TEMARIO: Parte I: PRINCIPALES BIOMOLÉCULAS I/ Los Aminoácidos y los Péptidos A/ LOS AMINOÁCIDOS 1 Generalidades 2 Aminoácidos proteicos 3 Propiedades especiales de aa proteicos 4 Reactividad 5 Propiedades ácido/base de los aminoácidos 6 Solución tampón A/ LOS PÉPTIDOS 1 Generalidades 2 El enlace peptídico 3 Propiedades de los péptidos útiles para valoración 4 Propiedades ácido/base de los péptidos 5 Oligopéptidos con actividad biológica 6 Los Neuropéptidos II/ Introducción a las Proteínas: A/ Estructura de las proteínas 1Generalidades de las proteínas 2 Niveles estructurales 3 Principales estructuras secundarias; ððHélice 4 Principales estructuras secundarias; ððLaminar 5 Principales estructuras secundarias; Codos B/ Proteínas Fibrosas 1 1 Las Queratinas 2 El Colágeno B/ Las Proteínas Globulares 1Generalidades 2 Plegamiento de las proteínas globulares 3 Desnaturalización de las proteínas globulares III/ Técnicas de purificación y análisis de proteínas A/ Preparación de muestras 1 Homogeneización 2 Técnicas de Purificación de proteínas B/ La Centrifugación 1 Generalidades 2 La Centrifugación Diferencial 3 Centrifugación en Gradiente de Densidad 4 Ultracentrifugación analítica C/ Precipitación, Liofilización y Dialisis 1 Precipitación isoeléctrica fraccionada 2 Precipitación fraccionada por eliminación del agua de solvatación 3 Dialisis 4 Liofilización D/ Cromatografía 1 Generalidades 2 Cromatografía de Reparto 3 Cromatografía de Adsorción, de Intercambio Iónico 4 Cromatografía de Permeabilidad 5 Cromatografía de Afinidad 2 D/ Electroforesis 1 Generalidades 2 Electroforesis de zona 3 Electroforesis en geles de Poliacrilamida − SDS (PAGE−SDS) D/ Otros métodos 1 Cálculo del pI de las proteínas 2 Cálculo de resultados de purificación IV/ Las Proteínas A/ Clasificación de las proteínas 1Por su composición 2 Por su estructura 3 Por su función B/ Relaciones estructura − función 1 Generalidades 2 Técnica experimental de cálculo de KD 3 Fracción de ligando unido ð (%) 4 Fracción de ligando unido teniendo en cuenta la interacción C/ Las Apoproteínas 1 Generalidades, el grupo Hemo 2 La Mioglobina 3 La Hemoglobina D/ La Hemoglobina 1 Cambios conformacionales 2 Influencia del pH en la conformación de la Hemoglobina 3 Otros Efectores Alostéricos; CO: 4 El 2,3−Bifosfoglicerol 3 5 Inhibidores No Alostéricos 6 Importancia de la presencia de Inhibidores 7 Patologías de la Hemoglobina IV/ Las Enzimas A/ Generalidades en Encimología 1Introducción 2 Nomenclatura y clasificación de las Enzimas 3 Los Cimógenos 4 Las proteasas B/ Complementaridad Enzima − Sustrato 1 Modelos de complementaridad Enzima − Sustrato 2 Interacciones de complementaridad entre Enzima y Sustrato 3 Factores que afectan a las interacciones Enzima − Sustrato 4 Los Cofactores 5 Parámetros externos que afectan a las interacciones Enzima − Sustrato C/ Cinética de las Reacciones Encimáticas 1Generalidades de Cinética Encimática 2 Medida de la velocidad de una reacción encimática (V) 3 Ecuación de velocidad de Michaelis − Mentel 4 Ecuación de velocidad de Lineweaver − Burk 5 Deducción de la ecuación por el mecanismo de la reacción 6 Hipótesis de Brigs − Haldane o Estado Estacionario 7 Hipótesis del Equilibrio Rápido 8 Conceptos importantes en cinética encimática D/ La Inhibición Encimática 1Generalidades 4 2 Inhibición Irreversible 3 Inhibición Reversible Competitiva 4 Inhibición