a veces no es compatible con la vida (albinismo, hemofilia). ESTRUCTURA SECUNDARIA: Enrollamiento denominado alfa hélice (resorte) Pliegue sobre sí mismo denominado estructura B plegada. Hay enlaces específicos que estabilizan la formación de estas estructuras: los puentes de hidrógeno. Se establece entre las moléculas de carbono y oxígeno, ambas moléculas tienen afinidad con el hidrógeno del oxígeno, compartiéndolo sin quedarse con él. ESTRUCTURA TERCIARIA Plegamientos en las 3 dimensiones del espacio. Se estabiliza a través de: Uniones eléctricas o salinas: grupos cargados en la cadena que se atrae por tener cargas opuestas. Uniones hidrofóbicas: las proteínas están en estado natural disueltas en agua; el radical aromático de ciertos aminoácidos tiene repulsión por el agua, por lo que tiende a juntarse con otro grupo hidrofóbico para alejarse del agua. Fuerzas de Vanderwalls Uniones que se producen entre 2 aminoácidos cuyos radicales tengan grupos SH: puente disulfuro. Si uno agrega protones, desaparece este puente. ESTRUCTURA CUATERNARIA. Una subunidad se junta con otras más, cada una de las cuales tiene estructura primaria, secundaria y teriaria. Pero para que la proteína funcione bien, necesitan estar las 4 unidas. Las subunidades no necesariamente deben ser iguales. La hemoglobina está formada por 4 subunidades, dos cadenas alfa y dos cadenas beta. Una proteína sin estructura cuaternaria no está formada necesariamente por una sola cadena. La subunidad puede estar formada por dos cadenas, lo que no significa que la molécula tenga estructura cuaternaria. DESNATURALIZACIÓN E HIDROLISIS Una proteína que se encuentra en su naturaleza se dice que está en estado nativo. Si se estira y deja lineal, el fenómeno se llama denaturalización y la proteína pierde su función biológica. El agente denaturalizante puede ser temperatura, ácidos, bases, etc. Lo que se conserva es la estructura primaria, la que puede desaparecer en forma parcial (quedando péptidos) o total (aminoácidos), para ello se rompen uniones peptídicas, lo que se llama hidrólisis proteica o proteolisis, proceso que es irreversible. Hay agentes de proteolisis: ácidos o bases muy fuertes y muy concentrados, a altas temperaturas, etc; y enzimas (estas usa el organismo). Esteban Arriagada Bioquímica 6 Hay un método para separar las proteínas basado en el tamaño de ellas. Consiste en colocar mezcla de proteínas en un depósito que contiene un conjunto de moléculas llamadas sephadex, material poroso que sobre una estructura rígida presenta una serie de poros. Las proteínas se retienen en los poros y pueden salir a través de una corriente. Las que no se retuvieron salen primero, luego, de las retenidas, salen de la más grande a las más chicas. Esto se recolecta en tubos de ensayo. Tarea: ver Amelogenina. FUNCIONES Lo que más o único que caracteriza a los seres vivos son las proteínas. Por ejemplo, las proteínas de la piel del caballo son distintas de las de la piel del hombre. ESTRUCTURAL: formando partes de membranas o piel, pelo, etc. Ej: colágeno. FUNCIONES DE TRANSPORTE: hemoglobina, por la sangre se transportan lípidos (lipoproteínas), otras proteínas transportan metales. Hay proteínas de transporte intracelular. DEFENSA: como los anticuerpos, las proteínas de la coagulación (que nos defienden de una hemorragia). ENZIMAS: todas las enzimas son proteínas. EJ: exoquinasa. HORMONAL: algunas hormonas tienen caracter proteico. NUTRICIÓN: como las proteínas de la leche materna. Las proteínas son, por tanto, específicas, esto es, sirven exclusivamente para una función determinada. Esteban Arriagada 7 Bioquímica FORMAS IONICAS DE LOS AMINOÁCIDOS COO_ COOH H3N+ H3N+ C COO_ H2N C COO_ COOH COO_ H3N+ COOH C H3N+ COO_ C H H H H + - - + + - CH2NH2 CH2NH2 CH2NH3+ CH2NH3+ C COO_ H2N C COO_ H3N+ C COOH H3N+ C H H H H + - - + + + + - COO_ Las formas iónicas de los aminoácidos son muy variadas y dependen de la estructura y del medio en que se encuentren. Cuando las cargas son iguales, está en su punto isoeléctrico, lo que es muy poco probable en la realidad. Esto ayuda a entender la función y estructura de las proteínas. La conformación terciaria y cuaternaria se debe en gran medida a la presencia de cargas eléctricas que se atraen. Esta condición es dable en los organismos superiores, donde no se soportan variaciones de pH. Si la función de la proteínas es dejar un espacio, éste se puede conseguir de acuerdo a las cargas; si bajamos el pH, predominan las cargas positivas y se alterará su forma, y con ello su función. Esteban Arriagada