Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez 25 al 29 de Junio, 2012 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Las moléculas de la vida y su distribución típica en Escherichia coli Componente H2O Iones inorgánicos (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Cl-, PO44-, etc.) Carbohidratos y precursores Amino ácidos y precursores Nucleótidos y precursores Lípidos y precursores Otras moléculas pequeñas Proteínas DNA RNA 16SrRNA, 23S rRNA, tRNA y mRNA % del peso celular PM Promedio No. de tipos diferentes 18 40 No. de moléculas por célula 4 x 1010 2.5 x 108 70 1 3 150 2 x 108 200 0.4 120 3 x 107 100 0.4 300 1.2 x 107 200 2 750 2.5 x 107 50 0.2 150 1.5 x 107 200 15 1 6 40,000 1.5 x 109 106 4 2000-3000 1 500 000; 1 000 000; 25 000; 1 000 000 3 x 104 ; 3 x 104 ; 4 x 105 ; 103 1; 1; 40; 1000 1 20 Página 2 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Tema 2: Carbohidratos Los carbohidratos son compuestos provenientes de la naturaleza que se caracterizan por tener enlaces de carbono y grupos hidroxilo. A ellos pertenecen los azúcares monosacáridos (del griego saccharos, que significa dulce) y sus polímeros (oligo y polisacáridos). Monosacáridos: Aldosas y Cetosas La más simple de las aldosas es el gliceraldehído, el cuál contiene un centro quiral en C-2 y por ende presenta dos formas enantioméricas (D- y L- Gliceraldehído). Casi todos los monosacáridos naturales provienen de la triosa Gliceraldehído. Dependiendo del número de carbonos, los monosacáridos pueden ser triosas (3C), tetrosas (4C), pentosas (5C) y hexosas (6C). Página 3 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Conformación Fisher vs. Haworth En las proyecciones de Fisher, la posición del OH más alejado del grupo más reducido (el aldehído), puede ser a la derecha (D-) o a la izquierda (L-). En las proyecciones de Haworth, la posición D- de Fisher equivale a el OH abajo (α) del plano y L- equivale a arriba (β). En términos conformacionales (3 Dimensiones), la mayoría de los anillos no están planos, sino en forma de sillón (su conformación más estable) y en la que los grupos hidroxilo están localizados equatorialmente y sólo el OH en la posición C1 tiene una posición axial. Dentro de las aldosas más importantes, tenemos: a) b) c) d) e) Pentosas: D-Ribosa (RNA), D-Xilosa, L-Arabinosa Hexosas: D-Glucosa (uvas), D-Manosa y D-Galactosa Desoxyaldosas: 2-Desoxy-D-Ribosa y L-Fucosa Aminoazúcares acetilados: N-Acetil-D-Glucosamina y N-Acetil-D-Galactosamina Monosacáridos ácidos: Ácido D-glucorónico, ÁcidoD-idurónico y Ácido N-acetilneuramínico Mientras que dentro de las cetosas, encontramos a la D-Ribulosa y a la D-Fructuosa (miel, frutas) Página 4 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Página 5 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Reacciones que pueden llevar a cabo los monosacáridos 1. Las aldosas tienen en su forma anular (cuando forman anillos), un centro quiral en C1. Los enantiómeros derivados de él, se denominan anómeros. Si el grupo OH en C1 se encuentra del mismo lado que el grupo CH2OH en C6, entonces se reconoce como un ß-anómero y si están en lados contrarios como un α-anómero. El cambio de un anómero a otro se conoce como el fenómeno de mutarotación. 2. Si el grupo anómero de un azúcar reacciona con un alcohol, entonces se produce un Oglucósido. 3. Si el grupo anómero de un azúcar reacciona con un grupo NH2 se produce un N-glucósido tal como los conocemos en los nucléotidos y en las glicoproteínas. 4. La reducción del anómero de la glucosa da como resultado el sorbitol. 5. La oxidación en C1 deriva en un ester (lacton) intramolecular conocido como un ácido glucónico y si esta sucede en C6 da como resultado un ácido glucurónico, importante en las biotransformaciones del hígado. 6. En soluciones alcalinas débiles, la glucosa se encuentra en equilibrio con la cetohexosa DFructuosa y la aldohexosa D-Manosa. La glucosa y la manosa sólo se diferencian en el C2. Esta configuración los hace epímeros y su conversión de una a otro se llama epimerización. 7. Empleando ácidos, los grupos hidroxilo de los monosacáridos forman esteres. En el metabolismo celular generalmente se forman esteres con ácidos fosfóricos, tal como la Glucosa-6-fosfato. 8. Utilizando ácidos y bases fuertes, los monosacáridos se descomponen en elementos pequeños que pueden servir para su identificación. Con bases, se obtienen “reductonas” y con ácidos se obtienen derivados del furanaldehídos (furfurales), los cuáles se pueden identificar con reacciones colorimétricas. Página 6 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Polarimetría, mutarrotación La técnica de la polarimetría es útil para la determinación de soluciones de azúcares. Esta técnica se basa en los cambios que la luz polarizada lleva a cabo en los centros quirales. Para ello es necesario contar con una fuente de luz (polarizador) y un analizador. El analizador es una especie de filtro que dejará pasar la luz sólo cuando tanto el polarizador como él mismo se encuentren en la misma posición. La rotación óptica de una solución depende de sus centros quirales, de su concentración y del tipo de solución. Ejemplo.