Reversible No Competitiva 5 Inhibición Reversible Acompetitiva E/ Regulación de la Actividad Encimática 1Actividad Encimática del Metabolismo 2 Regulación Alostérica 3 Regulación de Equilibrios polimerización/despolimerización 4 Regulación por modificación reversible 5 Regulación por activación proteolítica F/ Isoenzimas y Agrupaciones de Enzimas 1 Las Isoenzimas 2 Agrupaciones Multienzimáticas V/ Nucleósidos y Nucleótidos A/ Introducción 1 Funciones de los Nucleótidos 2 Estructura general de nucleósidos y nucleótidos 3 Nomenclatura 4 Principales tipos de Nucleótidos B/ Nucleótidos no nucleicos: 1 Nucleótidos Difosfato (NDP) y Trifosfato (NTP) 2 El Coenzima Nicotinamida Adenina Difosfato (NAD+/NADH) 3 El Coenzima Fosfato de Riboflavina (FMN, Flavin Mono Nucleotido) 4 El Coenzima A (CoA) 5 Nucleótidos cíclicos C/ Los Ácidos Desoxirribonucleicos (DNA) 5 1Generalidades 2 Estructura 3D del DNA 3 Tipos estructurales del DNA 4 Desnaturalización y Renaturalización del DNA D/ Los Ácidos Ribonucleicos (RNA) 1 Generalidades 2 Principales tipos de RNA 3 Las Nucleasas VI/ Procesos Moleculares de la Expresión de la Información Genética A/ La Replicación del DNA 1 Generalidades 2 Experimento de Meselson & Stahl 3 Generalidades de Replicación del DNA en procariontes 4 Etapas de Replicación del DNA en procariontes 5 La Replicación del DNA en eucariontes 6 Mecanismos de Reparación de la Replicación del DNA B/ La Transcripción; del DNA al mRNA 1 Generalidades 2 La Transcripción en procariontes 3 Desarrollo de la Transcripción en procariontes 4 La Transcripción en Eucariontes C/ La Traducción; del mRNA a las Proteínas 1 Generalidades 2 Estructura del tRNA 3 La Activación de Aminoácidos 4 La Unión Anticodón − mRNA 6 5 La maquinaria esencial para la síntesis de proteínas; Los Ribosomas 6 Funcionalidad de los Ribososmas 7 La Síntesis de Proteínas en Procariontes 7.1La Iniciación 7.2 La Elongación 7.3 La Terminación 7.4 Balance Energético 8 La Síntesis de Proteínas en Eucariontes 9 Las Rutas de Transporte de proteínas en Eucariontes 10 El Plegamiento de las Proteínas en Eucariontes 11 Maduración de las Proteínas 11.1 Modificación de aminoácidos 11.2 Procesamiento Proteolítico Parte II: EL METABOLISMO I/ Conceptos básicos A/ INTRODUCCIÓN 1 Generalidades 2 Control del metabolismo B/ TERMODINÁMICA 1 Bases de la Termodinámica 2 Clasificación Termodinámica de las Reacciones C/ COMPUESTOS DE ELEVADA ENERGÍA DE HIDRÓLISIS 1Generalidades 2 El ATP y el GTP D/ COMPUESTOS DE ELEVADA ENERGÍA DE PODER REDUCTOR 1 Reacciones de Oxido−Reducción (Red−Ox) 7 2 La Energía en las Reacciones Red−Ox 3 Poder Reductor en el Metabolismo I/ Metabolismo de Degradación de la Glucosa A/ DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA A CO2 1 Primera fase de la Glicólisis 2 Segunda fase de la Glicólisis 3 Regulación de la Glicolisis 4 Degradación anaeróbica del Piruvato 5 Descarboxilación aerobia del Piruvato en Acetil−CoA 6 Regulación del Complejo Piruvato dh 7 Descarboxilación de Acetil−CoA en el Ciclo TCA 8 Regulación del ciclo TCA B/ PARTICULARIDADES DEL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS 1 Estereoisometría de la Aconitasa 2 Carácter anfibólico del ciclo TCA 3 Reacciones Anapleróticas; Carboxilación del Piruvato 4 Reacciones Anapleróticas; Ciclo del Glioxilato C/LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO DE LA