Bioquimica conceptos esenciales

,.
IN DICE
Prólogo ...............................................................................................:...........................
VIl
Prefacio ..........................................................................................................................
IX
Agradecimientos .........................................................................................................
XI
Presentación de la obra ..........................................................................................
XII
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
CAPÍTULO l . Las bases de la bioquímica ..................................................
3
CAPÍTULO 2. Hidratos de carbono .............................................................
23
CAPÍTULO 3. Lípidos .......................................................................................
41
CAPÍTULO 4. Aminoácidos y enlace peptídico .................... ;...................
57
CAPÍTULO 5. Proteínas ...................................................................................
75
CAP ÍTULO 6. Nucleótidos y ácidos nucleicos ..........................................
93
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
CAPÍTULO 7. Bioenergética ...........................................................................
113
CAPÍTULO 8. Enzimas y catálisis ..................................................................
131
CAPÍTULO 9. Membranas biológicas y transporte ..................................
159
CAPÍTULO 1O. Señalización celular .............................................................
175
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
CAPÍTULO 11 . Introducción al metabolismo
199
CAPÍTULO 12. Metabolismo de los hidratos de carbono .....................
213
CAPÍTULO 13. Rutas centrales del metabolismo intermediario .........
237
CAPÍTULO 14. Metabolismo de los lípidos ...............................................
255
"·
CAPÍTULO 15. Metabolismo de los compuestos nitrogenados .......... · 279
;'
~
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
CAPÍTULO 16. Genes y genomas ................................................................ .
303
CAPÍTULO 17. Replicación y reparación del DNA ................................ ..
323
CAPÍTULO 18. Expresión y regulación génica ........................................ ..
343
...
..
1
Bibliografía ................................................................................................................... . 363
Soluciones ...........................................................:.......................................................... . 365
~
\'
•' •
Índice analítico ........................................................................................................... ..
373
1
1·
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....
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.,
LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
o
CONTENIDOS
o Introducción
o Fundamentos químicos
o El agua como principal
disolvente biológico
o Las reacciones químicas en
la célula
o El contexto celular
o
OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE
o Identificar. los átomos que forman parte de la materia biológica y sus
características
o Reconocer las características que determinan el orden de los elementos químicos en la tabla periódica
o Saber establecer los enlaces entre átomos que forman moléculas
o Diferenciar las moléculas polares y apelares y su capacidad de interaccionar en un medio acuoso
o Identificar los grupos funcionales que portan las moléculas biológicas
y su reactividad
o Conocer el papel del pH en la reactividad de los grupos ácido y base
o Nombrar los tipos de enlaces de condensación que se establecen entre las biomoléculas y sus niveles de oxidación-reducción
Este primer capítulo reúne aquellas nociones básicas necesarias
para entender una materia como la bioquímica. Posiblemente,
todos estos conceptos habrán sido estudiados por cualquier lector que comience un curso de estas características, sin embargo,
existe el riesgo de que puedan hab:er quedado algo olvidados o
confusos. Este capítulo pretende adtarar y situar en un contexto
biológico aquellos conceptos y fundamentos necesarios para
una correcta comprensión de la bioquímica y su aplicación a las
ciencias de la salud.
A lo largo del libro se volverán a tratar en mayor profundidad
muchos de los puntos descritos en este primer capítulo, y en
algunos casos, el lector podrá volver a él.a.modo de consulta o
repaso.
4
SECCIÓN l. LOS MAT ERIALES DE LA CÉLULA
0 INTRODUCCIÓN
El objetivo de la bioquímica es explicar en términos químicos las estructuras
y las funciones de los seres vivos. Comprender la química de las biomoléculas es
un paso previo para saber qué estructura tienen, cómo interaccionan, y por lo
tanto, cuál es su función biológica.
Este capítulo se limita a describir los conceptos fundamentales de la química
orgánica para poder comprender las características de los compuestos bioquímicos y su reactividad. Habitualmente, se considera la química orgánica como la
química del carbono y de sus compuestos, aunque también se tratan algunos
compuestos inorgánicos sencillos como los óxidos, los carburos y los carbonatos.
Es importante tener en cuenta que la química del carbono constituye la base de
la química de los seres vivos. Hay que conocer bien los elementos químicos que
componen los seres vivos, comprender todos los parámetros necesarios para que
se desarrolle la vida, la necesidad de la presencia del agua y del oxígeno, y las
características termodinámicas que definen un sistema biológico.