- Una solución pura de α-D-Glucosa tiene un ángulo de rotación de +112° y una de β-D-Glucosa de +19°. Estas rotaciones cambian espontáneamente con el paso del tiempo y terminan ambas en un Página 7 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx valor de +52°. Esto se debe al fenómeno de la mutarrotación, en el que los anómeros cambian su posición hasta alcanzar un equilibrio. Nomenclatura, formas anulares La nomenclatura de los carbohidratos se basa no sólo en el tipo de uniones, sino también en su estereoquímica y la forma del anillo. Ver los ejemplos. Disacáridos y polisacáridos A través de la unión del grupo hidroxilo anómero de un monosacárido con algún grupo hidroxilo de otro azúcar se obtienen los disacáridos. Este tipo de enlace se llama glicosídico y al formarse, previene el fenómeno de la mutarrotación. Este tipo de enlaces se forman a través de enzimas específicas, lo que da lugar a conformaciones α ó β propias. La unión de más monosacáridos da lugar a los oligosacáridos (320 monómeros) y finalmente a los polisacáridos (hasta más de 105 monómeros). Página 8 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Dentro de los disacáridos tenemos a la sacarosa, la cual se encuentra en abundancia en las plantas (caña de azúcar) y se usa tanto como carbohidrato de transporte como reserva accesible de energía (disuelta). Las abejas obtienen sacarosa del néctar de las flores y en su estómago la hidrolizan por medio de enzimas para dar lugar a la miel, que es una mezcla aprox. equimolar de glucosa y fructuosa (azúcar invertida). La lactosa (la azúcar de la leche) es el carbohidrato más importante en la leche de los mamíferos. En la leche de vaca, la lactosa representa aprox. el 4.5% mientras que en la leche materna humana es hasta el 7.5%. El enlace glicosídico en la lactosa se localiza en el C1-Galactosa con el C4-Glucosa y ambos anillos piranos se encuentran en el mismo nivel. La galactosa se epimeriza a glucosa en el hígado a través de la lactasa (β-D-galactosidasa), cuya ausencia lleva a la intolerancia a la lactosa en algunas personas. Polisacáridos importantes Los polisacáridos se encuentran abundantemente en la naturaleza. Dependiendo de su función, se pueden agrupar en 3 grupos importantes: Polisacáridos estructurales – los que dan estabilidad mecánica a los organismos, células u órganos. Ej.- la celulosa y la quitina, ésta última presente en el exoesqueleto de los insectos y crustáceos, así como en las paredes celulares de los hongos. Página 9 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Polisacáridos hidrofílicos – están altamente hidratados y evitan que las células o tejidos que cubren se deshidraten. Ej.- agarosa de algas, la cual se usa además para la producción de geles (electroforesis). Polisacáridos de reserva – son aquellos utilizados para guardar carbohidratos y liberarlos en forma de monosacáridos cuando sea necesario. Polímeros hechos a base de sólo un monosacárido se llaman homoglicanos, mientras que son heteroglicanos los que provienen de diferentes monómeros. Estos polisacáridos pueden hallarse en forma lineal o bifurcada. Polisacáridos vegetales Dentro de los polisacáridos vegetales, los más importantes son la celulosa y el almidón. Página 10 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Celulosa: es un homoglicano lineal formado por monómeros de glucosa unidos por un enlace β1—4 y es la sustancia más abundante en la naturaleza. Las paredes celulares de las plantas están compuestas de 40-50% de celulosa. La celulosa es un componente importante también del algodón y su fibra (hasta 98% celulosa). La celulosa puede contener hasta 104 unidades de glucosa, un peso molecular de 1-2* 106 y una longitud de 6-8 µm. Además, es mecánicamente muy estable y resiste en gran medida la hidrólisis alcalina o enzimática (un reto en la era de los biocombustibles y la energía regenerativa!). Esta estabilidad es conferida gracias a su estructura lineal y a la formación de puentes de hidrógeno a lo largo de la cadena. En su biosíntesis, 50 a 100 moléculas de celulosa forman una fibra elemental (4nm de diámetro) y 20 de ellas dan lugar a una microfibrilla, que a su vez son parte fundamental de la pared celular primaria de las células vegetales. Otros polisacáridos como la hemicelulosa (una mezcla neutral de heteroglicanos –xylanos, xyloglucanos, arabinogalactanos, etc.- ) y la pectina. Almidón: es un polisacárido de reserva abundante en plantas y el carbohidrato más importante para la alimentación humana. El almidón se encuentra en los cloroplastos de las hojas, en los frutos, semillas y tubérculos. También se localiza en los amiloplastos en forma de gránulos pequeños. Los gránulos de almidón son prácticamente insolubles en agua, sólo si éstos se calientan se pueden obtener hasta un 20% de amilosa (almidón soluble) y 80% permanece en la forma insoluble de amilopectina. La amilosa está conformada por 200-300 monómeros de glucosa unidos solamente por enlaces α1—4 , los cuales forman una hélice cada 6-8 unidades. Mientras que la amilopectina es un polisacárido ramificado gracias a un enlace 6—α1 que une una cadena con otra. Página 11 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Glicoproteínas y glicosoaminoglicanos Muchas proteínas localizadas en la superficie de las membranas plasmáticas contienen oligosacáridos, los cuales son introducidos de forma post-translacional en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi. Las proteínas citoplasmáticas generalmente no se encuentran glicosiladas. Las glicoproteínas pueden contener más de un 50% de carbohidratos, pero generalmente la parte proteica es más alta. Un ejemplo de una glicoproteína es la Inmunoglobina IgG, en la cual el oligosacárido se encuentra unido a la asparagina a través de un enlace N-glicosídico. En las glicoproteínas este tipo de enlace prevalece, aun y cuando también existen algunas con