Agua MÓDULO II. BIOMOLÉCULAS

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MÓDULO II. BIOMOLÉCULAS
Agua
El agua es el líquido mas común sobre la Tierra, las tres cuartas partes de
la superficie terrestre están cubiertas de agua y si la superficie de la tierra fuera
planta, estaría 2.5 Km. bajo el agua (1,2). Constituye del 70 a 85% del peso de
muchas células y los fluidos extra celulares como la sangre, el liquido
cefalorraquídeo, la savia, la orina y las lagrimas, están hechos a base de agua
(2).
El agua proporciona el medio para las reacciones metabólicas y como
solvente biológico, regula las condiciones optimas de temperatura y pH para las
células y el medio extracelular (2). Determina la estructura y el comportamiento
de todas las biomoleculas (2), y su elevada capacidad calorífica permite que
funcione como amortiguador de la temperatura al absorber mucha de la energía
en forma de calor, generada por las reacciones bioquímicas. Además cumple
una función como solvente al disolver muchas de las sustancias que regulan la
concentración de iones hidrógeno (pH). Al ser la base de muchos de los fluidos
biológicos, sirve para transportar nutrientes para el crecimiento de las células y
para retirar los productos de desecho.
En términos biológicos la estructura y propiedades del agua permiten
entre otras cosas, la subida de la savia en los árboles, que el hielo flota en el
agua y que no se acumule en el fondo de cuerpos de agua como sucedería si
fuera mas denso y por ellos la vida ha podido evolucionar. El calor especifico
del agua permite que los organismos que se desarrollan en los océanos o
grandes cuerpos de agua vivan en un ambiente cuya temperatura es
relativamente constante, de la misma forma, el gran contenido de agua de la
plantas y animales terrestres les ayuda a mantener una temperatura interna
relativamente invariable, y esta constancia de temperatura es crucial porque las
reacciones químicas de importancia biológica porque tienen lugar en un
estrecho limite de temperaturas (1,2). El gran calor de vaporización del agua
permite la liberación de calor y con ello los organismos estabilizan su
temperatura, la evaporación en la superficie de una planta o un animal
terrestre es uno de los recursos principales de los organismos para descargar el
exceso se calor (1,2). O por ejemplo, la capacidad disolvente del agua favorece
la disolución de sustancia y con ello disminuye la temperatura a la cual esta se
congela, fenómeno que se observan en plantas y animales resistentes al
invierno.
Como es evidente, el agua es una molécula indispensable para la vida, ya que
los procesos metabólicos y de síntesis requieren que las moléculas puedan
desplazarse, encontrarse e intercambiar parejas continuamente, un entorno
liquido permite esta movilidad molecular y el agua esta admirablemente
adecuado para este fin. A continuación se retoman los conceptos básicos del
este tema, la información fue tomada de las siguiente fuente.
2
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1) Mathews, C,K., K.E. van Holde y K.G. Ahern. 2002. Bioquímica. Addison
Wesley. Madrid España. 1333 pag.
2) Boyer, R. 2000. conceptos de bioquímica. International Thomson
Editores. México. D.F. 694 pag.
La vida como sabemos transcurre en soluciones acuosas. La vida se
originó en el agua de hecho, hasta hace muy poco tiempo los organismos
acuáticos invadieron ambientes terrestres pero, aún así, cargan consigo su
propio océano, pues la composición de sus fluidos intra y extracelulares son
muy similares al agua de los mares.
El agua es tan familiar para los seres vivos que nosotros los humanos
generalmente la consideramos como un fluido muy simple, pero las
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propiedades físicas y químicas del agua son de hecho muy exóticas y tienen
profundos significados para la Biología, sus propiedades son muy importantes
para el funcionamiento celular, de hecho están directamente relacionadas con
las propiedades de las biomoléculas y, por tanto, con el metabolismo.
Las estructuras de las macromoléculas que conforman a los seres vivos
resultan de las interacciones con el medio acuoso que las contiene. La
combinación de las propiedades del solvente responsables de las asociaciones
intra e intermoleculares de estas substancias es peculiar del agua; ninguna otra
substancia se asemeja al agua a este respecto.
Por lo tanto no es de sorprenderse que el agua sea la sustancia más
abundante en los sistemas biológicos, de hecho mas del 70% de los seres vivos
está formado por agua. No olvidar que el agua aunque es un compuesto vital,
por si misma carece de vida.
El estudio de las propiedades del agua es central para la Bioquímica por
las siguientes razones:
A. A. Casi todas las biomoléculas asumen sus formas, y por tanto
sus funciones en respuesta a las propiedades físicas y químicas del
agua.
B. B. El agua es el medio de la mayoría de las reacciones
bioquímicas. Los productos y reactivos de las reacciones
metabólicas, los nutrientes y los productos de desecho, dependen
del agua para su transporte en el interior y exterior celular.
C. C. El agua por si misma participa en muchas reacciones químicas
que participan en la vida. Frecuentemente los componentes
iónicos del agua, los iones H+ y OH-, son reactivos. De hecho la
reactividad de muchos grupos funcionales de las biomoléculas,
dependen de la concentración de estos iones en los alrededores.
D. D. La oxidación del agua para producir oxígeno molecular, O 2, es
la reacción fundamental de la fotosíntesis, en donde la energía del
sol es almacenada químicamente para soportar la vida.
La naturaleza inodora, incolora e insípida del agua es fundamental
para los organismos vivos.
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La molécula de H2O tiene una geometría doblada pues a pesar de ser
simétrica, los enlaces que la forman, no se encuentran en línea recta. Lo anterior
se debe a la naturaleza híbrida sp3, de los orbitales del oxígeno que se dirigen
hacia las esquinas de un tetrahedro:
Radio de van der Waals
= 1.4 A°
Enlace covalente O-H
Radio de van der Waals
1.2 A°
H
O
= 0.958 A°
104.5°
H
Envoltura de
van der Waals
Figura: representación de la molécula de agua.
La gran diferencia en electronegatividad entre los átomos de Hidrógeno
y Oxígeno confiere el 33 % del carácter iónico del enlace O-H como lo indica el
momento dipolar del agua (1.85 debyes). El agua es claramente una molécula
polar y esta característica tiene importantes implicaciones en los sistemas
vivientes.
El agua es una molécula polar, el átomo de Oxígeno con sus electrones
no apareados (2s2px), posee una densidad de carga negativa (-), de –0.66e;
en donde e es la carga de un electrón. Los átomos de Hidrógeno poseen una
carga parcial positiva (+) de +0.33e:
Configuración electrónica del Oxígeno
O8 = 1s22s22px2py2pz
Configuración electrónica del Hidrógeno
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H1= 1s2
Figura: Representación de la configuración electrónica de los átomos de los
elementos que forman a la molécula de agua.
Al realizarse los enlaces con los dos átomos de Hidrógeno, el oxígeno
adquiere la configuración del un gas noble o bien cumple con la regla del octeto
de Lewis (2s22px2py2pz). Aún así en la última capa (L ó 2), el Oxígeno
tiene dos electrones sin compartir, es precisamente con esos electrones con los
que la otra molécula de agua se orienta para formar el puente de Hidrógeno:
Las atracciones electrostáticas entre los dipolos de dos moléculas de agua
tienden a orientarse de tal manera que el enlace O-H de una molécula de agua,
apunta hacia el par de electrones no apareado del átomo de Oxígeno de la otra
molécula de agua. Esto resulta en una asociación direccional intermolecular
denominada puente de Hidrógeno
El puente de Hidrógeno es una interacción que es crucial para las
propiedades del agua y su papel como solvente. Su energía es muy débil (20 kJ
mol-1), pero la suma de muchos de ellos hace a los compuestos que los
presentan poseer características peculiares.
En general un puente de Hidrógeno se representa como:
D – H A
en donde D-H es un ácido débil (donador) como N-H u O-H+ , a veces S-H+ ; y
A es una base débil (aceptor), como N u O y ocasionalmente S.
En el agua, los puentes de Hidrógeno tienen una distancia de
aproximadamente 1.8 A°. Dadas las características explicadas anteriormente,
debe quedar claro que cada molécula de agua puede establecer 4 puentes de
Hidrógeno con otras moléculas de agua. Lo que hace una malla de moléculas
ordenadas.
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Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua proveen de las
fuerzas cohesivas que hacen del agua un líquido a temperatura ambiente, de
hecho favorecen también el orden extremo de las moléculas en el hielo que es
agua sólida.
El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas
capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los
puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula, los electrones que
intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y
por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el
oxígeno y dos cargas parciales positivas en el extremo donde se encuentran los
hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las
moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga
parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte
que una sola molécula de agua puede unirse a otras 4 moléculas de agua a
través de 4 puentes de hidrógeno. Esta característica es la que hace al agua un
líquido muy especial.
Los puentes de Hidrógeno, se forman por átomos de Hidrógeno
localizados entre átomos electronegativos. Cuando un átomo de Hidrógeno está
unido covalentemente, a una átomo electronegativo, ej. Oxígeno o Nitrógeno,
asume una densidad () de carga positiva, debido a la elevada
electronegatividad del átomo vecino. Esta deficiencia parcial en electrones, hace
a los átomos de Hidrógeno susceptibles de atracción por los electrones no
compartidos en los átomos de Oxígeno o Nitrógeno
Obsérvese la configuración electrónica del Oxígeno:
8O
1s2 2s2 2px py pz
de ahí que:
+
+
-
+
+
Figura: configuración electrónica del Oxígeno
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el puente de Hidrógeno es relativamente débil entre -20 y -30 kJ mol-1, la fuerza
de enlace aumenta al aumentar la electronegatividad y disminuye con el
tamaño de los átomos participantes. Por tanto, el puente de Hidrógeno existe en
numerosas moléculas no solo en el agua. Aquí solo se tratará lo referente al
agua.
La estructura del agua favorece las interacciones para formar puentes de
Hidrógeno, el arreglo siempre es perpendicular entre las moléculas
participantes, además, es favorecido por que cada protón unido a un Oxígeno
muy electronegativo encuentra un electrón no compartido con el que interactúa
uno a uno. De lo anterior se concluye que cada átomo d Oxígeno en el agua
interacciona con 4 protones, dos de ellos unidos covalentemente y dos a través
de puentes de Hidrógeno.
colineales
Figura: Información sobre los puentes de Hidrógeno
Estudios de difracción de rayos X indican que la distancia entre los
átomos de Oxígeno que intervienen en el puente de Hidrógeno, están separados
por 0.28 nm lo que indica un arreglo tetraédrico de las moléculas de agua,
además los puentes de Hidrógeno:
TETRAHEDRO
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Figura: representación de una molécula tetraédrica del agua.
La colinealidad de los puentes es muy importante, un alejamiento de 10°
ocasiona la que el puente se rompa.
Linnus Pauling postuló a partir de observaciones de las transiciones
moleculares (i.e. el movimiento de los átomos con respecto a aquellos a los que
están unidos) de los átomos participantes en la molécula D2O (el deuterio forma
parte de la pléyade de Hidrógeno), que el puente de Hidrógeno es la
interacción más importante que juega un papel crítico no solo en la estructura
del agua sino en la estructura y función de las macromoléculas biológicas.
El agua tiene puntos de fusión y de ebullición así como calor de
vaporización más elevados que otros solventes comunes
Punto de fusión
Punto de ebullición
Calor de
vaporización
(°C)
(°C)
(J/g)*
Agua
0
100
2,260
Metanol
-98
65
1,100
Etanol
-117
78
854
Propanol
-127
97
687
Butanol
-90
117
590
Acetona
-95
56
523
Hexano
-98
69
423
Benceno
6
80
394
-135
-0.5
381
-63
61
247
Butano
Cloroformo
9
Tabla: Valores de punto de fusión, punto de ebullición y calor de
vaporización para algunos líquidos.
Estas propiedades inusuales son consecuencia de la atracción entre
moléculas de agua adyacentes que le dan al agua líquida una gran cohesión
interna. Un vistazo a la estructura electrónica de la molécula revela la causa de
estas atracciones intramoleculares.
Los puentes de Hidrógeno no son propios del agua, las moléculas
polares como las sales, se disuelven en el agua porque reemplazan las
interacciones agua-agua con interacciones agua-soluto que son energéticamente
más favorables.
Figura: Representación de los puentes de Hidrógeno más comunes en los
sistemas biológicos
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Figura: Puentes de Hidrógeno comunes en las biomoléculas
Por el contrario, las moléculas no polares, como las grasas interfieren con
las interacciones agua-agua, pero son incapaces de formar interacciones
favorables agua-soluto, por lo tanto estas moléculas son poco solubles en agua.
Los puentes de hidrógeno, las interacciones ionicas, hidrofóbicas (del
griego terror al agua) y de van der Waals, son interacciones muy débiles por si
mismas, pero colectivamente tienen una gran influencia en la estructura
tridimensional de las macromoléculas biológicas.
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Figura: Grupos polares y no polares en algunas biomoléculas.
Todos los fenómenos bioquímicos están íntimamente relacionados con el
agua debido a que las células son soluciones en donde el solvente es
precisamente esa molécula. Por tanto, todas las características del agua, están
directamente relacionadas con las propiedades estructura-función de las
biomoléculas:
Características del agua
Constante dieléctrica
Capacidad calorífica
12
Calor de vaporización
Densidad
Tensión superficial
Constante de ionización
El agua es el único compuesto cuyas propiedades físicas lo colocan a
parte de cualquier otro líquido descrito a la fecha.
Finalmente todas estas características están involucradas directamente
con la formación de puentes de Hidrógeno, que son interacciones moleculares
muy débiles, pero que en conjunto permiten formar estructuras moleculares
muy complejas. La capacidad del agua para formar puentes de Hidrógeno, ha
llevado a la generación de varias teorías para tratar de explicar al agua líquida.
El agua tiene una de las constantes dieléctricas más elevadas.
Constante dieléctrica
para algunos compuestos
Constante
Compuesto dieléctrica
()
A 298 K
H2O
78.5
Metanol
32.6
Etanol
24
H2S
9.3
C6H6
2.2
CCl4
2.2
CH4
1.7
Aire
1.00006
Mica
5.4
Poliestireno
2.5
Tabla: valor de la constante dieléctrica para algunos líquidos.
El agua, por tanto, es uno de los solventes más polares que existen, esto se
debe a la presencia de un átomo muy electronegativo, el Oxígeno, y dos muy
poco electronegativos, los Hidrógenos en la molécula. La consecuencia de lo
anterior, es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente
disociadas en presencia de agua. La ionización sucede por que las fuerzas
coulómbicas entre las cargas opuestas son débiles y, por tanto, se rompen
fácilmente. Estas fuerzas son proporcionales a q+q-/r2, en donde  es la
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constante dieléctrica, q+ y q- son la carga catiónica y aniónica respectivamente.
Esta observación es muy importante para los sistemas biológicos pues la
diferencia en los gradientes ionicos es la base energética y funcional de muchos
procesos
El agua posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una
gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1.0 °K. Para los sistemas
biológicos esto es muy importante pues la temperatura celular se modifica muy
poco como respuesta al metabolismo. De la misma forma, los organismos
acuáticos, si el agua no poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no
existirían.
El agua tiene un elevado calor de vaporización, al igual que otros
líquidos capaces de hacer puentes de Hidrógeno como el etanol o el ácido
acético, pero a diferencia de otros líquidos como el hexano que no los hacen
Compuesto
H2O
Ácido acético
Etanol
Hexano
Calor de
vaporización
KJ mol-1
40.7 a 273 K
41.7 a 391 K
40.5 a 351 K
31.9 a 341 K
Tabla: valor del calor de vaporización para algunos líquidos.
Para los sistemas biológicos esta propiedad es muy importante pues
gracias a ella es que se lleva a cabo eficientemente la respiración y sudoración.
El agua líquida es más densa que el hielo a presión y temperatura
estándar. Existe un cambio positivo en el volumen después del congelamiento,
lo que ocasiona que el hielo flote. Si el hielo no flotara, la vida acuática en
cuerpos de agua como lagos y en los polos terrestres, no existiría pues estos
cuerpos de agua se congelarían desde el fondo hacia la superficie, de hecho, lo
contrario, la capa de hielo que se forma sobre estos cuerpos de agua, resulta en
un aislante térmico.
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El agua tiene una tensión superficial elevada, esto hace que en los
procesos biológicos, se utilicen moléculas tipo detergente (anfifílicas) para
modificarla. Los surfactantes pulmonares por ejemplo, decrecen el trabajo
necesario para abrir los espacios alveolares que permiten el intercambio gaseoso
eficiente, la ausencia de estas substancias, ocasiona enfermedades severas y la
muerte.
Debido a su constante de ionización, el agua posee una conductividad
elevada. La conductividad de hielo es elevada, pero 103 veces menor que en el
estado líquido. Debido a esta característica el agua participa activamente en la
conducción de señales eléctricas en el sistema nervioso.
Muchas de las características que hacen al agua un líquido tan particular, se
deben a su capacidad de hacer puentes de Hidrógeno.
La solubilidad depende de las propiedades de un solvente que le
permitan interaccionar con un soluto de manera más fuerte que como lo hacen
las partículas del solvente unas con otras. Es de todos conocido que el agua es
“el solvente universal”, pero esto no es del todo cierto; el agua ciertamente
disuelve muchos tipos de substancias y en mayores cantidades que cualquier
otro solvente. En particular, el carácter polar del agua la hace un excelente
solvente para los solutos polares e iónicos, que se denominan hidrofílicos (del
griego hydor, agua y philos, amante). Por otra parte, los compuestos no polares
son virtualmente insolubles en agua (“el agua y el aceite no se mezclan”) y por
lo tanto, son hidrofóbicos (del griego fobos, temer). Los compuestos apolares,
son solubles en solventes no polares como el CCL4 (tetracloruro de Carbono) o
el hexano. Lo anterior puede resumirse en: “lo semejante disuelve a lo
semejante”
¿Porqué las sales se disuelven en el agua? Las sales, como el NaCl
(cloruro de sodio) o el K2HPO4 (fosfato ácido de potasio), se mantienen unidas
por fuerzas iónicas. Los iones de una sal, como lo hacen cargas cualesquiera,
interactúan de acuerdo a la ley de Coulomb:
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F
kq 1 q 2
Dr 2
(1)
en donde F es la fuerza entre las dos cargas eléctricas (q1 y q2), que están
separadas por una distancia r. D es la constante dieléctrica del medio entre las
cargas y k es una constante de proporcionalidad (8.99 x 109 J·m·C-2).
A medida que la constante dieléctrica del medio crece, la fuerza entre las
cargas decrece. La constante dieléctrica, es una medida de las propiedades de
un solvente para mantener cargas opuestas separadas. En el vacío, D = 1 y en
aire, es apenas un poco mayor. En la siguiente Tabla, se muestra la constante
dieléctrica de algunos solventes comunes, así como sus momentos dipolares
permanentes.
Solvente
Constante
dieléctrica
(D)
Formamida
110.0
Agua
78.5
Dimetil sulfóxido
48.9
Metanol
32.6
Etanol
24.3
Acetona
20.7
Amoniaco
16.9
Coloroformo
4.8
Eter dietílico
4.3
Benceno
2.3
CCL4
2.2
Hexano
1.9
Momento
dipolar
(debye)
3.37
1.85
3.96
1.66
1.68
2.72
1.47
1.15
1.15
0.00
0.00
0.00
Tabla: Valores de constante dieléctrica y momento dipolar para algunos
líquidos.
La constante dieléctrica del agua es la más alta de un líquido puro, por el
contrario, la de solventes no polares como los hidrocarburos, es relativamente pequeña.
La fuerza entre dos iónes separados por una distancia dada en un líquido no
polar como hexano o benceno, es 30 ó 40 veces mayor que en agua.
Consecuentemente, en solventes no polares (con D baja), los iones de cargas
opuestas, se atraen tan fuertemente que forman una sal, por el contrario, las
fuerzas débiles que existen entre los iones en agua (D alta), permiten que
cantidades significativas de iones permanezcan separadas.
Un ion negativo inmerso en un solvente polar, atrae la parte positiva del
dipolo del solvente y viceversa, por ejemplo, en el agua:
16
-
anión
H+
+
H+
O
+
+
cation
Figura: representación de la orientación de aniones y cationes en solución
acuosa
El ion queda rodeado por capas concéntricas de moléculas de solvente. A
este fenómeno se le denomina solvatación, en el caso específico del agua,
hidratación. Este arreglo atenúa las fuerzas coulómbicas entre los iones, de ahí
que los solventes polares tengan constantes dieléctricas tan elevadas.
En el caso particular del agua, la constante dieléctrica es mayor que la de
otros líquidos con momentos dipolares comparables, por que los puentes de
hidrógeno entre las moléculas de agua permiten que los solutos se orienten de
tal forma que las estructuras formadas resisten movimientos causados por el
incremento en la temperatura, por lo cual, la distribución de cargas en mucho
más efectiva.
La solubilidad de las moléculas polares o iónicas en el agua, depende de
los grupos funcionales que contengan para formar puentes de hidrógeno:
hidroxilos (-OH), ceto (-C=O), carboxilo (-COOH) o amino (-NH2). Dentro de
las biomoléculas solubles en agua se encuentran alguna proteínas, ácidos
nucléicos y carbohidratos.
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Carbohidratos
Los sacáridos desempeñan una gran variedad de funciones en los
organismos vivos, de hecho el principal ciclo energético de la biosfera depende
en gran partes del metabolismo de los hidratos de carbono. Este proceso es la
fotosíntesis y gran parte de los hidratos de carbono producidos por este
proceso se almacenan en las plantas en forma de almidón o celulosa. Los
animales obtienen los hidratos de carbono ingiriendo las plantas o los animales
herbívoros. De esta forma, los hidratos de carbono sintetizados por las plantas
pasan a ser en ultima instancia las principales fuentes de carbohidratos de todos
los tejidos animales.
Tanto la plantas como los animales realizan, a través del metabolismo
oxidativo, una reacción que es esencialmente la inversa de la fotosíntesis,
mediante la cual producen de nuevo CO2 y H2O. Esta oxidación de los hidratos
de carbono es el principal procesos de generación de energía del metabolismo.
El papel central que desempeñan los hidratos de carbono es evidente si tenemos
en cuenta que el elemento básico de la alimentación de la mayor parte de los
seres humanos es el almidón de los alimentos vegetales como el arroz, el trigo o
las papas (1). Sin embargo, los carbohidratos tienen muchas otras funciones
básicas en los organismos.
Los carbohidratos mas simples son los monosacáridos y muchos
azucares de importancia biológica son modificaciones o derivados de los de
monosacáridos, por ejemplo, los esteres de fosfato (por ejemplo el DGliceraldehído 3 fosfato) son intermediarios importantes del metabolismo, y
actúan como compuestos activados en la síntesis. (1,2). La glucosamina y la
galactosamina son aminazúcares, otro tipo de derivados de los monosacáridos,
muy extendidos en la naturaleza. La glucosamina y sus derivados son
componentes estructurales de las paredes celulares de bacterias, mientras que la
galactosamina es un componente de la quitina, un polímero que forma parte del
exoesqueleto de los insectos y crustáceos, y del cartílago.(2). Los glucosidos, son
ot grupo derivado de los monosacáridos, de estos destaca la ouabaína y la
amigdalina por ser glucosidos tóxicos producidos por algunas plantas. (1)
Cuando los monosacáridos se unen a otros monosacáridos se forman los
ologosacáridos y los polisacáridos. Los oligosacáridos más sencillos y de mayor
importancia biológica son los disacáridos, entre estos esta la lactosa (azúcar de
la leche), la sacarosa (azúcar de mesa) y la trehalosa, constituyen reservas de
energía soluble en las plantas y los animales.
Dentro de los polisacáridos, la amilosa y la amilopectina (que forman el
almidón de las plantas) y el glucógeno (que se almacena en las células animales
y microbianas) destacan como sacáridos de almacenamiento. El almidón se
encuentra almacenado en forma de gránulos en casi todos los tipos de células
18
vegetales, donde se produce por la acción de la energía fotosintética, es
especialmente abundante en las papas, maíz y trigo. El glucógeno esta presente
en forma de gránulos en las células del hígado y del músculo en los animales.
(1,2)
La celulosa, la quitina y los mucopolisacaridos, son polisacaridos
sintetizados dentro de la célula y posteriormente expulsados fuera de ella para
proveerla de una pared protectora o de una cubierta lubricante (2). La celulosa
es el principal polisacárido de las plantas leñosa y fibrosas (como los árboles y
las hierbas). Este homopolímero de glucosa es el mas abundante en la biosfera y
constituye más del 50% de la materia orgánica. Forma en las paredes celulares
redes fuertes y rígidas que le dan la resistencia característica, que al mismo
tiempo permite la fabricación de ropa, papel, cartón y materiales para la
construcción (1,2).
Los animales no producen las enzimas que puedan romper la celulosa,
los hongos de la madera putrefacta y algunas bacterias obtienen glucosa de la
celulosa porque son capaces de sintetizar y secretar celulasa, una enzima que
permite la fragmentación de la celulosa en unidades de glucosa. Los rumiantes,
como las vacas pueden digerir la celulosa tan solo porque sus aparatos
digestivos contiene bacterias simbióticas que producen celulasa. Las termitas
albergan en su tracto digestivo microorganismos que producen celulasa y por
ello pueden alimentase de tejidos leñosos. (1,2)
El exoesqueleto protector de insectos, cangrejos y langostas, así como una
pequeña proporción de la paredes celulares de levaduras, hongos y bacterias,
se compone de quitina, los humanos no podemos tampoco digerirla. (1,2)
Algunos polisacáridos estructurales se encuentran en el tejido conectivo
(cartílagos y tendones) o en la matriz extra celular de los animales y plantas, y
son conocidos como glucosaminoglucanos, anteriormende denominados
mucopolisacaridos. Una función importante de estos polisacáridos es la
formación de una matriz para mantener juntos los componentes proteicos de la
piel y del tejido conjuntivo. El mas abundante de este tipo de moléculas es el
ácido hialuronico, el cual se encuentra en el liquido sinovial de las
articulaciones, en la matriz extracelular del tejido conectivo y en el humor vítreo
del ojo, donde parece incrementar la viscosidad o funcionar como agente
lubricante. (1,2)
Mas de la mitad de todas las proteínas eucarionticas tienen cadenas de
oligosacáridos o polisacáridos unidas a ellas por lo que se denominan
glucoproteínas. Estas proteínas están implicadas en muchas funciones
biológicas, como son la protección inmunitaria, el reconocimiento entre células,
entre células y moléculas, la coagulación sanguínea y las interacciones entre
patógenos y huéspedes. Un grupo importante de oligosacáridos es el de los
antígenos de los grupos sanguíneos. (1)
19
Los oligosacáridos y polisacáridos tienen una función importante como
marcadores celulares. Para que un oligosacárido o polisacárido actúe como
señal de reconocimiento, debe haber proteínas que se unan a ellos de manera
específica, una clase de proteínas de este tipo es el de las inmunoglobulinas.
Otro grupo diferente de proteínas que une sacáridos es el de las lectinas. Las
lectinas están presentes en células vegetales donde parecen desempeñar
funciones defensivas y ayudar a la adhesión de las bacterias fijadoras de
nitrógeno a las raíces. Recientemente se ha descubierto que también están
extendidas en las células animales, donde interviene en las interacciones que se