RESPIRACIÓN Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA 1 Generalidades 2 Mecanismo de la cadena respiratoria 3 Los Citocromos 4 El transporte de electrones en la Cadena Respiratoria 5 La Fosforilación Oxidativa D/ VÍAS DE REOXIDACIÓN DEL NADH CITOPLASMÁTICO 1 Generalidades 2 Lanzadera de Glicerol fosfato 8 3 Lanzadera de Malato E/ BALANCE DE LA DEGRADACIÓN DE LA GLUCOSA II/ Metabolismo de Biosíntesis de Glucosa A/ LA GLUCONEOGÉNESIS 1 Generalidades 2 Gluconeogénesis a partir del Lactato 3 Patologías de inhibición de la Gluconeogénesis B/ EL GLUCÓGENO Y SU METABOLISMO 1 Introducción al Glucógeno 2 Biosíntesis del Glucógeno 3 La degradación del Glucógeno 4 Generalidades sobre la regulación del metabolismo del Glucógeno 5 Regulación de Glucógeno fosforilasa 6 Control hormonal sobre la regulación de Glucógeno fosforilasa 7 Regulación de Glucógeno sintasa y su control hormonal 8 Ruta de las Pentosas, o del Fosfogluconato 9 Glutatión y Patología de la Ruta de las Pentosas en Eritrocitos III/ Metabolismo de Lípidos A/ LOS PRINCIPALES LÍPIDOS 1 Estructura y Nomenclatura 2 Los Ácidos Grasos de las células 3 Los Triglicéridos 4 Los Fosfolípidos 5 Los Esteroides B/ METABOLISMO DE DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS 1 La Digestión de los Triglicéridos en la Luz Intestinal 9 2 Degradación de los Triglicéridos en la mucosa intestinal 3 Lipoproteínas de la sangre 4 Recorrido de los Quilomicrones en la sangre 5 Destino de los Triglicéridos en células Adiposas y Musculares 6 Función de las Apoproteínas de alta densidad, HDL 7 Enfermedades cardíacas relacionadas 8 Movilización de los Ácidos Grasos del tejido Adiposo 9 La ð−Oxidación de los Ácidos Grasos (ð−Ox) 10 Degradación de los Fosfolípidos C/ METABOLISMO DE BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS 1 Biosíntesis de Cuerpos Cetónicos 2 Biosíntesis de Ácidos Grasos 3 Vía del Citrato 4 La Biosíntesis de Triglicéridos 5 Biosíntesis de Fosfolípidos a partir de Diglicéridos 6 Biosíntesis de Colesterol a partir de HMG−CoA 7 Regulación de HMG reductasa IV/ Metabolismo de los Compuestos Nitrogenados A/ METABOLISMO DE DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS 1 Generalidades sobre el metabolismo general de los Aminoácidos 2 Digestión de Proteínas de la dieta 3 Desaminación de los aminoácidos 4 Eliminación del Amoniaco en exceso consumido por los organismos 5 El Ciclo de la Urea 6 Descarboxilación de aminoácidos 7 Metabolismo del Propionil−CoA 10 B/ METABOLISMO DEL FRAGMENTO MONOCARBONADO 1 Generalidades sobre el metabolismo del Fragmento Monocarbonado 2 Origen del Fragmento Monocarbonado 3 La Metionina como Donador Universal de grupos Metilo 4 Biosíntesis de Aminoácidos 5 Biosíntesis de Nucleósidos Púricos 6 Biosíntesis de Nucleósidos Pirimidínicos 7 Biosíntesis de Desoxirribonucleótidos 8 Catabolismo de Nucleósido Parte I: PRINCIPALES BIOMOLÉCULAS I/ Los Aminoácidos y los Péptidos: A/ LOS AMINOÁCIDOS: 1 Generalidades: − Los aminoácidos, aislados por primera vez en el siglo XIX, forman las proteínas al asociarse linealmente. − Poseen un carbono central, con H, NH2 (amino), COOH (carboxilo) y una cadena lateral R variable. − La región cte de los aa es siempre polar: presenta un grupo ácido con carga negativa, y uno básico con carga positiva: NH3+ − CH − COO− − Los aminoácidos se diferencian por su cadena R. − Sólo 20 aminoácidos conforman las proteínas recién sintetizadas y son codificados por el ADN. Después de maduración, las proteínas pueden presentar más de 100 aa distintos, todos derivados de los 20 iniciales (EJ; Prolina > Hydroxiprolina). − Los 20 aa iniciales se clasifican, entre otros, como ð−aminoácidos: Ambos grupos, amino y carboxilo, se encuentran en posición ð. Reciben el nombre de aa proteicos. − Muchos aa no proteicos son también vitales. Por ejemplo la ð−Alanina es un importante neuroransmisor. 