enlaces OPágina 12 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx glicosídicos cuando hay interacciones con serinas o treoninas. La parte violeta en la figura corresponde a la parte medular de las glicoproteínas N-glicosiladas. La glicólisis de las proteínas ocurre en el retículo endoplasmático con un oligosacárido que además de contener la estructura base contiene seis unidades adicionales de manosa y 3 restos de glucosa en la terminal. Estos restos adicionales son procesados y reemplazados por otros azúcares para dar lugar a las glicoproteínas complejas (IgG) o a las de tipo manosa. Los glicosoaminoglicanos o glicosaminglucanos, también llamados mucopolisacáridos, representan un grupo de heteropolisacáridos ácidos caracterizados por contener un amino azúcar y ácido glucorónico ó ácido idurónico. La mayor parte de estos polisacáridos forman esteres con sulfatos, lo que les confiere un carácter ácido mayor. Son parte importante de los proteoglicanos, los cuales forman parte a su vez de la matriz extracelular de animales. Un ejemplo sencillo de glicosaminoglicano es el ácido hialurónico, el cual está formado por unidades de disacáridos (N-Acetilglucosamina y ác. glucorónico) que de forma alternada se unen en enlaces β1—4 y β1—3. Este último enlace le confiere una forma helicoidal que presenta grupos carboxilo hidrofílicos hacia afuera capaces de atraer iones de calcio. Además, tiene una Página 13 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx gran capacidad para hidratarse, lo cual le confiere propiedades de gel resultando en un material perfecto para los tejidos conectivos (mesodérmicos) y para la matriz extracelular. Página 14 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Prueba tu comprensión Tema 2: Carbohidratos 1. ¿Quiénes son los carbohidratos? ¿qué funciones tienen los carbohidratos en los organismos vivos? 2. Menciona los nombres de las Aldohexosas 3. Dibuja la estructura de la D- y L-Glucosa utilizando las proyecciones de Fisher. 4. Explica el fenómeno de la mutarrotación 5. ¿Cuántos isómeros existen en las Aldotetrosas, cuántos en las Cetotetrosas? 6. Dibuja las β-D-glucopiranosa utilizando el modelo de Tollens en su forma (más estable) de silla y en su proyección Haworth 7. Dibuje la proyección de Fisher de la D-Fructosa. 8. ¿Cuáles son las reacciones básicas para transformar a la glucosa en diferentes hexosas? 9. Bajo qué mecanismo se convierten las Aldosas en Cetosas. 10. ¿Cómo se epimerizan los azúcares? 11. ¿Qué se entiende bajo los términos O-, S- y N-Glicósidos? Da ejemplos de ellos. 12. ¿Qué es una azúcar invertida? 13. Nombra polisacáridos que sirvan de reserva para animales y plantas 14. ¿Cómo se activan los azúcares para la biosíntesis de Glucósidos? 15. Investiga cómo funciona la prueba de yodo para los almidones. Explícala. Página 15 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Tema 3. Lípidos Los lípidos son un grupo grande de sustancias biológicas que tienen como característica principal su solubilidad en solventes orgánicos como el metanol, la acetona, el cloroformo, etc., y su baja o nula solubilidad en agua. Esta baja o nula solubilidad en agua se debe principalmente a la falta de átomos polarizables (O, N, P y S). Se pueden clasificar en lípidos hidrolizables y no hidrolizables como se muestra en la figura. Dentro de los lípidos hidrolizables se contabilizan los esteres sencillos dentro de los cuales están: 1. las grasas (glicerol + 3 ácidos grasos), las ceras (alcohol graso + ácido graso) y los esteroles (esterol + ácido graso). 2. Los fosfolípidos, que incluyen un grupo fosfato polar: fosfoglicéridos (glicerol + 2 ácidos grasos + fosfato + alcohol) y los fosfoesfingolípidos (esfingosina + ácido graso + fosfato + aminoalcohol) Página 16 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx 3. Los glucolípidos contienen esfingosina, pero también azúcares. La unidad fundamental es la ceramida (ácido graso + esfingosina). Los cerebrósidos (cermida + monosacárido –glucosa ó galactosa- ó polisacárido) y gangliósidos (ceramidas unidas a oligosacáridos con ácido siálico) son representantes de este grupo. Los glucolípidos actúan como receptores y se localizan en la cara externa de las membranas celulares. Dentro de los lípidos no hidrolizables son aquellos que se derivan principalmente de los ácidos grasos. Función Biológica Los lípidos tienen una función muy importante como reservas de energía. Las grasas, sobretodo, se almacenan en pequeñas gotas dentro de las células y son su combustible. Cuando se consume oxígeno, los lípidos son transformados/oxidados en las mitocondrias a agua y dióxido de carbono, generando ATP. Los lípidos son fundamentales en la construcción de las membranas celulares. Lípidos de membrana típicos son los fosfolípidos, los glicolópidos y el colesterol. Las grasas no forman membranas celulares. Otra función de los lípidos es la de fungir como aislantes tanto térmicos como eléctricos. Algunos otros lípidos tales como las vitaminas liposolubles y los ácidos grasos esenciales tienen una función especial en la nutrición humana. Los esteroides y ecoisanoides tienen funciones como hormonas, mediadores y factores de crecimiento. Ácidos Grasos Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos unidos a largas cadenas de carbono. Forman parte fundamental de los lípidos y se encuentran en todos los organismos. Los ácidos grasos forman esteres principalmente con el glicerol, con la esfingosina ó el colesterol, pero también se pueden encontrar Página 17 