producen entre las células y las proteínas de la matriz intercelular y ayudan a
mantener la estructura tisular y orgánica. (1).
Todos los organismos obtienen energía de la degradación oxidativa de la
glucosa y otros carbohidratos. Para algunos organismos esta es la principal o
única fuente de energía. Los polisacáridos de almacenamiento tienen un diseño
admirablemente adaptado a la función que realizan, y siempre que se necesite
glucosa, puede obtenerse a partir de la degradación selectiva de los polímeros
por enzimas especificas, estos procesos se conocen como glucólisis y
glucogenólisis los cuales se tararan en la unidad seis. (1,2).
A continuación se hace una análisis de la información básica de los
carbohidratos, la información fue tomada de la siguiente fuente.
INFORMACIÓN ACTUALIZADA EN ESPAÑOL PARA LA
ENSEÑANZA Y EL APRENDIZAJE
DE ESTAS DISCIPLINAS CIENTÍFICAS.
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20
3) Mathews, C,K., K.E. van Holde y K.G. Ahern. 2002. Bioquímica. Addison
Wesley. Madrid España. 1333 pag.
4) Boyer, R. 2000. conceptos de bioquímica. International Thomson
Editores. México. D.F. 694 pag.
Los carbohidratos, conocidos también como hidratos de Carbono,
glúcidos o azúcares (sakcharon, azúcar), son compuestos orgánicos formados en
su mayoría por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, aunque en algunos, se
encuentran también el azufre y nitrógeno. Los carbohidratos o azúcares, son
compuestos formados por Carbono, hidrógeno y oxígeno que son sintetizados a
partir de CO2 (bióxido de Carbono) y de H2O (agua) por los organismos
fotosintéticos mediante el aprovechamiento de la energía de la luz solar
(fotosíntesis), o bien por rutas sintéticas en los organismos heterótrofos, aunque
el mayor aporte de los mismos para estos organismos esta dado por la dieta.
El Carbono (C), es el elemento más abundante en las biomoléculas constituye
alrededor del 50 % del peso seco de los seres vivos.
El hidrógeno (H) es el elemento más pequeño. Su núcleo solamente contiene un
protón y tiene solo un orbital en el cual gira solo un electrón.
El oxígeno (O), elemento muy electronegativo, constituye entre el 25 y 30 % de
las biomoléculas.
Cabe señalar que el agua está formada por O e H en una proporción 1:2,
y en los carbohidratos, la relación de átomos de C y moléculas de agua está en
una proporción de 1:1, de ahí su nombre: hidratos de Carbono.
La palabra carbohidratos deriva de la condición empírica de sus
fórmulas moleculares:
Cn(H2O)n
21
en donde n  3 porque en sus fórmulas moleculares, no todos los átomos de
Carbono están "hidratados". En la siguiente Tabla se muestra la relación entre
de algunas moléculas para un hombre adulto y sano.
Molécula
En el organismo Ingestión
(%)
en la dieta
(gramos)
proteínas
lípidos
carbohidratos
ácidos nucleicos
agua
Otras substancias
orgánicas
(vitaminas, etc)
Substancias
inorgánicas
16.0
8.5
0.2
 1.0
 70.0
Calorías
proporcionadas
80.0
0.3
380.0
 1.0
2000.0
320
810
1520
insignificante
-
0.2
trazas
5.0
 10.0
-
Tabla: relación entre de algunas moléculas para un hombre adulto y sano
Nótese que:
(i) la suma de la energía generada por la oxidación total de carbohidratos,
lípidos y proteínas, genera alrededor de 2.65 Kcal, pero la mayoría son
proporcionados por los carbohidratos;
(i i ) aunque los carbohidratos son las biomoléculas con mayor consumo,
forman una parte muy pequeña de la composición del organismo; los
carbohidratos son utilizados rápidamente después de su ingestión.
Los carbohidratos se clasifican según:
- el número de unidades de azúcar que los componen en
monosacáridos y polisacáridos.
- la localización del grupo carbonilo en aldosas y cetosas.
- el número de átomos de carbono en triosas, tetrosas,
pentosas, hexosas, heptosas, etc.
22
Los grupos
C-OH y C = O de los carbohidratos generan cargas
parciales en las moléculas, lo que facilita la formación de puentes de hidrógeno.
Los monosacáridos son muy solubles en el agua y en otros solventes polares
En los grupos OH de los carbohidratos se generan cargas parciales con
los que las moléculas de agua son capaces de establecer puentes de hidrógeno
El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas
capaces de generar cargas parciales. La molécula de agua está formada por dos
átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno y es la sustancia que mejor hace
los puentes de hidrógeno. En la molécula de agua, los electrones están más
cerca del oxígeno que del hidrógeno y por esto se generan dos cargas parciales
negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas parciales positivas
en el extremo donde se encuentran los hidrógenos no y por esto se generan. La
presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de
agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva
atraen a las partes con cargas parciales negativas.
Una molécula de agua puede unirse a otras cuatro moléculas de agua por
medio de puentes de hidrógeno.
Todos los carbohidratos excepto la dihidroxiacetona poseen uno o más
átomos de carbono asimétricos, también conocidos como centros quirales.
- Los isómeros son sustancias que tienen la misma composición pero diferente
fórmula estructural. Los carbohidratos pueden aparecer en varias formas que
difieren entre sí en la orientación de sus grupos -OH a los que se les llama
estereoisómeros.
- Los carbohidratos tienen carbonos asimétricos y el número de isómeros que
un monosacárido puede tener sigue la relación 2n en donde
n = número de carbonos asimétricos.
- Los isómeros se clasifican de acuerdo a la orientación del -OH del carbono
asimétrico más alejado del grupo carbonilo ( aldehido o cetona). Si el -OH se
orienta a la derecha el carbohidrato pertenece a la serie D y si se orienta hacia la
izquierda pertenece a la serie L.
- Los monosacáridos tienen actividad óptica y desvían el plano de la luz
polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda.
Los carbohidratos estructurales forman parte de las paredes celulares en
los vegetales y les permiten soportar cambios en la presión osmótica entre los
espacios intra y extracelulares. En las grandes plantas y en los árboles, la
celulosa cumple la función de carga y soporte. La celulosa es de origen vegetal
principalmente, sin embargo algunos invertebrados tienen celulosa en sus
23
cubiertas.El polisacárido estructural más abundante en los animales es la
quitina.
En los seres vivos las funciones de los carbohidratos se pueden
generalizar en:
a) energéticas (glucógeno en animales y almidón en vegetales,
bacterias y hongos)
La glucosa es un de los carbohidratos más sencillos comunes y
abundantes; representa a la molécula combustible que satisface las demandas
energéticas de la mayoría de los organismos.
b) de reserva
Los carbohidratos se almacenan en forma de almidón en los vegetales
(gramineas, leguminosas y tubérculos) y de glucógeno en los animales. Ambos
polisacáridos pueden ser degradados a glucosa.
c) compuestos estructurales (como la celulosa en vegetales, bacterias
y hongos y la quitina en artrópodos)
Los carbohidratos estructurales forman parte de las paredes celulares en
los vegetales y les permiten soportar cambios en la presión osmótica entre los
espacios intra y extracelulares. Esta, es una de las sustancias naturales mas
abundantes en el planeta. En las grandes plantas y en los árboles, la celulosa,
estructura fibrosa construida de glucosa, cumple la doble función de carga y
soporte. La celulosa es de origen vegetal principalmente, sin embargo algunos
invertebrados tienen celulosa en sus cubiertas protectoras. El polisacárido
estructural más abundante en los animales es la quitina.
En los procariontes forma la pared celular construida de azúcares
complejos como los péptidoglicanos y ácidos teicoicos. A las propiedades de
esta estructura se le atribuyen muchas de las características de virulencia y
antigenicidad. En algunos animales como los insectos los carbohidratos forman
la quitina, el ácido condroitín sulfúrico y el ácido hialurónico, macromoléculas
de sostén del aparato muscular.
d) precursores
Los carbohidratos son precursores de ciertos lípidos, proteínas y dos
factores vitamínicos, el ácido ascórbico (vitamina C) y el inositol.
e) señales de reconocimiento (como la matriz extracelular)
Los carbohidratos intervienen en complejos procesos de reconocimiento
celular, en la aglutinación, coagulación y reconocimiento de hormonas.
24
El número de unidades de azúcar que los componen a los carbohidratos
los clasifican en monosacáridos y polisacáridos,
Los disacáridos como la sacarosa, consisten en dos monosacáridos
unidos covalentemente por un enlace O-glucosídico, que resulta cuando un
hidroxilo en el azúcar reacciona con el Carbono anomérico de otra. Esta
reacción representa la formación de un acetal a partir de un hemiacetal
(glucopiranosa) y un alcohol. Para su formación, se necesita de la salida de una
molécula de agua y para su ruptura, la hidrólisis de la misma. La manera en
que los monosacáridos se unen para formar polisacáridos lleva a la formación
de diferentes enlaces, el más común es el , en el cual los enlaces del átomo de
O que participa en el enlace glucosídico, están en el mismo lado. El enlace  es
aquel en el cual los enlaces del átomo de O que participa en el enlace
glucosídico, están en diferente lado i.e. arriba y abajo. Los átomos de Carbono
que participan en el enlace glucosídico, pueden ser el 1 y 4, el 1y 1 o bien para
ramificar el polisacárido el 1 y 6.
6
HOCH2
6
HOCH 2
HO
4
3
HO
1 CH2OH
5
5 O
1
OH
2
HO
O
4
3
HO
OH
1
2
OH
O
O
CH2OH
6
5
2
3
HO
4
OH
D-GLUCOSA
(monosacárido)
Glucosa
Fructosa
SACAROSA
(polisacárido, disacárido)
Figura: representación de un monosacárido y un disacárido.
Los números en rojo indican la posición de los átomos de Carbono en la
molécula.
25
Éstos últimos están formados por dos o más unidades de azúcar. Cuando la
molécula está formada por pocas unidades se llama oligosacárido. Los
oligosacáridos consisten de algunas unidades de monosacáridos, están a
menudo asociados con proteínas (glicoproteínas) y lípidos (glicolípidos), en
donde juegan papeles estructurales y regulatorios.
Los polisacáridos consisten de muchas unidades de monosacáridos y
tienen pesos moleculares cercanos a los millones de Daltones. Estas complejas
moléculas pueden estar compuestas de las mismas unidades de monosacáridos
(homopolisacáridos como la amilosa, amilopectina, quitina, glucógeno y
celulosa) o de unidades diferentes (heteropolisacáridos como los
peptidoglicanos, glicosaminoglicanos y proteoglicanos).
1. Triosas: gliceraldehído (aldotriosa) y dihidroxiacetona.(cetotriosa)
2. Tetrosas: eritrosa, treosa (tetraaldosas) y eritrulosa (tetracetosa)
3. Pentosas: ribosa, arabinosa, xilosa, lixosa (pentoaldosas), ribulosa
y xilulosa (pentocetosas).
4. Hexosas:
alosa, altrosa, glucosa, manosa, gulosa, idosa,
galactosa, talosa (hexoaldosas), psicosa, fructosa, sorbosa y
tagatosa (hexocetosas).
5. Heptosas, etc.
Los nombres en negritas son los azúcares más abundantes en la
naturaleza.
Los carbohidratos son compuestos que tienen una fórmula condensada
CnH2nOn, en donde n es el número de Carbonos, por ejemplo en la glucosa n=6,
por tanto su fórmula molecular es: C6H12O6. Se pueden encontrar en forma
lineal o bien cíclica. A ésta última corresponde también la fórmula molecular
CnH2nOn.
26
Además de los grupos aldehído o cetona, los carbohidratos contienen
también varios grupos hidroxilo (OH), todos ellos generan cargas parciales en
la molécula, lo que facilita la formación de puentes de hidrógeno con el solvente
que los contiene si este es polar como el agua, de ahí que los monosacáridos
sean muy solubles en solventes polares. En los grupos OH de los carbohidratos
se generan cargas parciales con los que las moléculas de agua son capaces de
establecer puentes de hidrógeno.
Todos los carbohidratos excepto la dihidroxiacetona poseen uno o más
átomos de Carbono asimétricos, también conocidos como centros quirales. Una
manera de reconocer la quiralidad, (aunque no la única), es buscar átomos de
Carbono unidos a cuatro grupos o átomos diferentes (por ejemplo el Carbono 5
de la glucosa).
Los azúcares modificados por los sistemas biológicos pueden tener
asociados grupos amino o acetilo, oxidarse en sus grupos alcohol aldehído o
cetona y formar ácidos, reducirse y formar desoxi-azúcares, o bien fosforilarse y
formar monosacáridos mono o di fosforilados (como el gliceraldehído-3-fosfato
o la glucosa-6-fosfato).
La oxidación de una aldosa o de una cetosa da origen a los azúcares
ácidos; estos pueden sufrir oxidaciones por la acción de alguna enzima o por
medio de agentes oxidantes. A los azúcares capaces de oxidarse se les llama
azúcares reductores.
Los carbohidratos son derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes
polihídricos (con varios hidroxilos), comprenden entonces, alcoholes cetónicos,
alcoholes aldehídicos y sus derivados
Figura: información sobre la nomenclatura utilizada para los grupos
funcionales de los carbohidratos.
27
Cuando por hidrólisis es imposible fragmentar mas una molécula con
función reductora (aldehído o cetona) y varias funciones alcohol, la molécula se
denomina monosacárido o azúcar simple (terminación "osa"). Según el grupo
carbonilo presente el monosacárido, se dividen en aldosas (si está en el extremo
de la molécula) como la glucosa y cetosas (si está en medio de la molécula)
como la ribulosa. Dependiendo del número de átomos de Carbono presentes en
la molécula, pueden ser triosas, tetrosas, pentosas, etc. Los términos pueden ser
combinados ej. La glucosa es una aldohexosa mientras que la ribulosa es una
cetopentosa.
La glucosa es la unica aldosa que aparece en forma libre en la naturaleza
como monosacárido. A pesar de ello, existen muchos otros monosacáridos (Dgliceraldehído, D-Ribosa y D-Galactosa), que son importantes componentes de
otras biomoléculas. Las azúcares L son mucho menos abundantes en la
naturaleza que las D.
Cuando una aldohexosa forma una estructura cíclica de 6 miembros se
conoce como piranosa, cuando el ciclo es de 5 miembros (independientemente
de que la molécula cuente con 6 Carbonos), se denomina furanosa.
O
Pirano
O
Furano
Figura: representación de los monosacáridos en la forma cíclica de 5 y 6
miembros.
Las configuraciones de los monosacáridos cíclicos son representadas por
fórmulas de Haworth.
Tanto las piranosas como las furanosas pueden tener isómeros a y b. Las
piranosas pueden adquirir la configuración de bote o de silla, al igual que el
ciclohexano. Las furanosas por el contrario, tienen una configuración planar en
el espacio.
28
Cuando se forma la estructura cíclica, la molécula puede adquirir dos
tipos de configuración diferentes: En el caso de las cetosas, el grupo carbonilo
del Carbono 2, reacciona con el hidroxilo, del Carbono 5 dando origen a una
estructura cíclica de 5 miembros (furanosa), al nuevo compuesto, se le
denomina hemicetal. Una reacción en la cual el ciclo se hace por el ataque
nucleofílico del OH del Carbono 5 al Carbono 1 de la hexosa, dará origen a un
hemiacetal (piranosa).
La formación de hemiacetales dentro de las moléculas de carbohidrato
produce un Carbono asimétrico adicional que es el Carbono 1, al cual se le
llama Carbono anomérico. El Carbono anomérico puede tener el OH orientado
hacia abajo en cuyo caso se denominará por ejemplo -D-Glucopiranosa;
cuando el OH se orienta hacia arriba, entonces se llamará -D-Glucopiranosa.
Esto da origen a diasteroisómeros, y los dos isómeros resultantes se conocen
como anómeros.
Al formarse el anillo hemicetálico, el Carbono 2 se transforma en
asimétrico dando origen a los isómeros alfa y beta, continuando con el ejemplo,
a la -D-fructofuranosa y la -D- fructofuranosa.
Cuando cuatro grupos diferentes están unidos a un átomo de Carbono
[como el carbono  de los aminoácidos (excepto uno)], resultan dos isómeros
posibles, que son imágenes especulares no superponibles. Esta característica es
indispensable para los sistemas biológicos.
29
Figura: representación de los isómeros ópticos de los aminoácidos.
Estos isómeros se denominan enantiómeros y se dice que son quirales. La
palabra quiral deriva de la palabra utilizada en griego para denominar a las
manos, porque las imágenes especulares están relacionadas con la no
superponibilidad, la mano derecha es imagen especular no superponible de la
izquierda. Por razones históricas las imágenes especulares se denominan D (por
dextro, derecha) y L (por levo, izquierda). Estos términos definen las posición en
el espacio o configuración de los átomos unidos al Carbono  y no definen la
desviación del plano de la luz polarizada (rotación óptica) en una dirección
específica, lo cual se designa también con d y l pero minúsculas.
En los aminoácidos, bloques de construcción de las proteínas se
encuentran en la forma L, aunque existen también aminoácidos en forma D.
Al examinar la fórmula molecular de la glucosa se observa que dos de
sus seis átomos de Carbono (C1 y C6), son centros quirales. Como cada átomo
de Carbono en hibridación sp3 puede unir únicamente 4 sustituyentes, el
número de estereoisómeros que puede haber en una molécula se calcula
elevando el número de carbonos quirales a la cuarta potencia, de tal suerte que
la glucosa, es uno de los 16 estereoisómeros posibles para las aldohexosas. En
general aldosas con n átomos de Carbono, tienen 2n-2 estereoisómeros.
En 1986 Emil Fisher elucidó estas configuraciones para las aldohexosas
30
Figura: la serie D de las aldosas.
De acuerdo con la convención de Fisher, las D-azúcares tienen la misma
configuración absoluta en el Carbono asimétrico más alejado del grupo
carbonilo, como sucede en el D-gliceraldehído, de ahí que los azúcares L, son
imágenes especulares de sus contrapartes D, como se muestra a continuación
Figura: representación de la glucosa en sus formas D y L.
Los azúcares que difieren en su configuración en un átomo de Carbono
son epímeros entre ellos. La D-glucosa es epímero de la D-manosa con respecto
al C2, mientras que es epímero de la D-Galactosa con respecto al C4. Por el
contrario, la manosa y la galactosa no son epímeros pues difieren en la
configuración de mas de un átomo de Carbono.
31
La posición del grupo carbonilo hace que las cetosas tengan un centro
asimétrico menos que las aldosas (comparar D-Fructosa y D-glucosa). De ahí
que el número de estereoisómeros para las primeras se calcula como 2n-3, en
donde n también es el número de centros quirales. Las formas más comunes de
las cetosas es con el carbonilo en el C2:
32
Figura: la serie D de las cetosas.
Nótese que algunas de estas cetosas se nombran agregando ul antes del
sufijo osa correspondiente de las aldosas; ej. D-Xilulosa es la cetosa
correspondiente de la D-Xilosa. La dihidroxiacetona, D-Fructosa, D-Ribulosa y
d-Xilulosa son las cetosas con actividades biológicas más importantes.
Los isómeros son compuestos que tienen la misma composición atómica
pero diferente fórmula estructural (por ejemplo, la serie de las cetoaldosas). En
general una molécula con n centros quirales tiene 2n estereoisómeros. El
gliceraldehído tiene 21=2; las aldohexosas con cuatro centros quirales, tienen
24=16 estereoisómeros. Los estereoisómeros de los monosacáridos pueden ser
divididos en dos grupos, los cuales difieren en la configuración alrededor del
centro quiral más lejano del carbono carbonílico (carbono de referencia).
Tomemos como ejemplo al gliceraldehído (en fórmulas de proyección de
Fisher):
CHO
CHO
H
C
OH
CH2OH
D-glicerladehído
HO
C
H
CH2OH
L-glicerladehído
33
Figura: representación de los isómeros D y L del gliceraldehído.
Aquellos carbohidratos con la misma configuración en su carbono de
referencia que el D-gliceraldehído, son designados como isómeros D (el OH del
carbono de referencia está a la derecha), y aquellos con la configuración del Lgliceraldehído, son isómeros L (el OH del carbono de referencia está a la
izquierda). Por ejemplo, de las 16 posibles aldohexosas, 8 de ellas son D y las 8
restantes L. Muchas de las hexosas que se encuentran en los organismos
vivientes son isómeros tipo D, lo que indica inmediatamente, la
estereoespecificidad de las enzimas que las utilizan como substrato.
Los monosacáridos poseen actividad óptica y desvían el plano de la luz
polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda, esta propiedad puede ser
cuantificada en un polarímetro. Si la luz gira en sentido de las manecillas de
reloj, el compuesto es dextrorrotatorio (dextro: griego, derecha) y se designa con
el signo +. Si por el contrario, la luz gira en sentido opuesto a las manecillas del
reloj, es levorrotatorio (levo: griego, al contrario) y se designa con -. Los
enantiómeros giran el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas, pero
con magnitudes iguales. Una mezcal con la misma cantidad de + y – se
denomina racémica.
A los metabolitos que ocupan lugares de intersección en el metabolismo
se les denomina metabolitos de encrucijada. La glucosa-6-fosfato es uno de esos
metabolitos de encrucijada. Una vez que el alimento ha sido digerido y los
monosacáridos viajan por el torrente sanguíneo, deben ser transportados al
interior de todas las células de todos los tejidos del cuerpo. Una vez que esto ha
sucedido la mayoría de ellos serán transformados y fosforilados para producir
glucosa-6-fosfato, que puede ser inmediatamente utilizada en la vía anaerobia
de la glucólisis o bien una vez abastecida la demanda energética o los
esqueletos de carbono para fabricar otras biomoléculas, la glucosa-6-fosfato
puede ser utilizada para almacenar unidades de glucosa en el glucógeno que se
almacena principalmente en el hígado y músculo esquelético.
34
La mayoría de los carbohidratos en los mamíferos se obtienen de la
dieta, entre estos se encuentran polisacáridos como el almidón, la celulosa y
dextrinas (productos de la hidrólisis incompleta del almidón que con yodo se
tiñen rojo, el almidón por el contrario, azul) y disácaridos como la sacarosa
(fructofuranósido de glucopiranósido o simplemente azúcar de mesa) que esta
formada por una molécula de glucosa (una piranosa) y otra de fructosa (una
furanosa).
La función más importante de la saliva es humedecer y lubricar el bolo
alimenticio, desde el punto de vista digestivo es importante por contener a la
amilasa salival o ptialina, enzima que hidroliza diversos tipos de polisacáridos.
El pH de la saliva es cercano a la neutralidad, por lo que en el estómago esta
enzima se inactiva totalmente, de tal suerte que los carbohidratos no sufren
modificaciones de importancia en este órgano. Es hasta el intestino donde los
disacáridos y los polisacáridos deben ser hidrolizados en sus unidades
monoméricas para poder atravesar la pared intestinal y tomar así el torrente
sanguíneo para llegar a las células e ingresar al interior para ser utilizados en
cualquiera de las funciones en que participan (energética, de reconocimiento,
estructural o como precursor de otras moléculas). En el duodeno se vierte el
jugo pancréatico que contiene entre otros muchos elementos, amilasa
pancreática (Su pH óptimo es de 7.1 y rompe al azar los enlaces alfa,1-4 del
almidón), diastasa o amilopsina, esta última muy parecida a la enzima salival.
En la digestión de los carbohidratos intervienen diferentes enzimas que
desempeñan cada una funciones diferentes y que por tanto, tienen
especificidades diferentes. Para romper las ramificaciones se necesita a la amilo1-6-glucosidasa.
La reacción de hidrólisis, consiste en el rompimiento de uniones
covalentes por medio de una molécula de agua. La hidrólisis de un enlace
glucosídico se lleva a cabo mediante la disociación de una molécula de agua. El
hidrógeno del agua se une al oxígeno del extremo de una de las moléculas de
azúcar; el OH se une al carbono libre del otro residuo de azúcar. El resultado de
esta reacción, es la liberación de un monosacárido, dos si la molécula
hidrolizada fue un disacárido o bien el polisacáridon-1, dependiendo de la
molécula original.
Los carbohidratos son las biomoléculas más abundantes en la tierra. Por
ejemplo, cada año la fotosíntesis transforma más de 100 x 109 toneladas de CO2
y H2O en celulosa y otros derivados. Algunos carbohidratos como el azúcar
común y el almidón, son parte de la dieta en muchas partes del mundo y su
oxidación es un proceso central a partir del cual deriva mucha energía en
células de organismos no fotosintéticos. Los carbohidratos poliméricos
insolubles en agua funcionan como elementos de protección y estructura de la
35
pared celular de plantas y bacterias y de los tejidos conectivos de los animales.
Otros polímeros de carbohidratos lubrican las articulaciones del esqueleto de
los vertebrados y participan en el reconocimiento y adhesión de las células.
Otros polímeros de carbohidratos más complicados se encuentran unidos de
manera covalente a lípidos y proteínas actuando como señales que determinan
la localización intracelular o el destino metabólico de estas biomoléculas
híbridas denominadas genéricamente como glicoconjugados.
Dentro de los procesos económico-industriales de interés humano sobre
los carbohidratos, se encuentra el proceso de la fermentación. En este proceso
que incluye todos los pasos de la glucólisis, aunque el producto final –piruvatoes degradado a etanol y CO2. La fermentación es un proceso que se lleva a cabo
en ausencia de oxígeno por levaduras y otros microorganismos, que son
utilizados en la industria para fermentar los carbohidratos derivados de
múltiples fuentes. Es así como se obtienen múltiples productos como cerveza,
vino y tequila.
Glucogenólisis
Enzimas: glucosa fosforilasa, desramificante y fosfoglucomutasa.
fosforolisis del glucógeno para dar glucosa-1-fosfato
La glucosa-1-fosfato se isomeriza a glucosa-6-fosfato
La glucosa-6-fosfato puede ser utilizada en la glucólisis, la vía de las pentosas
fosfato o para mantener la glicemia (concentración fisiológica de glucosa
en
sangre)
En el proceso se lleva a cabo una cascada de fosforilaciones generada por la
síntesis de cAMP.
La unión alfa,1-6 detiene a la fosforilasa, en ese momento actúa una
enzima con doble actividad, por una parte es transferasa, desprende las tres
unidades de glucosa terminales de la rama y las transfiere a otra rama de
glucógeno, posteriormente utiliza su actividad de amilo-1,6-glucosidasa
hidrolizando el residuo en posición 1,6 con el cual trabaja la fosforilasa.
Glucógeno:
El glucógeno es el polisacárido principal de reserva en las células
animales, es equivalente al almidón de los vegetales. Abunda en el hígado,
aproximadamente es el 10 % de su peso, en el músculo es de entre 1 y 2 % en
36
los hepatocitos, hay gránulos que son agrupaciones de moleéculas simples
muy ramificadas.
A semejanza de la amilopectina resta formado por D-glucosa con enlaces
alfa,1-4, pero esta mas ramificado y es mas compacto. Las ramificaciones están
formadas por entre 8 y 12 residuos en posiciones alfa, 1-6. Esta macromolécula
puede aislarse de los tejidos con soluciones calientes de KOH.
El glucógeno se forma a partir de la unión de una unidad de glucosa a
una proteína, la glucogenina que ayuda a estabilizar a la primera molécula de
glucógeno para que se pueda dar el primer enlace alfa,1-4.
Glucólisis:
La glucólisis fue la primera vía metabólica que se describió, Eduard
Buchner en 1897 estudio la fermentación de la glucosa en extractos de
levaduras. En 1941 Fritz Lipmann y Herman Kalkar describieron las funcioness
de los compuestos de alta energía como el ATP en el metabolismo. Con la
purificación de enzimas y experimentos en bacterias y levaduras se describieron
las reacciones de esta vía metabólica. Las funciones de los cofactores como el
NAD+ y de las moléculas fosforiladas, se describieron por primera vez en la
glucólisis.
Fermentación:
Es el proceso de aprovechamiento de la glucosa en ausencia de O 2, el
objetivo final de este proceso es la formación de ATP para realizar trabajo. La
vida se originó en ausencia de O2 por lo que esta vía esta considerada como la
mas primitiva y esta presente en todos los organismos.
Para que la vida de los mamíferos pueda llevarse a cabo adecuadamente,
es necesario un aporte constante de glucosa al torrente sanguíneo. La glucosa es
la fuente de energía preferida por el cerebro y por células que carecen de
mitocondrias o tienen muy pocas como los eritrocitos maduros. La glucosa es
37
también esencial como fuente de energía para el músculo en ejercicio en donde
es el sustrato de la glucólisis en el citoplasma anaerobio.
La glucosa sanguínea puede ser obtenida a través de tres fuentes: la
dieta, la degradación del glucógeno y la síntesis de novo de la misma
(gluconeogénesis):
Glucosa
Utilizada 40 - Glucosa de la dieta
(gramos/hora)