2 Aminoácidos proteicos: − Por las propiedades de su radical R podemos clasificarlos en 4 grupos: − Los aa NO POLARES son aquellos cuyo R no es polar, ni tiene carga: • Alanina (Ala; A) • Valina (Val; V) 11 • Leucina (Leu; L) • Isoleucina (Ile; I) • Prolina (Pro; P) • Fenilalanina (Phe; F) • Triptófano (Trp; W) • Metionina (Met; M) − Los Aa POLARES pueden ser de tres tipos en función de su carga. − SIN CARGA, pueden ser básicos con grupos alcohol (OH) o tiol (SH): • Glicina, Glicocola (Gly; G) • Serina (Ser; S) • Treonina (Thr; T) • Cisteína (Cys; C) • Tirosina (Tyr; Y) • Asparagina (Asm; N) • Glutamina (Gln; Q) − CON CARGA NEGATIVA, son ácidos: • Aspartato (Asp; D) • Glutamato (Glu; E) − CON CARGA POSITIVA, son básicos: • Lisina (Lys; K) • Arginina (Arg; R) • Histidina (Hys; H) 3 Propiedades especiales de aa proteicos: − Gly es el aa más pequeño; Su R es un átomo de H. Se duda de su naturaleza; ¿polar, o no polar? − Pro es el único aa que no tiene su grupo amino libre: se encuentra unido a R por una estructura de ciclo pentagonal. Otros aa tienen ciclos aromáticos en R. − Solamente dos aa contienen un átomo de azufre: Met (tioeter) y Cys (tiol). − Todos los aminoácidos, salvo Gly, presentan en el C central del grupo constante un centro quiral, produciendo efectos ópticos de polarización de la luz. − A diferencia de los glúcidos naturales todos de la serie D, los ðaa proteicos son siempre de la serie L (L−aa), polarizando la luz en un ángulo positivo. − Todos los aa tienen propiedades espectroscópicas: absorven luz UV. Se puede obtener con un colorímetro su absorvancia. ðMAX=220nm; para aa con cilos aromáticos ðMAX=260nm. 4 Reactividad: Carboxilo + Alcohol > Ester 12 + Amina > Amida + Reductor > Alcohol + descarboxilación > Amina Amina + Aldehído > Imina R − C = N − R' + Ninhidrina > Fuerte oxidación − Esta última reacción es utilizada para confirmar la presencia de aa en laboratorio, gracias a la aparición de un compuesto coloreado. No aparece en el caso de Pro, puede aparecer una mancha amarillenta. − Todos los aa presentan propiedades acido − base. En función del pH fisiológico, los grupos ððamino, ððcarboxilo y otros grupos polares pueden encontrarse o no ionizados. Por ello los aa se comportan como ácidos o bases, respondiendo a las leyes de Bronsted y Lowry. 5 Propiedades ácido/base de los aminoácidos: − Cada ácido tiene su base conjugada y viceversa. Por ello se determina Ka, cte de disociación del ácido en el punto en el que se alcanza el equilibrio entre acido y base. Ka = [Base] [H+] / [Ácido] pKa = −log Ka pH = −log [H+] ECUACIÓN DE HENDERSON − HASSELBACH: pH = pKa + log ([Base] / [Ácido]) − Los grupos se disocian por orden decreciente de acidez. Un aminoácido presenta siempre por lo menos dos grupos con actividad ac/base (ððamino y ððcarboxilo), con Ka propia para cada grupo. − A pH muy bajo, todos los grupos están protonados al máximo: COOH, NH3+. − A medida que