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx libres (free fatty acids). En la tabla siguiente se presentan los ácidos grasos alifáticos más comunes en plantas y animales. Dentro de los ácidos carboxílicos más comunes están los de cadena con 16 y 18 carbonos. Debido a la biosíntesis basada en unidades C2, los ácidos grasos tienen un número par de carbonos en la cadena. Algunos ácidos grasos contienen enlaces dobles (enlaces insaturados) y éstos forman isómeros cis y trans. En la naturaleza, la mayor parte de estos compuestos toma la forma isomérica cis, y ácidos grasos ramificados sólo se han encontrado en bacterias. Tomando como ejemplo el ácido oleico, es posible visualizar el doble enlace entre los carbonos C9 y C10 y su forma isomérica cis. En la mayoría de los ácidos grasos insaturados, la primera insaturación se presenta en el C9-C10, y los siguientes con un espacio de 3 átomos de carbono. En la naturaleza, existen raros ejemplos de enlaces insaturados conjugados (espacio de 2 átomos de carbono). La unión sencilla de carbono a carbono en estos compuestos, les permite girar libremente y tener una conformación lineal. Sólo los ácidos grasos insaturados tienen un doblez en donde sucede la Página 18 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx insaturación, aumentando la fluidez (por ejemplo en las membranas) y bajando su punto de fusión. A través de la saturación de los dobles enlaces en los ácidos grasos, éstos se vuelven “duros”. Ej.margarina. Los puntos de fusión de los ácidos grasos se incrementa al aumentar el número de carbonos en la cadena, y decrece al aumentar el número de enlaces insaturados presentes. Los ácidos esenciales son el ácido linoleico, linolénico y araquidónico, los cuales tienen que obtenerse de la dieta, ya que los animales no los pueden sintetizar. El ácido araquidónico es el más importante de ellos, ya que sirve a la síntesis de Eicosanoides (producción de hormonas tales como la prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos. Los ácidos linoleico y linolénico pueden sustituir al ácido araquidónico, ya que los animales son capaces de incorporar dos carbonos más a la cadena. Grasas ó glicéridos Las grasas, los fosfolípidos y los glicolípidos tienen una composición química común. Página 19 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx La función biológica de las grasas es ser vehículo de energía, de las vitaminas liposolubles, así como la fuente de ácidos grasos esenciales. En el cuerpo, además de ser la reserva principal de energía, son el suministro principal de carbono (unidades de acetato), así como aislante térmico, eléctrico e incluso mecánico. La hidrólisis de las grasas se puede llevar a cabo in vitro a través de la hidrólisis alcalina (saponificación) que da como resultado glicerol y las sales de los ácidos grasos presentes (origen del jabón). En los seres vivos, la hidrólisis sucede a través de las lipasas. En el intestino, una lipasa pancreática se encarga de hidrolizar preferentemente en C1 y C3 dando lugar a monoglicerol y dos ácidos grasos libres, los cuales pueden ser ahora reabsorbidos por el intestino. Fosfolípidos y glicolípidos Los fosfolípidos son parte fundamental de las membranas y la característica fundamental es que están unidos a un grupo fosfato, ya sea teniendo como base al glicerol o a la esfingosina. Los grupos que se Página 20 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx unen al fosfato pueden cambiar o influenciar la carga negativa que éste tiene, así por ejemplo se obtiene una carga neutra con los residuos colina y etanolamina, mientras que la serina y el inositol confieren una carga neta negativa. Los esfingolípidos se encuentran de forma abundante en el cerebro y en los tejidos nerviosos. Estos compuestos, a diferencia de otros fosfolípidos tienen como base a la esfingosina. Si esta esfingosina se una a un ácido graso a través de un enlace amídico forma la ceramida. La ceramida es el precursos de todos los esfingolípidos. El esfingolípido más importante es la esfingomielina, la cual es parte de la vaina de mielina, que une y aisla los axones de las neuronas. Los glicolípidos se encuentran en todos los tejidos en la capa exterior de las membranas plasmáticas. Los gangliosidos son los glicolípidos más complejos y además de ser lípidos de membrana tienen función como receptor. Página 21 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Isoprenoides Los isoprenoides tienen su biosíntesis a partir del Acetil-CoA y con ello comparten con las grasas, fosfolípidos y glicolípidos la piedra angular. Los isoprenos se pueden clasificar en : • Hemiterpenos: Unidad menor, contiene 5 C como el isopreno (unidad fundamental) • Monoterpenos: C10, esencias volátiles de flores, aceites esenciales de hierbas y especias. • Sesquiterpenos: C15, aceites escenciales, fitoalexinas, hormona vegetal como el ác. abscísico. Página 22 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx • • • • Diterpenos: Terpenos de 20 Carbonos, fitol (lado hidrofóbico de la clorofila), algunas hormonas giberelinas, etc. Triterpenos: Terpenos de 30 Carbonos, esteroides como los fitoesteroles. Tetraterpenos: Terpenos de 40 Carbonos, carotenoides Politerpenos: más de 8 unidades de isopreno (40C), plastoquinona y la ubiquinona Biosíntesis resumida Acetil-CoA – Mevalonato – Iso-pentenil difosfato – Triterpenos – Colesterol C2 3X C6 -1C 5C 6x C30 -3C C27 Esteroides Los 3 grupos principales de esteroides son: a) esteroles, b) ácidos biliares y c) las hormonas esteroidales. Página 23 