20 Glucógeno
Gluconeogénesis
10 -

0
40
8


horas

16
24

2

20
Días
Figura: fuentes de abastecimiento de la glucosa.
La ingesta de la glucosa y de sus precursores como el almidón,
monosacáridos (fructosa) y disacáridos (lactosa, manosa y sacarosa), es
esporádica y no siempre es un aporte directo de glucosa a la sangre (piénsese
por ejemplo en la intolerancia a la lactosa). Por el contraste, la gluconeogénesis
puede proveer una síntesis continua de glucosa, pero tiende a ser lenta en la
respuesta a la falta de glucosa sanguínea. Este problema se ha resuelto al
almacenar grandes cantidades de glucosa que pueden ser mobilizadas de
manera muy rápida, a partir del glucógeno. La ausencia de glucosa en la dieta
provoca la rápida liberación a partir del glucógeno previamente almacenado en
el hígado. De manera similar el glucógeno almacenado en el músculo es
degradado durante el ejercicio. Cuando disminuye la reserva de glucógeno,
algunos tejidoss sintetizan glucosa de novo utilizando los esqueletos de los
aminoácidos de las proteínas como fuente de Carbono para hacer glucosa.
Estructura y función del glucógeno.
Los almacenes principales de glucógeno en el cuerpo de los mamíferos
son el músculo esquelético y el hígado; en muchas otras células se almacena en
muy bajas cantidades. La misión del glucógeno en el músculo es proveer de la
fuente necesaria para producir ATP durante la contracción muscular. Por el
38
contrario el glucógeno hepático se utiliza para mantener los niveles de glucosa
sanguínea en los eventos tempranos del ayuno.
Cantidades de glucógeno en hígado y músculo.
Aproximadamente 1 ó 2 % del peso húmedo del músculo en reposo de
un adulto bien alimentado, unos 400 g, son glucógeno; por el contrario, en el
hígado, unos 100 g son glucógeno, entre el 6 y 8 % de su peso húmedo. No se
sabe la razón metabólica para estas cantidades, pero en algunas enfermedades
del almacenamiento de glucosa, la cantidad en hígado y músculo puede ser
significativamente mayor.
Estructura del glucógeno
Una molécula de glucógeno puede llegar a tener una masa molecular de
Da. Estas moléculas están almacenadas en gránulos citoplásmicos que
contienen la mayoría de las enzimas necesarias para su síntesis y degradación.
El glucógeno es una cadena ramificada de exclusivamente alfa-D-glucosa.
108
Los enlaces glucosídicos principales son alfa-1,4, cada intervalo de entre
8 y 10 residuos enlazados en esta forma, hay uno enlazado en posición alfa-1,6,
a esto se le conoce como una ramificación.
39
Figura: representación de la estructura del glucógeno.
Fluctuaciones de las reservas de glucógeno.
El glucógeno del hígado se incrementa durante el estado de buena
alimentación y es disminuido durante el ayuno. El glucógeno muscular no es
afectado por periodos pequeños de ayuno (algunos días) y es solo
moderadamente disminuido en periodos de ayuno prolongados (semanas). El
glucógeno del músculo es regenerado como respuesta a periodos de consumo
de energía elevados, por ejemplo después del ejercicio. La síntesis y
degradación del glucógeno son procesos concomitantes, las diferencias entre las
velocidades de estos procesos determina los niveles de glucógeno almacenado
durante situaciones metabólicas específicas.
40
Lípidos
Los lípidos son un grupo de sustancias heterogéneo que no se disuelven
en el agua o en disolventes polares, pero si en no polares como el cloroformo,
eter o benceno, esta característica le confiere muchas de sus propiedades y
permite la multiplicidad de sus funciones, las cuales van desde el metabolismo
energético hasta las funciones estructurales.
Los componentes mas abundantes de los lípidos son los ácidos grasos, y
su papel biológico principal es servir como combustible metabólico para la
célula. Los ácidos grasos se ingieren y se almacenan
en forma de
triacilgliceroles para servir como deposito de energía. Cuando hay una
demanda de energía, se liberan y circulan en la sangre por todo el organismo.
En los tejidos animales se denominan grasas y son sólidos a temperatura
ambiente (como la mantequilla) porque en ellos predominan ácidos grasos
saturados. En las semillas de las plantas son los aceites (por ejemplo aceite de
oliva o de maíz) y contienen principalmente ácidos grasos insaturados y por
ellos son líquidos a temperatura ambiente. (1)
Los triacilgliceroles desempeñan tres funciones biológicas principales; la
producción de energía, la producción de calor y el aislamiento. Se almacenen en
forma de gotas oleosas en el citoplasma de las células vegetales y animales. Los
adipositos son un ejemplo de células animales especializadas en el
almacenamiento de grasas (1).
Las ceras son otro ejemplo de lípidos no polares, forman la cubierta
protectora de las hojas de las plantas, lubrican la piel y sirven de repelente al
agua en las plumas de las aves. (2). La cera de abeja y la lanolina obtenida de la
lana de cordero y utilizada como suavizante de la piel y en preparados de
cosméticos, son ejemplos de ceras comercialmente importantes. (2)
Los lípidos polares tienen una función biológica distinta, ya que
combinados con proteínas sirven para construir las membranas biológicas. (2).
Los glicerofosfolípidos, también nombrados fosfoglicéridos son constituyentes
importantes de las membranas en los reinos monera, vegetal y animal.(1) Los
esfingolípidos son otro grupo de lípidos polares presentes en las membranas,
entre estos destacan las ceramidas, las esfingomielinas (presente en la
membrana y característico de la vaina de mielina de los axones nerviosos) y los
glucoesfíngolípidos (frecuentes en las membranas del cerebro y de las células
nerviosas, y participantes en el reconocimiento de las superficies celulares, la
especificidad de la asociación celular en los tejidos y la transmisión de impulsos
nerviosos). (2). Los glucoglicerolípidos son lípidos estructurales de las
membranas animales, están muy extendidos en las membranas vegetales,
principalmente en las cloroplásticas en donde forma mas del 50% de los lípidos
41
que la componen, también son abundantes en las membranas de las
arqueobacterias.(1)
Otro grupo de lípidos que presentan importantes funciones en la células
son los esteroides, el colesterol es el mejor esteroide conocido, es precursor de la
síntesis de muchas hormonas esteroideas (como el estradiol, la testosterona y el
cortisol), así como de ácidos biliares. (2).
Los eicosanoides comprenden a las prostaglandinas, los tromboxanos y
los leucotrienos son una clase de lípidos que se caracterizan por ejercer una
acción local de tipo hormonal y por su baja concentración. Influyen en las
funciones de la reproducción, regulan la coagulación y la presión sanguínea,
participan en la generación de inflamación, fiebre y dolor asociados a lesiones y
enfermedades, regulan la temperatura y el ciclo sueño- vigilia en los humanos y
otros animales. (2).
En las plantas, los terpenos constituyen un grupo abundante de aceites
vegetales, son los responsables de los aromas y sabores específicos de las
plantas. (2). Algunos lípidos especiales tambien funcionan como vitaminas,
feromonas y transportadoras de electrones (ubiquinona o coenzima Q,
plastoquinona y menaquinona). (2).
A continuación se hace una análisis de la información básica de los lípidos, la
información fue tomada de la siguiente fuente.
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5) Mathews, C,K., K.E. van Holde y K.G. Ahern. 2002. Bioquímica. Addison
Wesley. Madrid España. 1333 pag.
6) Boyer, R. 2000. conceptos de bioquímica. International Thomson
Editores. México. D.F. 694 pag.
Los lípidos, son un grupo de compuestos químicamente diversos,
solubles en solventes orgánicos (como cloroformo, metanol o benceno), y casi
insolubles en agua. La mayoría de los organismos, los utilizan como reservorios
de moléculas fácilmente utilizables para producir energía (aceites y grasas). Los
mamíferos, los acumulamos como grasas, y los peces como ceras; en las plantas
se almacenan en forma de aceites protectores con aromas y sabores
característicos. Los fosfolípidos y esteroles constituyen alrededor de la mitad de
la masa de las membranas biológicas. Entre los lípidos también se encuentran
cofactores de enzimas, acarreadores de electrones, pigmentos que absorben luz,
agentes emulsificantes, algunas vitaminas y hormonas, mensajeros
intracelulares y todos los componentes no proteícos de las membranas
celulares.
Los lípidos, pueden ser separados fácilmente de otras biomoléculas por
extracción con solventes orgánicos y pueden ser separados por técnicas
experimentales como la cromatografía de adsorción, cromatografía de placa fina
y cromatografía de fase reversa.
La función biológica más importante de losa lípidos es la de formar a las
membranas celulares, que en mayor o menor grado, contienen lípidos en su
estructura. En ciertas membranas, la presencia de lípidos específicos permiten
realizar funciones especializadas, como en las células nerviosas de los
mamíferos. La mayoría de las funciones de los lípidos, se deben a sus
propiedades de autoagregación , que permite también su interacción con otras
biomoléculas. De hecho, los lípidos casi nunca se encuentran en estado libre,
generalmente están unidos a otros compuestos como carbohidratos (formando
glucolípidos) o a proteínas (formando lipoproteínas).
Estas importantes biomoléculas se clasifican generalmente en:
Lípidos saponificables
Estas moléculas se hidrolizan en soluciones alcalinas produciendo ésteres de
ácidos grasos. Saponificación deriva del método antiguo para la producción de
43
jabón, que es una sal sódica o potásica de un ácido carboxílico de cadena larga
(R=C13-C19):
Figura: reacción de saponificación.
A este grupo
esfingolípidos y ceras.
pertenecen
los
acilgliceroles,
fosfoacilgliceroles,
Lípidos no saponificables.
Estos lípidos, no sufren hidrólisis alcalina como en le caso de aquellos
que si son saponificables. A este grupo pertenecen los terpenos, esteroides y
prostaglandinas y todos los compuestos relacionados.
Además de los anteriores, existen lípidos anfipáticos en cuya molécula
existe una región polar opuesta a otra apolar. Estos lípidos forman las bicapas
lipídicas de las membranas celulares y estabilizan las emulsiones (liquido
disperso en un líquido).
Los ácidos grasos de importancia biológica, son ácidos monocarboxílicos
(ej. Ác laurico: CH3(CH2)10COOH) de cadenas alifáticas de diverso tamaño y
que pueden contener o no insaturaciones:
Los ácidos grasos naturales insaturados (líquidos a temperatura
ambiente), son isómeros geométricos cis que pueden ser monoinsaturados (ej.
Ácido oleíco (ácido 9-octadecenoíco) CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) o
poliinsaturados (ej. Ácido araquidónico (ácido 5,8,11,14-eicosatetraenoico)
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH).
44
Figura: representación del ácido oleico.
Los ácidos grasos poliinsaturados, desde el punto de vista nutricional se
consideran como esenciales pues no son sintetizados por los mamíferos;
fisiológicamente, se encuentran formando sales o jabones (formando micelas).
Los ácidos grasos de cadena larga, insolubles en agua, forman ésteres con
alcoholes y tioésteres con la coenzima A. Compuestos de importancia biológica
como las prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, son derivados de ácidos
grasos poliinsaturados de 20 carbonos como el ácido araquidónico.
En los acilgliceroles (o acilglicéridos), uno o más de los grupos hidroxilo
(OH) de la molécula de glicerol, están esterificados de ahí que se dividan en
monoacil, diacil y triacilgliceroles; en estos últimos, todos los hidroxilos del
glicerol (3), están esterificados con ácidos grasos. Estos ácidos grasos pueden
ser iguales entre ellos o diferentes y dependiendo de la longitud de las cadenas
que esterifican al glicerol y de su grado de insaturación, los triacilgliceroles
(triacilglicéridos), se dividen en grasas (sólidas) o aceites (líquidos). Estas
moléculas, son hidrofóbicas y no forman micelas.
Cadenas hidrocarbonadas que varían en su longitud:
(CH3(CH2)nCOOH;
n:
14
16
18
20
22
24
12
ácido laurico;
dodecanoico
ácido miristico;
tetradecanoico
ácido palmitico;
hexadecanoico
ácido estearico;
octadecanoico
ácido araquidico; eicosanoico
ácido behenico;
docosanoico
ácido lignocerico; tetracosanoico
45
Los ácidos grasos también varían de acuerdo a su grado de instauración,
sus propiedades físicas varían con esta propiedad.
CH3(CH2)nCH=CH(CH2)nCOOH
n:
16:1
18:1
18:2
18:3
ácido palmitoleico; 9-hexadecenoico
ácido oleico; 9-octadecenoico
ácido linoleico; 9,12-octadecadienoico
( ó ) ácido alfa-linolenico; 9,12,15- octadecatrienoico ó
ácido
gama-linolenico; 6,9,12- octadecatrienoico
20:4 araquidónico; 5,8,11,14-eicosatetraenoico
20:5 EPA; ácido 5,8,11,14,17-eicosapentanoico
24:1 ácido nervonico; 15-tetracosenoico; octadecatrienoico
Estos lípidos consisten de una molécula de glicerol que está
triesterificada; su principal función es la reserva energética.
Figura: representación de las moléculas de glicerol y triacilgicérido
Los grupos R son ácidos grasos.
Los triacilglicéridos (TAG) (triacilgliceroles o grasas), son la reserva
principal de energía metabólica en animales y el 90 % de la ingesta de lípidos.
O
CH2 O C
O
16
46
Figura: representación de un TAG
Al igual que la glucosa, son metabólicamente oxidados a CO 2 y agua,
muchos de sus átomos tienen estados de oxidación más bajos que los de la
glucosa, su metabolismo oxidativo rinde el doble de la energía que una
cantidad igual de carbohidratos o proteínas en peso seco.
H (kcal/g peso seco)
Carbohidratos
66.994
Grasas
154.808
Proteínas
71.128
Las grasas se almacenan en ambientes anhidros. El glucógeno se
almacena en forma hidratada, la cual contiene aproximadamente el doble de su
peso seco, por lo tanto las grasas proveen más de seis veces la energía
metabólica que el mismo peso de glucógeno hidratado.
Las enzimas digestivas de los TAGs son hidrosolubles, su digestión se
lleva a cabo en interfases lípido-agua. La velocidad de este proceso, depende
entonces del área superficial de la interfase, la cual se incrementa por los
movimientos peristálticos del intestino combinados con la emulsificación de los
ácidos biliares (detergentes digestivos sintetizados en el hígado y llevadas al
intestino delgado en donde la digestión y absorción lipídica se lleva a cabo).
La lipasa pancreática (TAG lipasa; estructura tridimensional resuelta),
hidroliza a los TAG en posición 1 y 3 formando secuencialmente 1,2diacilglicerol y 2-acilglicerol y las sales de Na+ y K+ de los ácidos grasos
(jabones que ayudan a la emulsificación).
47
La TAG lipasa presenta activación superficial i.e. su actividad se
incrementa al entrar en contacto con la interfase lípido-agua, no se une a la
interfase, está en contacto con la colipasa (1:1). El sitio catalítico de la enzima,
residuos 1-336 (tiene 449) contiene una triada parecida a la que se encuentra en
la serin proteasas (Ser, His y Asp) y la enzima sufre un cambio conformacional
para realizar su catálisis.
Los fosfolípidos son degradados por la fosfolipasa pancreática A2
(estructura tridimensional resuelta en veneno de cobra y de abeja), la cual por
hidrólisis corta en la posición 2 del glicerol para dar el lisofosfolípido
correspondiente, el cual es también un detergente. De hecho la lecitina
(fosfatidilcolina) es secretada en la bilis presumiblemente para ayudar a la
digestión de lípidos. La reacción se lleva preferencialmente en interfases al igual
que la TAG lipasa, pero ésta no lleva a cabo un cambio conformacional en la
catálisis, contiene un poro o canal, por medio del cual el substrato llega al sitio
catalítico. En vez de triada catalítica, contiene una diada (His y Asp) junto con
una molécula de agua
-
Fosfolipasa A1
O
O
O
CH2 O C R1
R2 C O CH
O
CH2 O P O X
Fosfolipasa C
H2O
R2 C OH
Fosfolipasa A2
O
CH2 O C R1
HO CH
O
CH2 O P O X
Fosfolipasa D
LISOFOSFOLÍPIDO
FOSFOLIPÍDO
Figura: Sitios de acción de las fosfolipasas.
Los productos de la digestión de los lípidos, son absorbidos por las
células de la mucosa intestinal (en el intestino delgado) el proceso es facilitado
por los ácidos biliares que ayudan a formar micelas. Organismos con los
conductos biliares obstruidos absorben muy poca cantidad del total de la dieta
lipídica, pero eliminan formas hidrolizadas de éstos en las heces (a este
trastorno se le conoce como ESTEATORREA). Los ácidos biliares son esenciales
para el transporte de los productos de la digestión de los lípidos, no sólo para
su degradación, así mismo son necesarios para el transporte de vitaminas
liposolubles (A,D,E y K).
48
Dentro de las células intestinales, los ácidos grasos forman un complejo
con la proteína intestinal que une ácidos grasos (I-FABP; estructura
tridimensional resuelta) incrementa la solubilidad de éstas moléculas y protege
contra la acción detergente de las mismas.
Los productos de la digestión de los lípidos que son absorbidos por la
mucosa intestinal, son transformados en TAG y empacados en partículas de
lipoproteínas llamadas QUILOMICRONES o bien en lipoproteínas de muy baja
densidad (VLDL) en el hígado. Estas partículas se liberan al torrente sanguíneo
vía el sistema linfático para llegar a todos los tejidos.
Los componentes de los quilomicrones y las VLDL son hidrolizados a
ácidos grasos libres y glicerol en los capilares del tejido adiposo y músculo
esquelético por la acción de la lipoproteína lipasa, entonces los ácidos grasos
libres pueden ser utilizados y/o almacenados, mientras que el glicerol es
transportado al hígado o riñón en donde es transformado en DHAP por la
reacción secuencial de la glicerol cinasa y la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa.
H
OH
H
HO
H
H
H
H
O
H Glicerol cinasa
H
OH
Glicerol
ATP
ADP
H
OH
NADH + H +
H
H
2O PO 3
Glicerol-3-fosfato
G3P
NAD +
H
H
Glicerol
fosfato
deshidrogenasa
OH
O
TPI
PO32DHAP
H
O
H
OH
PO32GAP
Figura: destino del glicerol de los TAG´s hidrolizados
La mobilización de los TAG almacenados en el tejido adiposo necesita de
su hidrólisis para generar glicerol y ácidos grasos libres, esta reacción es
catalizada por la TAG lipasa sensible a hormonas. Los ácidos grasos libres son
liberados al torrente sanguíneo en donde se unen a la ALBÚMINA (monómero
65 kD que representa la mitad de la proteína sérica). En ausencia de esta
proteína, la solubilidad de los ácidos grasos libres es del orden de 10 -6 M, por
arriba de esta concentración, forman micelas y son detergentes (pueden destruir
la estructura de las membranas celulares). En complejo con albúmina, su
solubilidad es de 2 mM. Hay organismos que presentan muy poca albúmina en
sangre (ANALBUMINEMIA), no presentan graves síntomas, sus ácidos grasos
son evidentemente transportados por otras proteínas séricas.
49
Componentes principales de las membranas, consisten de un glicerol-3fosfato esterificado en C1 y C2 por ácidos grasos y en el grupo fosforil con un
grupo X polar que es generalmente un derivado de un alcohol (X= agua: ácido
fosfatídico; X= etanolamina: fosfatidiletanolamina; X= colina: fosfatidilcolina
(lecitina); X= serina: fosfatidilserina; X= myo-inositol: fosfatidilinositol; X=
glicerol: fosfatidilglicerol y X= fosfatidilglicerol: difosfatidilglicerol
(cardiolipina)).
Figura: representación del glicerol-3-fosfato y glicerofosfolípido.
El grupo X polar derivado de un alcohol puede ser igual a: X= agua:
ácido fosfatídico; X= etanolamina: fosfatidiletanolamina; X= colina:
fosfatidilcolina (lecitina); X= serina: fosfatidilserina; X= myo-inositol:
fosfatidilinositol; X= glicerol: fosfatidilglicerol y X= fosfatidilglicerol:
difosfatidilglicerol (cardiolipina)).
Los plasmalógenos son fosfoglicéridos en los que el glicerol fosfato tiene
unido en el C1, mediante un enlace tipo éter, un alcohol de cadena larga.
Comúnmente, la parte polar de los plasmalógenos es etanolamina, colina o
serina.
50
Figura: un plasmalógeno.
Los esfingolípidos, son componentes importantes de las membranas,
derivados del aminoalcohol insaturado esfingosina o dihidroesfingosina (C18).
Figura: la esfingosina
Este alcohol, se une a un ácido graso de cadena larga por medio de un
enlace amina para formar una ceramida.
Las ceramidas, se encuentran en pequeñas cantidades en los tejidos de
plantas y animales, pero dan origen a los esfingolípidos más abundantes:
51
Figura: una ceramida.
Las esfingomielinas, son los esfingolípidos más comunes; son ceramidas
esterificadas con fosforilcolina o fosforiletanolamina. Aunque las
esfingomielinas difieren
químicamente de la fosfatidilcolina y la
fosfatidiletanolamina, sus conformaciones y distribuciones de carga son muy
similares. La mielina que rodea y aísla eléctricamente a muchos axones en las
neuronas del tejido nervioso, es particularmente rica en esfingomielinas.
Figura: la esfingomielina
Cuando las ceramidas se combinan con un azúcar forman a los
glucoesfingolípidos, que se dividen en: cerebrósidos (o glucoesfingolípidos), son los
esfingolípidos más simples, su cabeza polar consiste de una unidad de azúcar.
Los galactocerebrósidos, que se encuentran en las membranas celulares
neuronales del cerebro, tienen una cabeza polar de -D galactosa.
52
Figura: un galactocerebrósido
Los glucocerebósidos, que también tienen un residuo de -D galactosa se
encuentran en membranas celulares de otros tejidos. A diferencia de los
fosfolípidos, los cerebrósidos carecen de grupos fosfato y por lo tanto, son
frecuentemente compuestos no ionicos.
Los residuos de algunos
galactocerebrósidos están sulfatados en la posición 3 formando compuestos
conocidos como sulfátidos.
Los gangliósidos son el grupo más complejo de los esfingolípidos. Son
oligosacáridos de ceramidas que incluyen entre sus residuos de azúcar al menos
un residuo de ácido siálico (ácido N–acetilneuramínico (NAM) y sus
derivados). Los gangliósidos son componentes primarios de la superficie de las
membranas
celulares
y
constituyen
una
fracción
significativa
(aproximadamente 6%) de los lípidos del cerebro, en otros tejidos, están
presentes en cantidades mucho menores.
Figura: ácido siálico.
53
Las ceras son lípidos completamente insolubles en agua; se encuentran
en la superficie de plantas y animales, donde funcionan como
impermeabilizante, están constituidas
por ácidos grasos esterificados
(generalmente con número par de átomos de carbono) a alcoholes de cadena
larga (de 10 a 30 carbonos). Los ácidos grasos que forman parte de estos lípidos,
pueden ser ramificados, insaturados o formar anillos.
Se encuentran en la mayoría de los organismos, pero constituyen el
grupo más abundante de los aceites vegetales, de hecho son los responsables de
los aromas y sabores específicos de las plantas, mientras mayor sea la cantidad
de oxígeno en la molécula, mayor será su aroma. Estos compuestos, se forman a
partir del ispreno (unidad de 5 átomos de carbono); pueden contener desde una
hasta ocho unidades. Las unidades pueden arreglarse linealmente (como en el
escualeno) o cíclicamente (como en la limonina). Dentro de los terpenos se
clasifica a los carotenoides que son tetraterpenos muy importantes en los
mamíferos, especialmente el -caroteno que es precursor de la vitamina A (11cis-retinal). También las vitaminas liposolubles D (colecalciferol) y K son
consideradas como terpenos.
Los esteroides, son lípidos simples no saponificables, en su mayoría de
origen eucarionte, derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno
Figura: la molécula del ciclopentanoperhidrofenantreno
54
El colesterol es el esteroide más abundante en los animales, se clasifica
como un esterol por la presencia de un hidroxilo (OH) en el C3 y su cadena
lateral alifática de 8 a 10 átomos de carbono.
Figura: la molécula del colesterol
El colesterol, es un componente mayoritario de las membranas
plasmáticas animales y se encuentra en menor cantidad en las membranas de
los organelos. El grupo OH en la molécula, le da un débil carácter anfífilo y el
núcleo esteroide, es una estructura no polar, rígida y planar. Por lo tanto, es un
determinante importante de las propiedades de la membrana. Este esteroide, es
abundante también en lipoproteínas del plasma sanguíneo, en donde
aproximadamente el 70% de este es esterificado por ácidos grasos de cadena
larga para formar ésteres de colesterol.
EL colesterol es el precursor metabólico de las hormonas esteroides, que
son substancias que regulan una gran variedad de funciones fisiológicas, que
incluyen el desarrollo sexual y el metabolismo de los carbohidratos. El papel del
colesterol en enfermedades cardiovasculares (link hormonas esteroides).
Las plantas contienen muy poco colesterol. Entre los esteroles que se
encuentran comúnmente en sus membranas se encuentran el estigmasterol y el
-sitosterol, que difieren del colesterol solo en las cadenas alifáticas. Las
levaduras y hongos contienen otros esteroles en sus membranas como el
ergosterol que tiene un doble enlace (C7-C8). Los procariontes no contienen en
sus membranas ningún esterol, excepto los micoplasmas.
Los derivados del colesterol son: los ácidos biliares, las hormonas
esteroides –estrógenos, progestágenos, glucocorticoides, mineralocorticoides y
andrógenos- y la vitamina D, que deriva del colesterol aunque propiamente no
es un esteroide.(link)
55
Dentro de las estructuras que pueden formar los lípidos, se encuentran
las MONOCAPAS, BICAPAS, LIPOSOMAS Y MICELAS. Además de las
membranas celulares.
Muchas biomoléculas, contienen tanto grupos polares (o cargados
iónicamente) como regiones apolares, por lo tanto son simultáneamente
hidrofílicas e hidrofóbicas. Estas moléculas, como los iones de ácidos grasos (ej.
Palmitato: C15H31COO-) se conocen como anfifílicas (anfífilos o anfipáticos) del
griego amphi, ambos + pathos, pasión.
¿Cómo interactúan los anfifílos con un solvente acuoso? El agua tiende a
hidratar la porción hidrofílica del anfífilo, pero simultáneamente tiende a
excluir a la porción hidrofóbica. Por lo tanto, los anfifílos tienden a formar
agregados dispersos ordenados estructuralmente.
Dentro de las estructuras que pueden formar los lípidos, se encuentran
las MONOCAPAS, BICAPAS, LIPOSOMAS Y MICELAS. Además de las
membranas celulares.
En soluciones acuosas, las moléculas anfifílicas como los detergentes y
los jabones, forman micelas, que son agregados globulares de miles de
moléculas de anfifílos cuyos grupos hidrocarbonados están que lejos del
contacto del agua y la parte polar en contacto directo con las moléculas de agua
a través de puentes de hidrógeno. Este arreglo molecular elimina los contactos
desfavorables entre el agua y las partes hidrofóbicas de los anfífilos
permitiendo la solvatación de los grupos polares. La formación de micelas, es
un proceso cooperativo, pocas moléculas de anfífilo no pueden alejar sus colas
hidrofóbicas del agua, consecuentemente, soluciones diluidas de anfífilos, no
pueden formar micelas. Hasta que la concentración de anfífilo sobrepase la
concentración micelar crítica (cmc) sucede la formación de micelas. El valor de
la cmc depende del anfífilo y de las condiciones de la solución que lo contiene.
Los lípidos de cadenas hidrocarbonadas sencillas tienden a formar micelas.
Los gliceofosfolípidos y los esfingolípidos tienden a formar bicapas, las
formas de estos lipidos es aproximadamente rectangular, esta propiedad hace
que se agreguen en micelas discoidales, llamadas bicapas lipídicas.
Una suspención de fosfolípidos en agua forma vesículas multilamelares
con un arreglo parecido al de la cebolla, que están formadas por bicapas
lipidicas. Después de sonicar (agitación por vibraciones ultrasónicas), estas
estructuras se rearreglan formando liposomas, que son vesículas selladas, llenas
de solvente que está rodeado por una sola bicapa. Con estos arreglos, se puede,
experimentalmente, preparar membranas biológicas, en estas membranas, se
56
pueden introducir proteínas para el estudio aislado del resto de los
componentes celulares de un solo sistema. A este arreglo se le llama entonces
proteoliposoma.
Figura: proteoliposomas.
Tomada de Edgar Vázquez-Contreras, Marietta Tuena de Gómez-Puyou, and Georges
Dreyfus. (1996). PROTEIN EXPRESSION AND PURIFICATION 7, 155–159
La barra corresponde a 100 nm
Las interacciones que estabilizan a las micelas o bicapas se conocen como
fuerzas hidrofóbicas o interacciones hidrofóbicas, para indicar que resultan de
la tendencia del agua a escluir a los grupos hidrofóbicos. A diferencia de los
puentes de hidrógeno, las interacciones hidrofóbicas son relativamente débiles
y carecen de orientación. De cualquier forma, las interacciones hidrofóbicas son
de suma importancia en los fenómenos biológicos, pues son responsables de la
integridad de las biomoléculas, así como de los agregados supramoleculares
como las membranas.
57
Proteínas
Las proteínas, como grupo de biomoléculas desempeñan una gran
variedad de funciones; unas transportan y almacenan moléculas pequeñas;
otras constituyen gran parte de la organización estructural de las células y los
tejidos. La contracción muscular, la respuesta inmunitaria y la coagulación de la
sangre se producen mediante proteínas, quizás las mas importantes de todas las
proteínas sean las enzimas, los catalizadores que facilitan la enorme variedad
de reacciones que canalizan el metabolismo en rutas esenciales. Para cumplir