lo hacemos aumentar los grupos se disocian: El 50% de un grupo se ha disociado ya cuando pH = pKa. Los estados de ionización se prosiguen ordenadamente. − A pH elevado todos los grupos de han disociado: COO−, NH2. − EJEMPLO: Alanina. COOH − CH − NH3+ COO− − CH − NH3+ COO− − CH − NH2 CH3 CH3 CH3 [Ala +] [Ala 0] [Ala −] pH = pKa1 pH = pKa2 13 50% [Ala +] 50% [Ala 0] 50% [Ala 0] 50% [Ala −] − Podemos visualizarlo en un gráfico de las concentraciones en función del pH: • En los puntos donde la curva es vertical, sólo se encuentra una especie (Ala +, Ala 0 o Ala −) • En los valles, pH = pKa, y las concentraciones entre las dos especies son iguales (pKa1, pKa2). − Conociendo el pH, podemos calcular en cada punto el estado de equilibrio de las especies gracias a la ecuación de Henderson − Hasselbach. − El punto isoeléctrico pI es la media de los pK de equilibrio de [aa 0]. • Si pH = pI, se encuentra la especie con carga neta nula. • Si pH < pI, carga neta +. • Si pH > pI, carga neta −. − EJEMPLO: Alanina; pI= (pKa1 + pKa2) / 2 = 6,61 − Los aminoácidos ácidos y los básicos presentan una curva con cuatro regiones verticales y tres mesetas, pues tienen cuatro formas y tres pKa. − Los aa ácidos tienen dos mesetas (pK) con pH < 7. Las especies presentes son: [aa +], [aa 0], [aa −], [aa 2−]. − Los aa basicos tienen dos mesetas (pK) con pH > 7. Las especies presentes son: [aa 2+], [aa +], [aa 0], [aa −]. − Hys presenta una meseta central casi neutra (pH = 6). 6 Solución tampón: − Se trata de soluciones capaces de captar H+ y OH− neutralizando cambios de pH. − Se forma por una alta concentración de ácido débil en sus dos formas (acido + base conjugada), al 50%. − Para obtener un tampón con aa debe seleccionarse el aa cuyo pKa sea más próximo al pH dado para la solución. (Caso ideal: pKa = pH). A/ LOS PÉPTIDOS: 1 Generalidades: − Cortas cadenas de aminoácidos unidos linealmente. Algunos, no codificados por el ADN, suelen derivar de la hidrólisis de proteínas y de otros péptidos, por la acción de enzimas Proteasas. − Los dipéptidos se forman por dos aa. Por ejemplo, la insulina es un dipéptido no derivado de proteína. − Los oligopéptidos se forman de menos de 20 aa. − Los polipéptidos son los péptidos más grandes. Incluyen a las proteínas. 14 − Las uniones entre los aa son uniones covalentes que se producen entre el grupo ððcarboxilo del primer aa y el grupo ððamino del siguiente. − El péptido presenta por lo tanto polaridad: El primer aa presenta solo un grupo ððamino libre: el amino terminal a−t. El último aa tiene sin embargo un único grupo ððcarboxilo libre: el carboxilo terminal c−t. 2 El enlace peptídico: − Se trata de un enlace covalente y rígido. Al producirse por ataque nucleófilo, se desprende una molécula de agua. NH2 − CH − COOH + NHH − CH − COOH R' R'' NH2 − CH − CO − NH − CH − COOH R' R'' + H2O − El CO que queda del grupo COOH presenta un doble enlace. Al unirse con el grupo amino del siguiente, el carbono reparte el doble enlace con la siguiente proporción: 60 % C=O; 40 % C=N. − Este enlace doble entre C y N hace del enlace una unión rígida sin propiedad de giro, a diferencia de los otros enlaces N − C y C − C. − Este enlace no es termodinámicamente favorable, y no suele darse espontáneamente. 