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Los esteroles son esteroides con alcoholes. En su posición C3 tienen un β-OH y contienen uno o más dobles enlaces en el anillo B y en la cadena lateral. El animales el más importante es el colesterol, pero en plantas el fitoesterol es una mezcla de stigmasterol, sitosterol y campesterol. Los hongos y levaduras contienen ergosterol. Son parte fundamental de las membranas. Página 24 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Los ácidos biliares son derivados del colesterol y se sintetizan en el hígado. Estos compuestos ayudan a mantener al colesterol biliar en solución y promover la degradación de los lípidos. Las hormonas esteroidales son también derivados del colesterol. Su función regulatoria y de señalización es muy importante para el metabolismo, el crecimiento y la reproducción. Las hormonas esteroidales mamíferas son la progesterona, el cortisol, la testosterona, el estradiol, etc. Página 25 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Prueba tu comprensión Tema 3: Lípidos 1. ¿En qué estructuras celulares se pueden encontrar lípidos? ¿qué funciones tienen en los organismos vivos? 2. ¿Cuántos átomos de carbono tiene el ácido linoleico, linolénico y araquidónico? 3. Dibuja la estructura del ácido cis-9,12,15-octadecatrienoico 4. ¿Cómo se biosintetizan los ácidos grasos de más de 16 carbonos? 5. ¿Cuáles son los ácidos grasos esenciales? ¿por qué son esenciales? 6. Explica los siguientes términos: ácidos grasos cis/trans, iso y anteiso, conjugados y “skipped” 7. ¿Qué se entiende bajo el término “Cera” y qué bajo el término “Grasa”? 8. Dibuja y describe el modelo sintético de los fosfolípidos. ¿Qué variaciones de los ácidos grasos y de alcoholes pueden presentarse? 9. Nombra métodos analíticos para analizar las grasas. 10. ¿Cómo se producen los ácidos grasos insaturados? ¿qué enzimas en condiciones aeróbicas son capaces de su biosíntesis? ¿pueden organismos anaeróbicos sintetizar ácidos grasos insaturados? 11. ¿Qué organismos pueden sintetizar ácidos grasos alifáticos y cómo lo hacen? 12. ¿Qué sucede cuando un ácido graso entra en contacto con oxígeno/aire o una peroxidasa? 13. ¿Qué se entiende bajo los términos esfingolípidos, ceramidas y esfingoglicolípidos? ¿en dónde se encuentran, cuál es su función y su biosíntesis general? 14. ¿A qué se refiere el proceso de “saponificación”? dibuja la reacción general. 15. ¿Cómo se forman los triglicéridos (ácidos grasos esterificados)? 16. ¿Cuál es la razón por la que los ácidos grasos y los lípidos tienen propiedades de detergente y cuál es su consecuencia? 17. ¿Cómo es la biosíntesis de los ácidos grasos? ¿Cómo se llama la reacción para incrementar el tamaño de la cadena? 18. ¿Qué grupos polares están presentes en lípidos complejos? 19. ¿Cómo se puede manipular el punto de fusión de los lípidos (biosíntesis, síntesis)? 20. ¿Qué funciones desempeñan los eicosanoides en el ser humano? Página 26 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Tema 4. Ácidos Nucleicos Los ácidos nucleicos juegan un papel fundamental en la salvaguarda y expresión de la información genética. Existen dos clases, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). El primero contiene y guarda la información genética, mientras que el segundo está involucrado en la expresión génica y en la biosíntesis de proteínas. Ambos están formados por nucleótidos, los que a su vez están compuestos de una base, un azúcar y un resto de fosfato. Las Bases Las bases de los ácidos nucleicos son heterociclos aromáticos derivados de las purinas y las pirimidinas. Cinco de estas bases son comunes a ambos ácidos nucleicos y a todos los seres vivos a la vez. Las purinas Adenina (A) y la Guanina junto con la pirimidina Citosina (C) se encuentran en ADN y ARN. Por el contrario, la pirimidina Uracilo (U) sólo se presenta en el ARN, y su derivado 5 metilado – la Tiamina (T)en el ADN. Un gran número de otras bases se encuentran en el tARN y en otros tipos de ARN. Nucleosidos La unión de una base con ribosa o 2-desoxiribosa da lugar al nucleosido. De tal forma, la unión de la Adenina con ribosa se llama Adenosin y si la unión fuera con la 2-desoxiribosa se llama deoxiadenosin (dA). En las células la posición 5 de azúcar forma un ester con el grupo fosfato (Adenosin-5´monofosfato, AMP), de dA, el correspondiente dAMP. Si el grupo fosfato se une con otros fosfatos, entonces da lugar al Difosfato de Adenosina (ADP) y al trifosfato de Adenosina (ATP). Importantes coenzimas del metabolismo. Todos los fosfatos de nucleosidos se agrupan en nucleótidos. Tanto en los nucleosidos como en los nucleótidos la pentosa se encuentra como furanosa. La base se une al azúcar a través de un enlace β-N-glicosídico. Página 27 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Oligonucléotidos, Polinucleótidos Los grupos fosfatos de los nucleótidos pueden reaccionar entre ellos formando anhidros – dinucleuótidos con estructura de fosfoanhidros). A este grupo de compuestos pertenecen las Coenzimas NAD+, NADP+, FAD y la Coenzima A. Si por el contrario, el fosfato reacciona con el 3´-OH de un segundo nucleótido se forma un oligonucleótido que en su extremo 5´tiene un grupo fosfato libre y en el extremo 3’ un grupo OH libre. De esta manera se forman los oligonucleótidos y los polinucleótidos tanto de ADN como de ARN. Para representar la estructura de los polinucleótidos de forma concisa, se escriben las abreviaturas de las bases siguiendo la dirección de 5´a 3´. También es correcto utilizar