esta diversidad de funciones cada tipo de célula en cada organismo posee
varios miles de clases de proteínas.(1)
La proteínas son extremadamente complejas, todas presentan
características comunes, están constituidas de aminoácidos, pero cada una tiene
una estructura funcional lógica y propia. (1) Los aminoácidos se seleccionan de
una reserva de 20 moléculas diferentes, cada una con una estructura química
distinta. Cada tipo de proteína tiene una estructura particular definida por la
secuencia de sus aminoácidos, la cual esta determinada genéticamente. La
información necesaria para incorporar los aminoácidos en la proporción y el
orden adecuado reside en la secuencia de bases de nucleótidos de un gen (una
región de ADN). La composición y secuencia de aminoácidos característicos de
cada proteína es lo que permite el plegamiento tridimensional de las proteínas,
para que se lleve a cabo la función para la cual fue diseñada. Y por la enorme
posibilidad de combinaciones en la composición y secuencia de aminoácidos las
proteinas pueden llevar a cabo funciones tan diversas como las citadas
previamente.(2)
Las diferentes proteínas se caracterizan por su peso molecular, secuencia
de aminoácidos y propiedades físicas particulares. Su estructura molecular
puede dividirse en primaria, que define la secuencia de aminoácidos;
secundaria que define los elementos estructurales repetidos regularmente; la
estructura terciaria que define la ordenación tridimensional completa y la
cuaternaria que define la asociación de dos o mas polipéptidos (2)
La secuenciación de aminoácidos de una proteína permite predecir su
estructura secundaria, terciaria y cuaternaria, y de los datos de la secuenciación
se obtiene información sobre el desarrollo evolutivo de la proteína, mutaciones
etc. A continuación se hace una análisis de la información básica de los
aminoácidos y las proteínas, la información fue tomada de la siguiente fuente.
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58
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7) Mathews, C,K., K.E. van Holde y K.G. Ahern. 2002. Bioquímica. Addison
Wesley. Madrid España. 1333 pag.
8) Boyer, R. 2000. conceptos de bioquímica. International Thomson
Editores. México. D.F. 694 pag.
Cuando los científicos pusieron atención a los eventos relacionados con
la nutrición, a principios del siglo XIX, rápidamente descubrieron que los
productos naturales contenían Nitrógeno, eran esenciales para la sobrevivencia
de los animales.
En 1839, G.J. Mulder, un químico alemán, acuñó el término proteína (del
griego proteios, que quiere decir primario). Los avances científicos y
tecnológicos de ese entonces, no permitieron conocer la composición de las
proteínas en sus monómeros, los aminoácidos, aunque el primer aminoácido
fue aislado de un ser vivo en 1930. Durante mucho tiempo se pensó que las
substancias que formaban a las plantas, incluyendo a las proteínas, se
incorporaban del todo en el cuerpo de los animales. Este malentendido se aclaró
cuando el procesos de la digestión quedó claro. Antes de determinar que en este
59
proceso las proteínas son degradadas en aminoácidos, los científicos volcaron
su atención a las propiedades nutricionales de esta biomoléculas.
Los experimentos con la dieta de los animales demostraron que el
contenido de aminoácidos de una proteína particular determina su contenido
nutricional. Por ejemplo algunas proteínas de cereales son deficientes en el
aminoácido Lisina, y los animales que se alimentan únicamente con estos
cereales presentan trastornos metabólicos. Para 1925, todas las estructuras de
los aminoácidos habían sido determinadas y su importancia en las proteínas
estaba ampliamente documentada.
Los estudios modernos de proteínas y aminoácidos nos han demostrado
la importancia de los aminoácidos en el metabolismo del Nitrógeno, esencial
para la vida.
Los experimentos de Stanley Miller y Harold Urey en 1953, en donde una
mezcla de H2O, CH4, NH3 y H2 se bombardeó durante una semana con rayos
UV y descargas eléctricas, todo esto en condiciones anoxigénicas, dio origen a la
generación de algunas moléculas solubles en agua, las cuales se muestran en la
siguiente Tabla
Compuesto
Ácido fórmico
Glicina
Ácido glicólico
Alanina
Ácido láctico
-alanina
ácido propiónico
ácido acético
ácido iminodiacético
ácido -amino-n-butírico
ácido -hidroxibutírico
ácido succinico
sarcosina
ácido
iminoaceticopropiónico
N-Metilalanina
Ácido glutámico
N-metilurea
Urea
Ácido aspártico
Ácido -aminoisobutírico
Rendimiento
(%)
4.0
2.1
1.9
1.7
1.6
0.76
0.66
0.51
0.37
0.34
0.34
0.27
0.25
0.1|3
0.07
0.051
0.051
0.34
0.24
0.007
0.007
60
Tabla: moléculas encontradas después de realizar el experimento de Miller y
Urey
Las moléculas resaltadas en verde, son constituyentes de las proteínas
Las proteínas son las moléculas más abundantes y diversas en cuanto a
función en los sistemas biológicos. Virtualmente, cada proceso de la vida
depende de esta clase de biomoléculas. Por ejemplo, las enzimas y hormonas
polipeptídicas dirigen y regulan el metabolismo, por el contrario las proteínas
contráctiles permiten el movimiento de los músculos. En el tejido óseo, la
proteína colágena permite que se impregnen cristales de fosfato de Calcio en los
huesos, lo cual es similar al esqueleto de metal que tiene una casa y el cual se
recubre con concreto; algo similar ocurre con el cristalino del ojo. En la sangre
está presente la albúmina que transporta a las grasas impidiendo su
acumulación en los canales por los cuales transita y también las
inmunoglobulinas o anticuerpos que ayudan a la detección y posterior
destrucción de agentes patógenos. La generación de energía en el cuerpo a
partir de las moléculas nutritivas contenidas en los alimentos, es extraída y
transformada por una serie de proteínas esenciales.
A pesar de la inmensa gama de funciones que estas macromoléculas
biológicas pueden tener, en realidad sólo son polímeros lineales de aminoácidos
que comparten características estructurales al adoptar una estructura
tridimensional y es precisamente la composición de aminoácidos la que permite
que exista esta diversidad. A partir de lo anterior debe quedar claro el papel
vital que juegan las propiedades de los aminoácidos para los sistemas vivientes.
Estructura de los aminoácidos.
Aunque se han encontrado mas de 300 diferentes aminoácidos en la
naturaleza, el análisis de un gran número de proteínas muestra que todas ellas
están formadas por 20 tipos de aminoácidos estándar (mencionados más
adelante). Estas moléculas poseen la siguiente composición:
61
Figura: características estructurales de los aminoácidos.
Se muestra la forma totalmente protonada.
Cada uno de los 20 aminoácidos (excepto la prolina), posee un grupo
carboxilo, uno amino y una cadena lateral, además de un átomo de Hidrógeno
todos ellos unidos a un átomo de Carbono central denominado  (alfa). Por ello,
estos compuestos orgánicos se conocen como -aminoácidos porque con
excepción de la prolina (que contiene un grupo amino secundario), los 19
restantes tienen un grupo amino primario, un substituyente ácido carboxílico
además de un hidrógeno y un substituyente diferente en el mismo átomo de
carbono.
Los aminoácidos pueden actuar como ácidos o bases, son anfolitos. Las
moléculas que contienen grupos de polaridad opuestas se conocen como
zwiteriones o iones dipolares.
De acuerdo con su composición, los aminoácidos son muy solubles en
agua y muy insolubles en solventes orgánicos.
Alrededor de pH 7.0, que es el valor fisiológico para la mayoría de los
seres vivos, el grupo carboxilo está disociado, formando al anión carboxilato
(COO-) y el grupo amino está protonado (NH3+):
Figura: equilibrio ácido-base en un aminoácido
62
En las proteínas, casi todos los grupos carboxilo y amino de los
aminoácidos que las componen, están combinados formando el enlace
peptídico y, por tanto, no están disponibles para participar en esta reacción de
disociación, solo participan en la estructura, formando puentes de Hidrógeno.
De acuerdo con lo anterior, es la naturaleza de las cadenas laterales la que al
final determina el papel que un aminoácido juega en una proteína. De ahí que
generalmente se clasifique a los aminoácidos de acuerdo a la naturaleza de su
cadena lateral.
Los carbonos  son centros ópticamente activos o quirales (de mano),
tienen cuatro substituyentes diferentes (este fenómeno no sucede en la glicina
cuyo grupo R es un átomo de Hidrógeno), que pueden ocupar dos diferentes
arreglos espaciales que son imágenes especulares (de espejo) no superponibles:
Figura: Imágenes especulares de la alanina
Cada una de estas estructuras se denominan isómeros ópticos,
enantiómeros o bien estereoisómeros y son ópticamente activas (pueden rotar el
63
plano de la luz polarizada en diferente dirección dependiendo del
estereoisómero que se trate).
Aquellos estereoisómeros que rotan el plano de la luz polarizada hacia la
izquierda se denominan levorrotatorios o L (de levo: izquierda), los que lo
hacen hacia la derecha se denominan dextrorrotatorios o D (dextro: derecha).
D-aminoácido
L-aminoácido
D-aminoácido
+
L-aminoácido
polarímetro
polarímetro
polarímetro
Figura X. Representación de la observación de isómeros ópticos en el
polarímetro.
El polarímetro es el aparato que ordena el plano de la luz en un solo
plano. Una muestra con igual cantidad del enantiómero L y D, no modifica el
plano de la luz polarizada y se denomina mezcla racémica (ejemplo del extremo
derecho en la Figura X).
64
En 1843, al investigar el sedimento cristalino que se formaba en los
barriles donde se fermenta el vino, Louis Pasteur encontró el fenómeno de
actividad óptica. El sedimento investigado es en realidad el ácido paratartárico,
también llamado ácido racémico por racemus, del latín racimo de uvas. Pasteur
utilizó pinzas muy finas para separar dos tipos de cristales de forma idéntica,
pero que claramente eran imágenes especulares. Ambos cristales poseían las
características del ácido tartárico, pero uno de ellos desviaba el plano de la luz
polarizada hacia la izquierda (levorrotatorio) y el otro hacia la derecha
(dextrorrotatorio). Gracias al uso de la cristalografía de rayos X, ahora sabemos
la configuración absoluta de ambas formas del ácido tartárico y muchas otras
moléculas.
A pesar de que en la naturaleza se encuentran tanto isómeros L como D,
los aminoácidos que forman parte de las proteínas son en su inmensa mayoría
L. Los aminoácidos D se encuentran solamente en pequeños péptidos de la
pared celular bacteriana y en algunos antibióticos. La estereoespecificidad de
algunas reacciones catalizadas por enzimas se debe precisamente a la asimetría
de sus sitios activos, la cual está dada por las características quirales de los
aminoácidos que las componen.
La manera más común de clasificar a los aminoácidos es de acuerdo a la
polaridad de sus cadenas laterales (grupos R). Lo anterior se debe a que las
proteínas se pliegan en su conformación nativa en respuesta a la tendencia de
remover las cadenas laterales de algunos de sus aminoácidos (residuos) del
contacto con el agua y solvatar (hidratar), las cadenas laterales polares.
Los 20 tipos de aminoácidos difieren considerablemente en sus
propiedades fisicoquímicas así como en su polaridad, acidez, basicidad,
aromaticidad, volumen, flexibilidad conformacional, en su habilidad para
realizar entrecruzamientos y para formar puentes de Hidrógeno y reactividad
química. Estas múltiples características, muchas de las cuales están
65
interrelacionadas, son las responsables de la gran variedad de funciones,
estructuras y demás características de las proteínas.
De acuerdo con este esquema de clasificación,
hay tres grupos
principales de aminoácidos: 1.- con cadenas laterales (grupos R) no polares; 2.con cadenas laterales polares no cargadas y 3.- 1.- con cadenas laterales polares
cargadas y estas pueden ser ácidas o bien básicas.
Cada uno de estos aminoácidos posee una cadena lateral no polar que no
puede ceder o aceptar protones o participar en puentes de Hidrógeno o enlaces
iónicos. La característica común de estas cadenas laterales es su naturaleza no
soluble en agua, lo que promueve su participación en interacciones
hidrofóbicas.
Información para las abreviaturas de las figuras.
b.- Las masas de los residuos están dadas para la forma neutra. Para la masa molecular de los aminoácidos parentales
sume 18.0 D (masa molecular del agua), Para calcular la masa molecular de las cadenas laterales, reste 56.0 D (masa
molecular de un grupo peptídico).
c.- Calculada a partir de una base de datos de proteínas no redundantes que contiene 300,688 residuos.
e.- Los símbolos de una y tres letras para la asparagina o ácido aspártico son Asx y B; para glutamina o ácido glutámico
son Glx y Z respectivamente. El símbolo de una letra para un aminoácido no determinado o no estándar es X.
Para todos los aminoácidos se presenta su nombre, el código de tres
letras, así como su identificación por una sola letra.
Una clasificación usual de los aminoácidos se refiere a si son esenciales o
no para los organismos, en particular para los heterótrofos. Esencial se refiere a
que la maquinaria enzimática que posee el organismo estudiado no es capaz de
sintetizar a la molécula, de ahí que deba ser ingerida en la dieta. Los autótrofos,
son los organismos fotosintéticos, que al no recibir aporte de energía externa
más que en forma de luz, deben sintetizar todas sus biomoléculas y, por tanto,
poseen toda la maquinaria metabólica para sintetizar a todos los aminoácidos.
66
Los aminoácidos esenciales son aquellos que deben ser ingeridos en la
dieta, nuestro cuerpo no es capaz de sintetizarlos.
GLICINA.
Es un aminoácido no esencial.
En 1820 se encontró que era un componente de la
gelatina, fue el primer aminoácido identificado en
proteínas hidrolizadas. Ayuda a disparar la liberación de
Oxígeno para el proceso de fabricación celular que
necesita de energía para llevarse a cabo; es muy
importante en la manufactura de hormonas y es
responsable del fortalecimiento del sistema inmune.
Masa del residuo 57.0 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 7.2 % c; pK1 -COOH 2.35; pK2 -NH+3 9.78.
ALANINA.
Es un aminoácido no esencial.
Es una importante fuente de energía para músculo,
cerebro y el sistema nervioso central; refuerza al sistema
inmune en la producción de anticuerpos; ayuda en el
metabolismo de azúcares y ácidos orgánicos.
Masa del residuo 71.1 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 7.8 % c; pK1 -COOH 2.35; pK2 -NH+3 9.87.
VALINA.
Es un aminoácido esencial.
Promueve el vigor mental, la coordinación muscular y
ayuda a calmar las emociones nerviosas.
Masa del residuo 99.1 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 6.6 % c; pK1 -COOH 2.29; pK2 -NH+3 9.74.
67
LEUCINA.
Es un aminoácido esencial.
Junto con la isoleucina provee de unidades para la
fabricación
de
componentes
bioquímicos
esenciales, algunos de los cuales se utilizan para la
producción de energía, estimulantes del cerebro
superior y ayuda al organismo a estar alerta.
Masa del residuo 113.2 D b; Ocurrencia promedio
en proteínas 9.1 % c; pK1 -COOH 2.33; pK2 NH+3 9.74.
ISOLEUCINA.
Es un aminoácido esencial.
Contiene un centro quiral extra, marcado con
asterisco en la figura.
Masa del residuo 113.2 D b; Ocurrencia promedio
en proteínas 5.3 % c; pK1 -COOH 2.32; pK2 NH+3 9.76.
METIONINA.
Es un aminoácido esencial.
Es el principal aporte de azufre, el cual previene
desordenes en el pelo, la piel y las uñas; ayuda a
68
reducir los niveles de colesterol incrementando la producción en el hígado de
lecitina un fosfolípido (fosfatidilcolina); reduce el contenido de grasa en el
hígado y protege a los riñones; es un agente quelante natural de metales
pesados; regula la formación de amonio y ayuda a la generación de orina libre
de amonio, lo cual reduce la irritación de la vejiga. Promueve el crecimiento del
pelo fortaleciendo los folículos pilosos.
Masa del residuo 131.2 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 2.2 % c; pK1 COOH 2.13; pK2 -NH+3 9.28.
69
PROLINA.
Es un aminoácido no esencial.
Es
muy
importante
para
el
adecuado
funcionamiento de articulaciones y tendones; ayuda
a mantener y fortalecer el músculo cardiaco.
Los números indican las posiciones en el ciclo. El
grupo amino está unido a dos átomos de carbono: el
Carbono  y el Carbono de la cadena lateral; por
tanto, a diferencia de los 19 aminoácidos restantes, la
prolina posee un grupo amino secundario.
Masa del residuo 97.1 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 5.2 % c; pK1 COOH 1.95; pK2 -NH+3 10.64.
FENILALANINA.
Es un aminoácido esencial.
Junto con tirosina y triptofano provee de la mayoría
de la absorbencia UV y fluorescencia de las
proteínas. En el cerebro se utiliza para producir
norepinefrina, ayuda al organismo a estar alerta,
reduce la ansiedad por hambre, funciona como un
antidepresivo y ayuda a mantener la memoria. Está
relacionado directamente con la fabricación de
hormonas tiroideas.
Masa del residuo 147.2 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 3.9 % c; pK1 COOH 2.20; pK2 -NH+3 9.31.
70
TRIPTOFANO.
Es un aminoácido esencial.
Es un relajante muscular, ayuda a aliviar el
insomnio induciendo el sueño normal; reduce la
ansiedad y depresión; ayuda en el tratamiento de
migrañas; ayuda en el sistema inmune; ayuda a
reducir el riesgo de espasmos en arterias y
corazón; trabaja junto con la lisina a reducir los
niveles de colesterol.
Los números indican las posiciones en el ciclo.
Masa del residuo 186.2 D b; Ocurrencia promedio
en proteínas 1.4 % c; pK1 -COOH 2.46; pK2 NH+3 9.41.
Información para las abreviaturas de las figuras.
b.- Las masas de los residuos están dadas para la forma neutra. Para la masa molecular de los aminoácidos parentales
sume 18.0 D (masa molecular del agua), Para calcular la masa molecular de las cadenas laterales, reste 56.0 D (masa
molecular de un grupo peptídico).
c.- Calculada a partir de una base de datos de proteínas no redundantes que contiene 300,688 residuos.
e.- Los símbolos de una y tres letras para la asparagina o ácido aspártico son Asx y B; para glutamina o ácido glutámico
son Glx y Z respectivamente. El símbolo de una letra para un aminoácido no determinado o no estándar es X.
Para todos los aminoácidos se presenta su nombre, el código de tres
letras, así como su identificación por una sola letra.
Una clasificación usual de los aminoácidos se refiere a si son esenciales o
no para los organismos, en particular para los heterótrofos. Esencial se refiere a
que la maquinaria enzimática que posee el organismo estudiado no es capaz de
sintetizar a la molécula, de ahí que deba ser ingerida en la dieta. Los autótrofos,
son los organismos fotosintéticos, que al no recibir aporte de energía externa
más que en forma de luz, deben sintetizar todas sus biomoléculas y, por tanto,
poseen toda la maquinaria metabólica para sintetizar a todos los aminoácidos.
Los aminoácidos esenciales son aquellos que deben ser ingeridos en la
dieta, nuestro cuerpo no es capaz de sintetizarlos.
71
Aminoácidos con cadenas laterales básicas.
La cadena lateral de los aminoácidos básicos puede aceptar protones. A
pH neutro la cadena lateral de la lisina y arginina está completamente ionizada
y cargada positivamente. Por el contrario la histidina es básica muy débilmente
y el aminoácido libre no tiene carga a pH neutro. Aún así cuando la histidina es
incorporada en la proteína, su cadena lateral puede estar cargada positivamente
o bien mantenerse neutra, dependiendo del ambiente ionico en donde se
encuentre en la cadena polipeptídica.
LISINA.
Es un aminoácido esencial.
Asegura la absorción adecuada de calcio;
ayuda a la formación de colágena (que
envuelve el cartílago y tejido conectivo);
ayuda en la producción de anticuerpos,
hormonas y enzimas. Estudios recientes
señalan que este aminoácido puede ser
efectivo contra el herpes mejorando el
balance de nutrientes que reducen el
crecimiento viral. Su deficiencia puede
resultar en cansancio, inhabilidad para concentrarse, irritabilidad, ojos
inyectados de sangre, retardo de crecimiento, pérdida del pelo, anemia y
problemas reproductivos.
Masa del residuo 128.2 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 5.9 % c; pK1 COOH 2.16; pK2 -NH+3 9.06; pKR 10.54 (epsilon- NH+3).
72
ARGININA.
Es un aminoácido no esencial y esencial.
Lo anterior depende de la edad, es
esencial para los jóvenes en
crecimiento, pero no lo es para los
adultos.
Este aminoácido ayuda a la respuesta
inmune a bacterias, virus y células
tumorales; promueve la recuperación de
heridas y la regeneración del hígado;
causa la liberación de hormonas de crecimiento; se le considera crucial para el
crecimiento muscular óptimo y la reparación de tejidos.
Masa del residuo 156.2 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 5.1 % c; pK1 -COOH
1.82; pK2 -NH+3 8.99; pKR 12.48 (guanidinio).
HISTIDINA.
Es un aminoácido esencial.
Se encuentra abundantemente en la hemoglobina;
se ha utilizado en el tratamiento de artritis
reumatoide, enfermedades alérgicas, úlceras y
anemia. Su deficiencia puede causar deficiencias
en la audición.
Masa del residuo 137.1 D b; Ocurrencia promedio
en proteínas 2.3 % c; pK1 -COOH 1.80; pK2 NH+3 9.33; pKR 6.04 (imidazol).
73
Aminoácidos con cadenas laterales ácidas.
Los aminoácidos aspártico y glutámico son donadores de protones. A pH
neutro, la cadena lateral de estos aminoácidos está totalmente ionizada,
conteniendo al grupo carboxilato con carga neta negativa (-COO-), de ahí que se
les denomine frecuentemente como aspartato y glutamato para enfatizar esta
propiedad.
ÁCIDO ASPÁRTICO.
Es un aminoácido no esencial.
Ayuda en la expulsión de amonio
perjudicial. Cuando el amonio ingresa
al sistema circulatorio actúa como una
substancia altamente tóxica que puede
ser dañina para el sistema nervioso
central. Estudios recientes señalan que
el ácido aspártico puede incrementar la
resistencia a la fatiga e incrementa la
resistencia.
Masa del residuo 115.1 D b; Ocurrencia
promedio en proteínas 5.3 % c; pK1 -COOH
1.99; pK2 -NH+3 9.90; pKR 3.90 (-COOH).
ÁCIDO GLUTÁMICO.
Es un aminoácido no esencial.
Se considera como “alimento del cerebro”
mejora las capacidades mentales; ayuda
rápidamente a la recuperación de la úlcera;
ayuda a evitar la fatiga; ayuda en el control del
alcoholismo, esquizofrenia y el ansia por el
azúcar.
Masa del residuo 129.1 D b; Ocurrencia
promedio en proteínas 6.3 % c; pK1 -COOH
2.10; pK2 -NH+3 9.47; pKR 4.07 (-COOH).
74
Información para las abreviaturas de las figuras.
b.- Las masas de los residuos están dadas para la forma neutra. Para la masa molecular de los aminoácidos parentales
sume 18.0 D (masa molecular del agua), Para calcular la masa molecular de las cadenas laterales, reste 56.0 D (masa
molecular de un grupo peptídico).
c.- Calculada a partir de una base de datos de proteínas no redundantes que contiene 300,688 residuos.
e.- Los símbolos de una y tres letras para la asparagina o ácido aspártico son Asx y B; para glutamina o ácido glutámico
son Glx y Z respectivamente. El símbolo de una letra para un aminoácido no determinado o no estándar es X.
Para todos los aminoácidos se presenta su nombre, el código de tres
letras, así como su identificación por una sola letra.
Una clasificación usual de los aminoácidos se refiere a si son esenciales o
no para los organismos, en particular para los heterótrofos. Esencial se refiere a
que la maquinaria enzimática que posee el organismo estudiado no es capaz de
sintetizar a la molécula, de ahí que deba ser ingerida en la dieta. Los autótrofos,
son los organismos fotosintéticos, que al no recibir aporte de energía externa
más que en forma de luz, deben sintetizar todas sus biomoléculas y, por tanto,
poseen toda la maquinaria metabólica para sintetizar a todos los aminoácidos.
Los aminoácidos esenciales son aquellos que deben ser ingeridos en la
dieta, nuestro cuerpo no es capaz de sintetizarlos.
Estos aminoácidos tienen una carga igual a cero a pH neutro, de tal
manera que la cadena lateral de la cisteina y tirosina pueden perder su protón a
pH alcalino. La serina, treonina y tirosina contienen cada una un grupo
hidroxilo que puede participar en la formación de puentes de Hidrógeno. La
cadena lateral de la asparagina y glutamina contiene un grupo carbonilo y un
amido, lo cuales pueden también participar en la formación de puentes de
Hidrógeno.
Puente disulfuro.
75
La cadena lateral de la cisteina contiene un grupo sulfidrilo (-SH), el cual
es un componente importante del sitio activo de muchas enzimas. En las
proteínas, el grupo –SH de dos residuos de cisteinas puede oxidarse para
formar dímero, la cistina, que contiene un puente disulfuro (-S-S-).
Cadenas laterales como sitios de unión para otros compuestos.
La serina, treonina y raramente la tirosina, pueden participar con su
grupo hidroxilo como sitio de unión para moléculas como el grupo fosfato (PO 4), la cadena lateral de la serina forma parte del sitio activo de muchas enzimas.
Además el grupo amido de la asparagina, así como el hidroxilo de la serina y
treonina, puede servir como un sitio de unión para cadenas de oligosacáridos
en las glucoproteínas.
SERINA.
Es un aminoácido no esencial.
Es la fuente para el almacenamiento de glucosa en
hígado y músculo; ayuda al fortalecimiento del
sistema inmune en la fabricación de anticuerpos. Sirve
para sintetizar los ácidos grasos que rodean a las fibras
nerviosas (mielina).
Masa del residuo 87.1 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 6.8 % c; pK1 -COOH 2.19; pK2 -NH+3 9.21.
TREONINA.
Es un aminoácido esencial.
Es un constituyente importante de la colágena,
elastina y proteínas del esmalte; ayuda a prevenir el
exceso de grasa en el hígado; ayuda al aparato
digestivo y tractos intestinales a funcionar
suavemente.
Al igual que la isoleucina, contiene un centro quiral
extra, marcado con asterisco en la figura.
76
Masa del residuo 101.1 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 5.9 % c; pK1 -COOH 2.09; pK2 -NH+3
9.10.
ASPARAGINA.
Es un aminoácido no esencial.
Masa del residuo 114.1 D b; Ocurrencia promedio en
proteínas 4.3 % c; pK1 -COOH 2.14; pK2 -NH+3
8.72.
GLUTAMINA.
Es un aminoácido no esencial.
Masa del residuo 128.1 D b; Ocurrencia promedio
en proteínas 4.3 % c; pK1 -COOH 2.17; pK2 NH+3 9.13.
TIROSINA.
Es un aminoácido no esencial.
Transmite impulsos nerviosos en el cerebro; ayuda
a vencer la depresión; mejora la memoria;
promueve el alivio de funciones de la tiroides,
glándulas adrenales y pituitaria.
77
Masa del residuo 163.2 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 3.2 % c; pK1 COOH 2.20; pK2 -NH+3 9.21; pKR 10.46 (fenol).
CISTEINA.
Es un aminoácido no esencial.
Su grupo tiol, único en los 20 aminoácidos puede
formar puentes disulfuro con otro residuo de Cys,
por medio de la oxidación de sus grupos tiol. Este
compuesto dimérico es referido en la literatura
bioquímica antigua como el aminoácido cistina.
Este enlace disulfuro es muy importante para la
estructura de las proteínas: puede unir
polipéptidos separados o entrecruzar cisteinas en la
misma cadena. La aparente confusión entre los
nombres cistina y cisteina a llevado a referirlo como residuo media-cistina.
Funciona como un antioxidante y es una poderosa ayuda para el cuerpo contra
la radiación y polución; Puede ayudar a reducir el proceso de envejecimiento,
desactiva radicales libres, neutraliza toxinas; es necesario para la formación de
la piel, ayuda a la recuperación de quemaduras y operaciones quirúrgicas. El
pelo y la piel están constituidos entre 10 y 14 % de cisteina.
Masa del residuo 103.1 D b; Ocurrencia promedio en proteínas 1.9 % c; pK1 COOH 1.92; pK2 -NH+3 10.70; pKR 8.37 (sulfidrilo).
Los aminoácidos poco comunes componentes de ciertas proteínas, todos
son el resultado de modificaciones postraduccionales. Los que están
modificados en el alfa-amino se encuentran en el amino terminal de la proteína.
4-hidroxiprolina
epsilon-N,N,N-trimetillisina
3-metilhistidina
5-hidroxilisina
o-fosfoserina
gama-carboxyglutamato
epsilon-N-acetillisina
78
omega-N-metilarginina
N-acetilserina
N,N,N-trimetilalanina
N-formilmetionina
Algunos derivados de los aminoácidos estándar y aminoácidos que no
son componentes de las proteínas ácido gama amino butírico (GABA),
histamina,
dopamina,
tiroxina,
citrulina,
ornitina,
azaserina,
Sadenosinmetionina.
Los -aminoácidos además de ser las unidades monoméricas de las
proteínas, son metabolitos energéticos y precursores de muchos compuestos
nitrogenados como el hemo, las aminas fisiológicamente activas, glutatión,
nucleotidos y enzimas nucleotidicas.
Los aminoácidos están clasificados en esenciales y no esenciales. Los
mamíferos pueden sintetizar los no esenciales, los esenciales deben adquirirlos
de la dieta. El exceso de aminoácidos consumidos en la dieta, no puede ser
almacenado para uso futuro, por el contrario, son transformados en
intermediarios metabólicos comunes como el piruvato, oxaloacetato y alfacetoglutarato. Consecuentemente, los aminoácidos son precursores de glucosa,
ácidos grasos y cuerpos cetónicos y por tanto son combustibles metabólicos.
La ruptura de los aminoácidos se puede llevar por los siguientes
eventos