3 Propiedades de los péptidos útiles para valoración: − Los péptidos presentan propiedades ópticas, desplazando como los aa proteicos el angulo de la luz polarizada. − También presentan propiedades químicas que permiten poner en evidencia su presencia: la reacción de Binnet, exclusiva para proteínas y peptidos. En presencia de los ððamino terminal, las sales de cobre producen color. La intensidad del color es proporcional a la cantidad de péptidos. − Al igual que los aa que los conforman, los péptidos se comportan como ácidos y bases. 4 Propiedades ácido/base de los péptidos: − Solo mantienen sus propiedades ac/base los grupo a−t, c−t, y aquellos grupos de R ionizables. − Ala no tiene grupos ionizables en R, por lo tanto AlaAlaAla tiene los mismos grupos ionizables que Ala, y su curva tendrá el mismo numero de mesetas y pKs. Ala: NH2 − CH − COOH R AlaAlaAla: NH2 − CH − CO − NH − CH − CO − NH − CH − COOH 15 RRR − Sin embargo, los valores de esos pK cambian: Cuantos más aa hay de por medio, más separados se encuentran los grupos ð ionizables. En el caso de Ala, pKa1 = 2,35; para AlaAla, pKa1 = 3,12; y en el caso de AlaAlaAla, pKa1 = 3,39. La fuerza del grupo ácido carboxílico disminuye visiblemente. − Según aparecen en R más grupos ionizables, se añaden más mesetas a las dos básicas (a−t y c−t). AlaAlaLysAla: NH2 − CH − CO − NH − CH − CO − NH − CH − CO − NH − CH − COOH RRRR NH2 − En el caso de varios aa iguales con grupos ionizables en R, todos ellos se desprotonarían de golpe con el mismo pH. Ejemplo: LysLysLysLys tendría, al igual que Lys, tres mesetas. Sin embargo, en la meseta correspondiente a NH2 de R, se desprotonarían los grupos de 4 en 4, no de 1 en 1. − Para calcular el pI de un péptido tenemos que tener en cuenta esto último como coeficiente. Glu Ala Lys Lys NH2 COOH COOH R NH2 NH2 pH BAJO P 3+: NH3+ COOH COOH R NH3+ NH3+ pKa1 P 2+: NH3+ COO− COOH R NH3+ NH3+ pKa2 P +: NH3+ COO− COO− R NH3+ NH3+ pKa3 P 0: NH2 COO− COO− R NH3+ NH3+ 16 pKa4 P 2−: NH2 COO− COO− R NH2 NH2 pH ALTO − En este caso encontramos cuatro pKs y cuatro mesetas en la curva (y no cinco), pues los dos NH2 de R de Lys se desprotonan de un mismo paso. − Para el calculo de pI, es decir, el valor de pH para el cual hay 100% de [P 0], debemos utilizar pKa3 y pKa4, sin olvidar que [P +] ha de ser el doble de [P 2−]: (P +) = 2(P 2−) pI = (pKa3 + pKa4 − (log 2)) / 2 5 Oligopéptidos con actividad biológica: − No suelen ser de origen proteico. − ðAla libre es de por sí un neurotransmisor: ðAla: NH3+ − CH2 − CH2 − COOH (Grupo carboxilo en ð). − Carnosina: ðAla_Hys. − Anserina: ðAla_N−3−metil−His. Se encuentra como tampón ac/base en el músculo. − Glutatión: Glu_Cys_Gly. Muy abundante en todos los seres vivos. Unión Glu−Cys especial, mediada por el carboxilo del R de Glu, no por el ð−carboxilo. NH3+ − CH − CH2 − CH2 − CO − NH − CH − CO − NH − CH2 − COO− COO− R' SH − El grupo tiol puede reaccionar reduciendo otra proteína. En ese caso queda oxidado y pierde su protón. Dos moléculas de glutatión oxidadas pueden quedar unidas por un puente disulfuro. Esta forma está presente en eritrocitos: mantiene el hierro en forma ferrosa evitando que se oxide. Evita también la oxidación en otros tipos celulares, por ejemplo, evitando enfermedades neurodegenerativas. R'1 − S − S − R'2 − Muchos Antibióticos son oligopéptidos o derivados de aa con uniones particulares, como la Penicilina, Gramicidina S o Bacitracina A. Gramicidina S: Leu − D−Phe − Pro − Val − Orn Orn − Val − Pro − D−Phe − Leu 17 Penicilina: 18