el siguiente formato para abreviar/escribir los polinucleótidos: 5´-pAU…-3´. La función biológica del ADN se respalda en la capacidad de las bases para interactuar de forma específica entre ellas. La primera evidencia de esto se basó en la observación de que en todo ADN, el contenido de Adenina y Tiamina era el mismo y los contenidos de Guanina y Citosina también guardaban esa relación, a pesar de que la suma de A+T y G+C difiere de organismo a organismo. El modelo propuesto en 1953 por J. Watson y F. Crick permitió explicar la complementariedad de las bases y la forma helicoidal del ADN. En cada par complementario, una pirimidina y una purina están unidas y Página 28 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx se mantienen estables gracias a puentes de hidrógeno formados entre ellas. La unión AT tiene dos puentes de hidrógeno y la GC tres, haciéndola más estable y energéticamente más demandante. La complementariedad de las bases se da solamente cuando hay polaridad en las cadenas sencillas, esto es, cuando las cadenas tienen diferentes sentidos o direcciones y además encuentran la conformación de hélice. El ARN no puede formar dicha hélice debido a la conformación estérica del 2´-OH de la ribosa. Por esta razón, la complementariedad de las bases de ARN se encuentra sólo en secuencias pequeñas y su estructura general es menos regular que la del ADN. Debido a que las cadenas sencillas del ADN se encuentran unidas no por enlaces covalentes, sino por puentes de hidrógeno, es posible inducir su desnaturalización a través de la elevación de la temperatura. Así mismo, al enfriar de nuevo la complementariedad de las bases puede volver a restituirse (renaturalización). Esta característica físico-química tiene un gran valor en la Biología Molecular. Funciones de los Ácidos Nucleicos Como se menciono anteriormente, los ácidos nucleicos son las biomoléculas más importantes para conservar la información genética, controlar la expresión génica y la expresión de las proteínas. En términos generales se puede decir que el ADN es la molécula que se encarga de guardar los genes. Los miles de genes que tienen los organismos pueden codificar secuencias completas de proteínas. Cada amino ácido es codificado por una secuencia de ADN de 3 bases consecutivas llamada codón. Por ejemplo, el codón que codifica para la fenilalanina es TTC. Para la expresión de los genes, esto es, la síntesis de proteínas asociadas a ellos, la información contenida en el ADN tiene que ser traducida a una secuencia proteica. Debido a que el ADN no participa en la síntesis de proteínas, la información para su codificación tiene que salir del núcleo celular para ser llevada a la fábrica de proteínas, el ribosoma. Ahí se codifica primero el gen a ser expresado en un ARN mensajero (mARN) a través del proceso de transcripción. La secuencia de este ARN mensajero es complementaria a la de la cadena sencilla de ADN que se transcribe con las adecuaciones de bases necesarias (T –U ). Triada de ADN – AAG, Codon mARN – UUC. En los organismos eucariotas, el ARN mensajero sufre modificaciones antes de que pueda salir del núcleo celular. Algunas de estas modificaciones están relacionadas con los ARN nucleares pequeños (snRNA). Cuando el ARN mensajero está listo, sale del núcleo al citoplasma y se une entonces al ribosoma. Los ribosomas contienen muchas proteínas y también varias moléculas de ARN de diferentes longitudes denominadas ARN ribosomal (rRNA). El ARN ribosomal representa la mayor parte del ARN celular y a diferencia del mensajero, tiene una vida relativamente larga. El ARN ribosomal juega un papel no sólo como estructura del ribosoma, sino también en la unión del ARN mensajero con el ribosoma. Para la síntesis de proteínas, el ARN de transferencia y el ARN mensajero deben de interactuar. El ARN de transferencia cumple con la función de proveer el amino ácido necesario al ribosoma. Un ARN de transferencia que en la terminal 3´cuente con una fenilalanina, se denomina Fen-rARN. Su sencuencia Página 29 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx anticodón complementa al ARN mensajero y al suceder esto, pone en posición a la fenilalanina para que otro ARN de transferencia vecino lo tome e incorpore a la creciente cadena de proteínas. Página 30 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Página 31 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Modelos de moléculas Los modelos de Van der Waals son de los más utilizados para representar a los ácidos nucleicos. A través del estudio de ADN sintético, se encontró que el ADN puede tomar diferentes conformaciones. La conformación más común es la B-ADN (en la Figura). En esta conformación, las cadenas sencillas están complementadas y formando la hélice. La columna vertebral formada por la desoxiribosa y el fosfato unida (diester fosfídico ácido). También se presenta el modelo del ARN de transferencia (PherRNAPhe) . Página 32 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx La extracción de DNA ó RNA Cualquier experimento de biología molecular parte del uso de los ácidos nucleicos, ya sea del DNA o del RNA. Por ello, los métodos para aislar estas moléculas son de suma importancia y constituyen en la mayoría de los casos el primer paso para cualquier estudio. A pesar de que los ácidos nucleicos están construidos de forma similar en todos los organismos, existen diferencias en su manejo dependiendo de su origen y tamaño (Ver Tabla 1). Por ello, es más fácil manejar un fragmento de 500 bp que uno de 500 000 