Desaminación

Transaminación

El ciclo glucosa-alanina transporta nitrógeno al hígado

Desaminación oxidativa: Glutamato deshidrogenasa

Otros mecanismos de desaminación
79
El catabolismo de la fenilalanina puede ser defectuoso
genéticamente.
Se han detectado muchos defectos genéticos en el metabolismo de los
aminoácidos en humanos. La mayoría de estos defectos causan la acumulación
de intermediarios específicos, esta condición causa defectos en el desarrollo
neural y retardo mental.
La primera enzima en el catabolismo de la fenilalanina, la fenilalanina
hidroxilasa cataliza la hidroxilación de fenilalanina a tirosina. Un defecto
genético en esta enzima es el responsable de la enfermedad
FENILCETONURIA (PKU; primera enfermedad genética humana descubierta),
esta enfermedad es la principal responsable de hiperfenilalaninemia. La
fenilalanina hidroxilasa es una monooxigenasa. La enzima requiere de un
cofactor para su catálisis la tetrahidrobiopterina, la cual transporta electrones
del NADH al O2 en la hidroxilación de la fenilalanina. Durante este proceso, la
coenzima es oxidada a hidrobiopterina; finalmente es reducida por la
dihidrobiopterinareductasa en una reacción que requiere NADH.
Figura: las reacciones de la fenilalanina hidroxilasa y la
dihidrobiopterinareductasa
80
Papel de la tetrahidrobiopterina en la reacción catalizada por la fenilalanina
hidroxilasa.
Cuando la fenilalanina hidroxilasa es defectuosa genéticamente una
segunda vía del metabolismo de la fenilalanina que normalmente se utiliza muy
poco, entra en acción. En este proceso, la fenilalanina sufre de transaminación
con el piruvato formando fenilpiruvato; tanto la fenilalanina como el
fenilpiruvato se acumulan en sangre y otros tejidos y se excretan en la orina, de
ahí el nombre de la enfermedad FENILCETONURIA. El fenilpiruvato puede ser
descarboxilado formando fenilacetato o reducido formando fenillactato. El
primero da un olor característico a la orina, lo cual es parte de la sintomatología.
Caminos alternativos del catabolismo de la fenilalanina en los
fenilcetonurios. El fenilpiruvato se acumula en los tejidos, sangre y orina. El
fenilacetato y el fenillactato tambien se pueden encontrar el la orina.
La acumulación de estos metabolitos en infantes tempranos produce
desarrollo anormal del cerebro y causa retrazo mental, lo cual puede ser evitado
con un estricto control de la dieta (evitando tirosina y fenilalanina). La
tetrahidrobiopterina es necesaria para producir L-3,4-dihidroxifenilalanina (LDOPA) y 5-hidroxitriptofano (precursores esenciales para la síntesis de
norepinefrina y serotonina respectivamente) se pueden agregar a la dieta.
Existe otra variedad de defecto en la utilización de la fenilalanina, en la
cual hay defectos en la enzima homogentisato dioxigenasa, esta enfermedad es
mucho menos severa que la PKU. Estos pacientes que no tienen efectos serios
excretan orina obscura por la oxidación del homogentisato. Esta enfermedad se
denomina ALCAPTONURIA. Su descubridor, Archibald Garrod a principios
del siglo XX fue el primero en hacer una conexión directa entre la falta de una
enzima y un padecimiento.
Condición
Médica
Incidencia
aproximada(por cada
100,000
nacimientos)
Albinismo
Defecto
enzima defectuosa
síntomas y
fenotipo
3
síntesis de
melanina a partir
de tirosina
Tirosina 3monooxigenasa
(tirosinasa)
Falta de
pigmentación;
pelo blanco piel
rosa
Alcaptonuria
0.4
Degradación de
tirosina
homogenistato
1,2-dioxigenasa
Pigmentación
obscura de la orina;
desarrollo tardío de
artritis
Argininemia
0.5
Síntesis de urea
arginasa
Retraso mental
Acidemia
arginosuccinica
1.5
Síntesis de urea
Arginosuccinato
liasa
Vómito y
convulsiones
Deficiencia de
0.5
Síntesis de urea
CPS I
Letargo *,
convulsiones,
81
muerte temprana
la CPSI
Homocistinuria
0.5
Degradación de
metionina
Cistation betasintasa
Desarrollo
defectuoso de
huesos, retraso
mental
Enfermedad de
orina de jarabe
de maple+
0.4
Isoleucina, leucina
y valina
Complejo
deshidrogenasa de
alfa-ceto ácidos de
cadena ramificada
Vómito,
convulsiones, retraso
mental, muerte
temprana
Acidemia
metilmalonica
0.5
Conversión de
propionil-CoA a
succinil-CoA
MetilmalonilCoA mutasa
Vómito,
convulsiones, retraso
mental, muerte
temprana
fenilcetonuria
8
Conversión de
fenilalanina a tirosina
Fenilalanina
hidroxilasa
Vómito
neonatal, retraso
mental
Tabla: Algunos desordenes genéticos humanos que afectan el catabolismo de
los aminoácidos
*Letargo (gr. lethe, olvido + argós, inactivo). Estado patológico de
somnolencia profunda y prolongada de la cual es difícil despertar. +
cetoaciduria de cadenas ramificadas
Figura: localización metabólica de la enfermedad de “jarabe de maple”
También se le conoce como cetoaciduria de cadenas ramificadas
82
Grupo Hemo
aminas activas
(epinefrina,
norepinefrina,
dopamina,
serotonina
(5hidroxitriptamina), GABA e histamina)
glutatión (-glutamilcisteinglicina, tripéptido que actúa en la
desintoxicación, transporte y procesos metabólicos como
oxidaciones)
cofactores tetrahidrofolato (en el metabolismo de unidades de un átomo de C).
83
Los 20 aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas
están unidos por enlaces peptídicos. La secuencia lineal de los aminoácidos
unidos contiene la información necesaria para generar una molécula proteica
con una estructura tridimensional particular. La complejidad de una estructura
proteica se puede analizar de manera sencilla si se toman en cuenta cuatro
niveles fundamentales de organización en las macromoléculas, que se
denominan: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria:
Estructura primaria
de la proteína
aminoácidos
Estructura secundaria
de la proteína
lámina 
Estructura terciaria
De la proteína
 hélice
hoja 
 hélice
Estructura cuaternaria
84
de la proteína
+
=
Figura. los diferentes niveles de estructura que pueden existir en una
proteína.
La estructura cuaternaria corresponde a la triosafosfato isomerasa de la
levadura Saccharomyces cerevisiae.
El análisis de estos niveles estructurales revela que ciertos elementos
estructurales se repiten en una gran variedad de proteínas, lo que sugiere que
existen algunas “reglas” o “códigos” que gobiernan el proceso en el cual las
proteínas se pliegan.
La secuencia de aminoácidos que jamás es ramificada en una proteína, se
denomina: secuencia primaria. Para conocer la secuencia de aminoácidos en la
proteína se requiere la aplicación de muchas técnicas experimentales. Conocer
la estructura primaria es muy importante porque muchas enfermedades
genéticas residen en proteínas que poseen una secuencia de aminoácidos
anormal. Si el cambio en la secuencia de aminoácidos es muy drástico entonces
la estructura tridimensional de la proteína mutante (modificada), será diferente
y, por tanto, su función no se llevará acabo de manera adecuada o bien, no se
llevará a cabo. Si se conocen la estructura primaria de la proteína normal y la
mutada, esta información puede ser utilizada para diagnosticar o bien estudiar
a los diferentes padecimientos.
Determinación de la secuencia primaria de una proteína o péptido
por deducción de la secuencia de ADN.
La secuencia de nucleótidos en una región codificante de ADN especifica
la secuencia de aminoácidos en el polipéptido. De ahí que si puede ser
determinada la primera, es posible deducir a la segunda utilizando una tabla de
conversión denominada código genético, con la cual se pueden conocer las
equivalencias entre los nucleótidos en el ADN y los aminoácidos en la proteína.
Dependiendo de la fuente, la secuencia de aminoácidos puede ser deducida
directamente, pero en algunos casos la secuencia primaria de la proteína es el
resultado de cortes y/o modificaciones en la secuencia de nucleótidos una vez
que el ADN ha sido transcrito a ARN, a estos cambios se les denomina
modificaciones postranscripcionales. El transcrito (ARN) que está compuesto
por nucleótidos, debe ser traducido a aminoácidos para formar a la proteína.
Algunos de los aminoácidos pueden ser modificados covalentemente,
85
agregándoles carbohidratos, grupos
modificaciones postraduccionales.
fosfato
o
lípidos,
estas
son
las
En las proteínas, los aminoácidos están unidos uno seguido de otro, sin
ramificaciones, por medio del enlace peptídico, que es un enlace amido entre el
grupo -carboxilo de un aminoácido y el grupo -amino del siguiente. Este
enlace se forma por la deshidratación de los aminoácidos en cuestión. Esta
reacción es también una reacción de condensación, que es muy común en los
sistemas vivientes:
86
Figura: reacción de condensación para la formación del enlace peptídico.
Tres aminoácidos pueden ser unidos por dos enlaces peptídicos para
formar un tripéptido, de manera similar se forman los tetrapéptidos,
pentapéptidos y demás.
Los enlaces peptídicos no se rompen con condiciones que afectan la
estructura tridimensional de las proteínas como la variación en la temperatura,
la presión, el pH o elevadas concentraciones de moléculas como el SDS (dodecil
sulfato de sodio, un detergente), la urea o las sales de guanidinio. Los enlaces
peptídicos pueden romperse de manera no enzimática, al someter
simultáneamente a la proteína a elevadas temperaturas y condiciones ácidas
extremas.
Características del enlace peptídico.
El enlace peptídico es plano y por tanto no existe rotación alrededor del
enlace.
El enlace peptídico posee un carácter de doble enlace, lo que significa
que es mas corto que un enlace sencillo y, por tanto, es rígido y plano
Esta característica previene la libre rotación alrededor del enlace entre el
carbono carbonílico y el Nitrógeno del enlace peptídico. Aun así, los enlaces
entre los carbonos  y los  aminos y  carboxilo, pueden rotar libremente; su
única limitación está dada por el tamaño del grupo R. Es precisamente esta
capacidad de rotación la que le permite a las proteínas adoptar una inmensa
gama de configuraciones.
Configuración trans.
Los enlaces peptídicos generalmente se encuentran en posición trans en
lugar de cis y esto se debe en gran parte a la interferencia estérica (de tamaño)
de los grupos R cuando se encuentran en posición cis.
87
Figura: Disposiciones del enlace peptídico en el espacio.
Sin carga pero polar.
Al igual que los enlaces amido, los grupos -C=O (carbonilo) y –NH
(amino), de los enlaces peptídicos, son incapaces de recibir o donar protones en
un amplio rango de valores de pH (entre 2 y 12). En las proteínas, los únicos
grupos cargados son el N- y C-terminales y cualquier grupo ionizable presente
en la cadena lateral de los residuos. Aún así, los grupos -C=O y –NH del enlace
peptídico participan en la formación de puentes de Hidrógeno en las proteínas
para dar origen a la estructura secundaria, particularmente -hélices y hojas  y
terciaria (ver mas adelante).
El orden de los aminoácidos en la proteína.
Por convención, el extremo amino terminal (NH3+) de la cadena
polipeptídica denominado simplemente N-terminal, se escribe a la izquierda de
la secuencia, por ende, el grupo carboxilo o C-terminal, se escribe a la derecha
de la secuencia. Todas las secuencias se leen desde el N-terminal hasta el Cterminal. Esta convención se debe a que en el ribosoma, que es la enzima que
hace los enlaces peptídicos en la naturaleza, la cadena crece agregando un
nuevo aminoácido al carboxilo terminal, por lo tanto el extremo que emerge
primero del ribosoma, es el N-terminal. En la siguiente figura el dipéptido se lee
valina, alanina y no al revés
Tomando en cuenta lo anterior, debe quedar claro una proteína o péptido
tendrá diferentes características dependiendo de la cantidad y cualidad de los
grupos ionizables presentes en la molécula. De manera que la proteína o
péptido tendrá, al igual que los aminoácidos libres, curvas de titulación y pH
isoeléctrico (pI) específicos, en los cuales el pH no sufre variaciones en un
campo eléctrico.
88
Nombrando a los polipéptidos
La unión de muchos aminoácidos a través de enlaces peptídicos se
denomina poliéptido, que es una cadena sin ramificaciones de residuos de
aminoácidos; así se denominan una vez que están unidos unos con otros. Al
nombrar al polipéptido, los residuos que derivan de los aminoácidos
terminados en -ina, como la glicina, los terminados en –ano, como triptofano y
los terminados en ico, como aspártico, cambian estos sufijos por –il, con la
excepción del carboxilo terminal. Así por ejemplo la valina y la alanina pueden
formar al dipéptido valilalanina, a través de un enlace peptídico (ver figura), o
el tripéptido compuesto por una valina en posición N-terminal, una glicina y en
el C-terminal una leucina, se denomina valilglicilleucina:
Figura: representación de la formación del dipéptido valilalanina.
Los oligómeros son proteínas que están compuestas de mas de una
cadena polipeptídica, es decir, poseen estructura cuaternaria y dependiendo de
si las cadenas que los componen son iguales o diferentes, se denominan
homooligómeros o heterooligómeros. El modelo mas sencillo de un
89
homooligómero es un homodímero (como la triosafosfato isomerasa mostrada
en una figura anterior), el de un heteroologómero es un heterodímero, como la
triptofano sintasa, que posee una subunidad  y una . Existen oligómeros de
mayor orden de agregación, por ejemplo en la ATPsinatasa existen en su forma
mas simple (enzima bacteriana), 9 subunidades, en la enzima de mamífero
existen alrededor de 15 subunidades. En ambos casos, no todas ellas se
encuentran en una sola copia:
Figura: Modelo de la ATPsintasa.
Estructura de la ATPsintasa. En el esquema se presenta a la ATPsintasa
más simple, la bacteriana. Esta enzima posee un complejo soluble denominado
F1 de aproximadamente 380 kDa y una porción transmembranal F 0. al eliminar
el Mg2+, en condiciones de fuerza iónica baja, estas estructuras pueden ser
separadas. F1 consta de 5 subunidades con estequiometrías de 3:3:1:1:1 y F0
consta de tres subunidades con estequiometrías de 1:2:10-14.
Si una proteína está compuesta por más de una cadena polipeptídica,
antes de realizar el análisis de secuencia, se debe separar a los polipéptidos, es
decir, eliminar la estructura cuaternaria. Las sales de guanidinio y la urea,
perturban los enlaces no covalentes que participan en la estructura de la
proteína y pueden servir para este propósito:
A
B
H + H
N
H
..
N
H
C
.. ..
O
Cl
..
N
H
H
H
..
N
H
C
..
N
H
H
90
Figura: A.- clorhidrato de guanidinio; B.- urea
Si las cadenas de aminoácidos están unidas por medio de puentes
disulfuro, en el tratamiento deberá incluirse un agente reductor como el betamercapto etanol, el ditiotritol o el ácido perfórmico. Después de separar las
cadenas, estas pueden ser aisladas, en caso de ser diferentes y someterse al
análisis de secuencia de aminoácidos.
No se pueden hacer generalizaciones sobre los tamaños o pesos
moleculares de los péptidos y proteínas en relación con su función, pues
pueden existir desde dos residuos (ver Figura X), hasta varios miles.
Figura X: Aspartame o NutraSweet.
De hecho muchas hormonas son pequeños péptidos:
91
HORMONA
aminoácidos
Oxitocina
9
glándula de secreción
efecto
pituitaria posterior
contracciones
urinarias
Bradiquitina
9
inflamación
Factor liberador
de la tirotropina
3
inhibe
la
hipotálamo
ocasiona la
liberación de
otra
hormona, la
tirotropina
Tabla: algunas hormonas peptídicas de tamaño pequeño
Muchos venenos secretados por hongos macromicetos como la amanitina y muchos antibióticos, son también pequeños péptidos.
La insulina es una hormona pancreática que contiene dos cadenas de
aminoácidos, una de 30 y la otra de 21 residuos; el glucagon, otra hormona
pancreática posee 29 residuos y lleva a cabo la acción contraria a la insulina. La
corticotropina es una hormona de 39 residuos, se secreta en la parte anterior de
la glándula pituitaria y estimula la corteza adrenal.
A continuación se muestran los datos moleculares de algunas proteínas
(entre paréntesis se cita la fuente):
Proteína
Residuos
peso
molecular
Cadenas
(kDa)
polipeptídicas
Citocromo c
13.0
(H. sapiens)
Ribonucleasa A
1
(páncreas bovino)
Lisozima
1
(clara de huevo)
104
1
13.7
124
13.93
129
92
mioglobina
1
(corazón de caballo)
Quimiotripsina
3
(páncreas de caballo)
Quimiotripsinógeno
245
(bovino)
Hemoglobina
4
(H. sapiens)
Albúmina sérica
1
(H. sapiens)
Hexocinasa
2
(levadura)
ARN polimerasa
5
(E. coli)
Apolipoproteína B
1
(H. sapiens)
Glutamina sintetasa
12
(E. coli)
16.89
153
21.6
241
22.0
1
64.5
574
68.5
609
102.0
972
450
4,158
513
4,536
619
5,628
Tabla: datos moleculares de algunas proteínas
El esqueleto polipeptídico no asume una estructura tridimensional al
azar, de hecho está compuesto de arreglos regulares de aminoácidos que se
encuentran en proximidad cerca dentro de la secuencia primaria. A estos
arreglos regulares se les denomina estructura secundaria de la proteína. Las
hélice- y las hojas y vueltas  son ejemplos de estructura secundaria
comúnmente encontrada en las proteínas.
93
Existen diferentes tipos de hélices en los polipéptidos, pero la hélice- es
la más común. Esta estructura es una espiral que consiste de residuos de
aminoácidos empaquetados formando un núcleo, en donde las cadenas
laterales de los residuos se encuentran hacia fuera del eje central para evitar
interferencias estéricas (de tamaño):
PUENTES DE HIDRÓGENO
INTRACATENARIOS
CADENAS LATERALES POR
FUERA DE LA HÉLICE
Figura: representación del arreglo helicoidal en las proteínas.
Un grupo muy diverso de proteínas contiene estructuras hélice-: las
queratinas, que es un grupo de proteínas fibrosas poseen estructuras que están
básicamente compuestas por ésta estructura secundaria. Estas proteínas son los
componentes mayoritarios del pelo y la piel. La rigidez de estos tejidos depende
de la presencia de puentes disulfuro en las proteínas. A diferencia de las
94
queratinas, la hemoglobina posee sólo el 80 % de hélice- y es una proteína
globular y flexible.
Puentes de hidrógeno.
Una hélice- está estabilizada por puentes de hidrógeno entre los
oxígenos de los grupos carbonilo del enlace peptídico y los hidrógenos de las
amidas que son parte del esqueleto del polipéptido (ver figura anterior). Los
puentes de hidrógeno se forman desde el grupo carbonilo de un enlace
peptídico hasta el hidrógeno de la amida del cuarto enlace peptídico siguiente
(o anterior en la parte media de la hélice), esto le da a la estructura su carácter
helicoidal. De tal forma que todos los residuos que participan en la hélice están
unidos por puentes de hidrógeno.
Número de aminoácidos por vuelta de hélice.
Cada vuelta de una hélice-alfa contiene 3.6 residuos; lo anterior indica
que los residuos que están espaciados cada tres o cuatro residuos en la
secuencia primaria, quedan estrechamente unidos por puentes de hidrógeno
cuando se adquiere esta estructura secundaria.
Algunos aminoácidos no permiten la formación de hélice-.
La prolina no permite la formación de esta estructura secundaria porque
su grupo amino no es geométricamente compatible con la espiral derecha de la
hélice-alfa; por el contrario produce un cambio en la estructura que interrumpe
la estructura helicoidal. Una gran número de aminoácidos cargados como
glutamato, aspartato, histidina, lisina o arginina, pueden también interrumpir la
estructura helicoidal al formar enlaces ionicos o al repelerse electrostáticamente.
Finalmente, los aminoácidos con cadenas laterales voluminosas como el
triptofano o aquellos que las tienen ramificadas en el carbono beta, es decir, el
primer carbono del grupo R, como la valina o isoleucina pueden, dependiendo
del número presente, interferir con la formación de la estructura secundaria.
La hoja beta es otra forma de estructura secundaria en la cual todos los
componentes del enlace peptídico están involucrados en la formación de
puentes de hidrógeno:
95
Figura: representación del arreglo plano en las proteínas.
Las superficies de las hojas beta aparecen plegadas y, por tanto, a
menudo se les denomina como “hojas beta plegadas”. Cuando se realizan
ilustraciones de esta estructura secundaria en la proteína, se representa con
flechas anchas.
Figura: representación de un segmento de hojas  plegadas.
A diferencia de las hélice-, las hojas , están compuestas por dos
segmentos de la cadena polipeptídica. En esta estructura secundaria, los
puentes de hidrógeno, que se forman, están perpendiculares al esqueleto del
polipéptido. Si los segmentos, además, forman parte de cadenas polipeptídicas
independientes, a la estructura secundaria formada se le denomina hebra .
96
Una hoja beta puede estar formada por dos o más cadenas o segmentos
polipeptídicos, arreglados de manera paralela, es decir, con los grupos amino y
carboxilo terminales de la estructura secundaria alineados hacia el mismo lado.
El arreglo también puede ser antiparalelo, en donde los segmentos amino y
carboxilo terminales están alternados:
Hojas  antiparalelas
Hojas  paralelas
C-terminal
N-terminal
N-terminal
C-terminal
Figura: representación de hojas  antiparalelas y paralelas
Cuando se forman los puentes de hidrógeno entre cadenas
polipeptídicas independientes, se denominan intercaterarios, los que se forman
con una misma cadena son intracatenarios. En las proteínas globulares, las
hojas beta siempre tienen un enrollamiento o torsión hacia la derecha.
Generalmente estas estructuras se encuentran en los núcleos de las proteínas.
Así como las hélice- y las hojas  están presentes en las proteínas
fibrosas y globulares, existe un número de enfermedades que resultan del
almacenamiento anormal de proteínas fibrosas, que se denominan proteínas
amieloides. Por ejemplo estas proteínas se generan en el cerebro de individuos
con la enfermedad de Alzheimer, y están compuestas de fibrillas de hojas beta
plegadas cuya estructura tridimensional es prácticamente idéntica a las fibrillas
de la seda.
97
Las vueltas  cambian la dirección de la cadena polipeptídica ayudando
a formar la forma compacta y globular. Se encuentran a menudo en la superficie
de las proteínas y generalmente posees residuos cargados. Estas vueltas poseen
el nombre de reversas porque frecuentemente conectan hebras beta sucesivas
que están formadas de hojas  antiparalelas.
Las vueltas  están compuestas generalmente de cuatro aminoácidos uno
de los cuales puede ser una prolina, el residuo que hace un rizo en la cadena
polipeptídica. La glicina, que es el aminoácidos que tiene el grupo R mas
pequeño, también se encuentra frecuentemente formando vueltas . Las vueltas
 se estabilizan por la formación de puentes de hidrógeno y enlaces ionicos.
Aproximadamente la mitad de la estructura secundaria de una proteína
globular promedio está formada por estructuras hélice- y/o hojas . El resto se
describe como rizos, bucles o conformaciones enrolladas. Esta estructura
secundaria no repetitiva no se encuentra al azar, simplemente posee un grado
de regularidad menor que las descritas anteriormente. El término de
conformación enrollada también se utiliza para describir a la proteína cuando
ha sido desnaturalizada.
Las proteínas globulares están construidas por la combinación de
elementos de estructura secundaria (hélice-, hojas  y estructuras no
repetitivas). Esta estructura secundaria forma el núcleo de la proteína que es el
interior de la molécula en su estructura tridimensional. La estructura
secundaria está conectada en la superficie de la proteína por rizos o bucles (en
algunos casos por vueltas beta). Las estructuras supersecundarias se producen
al empaquetar las cadenas laterales de elementos de estructura secundaria
adyacentes. Por ejemplo las hélice-alfa y hojas beta adyacentes en la secuencia
de aminoácidos están también usualmente adyacentes en la estructura final
plegada de la proteína. Algunos de los motivos más comunes se muestran a
continuación:
98
UNIDAD --
hélice-
representación
lineal
Hojas  (paralelas)
Clave o llave griega
representaci
ón
lineal
Meandro 
representación
lineal
99
vuelta 
Figura: representación de algunos motivos estructurales comunes e las
proteínas.
La estructura primaria de una cadena polipeptídica determina su
estructura terciaria. La estructura terciaria se refiere al plegamiento de
dominios, que son las unidades básicas de estructura y función, y el arreglo
final de los dominios en el polipéptido. La estructura de las proteínas
globulares es solución acuosa es compacta, con una gran densidad
(empaquetamiento) de los átomos en el núcleo de la molécula. Las cadenas
hidrofóbicas se encuentran en el interior, por el contrario, los grupos
hidrofílicos se encuentran generalmente en la superficie de la molécula. Todos
los grupos hidrofílicos, incluyendo los que forman parte del enlace peptídico,
están involucrados en la formación de puentes de hidrógeno o interacciones
electrostáticas de otro tipo. De hecho, la función de la estructura secundaria
(hélices- y hojas ), es proveer de la máxima posibilidad para hacer este tipo
de interacciones en el interior de la proteína, evitando así que moléculas de
agua queden atrapadas inespecíficamente en el interior de las proteínas,
interrumpiendo su integridad. A continuación se muestran proteínas cuya
estructura terciaria está compuesta en su mayoría de hélices-alfa, hojas beta o su
combinación:
Subunidad de la hemoglobina (principalmente hélices-), dominio VL de
una inmunoglobulina (principalmente hojas ), triosafosfato isomerasa (hélices y hojas )
Los dominios son las unidades funcionales y tridimensionales de
un polipéptido. Las cadenas polipeptídicas que son mayores a 200 aminoácidos
en longitud consisten generalmente de dos o más dominios. El núcleo de un
dominio está construido por combinaciones de estructura supersecundaria o
motivos. El plegamiento de un dominio en una proteína generalmente es
independiente de los otros dominios (si existen). De ahí que cada dominio
100
posea características que lo hacen plegarse independientemente del resto del
polipéptido.
La única estructura tridimensional de cada polipéptido está determinada
por la secuencia de aminoácidos que lo componen. Las interacciones de las
cadenas laterales de los residuos de la proteína guían al polipéptido para
formar una estructura compacta. Cuatro tipos de interacciones cooperan para la
estabilización de la estructura terciaria de las proteínas:
Un puente disulfuro es un enlace covalente formado por dos grupos
sulfidrilo (-SH), cada uno de ellos perteneciente a un residuo de cisteína, se
unen de manera covalente para formar un residuo de cistína. Los dos residuos
que forman al puente, pueden estar separados por muchos aminoácidos en la
secuencia o bien pueden pertenecer a diferentes cadenas polipeptídicas; el
plegamiento de la(s) cadena(s) polipeptídicas, lleva a los residuos de cisteína a
estar muy próximos, lo que permite la formación del enlace disulfuro. La
formación de este enlace estabiliza la estructura tridimensional de la proteína:
101
Figura: representación de la formación de un puente disulfuro.
Los aminoácidos con cadenas laterales no polares tienden a localizarce
en el interior de la proteína, en donde se asocian con otros aminoácidos con
cadenas laterales no polares para alcanzar la máxima estabilidad posible. En
general los aminoácidos polares tienden a encontrares en la superficie de las
proteínas. Este arreglo general está invertido en algunas proteínas de
membrana que forman poros o canales, en donde los aminoácidos con cadenas
laterales no polares están en contacto con los lípidos componentes de la bicapa
lipídica de la membrana y los aminoácidos polares están en el centro de la
molécula formando el poro hidrofílico o canal. Dentro de estas internaciones se
encuentran las fuerzas de van der Waals.
102
Figura: representación de la formación de una interacción hidrofóbica
Los aminoácidos con cadenas laterales que contienen átomos de
hidrógeno unidos a átomos de oxígeno o nitrógeno, como los grupos alcohol de
la serina y treonina, pueden formar puentes de hidrógeno con átomos ricos en
electrones, como el oxígeno del grupo carboxilo o bien el oxígeno del grupo
carbonilo del enlace peptídico. La formación de los puentes de hidrógeno entre
los grupos polares en la superficie de la proteína y el solvente acuoso que la
contiene, incrementa su estabilidad.
103
Figura: representación de un puente de hidrógeno entre residuos de
aminoácidos.
Los grupos cargados negativamente que se encuentran en las cadenas
laterales de algunos residuos de las proteínas como el grupo carboxilo (COO-)
en la cadena lateral del aspartato o glutamato, pueden interactuar con cadenas
laterales cargadas positivamente como el grupo epsilon amino de la lisina.
104
Figura: representación de un enlace ionico entre residuos de aminoácidos con
cadenas laterales cargadas.
Se acepta de manera general que la información necesaria para el
plegamiento correcto de una proteína está contenido en la estructura primaria.
Partiendo de esa premisa, es difícil explicar porqué algunas proteínas cuando
carecen de estructura, es decir, cuando están desnaturalizadas o desplegadas,
no alcanzan a formar su estructura biológicamente funcional, denominada
nativa. Es claro que la estructura tridimensional debe empezar a formarse
cuando el polipéptido empieza a emerger del ribosoma. En los casos en que
durante la síntesis del polipéptido la estructura tridimensional no es
completada de manera espontánea, existen proteínas llamadas chaperonas o
chaperoninas que ayudan al polipéptido a llegar a su estructura nativa.
Muchas proteínas consisten de una sola cadena polipeptídica, debido a
esto se les denomina proteínas monoméricas o simplemente monómeros.
105
Muchas otras proteínas están formadas por dos o más cadenas polipeptídicas
que pueden ser iguales o diferentes, cada una de estas cadenas pueden
plegarse antes, durante e incluso después de su asociación para formar el
oligómero. Después de la asociación u oligomerización, de los monómeros se
obtiene la estructura cuaternaria de la proteína en cuestión. Si en la proteína
solo existen dos subunidades, entonces se denomina dímero y puede ser
homodímero o heterodímero, dependiendo de si las cadenas de los monómeros
son iguales o diferentes, en general también pueden denominarse proteínas
multiméricas.
Figura: estructura tridimensional de un oligómero
Se muestra l estructura de la triosafosfato isomerasa
Las subunidades pueden mantenerse juntas en el oligómero por
interacciones no covalentes (interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno o
enlaces iónicos), como en la triosafosfato isomerasa o bien unidas por enlaces
covalentes generalmente enlaces disulfuro, como en la insulina. Las subuidades
pueden trabajar independientemente como en la triptofano sintasa o de manera
concertada como en la triosafosfato isomerasa o la hemoglobina.
Por su permanencia en las células:

constitutivas, se sintetizan en tasas casi constantes. Son las
encargadas de las secciones robustas del metabolismo, aquellas
106
proteínas sin las cuales a los seres vivos nos cuesta mucho trabajo
sobrevivir. Recuérdese la carencia de Insulina en la diabetes melitus
en los mamíferos, o la fenilcetonuria en los humanos o el veneno
neurotóxico de los crótalos o los arácnidos que les permite
inmovilizar a sus presas.

adaptativas o inducibles se sintetizan en tasas que varían
según las necesidades celulares. Por ejemplo, las bacterias
únicamente producirán las enzimas necesarias para incorporar un
nutriente desde el exterior hasta el interior celulas, si éste está
presente en el medio extracelular. O bien el número de
transportadores de glucosa en el citoplasma de nuestras células en
condiciones de inanición.

Estructurales como la colágena, elastina y fibrinógeno que se
encargas de dar soporte a diversas estructuras celulares, además
encontramos en esta clasificación a las proteínas que forman al
citoesqueleto, los cilios, los flagelos, los microtúbulos, etc.