bp, y el DNA genómico se obtiene de forma diferente al DNA de un plásmido. Por esta razón, existen en la literatura muchos métodos para obtenerlos, ya que uno sólo no es suficientemente bueno para todos los casos. En general, el aislamiento de los ácidos nucleicos comienza con el rompimiento de las paredes celulares y membranas de los organismos, sean estos virus, bacterias, células animales o vegetales. Para ello, se prefieren métodos enzimáticos para destruir la pared celular o el empleo de detergentes para promover la lisis de las membranas celulares. Los métodos físicos tales como la trituración son necesarios en algunos casos, especialmente en algunos materiales vegetales, pero existe el riesgo de que el estrés mecánico ejercido dañe y fragmente moléculas grandes de DNA, las cuáles son indispensables en diversos estudios genómicos (construcción de librerías genómicas, hibridización, entre otros). Después del rompimiento celular, se retiran generalmente las proteínas. Este paso se logra a través de una o más extracciones empleando fenol o mezclas de fenol y cloroformo. Al mezclarse y emulsificarse los ácidos nucleicos, las proteínas y el resto de los componentes celulares con el solvente orgánico, se centrifuga para separar la solución en dos fases: la fase inferior de fenol se encuentra enriquecida con proteína y mucha de ésta se localiza también en la interfase, mientras que los ácidos nucleicos se Página 33 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx encuentran preferentemente en la fase acuosa superior y pueden ser posteriormente precipitados con alcohol etílico o isopropanol. En caso de querer recuperar únicamente el DNA, se puede utilizar la enzima ribonucleasa (RNasa) para destruir el RNA contenido en la muestra. Si por el contrario, se requiere el mRNA para la síntesis de cDNA, un paso adicional de limpieza con cromatografía de afinidad empleando como adsorbente Oligo(dT)Celulosa es necesario. Esto se debe a que el mRNA pose en el extremo 5´ una cachucha (cap) de 7-metilguanosina (5´Cap) y en el extremo 3´ una secuencia de poli-adenosina (la llamada cola poliA+). Tabla 1. Ejemplos del tamaño del genoma y número de cromosomas contenidos de algunos seres vivos. Número de cromosomas Ser humano Ratón Mosca Tabaco Maíz Saccharomyces (Levadura) Escherichia coli Fago λ cerevisiae 2 x 23 2 x 20 2x4 2 x 24 2 x 10 Ca. 17 Tamaño del Genoma (pares de bases, bp) 3,2 x 109 2,7 x 109 1,8 x 108 4,8 x 109 3,9 x 109 1,5 x 107 1 1 4,64 x 106 48 502 DNA genómico: es el DNA que integra el genoma del organismo en cuestión, esto es, la colección de genes de un organismo. En organismos superiores el DNA genómico se encuentra en el núcleo celular y está ordenado en cromosomas. Cada cromosoma está formado por una cadena de DNA-doble, la cual tiene una longitud de miles o millones de bases de pares cuya secuencia y orden es importante, sobre todo en el caso de las proteínas que se unen directamente al DNA. Por ello, el reto más grande de este tipo de preparación es eliminar las proteínas sin fragmentar el DNA durante la purificación. Por otro lado, las bacterias cuentan también con DNA genómico, pero éste se encuentra de forma circular (1 cromosoma) y se localiza en el citoplasma de la célula. Los plásmidos ocurren frecuentemente en bacterias y son elementos circulares de DNA de un menor tamaño, que facilitan la exportación e importación de genes entre bacterias. Purificación y concentración de ácidos nucleicos Página 34 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx La purificación de DNA y RNA son una de las actividades estándares que se realizan en los laboratorios de biología molecular. Algunos de los métodos/técnicas más empleadas se describen a continuación: 1. Extracción con fenol-cloroformo Las impurezas indeseables más comunes que acompañan a los ácidos nucleicos son las proteínas. El método clásico de purificación es adicionando a la solución de DNA, un volumen equivalente de fenol (pH 8), después se recupera la fase acuosa y se somete a una nueva extracción con Fenolcloroformo-isoamil alcohol (25:24:1, v/v)1. De esta extracción, se recupera también la fase acuosa y ésta se somete a una extracción final con cloroformo. Las proteínas se localizan preferentemente en la fase orgánica y en la interfase, por lo que es posible hacer n cantidad de extracciones dependiendo de las impurezas que se detecten en la interfase. No se debe de olvidar, por otro lado, que al aumentar el número de extracciones se incrementa la pureza, pero se reduce la cantidad de DNA recuperada (rendimiento). Una ventaja de este método es que está probado, es barato y no tiene problemas de capacidad (como la de las columnas). Sus desventajas más importantes son que huele mal, irrita, puede dañar la salud y los desechos son contaminantes y deben de tratarse de forma separada. 