Enzimas

proteínas globulares
Muchas proteínas transmembranales o proteínas que son secretadas
poseen una señal en el extremo N-terminal de 13-36 residuos
predominantemente hidrofóbicos que es reconocida por una proteína
denominada SRP (partícula de reconocimiento de señal). Esta proteína se une a
una señal en el polipéptido para un receptor en la membrana (en el retículo
endoplásmico rugoso en los eucariontes o en la membrana plasmática en
procariontes). Las proteínas que poseen este péptido señal se denominan
preproteínas o si también contienen propéptidos: preproproteínas. (como la
papaina: proteasa de la semilla de la papaya que se utiliza como ablandador de
carnes) a las cuales para ser activas hay que removerles el péptido señal y el
propéptido:
Prepropapaina ·········· propapaina

péptido señal

papaina

propéptido
107
En el caso de las proteínas membranales, una vez que el péptido señal a
atravesado la membrana, es cortado específicamente por peptidasas de señal.
La insulina y la colágena son preproproteínas, que junto con otros polipéptidos,
necesitan de los siguientes cortes proteolíticos secuenciales: 1.- remoción de la
Met inicial; 2.- remoción de péptidos señal; y 3.- corte de los propéptidos.
Existen las poliproteínas que son polipéptidos que contienen la secuencia
para dos ó más proteínas, por ejemplo algunas hormonas, algunas proteínas de
los virus polio y del SIDA además de la ubiquitina. En estos polipéptidos
existen sitios de corte específicos para proteasas, las cuales dan origen al
número de proteínas especificado en la poliproteína (existen también
polipéptidos que contienen a dos enzima o cuando menos dos mecanismos
catalíticos diferentes, por ejemplo la 3-fosfoglicerato-cinasa/triosafosfato
isomerasa de Termotoga maritima. Como dato importante hay que mencionar
que actualmente se hacen grandes esfuerzos para obtener un inhibidor
especifico contra la actividad de la proteasa del VIH (que cataliza un paso
esencial en el ciclo viral) como un mecanismo para curar esta terrible
enfermedad.
Tanto en proteínas farnesiladas o geranilgeraniladas, la proteína es
sintetizada con la secuencia carboxilo terminal CaaX, en donde “C” es un
residuo de cisteína, “a” en a menudo un aminoácido alifático y “X” es cualquier
aminoácido. Después de que el grupo prenilo es añadido al enlace tioeter con el
residuo de Cys, el tripéptido aaX es hidrolíticamente removido y el nuevo
carboxilo terminal es esterificado con un grupo metil (rojo en la figura). Cuando
X es Ala, Met, o Ser, la proteína es farnesilada (arriba en la figura), por el
contrario, cuando es Leu es geranilgeranilada.
108
Figura: proteínas farnesiladas (arriba) o geranilgeraniladas (abajo)
Las enzimas son proteínas que incrementan la velocidad de una reacción
química y no se consumen durante la misma (algunos tipos de ARN pueden
actuar como enzimas, usualmente rompen y sintetizan enlaces fosfodiester; a
estas moléculas se les denomina “ribozimas” y se encuentran en muy baja
proporción en la naturaleza).
Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o cavidades
denominadas sitio activo. El sitio activo está formado por las cadenas laterales
de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglo tridimensional
particular, diferente al resto de la proteína. Este sitio es afín por la estructura
tridimensional del sustrato:
enzima
109
+
sustrato
sitio activo
vacío
sitio activo
ocupado
Figura: representación de la formación del complejo enzima-sustrato.
El sitio activo la enzima (E) une al substrato (S) formando un complejo
enzima-substrato (ES). En el complejo ES, E transforma a S en él o los
productos, formando el complejo enzima-producto (EP), finalmente la enzima
libera del sitio activo a P, regenerándose.
E + S  ES  E + P
La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas son muy eficientes
y transcurren desde 106 hasta 1014 veces más rápido que la misma reacción no
catalizada. Típicamente, cada molécula de enzima es capaz de transformar cada
segundo de 100 a 1000 moléculas de substrato en producto. El número de estas
moléculas transformadas a producto por molécula de enzima en cada segundo,
se conoce como el número de recambio.
Enzima
Anhidrasa carbónica
Corismato mutasa
Triosafosfato isomerasa
Carboxipeptidasa A
AMP nucleosidasa
Nucleasa estafilococal
Velocidad en
ausencia de enzima
Velocidad de
reacción catalizada
Rendimiento
1.3 X 10 –1
2.6 X 10 –5
4.3 X 10 –6
3.0 X 10 –9
1.0 X 10 –11
1.7 X 10 -13
1.0 X 106
50
4300
578
60
95
7.7 X 106
1.9 X 106
1.0 X 109
1.9X 1011
6.0 X 1012
5.6 X 1014
110
Tabla: Eficiencia de las reacciones catalizadas por algunas enzimas.
Las enzimas son muy específicas por el substrato de la reacción que
catalizan. Interactúan con una o muy pocas moléculas y catalizan únicamente
un tipo de reacción, por lo que las moléculas con las que interactúan deben ser
muy parecidas, tanto en composición, como en estructura tridimensional. Por
ejemplo, en la siguiente figura, en el panel A, se muestra la reacción catalizada
por la enzima triosafosfato isomerasa (enzima que cataliza el paso 5 de la
glucólisis), en el panel B se muestran inhibidores de la catálisis:
A
Glu 165
Glu 165
Glu 165
H
H
H
H
OH
H
OH
O
O
P
O
OH
H
His 95
DHAP
P
His 95
H
O
O
P
OH
Enediol
GAP
H 3C
H 3C
B
O
H
O
H
His 95
111
Figura: A.- Reacción catalizada por la triosafosfato isomerasa; B.- Inhibidores
de su catálisis.
Nótese el parecido con la estructura de los sustratos y del intermediario
Algunas enzimas se asocian con moléculas de carácter no proteíco que
son necesarias para el funcionamiento de la enzima, estas moléculas se
denominan cofactores. Comúnmente, los factores encontrados en las enzimas
incluyen iones metálicos como el Zn2+ o el Fe2+, también pueden ser moléculas
orgánicas que se denomina coenzimas como el NAD+, FAD, la conezima A y la
C, generalmente las coenzimas son derivados de las vitaminas. A la enzima en
ausencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina apoenzima, en
presencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina holoenzima. La
apoenzima generalmente carece de actividad biológica. La diferencia entre un
cofactor y un grupo prostético, como el grupo hemo, es que este último está
unido de manera covalente a la enzima, mientras que el cofactor puede ser
removido de la misma con relativa facilidad.
Coenzima
Reacción
Fuente vitamínica
Enfermedad
Humana
por deficiencia
Biocitina
Carboxilación
Biotina
*
Coenzima A
Transferencia de acilos
Pantotenato
*
Coenzimas de Cobalamima Alquilación
Cobalamina (B12)
anemia perniciosa
Coenzimas de flavina
Oxidación-reducción
Riboflavina (B2)
*
Acido lipóico
Transferencia de acilos
*
Coenzimas de nicotinamida Oxidación-reducción
Nicotinamida (niacina)
Pelagra
Fosfato de piridoxal
Transferencia de grupo amino
Piridoxina (B6)
*
Tetrahidrofolato
Transferencia de un grupo de 1 Carbono
Acido fólico
anemia megaloblástica
112
Tiemina pirofosfato
Transferencia de aldehído
Tiamina (B1)
beriberi
Tabla: Relación entre algunas coenzimas y las vitaminas a partir de las cuales
se producen. Enfermedades generadas por la deficiencia
* no tiene un nombre específico, su aparición es muy rara.
La actividad enzimática puede ser regulada, esto quiere decir que
dependiendo de los requerimientos metabólicos, las enzimas son activadas o
inhibidas, para acelerar o disminuir la velocidad con la que catalizan la
reacción, respondiendo así a las diferentes necesidades de sus productos en la
célula. La regulación más común es modificando la concentración de su(s)
substrato(s).
En los eucariontes, muchas enzimas se localizan en organelos específicos en la
célula. Esta compartamentalización ayuda a aislar los substratos de la reacción o
productos de la misma, de tal forma que no hay competencia de reacciones, de esta
manera se provee un medio favorable para la reacción, de tal forma que es posible
localizar diferentes partes del metabolismo en diferentes organelos, haciendo a la
célula una entidad organizada en donde simultáneamente funcionan miles de enzimas.
El mecanismo de acción de una enzima se puede entender desde dos
perspectivas. La primera trata a la catálisis desde el punto de vista de los cambios en
energía que ocurren durante la reacción; las enzimas proveen una vía alterna,
energéticamente favorable que es diferente de la reacción no catalizada. La segunda
describe cómo el sitio activo facilita químicamente la catálisis de la enzima.
Cambios de energía que ocurren durante la reacción.
Virtualmente todas las reacciones químicas tienen una barrera energética
que separa a los reactivos, reactantes o substratos de los productos. Esta
barrera se denomina energía libre de activación que es la diferencia en energía
que existe entre los reactivos y los productos. El lugar donde la energía libre de
113
activación es máxima, se denomina estado de transición. En la siguiente figura
se ejemplifica la transformación del reactivo A en el producto B a través del
estado de transición T*:
A  T*  B
Figura: Representación del cambio en la energía libre de una reacción
catalizada enzimáticamente (línea continua) y la misma no catalizada (línea
punteada).
Energía libre de activación.
Este máximo de energía representa el estado de transición en el cual se
forma el intermediario rico en energía durante la conversión de los reactivos en
los productos. Debido a la gran energía de activación que separa a los reactivos
de los productos, a menudo la misma reacción es más lenta si no es catalizada,
que si la cataliza una enzima.
Velocidad de reacción.
Las moléculas que reaccionarán en un evento químico, deben contener
suficiente energía para sobrepasar la energía de activación del estado de
transición en su camino para transformase en los productos. En ausencia de la
enzima, solo una pequeña porción de la población de estas moléculas posee la
energía suficiente para realizar la transición hacia los productos. La velocidad
114
de la reacción estará determinada por el número de moléculas que se
encuentren en ese estado energético particular. En general, al disminuir la
energía de activación, la mayoría de las moléculas tienen energía suficiente
para pasar sobre el estado de transición y por tanto aumenten la velocidad de la
reacción.
Vía de reacción alterna.
Una enzima permite que una reacción se lleve a cabo rápidamente bajo
las condiciones que reinan en la célula. Lo anterior se realiza al disminuir la
energía de activación. La enzima no modifica la energía contenida en los
reactivos o producto; de la misma forma, no altera el equilibrio de la reacción.
Química del sitio activo.
El sitio activo de las enzimas no es un receptáculo pasivo para la unión
del substrato, por el contrario es una maquinaria molecular muy compleja que
emplea una amplia diversidad de mecanismos químicos que facilitan la
interconversión de los substratos y los productos. Dentro de los factores que
están relacionados con la eficiencia catalítica de las enzimas están los siguientes:
Estabilización del estado de transición.
El sitio activo de la enzima a menudo actúa como un molde molecular
flexible en donde el substrato se une de forma geométricamente adecuada para
transformarse en el estado de transición de la molécula. Al estabilizar al
substrato en el estado de transición, la enzima aumenta de manera considerable
la concentración de este intermediario reactivo que puede ser transformado en
el producto(s) y, por tanto, acelerar la reacción.
Otros factores.
El sitio activo posee grupos catalíticos que incrementan la probabilidad
de que se forme el estado de transición. En algunas enzimas, estos grupos
pueden participar en una catálisis tipo ácido-base en la cual algunos residuos
de aminoácidos proveen o aceptan protones. En otras enzimas, la catálisis
involucra la formación temporal de un complejo covalente enzima-substrato.
115
O visualización empírica de la transformación del reactivo en el producto a
través del estado de transición.
Las conversiones de reactivos catalizadas por enzimas pueden ser
visualizadas de la siguiente forma:
¿Cómo quitarle la envoltura a un chocolate?
En esta visualización, el chocolate envuelto es el substrato.
Es claro que la envoltura no se retirará del chocolate de manera
espontánea y que se necesita de energía externa aplicada de manera adecuada
para que el proceso se lleve a cabo.
En este caso las manos funcionarán como la enzima chocolatasa, cuyo
papel específico en esta naturaleza ficticia es precisamente retirar la envoltura
de los chocolates.
Lo primero que sucederá es que las manos tomarán al chocolate
envuelto, es decir, se formará ES.
Los arreglos necesarios realizados por los dedos, que en este caso
ejemplifican a los residuos de aminoácidos del sitio catalítico de la chocolatasa,
llevan al substrato (chocolate envuelto) a un estado en el cual la envoltura se ha
retirado parcialmente, pero no del todo.
Este momento ejemplifica al estado de transición, que con un poco más
de inversión de energía, logra convertirse en los productos que son el chocolate
más la envoltura.
116
Por supuesto este proceso no termina en este lugar, no tiene sentido
catalizar una reacción si el o los productos de ésta no se utilizan como
substratos de otras reacciones. Para qué desenvolver al chocolate si no ha de ser
comido, por tanto, existe otra enzima que es una utilizadora de chocolate y otra
que es la desechadora, que se deshace de la envoltura. Nótese que el ejemplo
lejos de representar la realidad, hace suponer la inmensa cantidad de reacciones
que se pueden catalizar en los sistemas vivientes.
Las enzimas pueden ser aisladas de las células u organismos, para
estudiar sus propiedades in vitro es decir, en un tubo de ensayo. Las diferentes
enzimas muestran diferentes respuestas a los cambios en la concentración de
substrato, temperatura y pH.
Velocidad máxima: la velocidad de una reacción (v) es el número de
moléculas de substrato convertidas en producto por unidad de tiempo y
usualmente se expresa en µmoles de producto formadas por minuto. La
velocidad de una reacción catalizada por una enzima, aumenta conforme se
incrementa la concentración de substrato hasta que se llega a una velocidad
máxima (Vmax), a partir de la cual la velocidad de la reacción, es independiente
de la cantidad de substrato. El que la velocidad no pueda seguirse
incrementando, refleja la saturación del sitio activo con el substrato.
Vmax
0
Substrato
Figura: representación de una cinética típicamente michaeliana.
Vmax = velocidad de saturación o máxima.
117
La mayoría de las enzimas muestran cinéticas del tipo hipérbola
rectangular como describieron en 1913 por primera vez Leonor Michaelis y
Maud Menten. Este trazo se obtiene al graficar la velocidad de la reacción
enzimática vs. La concentración de Substrato; este comportamiento se describe
por ejemplo para la disociación del Oxígeno de la mioglobina. Existen algunas
enzimas que se denominan “alostéricas”, que frecuentemente poseen una
curva tipo sigmoide (en forma de S), que es similar a la mostrada para la
disociación del Oxígeno de la hemoglobina.
Hiperbólica (comportamiento cinético
michaeliano)
Sigmoide
alostérico)
0
(comportamiento
cinético
Substrato
Figura: representación de una cinética michaeliana y una alostérica.
Incremento de la velocidad con la temperatura: En general, la velocidad
de la reacción se incrementa con la temperatura hasta que un punto máximo es
alcanzado. Este incremento se debe a que aumenta el número de moléculas
ricas en energía que pueden pasar la barrera energética de estado de transición,
para formar a los productos.
Decremento de la velocidad con la temperatura: la elevación excesiva de
la temperatura del medio que contiene a las enzimas, resulta en un decremento
de la velocidad como resultado de la desnaturalización, es decir, la pérdida de
la estructura tridimensional de las enzimas.
zona de reactivación
118
máximo de actividad
Zona
inactivación
0
de
Temperatura
Figura: dependencia de la actividad enzimática con la temperatura
Efecto del pH en la ionización del sitio activo: la concentración de H+
afecta la velocidad de la reacción en muchas formas. Primero el proceso
catalítico usualmente requiere de que la enzima y el substrato tengan grupos
químicos en una forma ionica particular para poder interactuar. Por ejemplo la
actividad catalítica puede necesitar a un grupo amino, por ejemplo de una lisina
en estado protonado (-NH3+) o no (-NH2+), el pH modifica este estado y por
tanto a la velocidad de la reacción.
Efecto del pH para la desnaturalización de la enzima: pH extremos
pueden ocasionar la desnaturalización de las enzimas, debido a que la
estructura con estos cambios es posible modificar las interacciones ionicas que
intervienen en la estabilidad de la enzima en su estado nativo:
100
pepsina
50
tripsina
fosfatasa alcalina
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
pH
Figura: efecto de la variación en el pH sobre la actividad enzimática.
El pH óptimo varía para las diferentes enzimas: el pH al cual las
enzimas adquieren su máxima actividad es diferente para cada una de ellas y
119
depende de la secuencia de aminoácidos que las conforman, por supuesto,
también está relacionado con el microambiente celular en el cual desarrollan su
catálisis. Por ejemplo la pepsina que es una enzima digestiva que actúa en el
estómago, posee un pH óptimo de alrededor de 2 unidades, por el contrario
otras enzimas que actúan a pH neutro, se desnaturalizan a pH alcalino o ácido.
Las enzimas al igual que otras proteínas tienen pesos moleculares que
van desde 12,000 hasta más de un millón de kD. Algunas requieren de grupos
diferentes a los aminoácidos para realizar su catálisis. Otras requieren de un
cofactor que puede ser uno o más iones inorgánicos. Otras enzimas requieren
de una coenzima. Ver las siguientes Tablas
ION
EJEMPLO DE ENZIMA
Fe2+ o Fe3+
citocromo oxidasa, catalasa, peroxidasa
K+
piruvato cinasa
Mg2+
hexoquinasa, glucosa-6-fosfatasa, piruvato cinasa
Mn2+
arginasa, ribonucleótido reductasa
Mo
dinitrogenasa,
Ni2+
ureasa
Se
glutatión peroxidasa
Zn2+
pirofosfatasa
120
Tabla: ejemplos de enzimas que requieren de iones inorgánicos para la catálisis.
Ejemplo deCoenzima grupos
transferidos
Precursor en la
dieta de los
mamíferos
Tiamina pirofosfato
aldehídos tiamina
Flavín adenin dinucleótido
FAD
Nicoinamida adenin dinucleótido
NAD
niacina)
Coenzima A
electrones
ion hidruro (:H-)
grupos acilo
(vitamina B1)
riboflavina
(vitamina B2)
ácido
nicotínico
ácido
pantoténico
Fosfato de piridoxal
grupos amino piridoxina
(vitamina B6)
5´-desoxiadenosilcobalamina (conezima B12)
Biocina
átomos de H
y grupos alquilo
CO2
vitamina B12
Biotina
Tabla: algunas coenzimas, sus grupos de transferencia y sus precursores.
Otras coenzimas:
NADP
Coenzima Q
Biotina
Definiciones.
Grupo prostético: coenzima o metal unido covalentemente a la enzima. De características no proteicas
Holoenzima: es una enzima cuya actividad catalítica depende de tener unido de manera covalente a su grupo
prostético. Esto quiere decir que bajo ciertas condiciones el grupo prostético puede ser removido de la enzima, por
motivos regulatorios, o bien existen estados en los cuales la enzima carece de este grupo, por ejemplo recién sintetizada
la cadena de aminoácidos; la presencia del grupo prostético es una modificación postraduccional. Al estado de la
enzima que carece del grupo prostético se le denomina apoenzima. Las enzimas que contienen grupos prostéticos no
son
121
ACIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos desempeñan una importante función en el
almacenamiento, transferencia y expresión de la información genética de cada
célula, tejido y organismo. Los planos para la construcción de un organismo
están codificados en su ácido nucleico, gran parte del desarrollo físico de un
organismo a lo largo de su vida, así como, las proteínas que elaborarán sus
células y las funciones que realizarán están todas registradas en estas
moléculas.
Los ácidos nucleicos pueden considerarse polímeros de unidades
monoméricas o nucleótidos, en ocasiones llegan a tener centenares de
millones de unidades y por ello se les suele asignar la denominación genérica
de polinucleótidos. Los polímeros pequeños, que contienen tan solo algunos
residuos, se denominan oligonucleótidos.
El esqueleto covalente del ADN (y ARN) esta formado por unidades
desoxirribosa ( o ribosa) alternados con grupos fosfato, formando una región
invariable y común a todos los ácidos nucleicos. Esta región del ADN presenta
direccionalidad (un extremo de la cadena tiene un grupo 3´hidroxilo y el otro
uno 5´hidroxilo) y permanece inalterada a lo largo de toda la molécula por lo
que juega un papel estructural muy importante. Las bases heterocíclicas
conectadas al esqueleto covalente por enlaces N-glucosídicos sobresalen de
las cadenas laterales y forman la región variable del ADN y ARN ya que la
secuencia de las bases (A,G,C y T en ADN y A,G.C. y U en ARN) sirve de
molde para especificar un ordenamiento particular que puede variar de una
molécula a otra.
Los ácidos nucleicos son metaestables ya que tienen favorecida
termodinámicamente su ruptura.
122
Un ácido nucleico consiste de una secuencia de subunidades unidas
químicamente. Cada subunidad, contiene una base nitrogenada (anillo heterocíclico de
átomos de carbono y nitrógeno), una azúcar pentosa (anillo de 5 carbonos) y un grupo
fosfato:
Figura: representación de una cadena de nucleótidos
123
Las pirimidinas que tienen un anillo de seis miembros
Figura: las pirimidinas.
Las purinas que tienen un anillo de 5 miembros fusionado a uno de 6:
Figura: las purinas
124
Cada ácido nucleico contiene 4 tipos de bases. Las mismas dos purinas, adenina
(A) y guanina (G) están presentes en el ADN y en el ARN. Las dos pirimidinas, en el
ADN son citosina (C) y timina (T), en el ARN, la timina se cambia por el uracilo (U).
La única diferencia entre el uracilo y la timina es la presencia de un substituyente metil
en la posición C5. De tal manera que en el ADN solo existen A,G,C y T, mientras que
en el ARN contiene A,G,C y U.
La base nitrogenada esta unida a la posición 1 del anillo de la pentosa por medio
de un enlace glucosídico a la posición N1 de las pirimidinas o a la N9 de las purinas.
Para evitar ambigüedades entre la numeración de los heterociclos y el anillo del azúcar,
las posiciones de la pentosa se numeran como primos (´).
Una base unida a una azúcar se denomina nucleósido, cuando se une un fosfato,
la base-azúcar-fosfato se denomina nucleotido:
Base
Nucleosido
Nucleotido
Abreviatura
ARN
ADN
Adenina
adenosina
ácido adenílico
AMP dAMP
Guanina
guanosina
ácido guanilico GMP
dGMP
Citosina
Timina
Uracilo
citidina
timidina
uridina
ácido citidilico
ácido timidilico
ácido uridilico
CMP dCMP
dTMP
UMP
Tabla: los diferentes arreglos de los nucleótidos.
Los nucleótidos son los bloques de construcción a partir de los cuales se
construyen los ácidos nucleicos. Los nucleótidos están unidos en una cadena
polinucleotídica con un esqueleto que consiste de series alternadas de residuos de azúcar
y fosfato. La posición 5´ de un anillo de pentosa está conectada a la posición 3´ de la