2. Columna de intercambio aniónico Los ácidos nuecleicos al contener grupos fosfato están cargados negativamente arriba de un pH 2, por lo que se pueden unir a un adsorbente (material cromatográfico) cuyos ligandos sean positivos. La fuerza de unión de las proteínas, el DNA y el RNA al adsorbente es diferente y depende además del pH y del buffer en el que se realice la adsorción. Por ello, resulta un método eficiente de purificación incluso en lisados de células sin previo tratamiento. En términos generales, la muestra con el DNA se prepara a una concentración de sal conocida y se pasa por la columna. Los ácidos nucleicos se unen preferentemente al adsorbente ya que tienen cargas negativas fuertes, mientras que las proteínas cargadas ligeramente negativas a estas condiciones no se unen y salen de la columna. Con un buffer de mayor fuerza iónica se puede lavar el RNA adsorbido y finalmente eluir el DNA empleando un buffer de aun mayor fuerza iónica o bajando el pH. Para eliminar la sal, se precipita el DNA con alcohol (etanol o isopropanol). Los buffers utilizados en el procedimiento dependen del material cromatográfico, por lo que se deben de seguir las recomendaciones hechas por el proveedor. Desafortunadamente, algunos proveedores no especifican la composición de los buffers que emplean, por lo que obligan a sus clientes a comprar ciegamente sus materiales. 1 La adición de isoamil alcohol a la mezcla es deseada, pero no crítica. Página 35 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx 3. Gradiente de CsCl Un método clásico que cada vez es menos usado es el empleo de un gradiente de cloruro de cesio con centrifugación. Si se centrifuga a alta velocidad por un largo tiempo, el cloruro de cesio forma un diferencial de densidades. Muy pesado hacia el fondo y más ligero hacia arriba. Debido a que las proteínas, el DNA y el RNA tienen diferentes densidades, es posible utilizar este gradiente y separar selectivamente cada uno de estos componentes. Incluso es posible utilizar este método para separar DNA plasmídico del DNA bacterial. 4. Precipitación con PEG La precipitación de DNA empleando PEG (polyethylene glycol) ha sido un método poco estimado y utilizado, aun y cuando sus resultados son generalmente buenos. Este tipo de procedimiento puede resultar útil para limpiar reacciones de PCR y en la obtención de plásmidos. Hay diferentes protocolos, pero generalmente se utiliza PEG de masa molecular 6000 y 8000 y no menores. Ejemplo: A una reacción de PCR de 50 µl, agregar 50 µl de solución PEG (20% PEG 8000, 2.5M NaCl) y mezclar. Incubar a 37°C por 15 min y luego centrifugar a temperatura ambiente (15 min, 15000 rpm). Recuperar sobrenadante y precipitarlo con etanol frío. Centrifugar y secar pellet. Diluir pellet en buffer TE. DNA listo para secuenciación. 5. Diálisis Método útil para deshacerse de sales, restos de fenol e incluso fragmentos pequeños de DNA en la preparación de DNA genómico. Las membranas de diálisis se venden secas y deben rehidratarse y lavarse antes de ser empleadas. El proceso puede acortarse si la membrana se pone en agua hirviendo por 10 min. Después se cierra un extremo y se introduce la muestra de DNA a dializar cerrando al final el extremo superior. El “chorizo” así formado se sumerge en 1L de buffer TE y se dializa a 4°C de 2 a 16 hrs, dependiendo del volumen de la muestra. En ocasiones es conveniente cambiar el buffer durante el proceso y en todo caso se recomienda el uso de guantes para evitar contaminación por nucleasas. 6. Perlas magnéticas En principio, las perlas magnéticas son materiales cromatográficos que reúnen dos propiedades: el de los ligandos de unión y el de poder ser manipulados por magnetismos. Esto permite por un lado Página 36 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx ajustar la cantidad de perlitas a la muestra que se desea purificar así como la automatización. Para saber más, ver las páginas de Invitrogen ChargeSwitch® Technology. 7. Filtros para proteínas Un caso común es querer eliminar una enzima después de alguna reacción deseada en el DNA. Para esto se puede emplear ahora un filtro (membrana) cuya afinidad es mucho mayor hacia las proteínas que al DNA. Ver Micropure-EZ de Amicon (hoy Millipore). 8. Precipitación con alcohol La precipitación con alcohol es el método clásico para concentrar DNA, pero estudios realizados muestran que además de concentrar, el etanol ó isopropanol son excelentes para limpiar y purificar nucleicos. Típicamente se utilizan para ello 2-2.5 volúmenes de etanol ó 0.3-0.8 vol. de isopropanol por volumen de muestra. Página 37 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Prueba tu comprensión Tema 4: Ácidos nucleicos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. ¿Cuáles son las bases fundamentales de los ácidos nucleicos? ¿A qué se le denomina complementariedad de las bases? ¿Cuál es la definición de un nucléotido, de un nucleosido y de una base? ¿Cuál es la función biológica del ADN? ¿Cuál es la función biológica del ARN? ¿Qué diferencias estructurales existen entre ellos? Explica el proceso de transcripción y translación ¿Qué propiedades de los ácidos nucleicos se utilizan para su separación? Investiga cómo funciona la hibridización de ácidos nucleicos y explícala con tus propias palabras. ¿En qué otras moléculas se utilizan bases y qué funciones tienen estas moléculas? Página 38 Curso Propedéutico de Bioquímica Dra. Laila Pamela Partida Martínez [email protected], http://www.ira.cinvestav.mx/LMI.aspx Referencias 1. Koolman J, Röhm KH. Taschenatlas der Biochemie (1994). Thieme. Sttutgart, Alemania. Pp. 30-55, 78-85. 2. Mülhardt, Cornel. Der Experimentator. Molekularbiologie/Genomics, 6. Edición (2009). Spektrum. Akademischer Verlag. Heidelberg, Alemania. 316 Páginas. 3. Nicholl, D.S.T. Gentechnische Methoden (1995). Spektrum. Akademischer Verlag. Heidelberg, Alemania. 178 Páginas. 4. Purves WK, Sadava D, Orians GH, Craig Heller H. Life – The Science of Biology, 7ma. Edición (2006). Spektrum. Akademischer Verlag. Heidelberg, Alemania.Pp. 46, 47, 57-69. 5. Bailey JE, Ollis DF. Biochemical Engineering Fundamentals. 2da. Edición (1986). Mc-Graw-Hill International Editions. NY, USA. Pp. 27-46, 70-78. Página 39