siguiente pentosa vía un grupo fosfato (ver Figura 1). Por lo tanto, se dice que el
esqueleto de azúcar-fosfato consiste de un enlace fosfodiester en posición 5´-3´. Las
bases nitrogenadas están por fuera del esqueleto.
El nucleótido terminal en uno de los extremos de la cadena tiene el grupo 5´
libre; y al otro lado de la cadena tiene un grupo 3´ libre. Es una convención escribir las
secuencias de ácidos nucleicos en la dirección 5´-3´, de tal forma que el extremo 5´ está
a la izquierda y el 3´ a la derecha.
Cuando el ADN o el ARN son rotos en sus nucleótidos constituyentes, la ruptura
puede llevarse a cabo en cualquiera de los lados de los enlaces fosfodiester.
Dependiendo de las circunstancias, los nucleótidos tienen su grupo fosfato unido a
cualquiera de las posiciones 5´ ó 3´ de la pentosa:
125
Figura: posibilidades del acomodo de los grupos fosfato en las ribosas de los
nucleótidos.
Todos los nucleótidos pueden existir en una forma en la cual hay más de un
grupo fosfato unido a la posición 5´ por ejemplo:
Figura: diferentes estados de fosforilación de un nucleótido
Todos los enlaces (,  y ) son ricos en energía, la cual se utiliza como fuente
para múltiples actividades celulares. Los nucleótidos 5´trifosfatados son los precursores
de la síntesis de los ácidos nucleicos.
126
En los ácidos nucleicos, se encuentran dos tipos de pentosas. Esta característica
diferencia al ADN del ARN y les da el nombre a los dos tipos de ácidos nucleicos:
Figura: diferencias entre un ribonucleótido y un desoxirribonucleótido
En el ADN, la pentosa es la 2-desoxiribosa y en el ARN es la ribosa. La
diferencia la hace la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en la posición 2 del
anillo.
La idea de que el material genético es un ácido nucléico surge con el
experimento de transformación de Griffith en 1928. En los ratones, la bacteria
Pneumococcus ocasiona la muerte por neumonía. La virulencia de la bacteria está
determinada por la cápsula de polisacáridos que forma parte de la superficie celular y
que le permite escapar de la destrucción por el hospedero. Los diferentes tipos de
Pneumococcus (I, II y III), tienen diferentes cápsulas, lo cual lo hace tener una
superficie lisa (L).
127
Cada tipo de Pneumococcus puede generar una variante incapaz de generar la
cápsula. Estas bacterias, tienen una cubierta rugosa (R) y son avirulentas; al no tener la
protección contra la destrucción contra la defensa del hospedero, no ocasionan la
enfermedad del ratón.
Cuando se mata a las bacterias L por medio de tratamiento térmico, pierden la
capacidad de infectar al ratón. Pero, al combinarse estas últimas con bacterias R, se
obtiene un resultado diferente. Cuando ambas bacterias, Lisas inactivas y Rugosas no
virulentas, se inyectan juntas, el ratón muere por neumonía. Además, bacterias S,
pueden ser recuperadas del animal muerto.
Tipo de Pneumococcus
1.- Bacterias L vivas
2.- Bacterias L muertas por calor
3.- Bacterias R vivas
4.- Mezcla de 2 y 3
Efecto en el ratón
(después de la inyección)
muere
vive
vive
muere
Tabla: resultados obtenidos por Griffith.
En el experimento original, las bacterias L muertas, eran del tipo III. Las
bacterias R vivas derivaron del tipo II. La bacteria virulenta recuperada, presenta
cápsula de tipo III. Por lo tanto, alguna propiedad de las bacterias L tipo III pueden
transformar a las bacterias vivas R, de tal forma que estas últimas tienen cápsula de
polisacáridos tipo III y por tanto son virulentas.
El componente de las bacterias muertas, responsable de la transformación, se
denominó “principio transformante”. Este material pudo ser aislado al desarrollar un
sistema libre de células, en el cual el extracto de las bacterias L muertas pudo ser
agregados a las bacterias R vivas antes de ser inyectadas al ratón. En 1944, Avery y
colaboradores aislaron el principio transformante y demostraron que es ácido
desoxiribonucleico (ADN).
En ese entonces, no se tenía conocimiento de que el ADN era un componente de
las células de Pneumococcus, pero décadas atrás se reconocía como parte principal de
128
los cromosomas eucariontes. Lo cual unificó que las bases de la herencia para
procariontes y eucariontes.
Al discutir los resultados de la transformación, Avery escribió:
“Si estamos en lo correcto, esto significa que los ácidos nucléicos no son meramente
importantes desde el punto de vista estructural, sino substancias funcionalmente que
determinan las actividades bioquímicas y características especificas de las células, de
tal forma que al conocer esta substancia química es posible inducir cambios
predecibles en las células.”
La observación de que las bases están presentes en diferentes cantidades en el
ADN de diferentes especies llevó al concepto de que la secuencia de bases es la forma
en la cual la información genética es transportada.
Existen 3 evidencias que llevaron a Watson y Crick (en 1953) a la construcción
del modelo de la doble hélice del ADN:
1.- La difracción de rayos X muestra que el ADN tiene una forma de hélice regular,
teniendo una vuelta casa 34 Å (3.4 nm) con un diámetro de aproximadamente 20 Å (2
nm). De acuerdo a lo anterior, debe tener 10 nucleótidos por vuelta.
2.- La densidad del ADN sugiere que la hélice debe contener cadenas de
polinucleótidos. El diámetro constante de la hélice puede ser explicado si las bases de
cada cara de la cadena están hacia adentro y están restringidas de tal manera que las
purinas están siempre opuestas a las pirimidinas, evitando así los pares purina-purina o
pirimidina-pirimidina.
3.- La proporción de G es siempre la misma que la de C en el ADN y las proporciones
de A son siempre las mismas que las de T. De tal forma que la composición de
cualquier ADN puede ser descrita por la proporción de sus bases C+G la cual varia
entre 26 y 74 % dependiendo de la especie.
Watson y Crick propusieron que las dos cadenas de polinucléotidos en la doble
hélice están asociadas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas:
La siguiente figura muestra que usualmente, G solo puede hacer puentes de
hidrógeno con G, por el contrario, A solo puede unirse con T. Estas reacciones se
describen como pares de bases y las bases apareadas (G con C y A con T) son
complementarias.
129
Figura: complementariedad de los pares de bases de Watson y Crick.
El modelo requiere las dos cadenas de polinucléotidos corriendo en direcciones
(antiparalelas). Al observar la hélice, se aprecia que una hebra corre en dirección 5´3´,
mientras que su hebra complementaria lo hace en dirección 3´  5´. Esto se refiere al
enlace que se forma entre el grupo fosfato en posición 3´ de un nucleótido y el grupo
hidroxilo 5´ en el siguiente nucleótido, de tal forma que en los extremos se encuentra un
grupo3’ libre de un lado y uno 5´ del otro.
130
Figura: las cadenas de ADN son antiparalelas.
El esqueleto azúcar-fosfato está en el exterior de la hélice y lleva cargas
negativas en los grupos fosfato. In vitro, el ADN en solución las cargas se neutralizan
por la unión de iones metálicos, típicamente por Na+. In vivo, las cargas son
neutralizadas por proteínas cargadas positivamente. Estas proteínas juegan un papel
muy importante al determinar la organización del ADN en la célula.
Las bases se encuentran en el interior, acomodadas por pares perpendiculares a
lo largo del eje de la hélice. Los pares de bases contribuyen a la estabilidad
termodinámica de la doble hélice de dos formas. La energía es liberada por la
formación de los pares de bases y por las interacciones entre los pares de bases
adyacentes:
131
10 pares de bases
Figura: el esqueleto de la molécula de ADN.
Los puentes de hidrógeno entre las bases en cada cadena libera la energía
correspondiente a 3 puentes de hidrógeno por cada par C-G y de dos por cada par A-T.
El acoplamiento de las bases es un proceso hidrofóbico que resulta de la
interacción entre los sistemas de electrones de los pares de bases. Cada par de bases está
involucrado en estas dos interacciones. Las fuerzas de Van der Waals también son
importantes en la interacción de los pares de bases.
Cada par de bases está girado aproximadamente 37° alrededor del eje de la
hélice con relación al siguiente par de bases, de tal suerte que hay 10 pares de bases en
cada vuelta completa de la hélice para completar 360°. El giro de las dos hebras
alrededor una de la otra, forma a la doble hélice con un surco mayor (aproximadamente
12 Å) y un surco menor (aproximadamente 22 Å).
132
La doble hélice está enredada ala derecha, las vueltas corren en sentido de las
manecillas del reloj a lo largo del eje de la hélice. Estas características representan el
modelo aceptado para lo que se conoce como forma B del ADN.
Surco Mayor
Surco Menor
Figura: la estructura del ADN.
Después de que se demostró que el principio transformante era ADN, se tenía
que demostrar que esta molécula provee del material genético en diferentes sistemas.
El bacteriofago T2, es un virus que infecta a las células de la bacteria
Escherichia coli. Cuando los virus T2 se ponen en contacto con las bacterias, les
inyectan algunos materiales. Después de aproximadamente 20 minutos, las células
explotan (se lisan) y liberan una gran cantidad de nuevos virus.
Hershey y Chase (en 1952) marcaron radioactivamente a fagos T2 en sus
componentes de ADN (con 32P) o en los componentes de sus proteínas (con 35S)
133
ADN
Proteínas
Bacteriofago T2
Figura: representación de la composición de un bacteriofago T2.
Infectaron bacterias de Escherichia coli con los fagos marcados (1 en la
siguiente Figura) y dejaron continuar el ciclo (2 en la siguiente Figura)
1.-
2.-
Figura: representación del experimento de Hershey y Chase 1
Las células de las bacterias infectadas, se rompieron por agitación. La solución
de células rotas se centrifugó y se obtuvieron dos fracciones. Una de ellas contenía la
cubierta vacía de los fagos (cápside), que fue liberada de la membrana de las bacterias
por la agitación. La otra fracción contenía a las bacterias infectadas. La mayoría de la
radioactividad del 32P estaba presente el las bacterias infectadas. Los fagos producidos
por la infección contenían aproximadamente el 30% de la marca original de 32P y menos
del 1% de las proteínas contenidas en los fagos originales:
134
Figura: representación del experimento de Hershey y Chase 2
Este experimento mostró directamente que el ADN de los fagos originales
(parentales) entra a la bacteria y se vuelve parte de los fagos resultantes de la infección
(progenie), exactamente el patrón de herencia esperado del material genético.
Un fago (virus) se reproduce al apoderarse de la maquinaria de la célula
hospedera para manufacturar copias de él mismo. El fago procesa el material genético
cuyas características son análogas a las de los genomas celulares: es completamente
reproducido y está sujeto a las mismas reglas que gobiernan a la herencia.
El caso de T2 refuerza la conclusión de que el material genético es el ADN, es
parte del genoma de las células o virus.
El material genético de todos los organismos y de muchos virus es ADN. Pero
algunos virus utilizan un ácido nucleico alternativo, el ácido ribonucleico (ARN) como
material genético. Aunque su fórmula química es muy poco diferente de la del ADN, en
estas circunstancias juega el mismo papel. Ejemplos de estos virus, es el de la hepatitis,
de la gripe o influenza y el de inmunodeficiencia humana. La conclusión es que
independientemente de si es ADN o ARN, el material genético de los seres vivos y de
los virus es siempre un ácido nucleico.
Las proteínas responsables del empaquetamiento del ADN se denominan
histonas. Estas proteínas forman parte del alrededor de la mitad de la masa de la
cromatina. Hay 5 clases principales de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4, todas ellas
contienen una gran cantidad de residuos cargados positivamente ( Arg y Lys).
135
Histona
H1
H2A
H2B
H3
H4
número
de residuos
215
129
125
135
102
Masa
%Arg
%Lys
(kD)
UEP*
(x10-6 años)
23.0
14.0
13.8
15.3
11.3
1
9
6
13
14
29
11
16
10
11
8
60
60
330
600
Tabla: características de las histonas.
*Unidad de periodo evolutivo: es el tiempo en el que la secuencia de aminoácidos de
una proteína cambia en 1% después de que dos especies divergieron.
Las histonas, se unen ionicamente a los grupos fosfato del ADN cargados
negativamente. In vitro, esta interacción, se puede romper con 0.5 M de NaCl.
Las histonas están conservadas evolutivamente, su función es tan crítica que no
soportan cambios.
Las histonas son objeto de modificaciones postraduccionales como metilaciones,
acetilaciones y fosforilaciones en residuo específicos (Arg, His, Lys, Ser y Thr). La
mayoría son revertidos al alterarse la carga de la proteína, lo que se refleja en su unión
con el ADN. Aunque están conservadas evolutivamente, las modificaciones son
diferentes dependiendo el tejido o el estado del ciclo celular. Por ejemplo, el 10% de la
H2A tiene unido en el grupo  de la Lys 119 en el carboxilo terminal a la proteína
ubiquitina. En general, esta señal en el citoplasma resulta en la degradación de la
proteína.
En las células eritroides de embriones de pollo, existe una variante de H1 llamada
H5, cuya función es desconocida (los eritrocitos de pollo, a diferencia de los humanos,
son nucleados).
En 1974 Roger Kornberg, describió al nucleosoma que es el primer nivel de
organización de la cromatina. Las evidencias que usó Kornberg para ello fueron:
1.- la cromatina contiene aproximadamente el mismo número de moléculas de histonas
H2A, H2B, H3 y H4 y no más de la mitad de H1.
2.- La cristalografía de rayos X indica que e la cromatina existe una estructura regular
que se repite cada 100 Å sobre la fibra. Este mismo patrón se observa cuando ADN
purificado se mezcla con cantidades equimolares de histonas, excepto H1.
3.- Micrografías electrónicas de la cromatina revelan que consiste de partículas de
aproximadamente 100 Å de diámetro conectadas a partir de ADN desnudo (como un
collar de cuentas) y son aparentemente las responsables del patrón de rayos X.
136
ADN
Desnudo
100 Å
4.- Controlando el tiempo de digestión de la cromatina con la nucleasa micrococal, (que
rompe la doble hebra del ADN), se obtienen diferentes estructuras:
Monómeros
tetrámeros
dímeros
trímeros
Mediante experimentos de electroforesis en gel indican que cada partícula
contiene alrededor de 200 pares de bases.
5.- Experimentos de entrecruzamiento, indican que las histonas H3 y H4 se asocian paa
formar el heterotetrámero (H3)2(H4)2.
Las observaciones de Kornberg lo llevaron a concluir que el nucleosoma, está
formado por el octámero (H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2, además de aproximadamente 200
pares de bases de ADN. La quinta histona H1, postuló que estaba asociada de alguna
manera en el exterior del nucleosoma.
El ADN, se enreda alrededor
nucleosoma:
Cromatina
+
nucleasa 
micrococal
cromatosoma
de un octámero de histonas para formar el
+
nucleasa  núcleo del nucleosoma
micrococal
+
H1
137
cromatosoma: nucleosoma + H1
núcleo del nucleosoma: 146pb asociados con el octámero
El ADN removido por la digestión se denomina ADN de unión. Y varia de
especie a especie y de tejido a tejido entre 8 y 114 pares de bases, pero generalmente es
de aproximadamente 55pares de bases.
Cuando el ADN se replica in vivo, las hebras hijas, inmediatamente son
incorporadas en nucleosomas. Cuando el ADN se replica en presencia de cicloheximida
(inhibidor de la síntesis de ADN), sólo una hebra hija tiene nucleosomas.
A medida que se disminuye la concentración de NaCl en un experimento, hasta
la concentración fisiológica, la estructura de zig-zag de la cromatina forma un filamento
de 300 Å de grosor en el cual se observan los nucleosomas. La hipótesis más aceptada,
dice que el filamento de 300 Å está formado por la suma de los nucleosomas en un
solenoide con  6 nucleosomas por vuelta. El solenoide, está estabilizado por las
histonas H1 de forma cabeza-cola.
Los cromosomas de la metafase depletados de sus histonas presentan un
“andamio” fibroso de proteína rodeado por un halo de ADN. Las hebras de ADN
forman giros que entran y salen del andamio en aproximadamente el mismo sitio. La
mayoría de estos giros, tienen una longitud de entre 15 y 30 µm (45-90 pares de bases),
de tal forma que cuando se condensan para formar el filamento de 300 Å, miden  6
µm. De ahí que se prediga que el diámetro de los cromosomas en metafase sea de 1.0
µm.
1.0 µm
giro
0.3µm
andamio
0.4 µm
giro
0.3 µm
Figura: Simulación del corte transversal de un cromosoma humano en metafase
138
La hibridación del ADN es el proceso más común para detectar un gen
particular o un segmento de un ácido nucleico. Existen muchas variaciones del
método básico, el que mas se utiliza es el uso de fragmentos de ADN o ARN
marcados radioactivamente conocidos como sondas. De hecho esta
metodología es la base de la amplificación controlada de ADN conocida como
PCR por sus siglas en inglés Polimerase Chain Reaction o reacción en cadena
de la polimerasa que se utiliza para la clonación y secuenciación de ADN.
A diferencia del ADN todos los tipos de ARN, son de una sola hebra, la cual
que se sintetiza a partir de moldes de ADN. Aún así, los ARNs, tienen estructuras
estables (regiones de doble hélice antiparalelas) que les permite tener estructuras
tridimensionales.
En los ARN los pares de bases son generalmente AU y GC aunque
eventualmente existen pares GU. En algunos (tARN) existe complementariedad
inteARN que hace que tengan estructuras específicas y estructura terciaria.
Dos principios del plegamiento de las proteínas se aplican al ARN:
1.- La estructura está dada por la secuencia de los grupos funcionales de la cadena
(aminoácidos en proteínas y nucleotidos en ARN) y 2.- la estructura se forma al
sintetizarse la cadena; es importante mencionar que la estructura del ARN que se está
sintetizando puede afectar la transcripción de lo que resta de la cadena. En las células el
ARN tiene tamaños que van desde 50 hasta decenas de miles de nucleótidos
(excepcionalmente puede haber ARNs circulares).
La complementariedad de los pares de bases de W-C es cierta para los complejos
ADN-ADN, ARN-ARN y ADN-ARN. La evidencia directa de lo anterior, se tuvo al
descubrir a la enzima ARN polimerasa, que existe virtualmente en todos los
organismos. En una célula de E. coli hay alrededor de 3X103 moléculas de esta enzima.
La ARN polimerasa une ribonucleotidos catalizando la formación de un enlace
fosfodiester en dirección 3´-5´. Esta reacción ocurre solamente en presencia de ADN. Es
decir el ADN especifica a la ARN polimerasa qué nucleótido debe unir, como se puede
observar en la siguiente Tabla.
139
A
U
G
C
Total
X174
Composición Composición
predicha
observada
0.25
0.33(T)
0.24
0.18
1.0
0.33
0.25
0.18
0.24
1.0
0.32
0.25
0.2
0.23
1.0
Tabla: La composición de bases en el ARN enzimáticamente sintetizado usando
como molde el ssDNA (ADN de una dola hebra) del virus X174
En este caso se forma una doble hebra híbrida (ADN-ARN).
Cuando el proceso se lleva a cabo en una hebra ADN-ADN el producto de ARN
sale rápidamente del templado y las hebras de ADN vuelven a unirse. En este momento
el ARN está listo para unirse al ribosoma.
El mecanismo de síntesis de ARN es fundamentalmente igual al de ADN, los
precursores son ribonucleotidos trifosfato. La síntesis de ARN es un proceso apresurado
y su precisión no se acerca a la del ADN
Desnaturalización y renaturalización del ADN de doble hebra:
Ejemplo:
gen (ADN):
5´
AATTCGTATCGATTAGCTGCGTGCAGTACGTC
3´
3´
TTAAGCATAGCTAATCGACGCACGTCATGCAG
5´
ARN:
5´
AAUUCGUAUCGAUUAGCUGCGUGCAGUACGUC 3´ PROTEÍNA 1
3´
UUAAGCAUAGCUAAUCGACGCACGUCAUGCAG 5´ PROTEÍNA 2
La ARN polimerasa reconoce una secuencia específica en la hebra que se va a
copiar a esta región específica que únicamente está en una de las hebras se le denomina
promotor. En algunos fagos (T/ y SP8), la información está en una de las hebras, en
otras (T4 y ), ambas hebras son transcritas, en una se encuentra la información para
unas proteínas y en la otra, para otras; lo anterior también sucede también en E. coli .
La síntesis de ARN ocurre en una dirección fija:
La molécula de 3´-desoxiadenosina, es un inhibidor metabólico análogo a la
adenosina que carece del O en posición 3´. Esta molécula se utilizó para determinar que
la transcripción no ocurre a partir de ambos extremos de la cadena.
El experimento se puede resumir como sigue:
E. coli + 3´-desoxiadenosina  3´-desoxiadenosina-trifosfato  unida a la cadena en 3´
140
Como la 3´-desoxiadenosina no tiene el O-3´ la transcripción se detiene, si la
dirección de la síntesis del ARN fuera en la dirección contraria (3´-5´) el inhibidor no se
uniría.
El conocimiento de la función genética del ADN, permitió entender cómo las
células traducen el lenguaje de la secuencia de bases en el lenguaje de los polipéptidos.
Los ácidos nucleicos no unen específicamente aminoácidos, por lo cual, en 1955, Crick
propuso la hipótesis de la molécula adaptadora, para explicar este proceso. Está
hipótesis dice que la traducción ocurre a través de un adaptador, y postulaba que cada
un de estos adaptadores cargaba un aminoácido y reconocía al codon correspondiente:
Polipéptido
aa 1
aa 2
aa 3
Adaptadores
Acido nucleico
Codon 1 Codon 2
Codon 3
aan: aminoácido
Figura: representación del mecanismo en el que participa el adaptador
Crick sugirió que los adaptadores contenían ARN porque el reconocimiento
tendería a ser por pares de bases complementarios. Más o menos al mismo tiempo, Paul
Zamecnik y Mahlon Hoagland describieron que en el curso de la síntesis de proteínas,
aminoácidos marcados radiactivamente con 14C permanecían unidos durante un tiempo
a una fracción de ARN de masa molecular pequeña. Investigaciones más profundas
indicaron que este ARN, que fue llamado ARN soluble (sARN), es el tARN, y que
equivale a la molécula adaptadora propuesta anteriormente por Crick.
En 1965, después de 7 años de esfuerzo, Robert Holley reportó la primera
secuencia de bases significativa de un ácido nucleico biológico. Esta secuencia fue el
tARN para la alanina (AlatARN)
Los obstáculos que Holley tuvo que enfrentar para esta determinación fueron los
siguientes:
1.- Todos los organismos contienen muchas especies de tARN, al menos una para cada
tipo de aminoácido (i.e. 20). Estas moléculas tienen propiedades casi idénticas y por
141
tanto no son separados fácilmente. Algunas técnicas preparativas tuvieron que ser
desarrolladas para que Holley determinara la secuencia del AlatARN.
2.- Holley tuvo que inventar los métodos que fueron utilizados inicialmente para
secuenciar el ARN.
3.- Diez de las 76 bases del AlatARN de levadura están modificadas, sus fórmulas
estructurales tuvieron que ser elucidadas a pesar de que se encuentran en cantidades
menores a un miligramo.
La longitud de los tARN varía de especie a especie y en los eucariontes de
organelo en organelo, y va desde 60 hasta 95 nucleótidos (18-28 kD), pero la mayoría
tiene 76 nucleótidos.
D
C
G
G
3´ A - OH
C
C
A
5´ p - G C
G C
G U
C G
G C
U U
G C
G
m1 G
U
A UGCG
AGGCC U
A
A GCGC
UCCGG
G
D
m2G
C T
C
A
D 
C G GG
U A
C G
C G
C G
U

U
m1I
I
C
G
Anticodon
Figura: secuencia de bases del AlatARN de levadura dibujado en su forma de
trébol.
Las partes circulares (verde), representan no complementariedad entre las bases.
Los símbolos en color representan a los nucleótidos modificados.
142
Casi todos los tARNs, como reconoció Holley, presentan una estructura de
trébol. Empezando por el extremo 5´, los tARNs tienen las siguientes características
comúnes:
1.- grupo fosfato en extremo 5´.
2.- Un brazo de 7 pares de bases que incluye al nucleótido 5´ y pueden contener pares
de bases diferentes a los de Watson-Crick como G-U. A esta región se le denomina
como brazo aceptor o brazo del aminoácido, porque el aminoácido es llevado (cargado)
en el OH libre del extremo 3´ de esta región.
3.- Un brazo de 3 a 4 pares de bases que termina en un giro que frecuentemente contiene
la base modificada dihidrouracilo (D en la Figura), por lo cual se denomina brazo D.
4.- Un brazo de 5 pares de bases que termina en un giro que contiene el anticodon, el
triplete de bases que es complementario con el codon en el mARN. A esta región se le
denomina brazo del anticodon.
5.- Un brazo de 5 pares de bases que termina en un giro que casi siempre contiene la
secuencia TC (en donde  representa pseudouridina), esta región es denominada brazo
TC o simplemente T.
6.- Todos los tARNs terminan en una secuencia CCA con el OH del extremo 3´ libre
7.- Hay 15 posiciones invariables (siempre tienen la misma base) y 8 posiciones semiinvariantes (contienen sólo una purina o pirimidina) que se presentan en los giros.
El sitio de mayor variabilidad en los tARNs se encuentra en el denominado
brazo variable, que tiene de 3 a 21 nucleótidos y puede tener una región lineal de 7 o
más pares de bases.
Una de las características más peculiares de los tARNs es su gran proporción,
mayor a 25 %, de modificaciones postranscripcionales o bases hipermodificadas. Casi
80 de esas bases que se encuentran en más de 60 posiciones diferentes, han sido
caracterizadas
143
Figura: bases derivadas del uracilo
Figura: bases derivadas de la citosina
Figura: bases derivadas de la adenina
144
Figura: bases derivadas de la guanina
Usualmente estas bases modificadas, son adyacentes a la posición 3´del
anticodon. La baja polaridad que presentan, probablemente incrementa la fidelidad de la
traducción. Un factor importante es que ninguna de estas bases modificadas es esencial
para mantener la integridad estructural del tARN, ni para el reconocimiento por el
ribosoma, ni para la reacción de unión con su aminoácido respectivo.
La estructura tridimensional del tARN fue resuelta de manera independiente por
Alexander Rich y Sung Hou Kim y en un cristal diferente por Aaron Klug en 1974, a
través de estudios de cristalografía de rayos X del PhetARN de levadura. La molécula
asume una conformación con forma de L, en la cual la longitud de la L está dada por los
brazos T y aceptor formando una doble hélice. La parte restante de la L está formada
por los brazos D y del codon.