0
FUNDAMENTOS QUÍMICOS
La materia está constituida por átomos
O Número atómico (Z): número
de protones.
Número másico (A): masa relativa del átomo respecto a la del hidrógeno. Es la suma de neutrones y
protones. Antiguamente se denominaba peso atómico.
c:flsótopo: átomo de un mismo
elemento con diferente número de
neutrones en su núcleo. Todos los
isótopos de un mismo elemento tienen el mismo Z. Los isótopos pueden
ser estables o radiactivos.
O Átomo (del latín, atomus, y
éste del griego, ároJ.wr;: indivisible).
A: Número másico
Número másico
~H
Z: Número atómico
Número atómico
A: Número másico: es la suma de
neutrones y protones
Z: Número atómico
= N• de
protones
Figura 1-1 . Ejemplo de representación de
dos elementos químicos de la tabla periódica.
La unidad fundamental de la materia es el átomo, una partícula de tamaño muy
reducido (del orden de 10~8 cm), a su vez constituida por subpartículas: protón,
neutrón y electrón, cuyos valores de carga y masa se muestran en la tabla 1-1.
Tabla 1-1. Características de las partículas atómicas
Partícula
Carga (culombios )
Electrón
19
1,6 · 10-
negativa
Masa (gramos)
9,1 • 10-28
Protón
1,6 . 1o- 19 positiva
1,67. 1o- 24
Neutrón
o
1,67. 10- 24
En condiciones normales, los átomos no presentan carga neta: su número de
protones y electrones es el mismo. Sin embargo, existen átomos cargados, denominados iones, con una diferencia de carga. Si pierden electrones, los átomos
presentarán mayor número de protones que de electrones y su carga será positiva y formarán cationes; y, si los ganan, tendrán mayor número de cargas negativas y constituirán aniones.
Los protones y neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se
concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de éste en
los orbitales atómicos que se describen más adelante.
Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo; este número atómico (Z)
define a cada elemento (Fig. 1-1). Sin embargo, un mismo elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia de los isótopos,
que son distintas formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en
su masa.
Los orbitales atómicos quedan definidos por
los números cuánticos
Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean
al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones.
Para cada átomo concreto existe un número definido de orbitales que se caracterizan por poseer una determinada energía potencial. Sin profundizar en los
cálculos matemáticos que los determinan;· podemos afirmar que cada orbital
queda definido por un conjunto de tres números, denominados números
cuánticos:
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
l. El primero, conocido como número cuántico principal (representado
por la letra n) describe el tamaño y la energía del orbital. A medida que
aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo. Así, existen orbitales 1, 2, 3 ...
2. El segundo (representado con la letra 1) se conoce como número cuántico azimutal. Representa un subnivel de energía y define la forma geomé- ,
trica del orbital (esférico, lobulado, etc.). Se representan con las letras s,
p, d y f.
3. Un tercer número, denominado número. cuántico magu.ético (m1), define la orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia arbitrarios
(x, y, z). Por ejemplo, el orbital tipo p, puede ser Px• Pr y p,.
Por tanto, estos tres números definen perfectamente los orbitales atómicos
respecto a su energía, tamaño, forma y ·orientación espacial.
Los electrones se distribuyen en estos orbitales siguiendo varios principios .
En primer lugar, los electrones ocupan inicialmente los niveles de energía más
bajos. Además, hay que tener en cuenta que cada orbital alberga un máximo de
dos electrones. Por últimO, cuando existen varias posibilidades de localización
en subniveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados,
según el principio de máxima multiplicidad. Por ejemplo, en el caso de los orbitales p, si hubiera tres electrones se dispondría uno en cada subnivel: p~, p~, p~.
Teniendo en cuenta esta distribución, es necesario un cuarto número que
permita identificar los dos electrones de un mismo orbital: el número de spín,
que refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje imaginario en un
campo magnético.
'
Debido a la dificultad de dibujar los orbitales atómicos, se utiliza una aproximación simplificada de representar la configuración electrónica a modo de cajas
que se irán rellenando de menor a mayor nivel energético según el número de
electrones que tenga el elemento (Fig. 1-2).
c::fOrbitales atómicos: regiones
en el espacio donde existe la mayor probabilidad de encontrar electrones .
Niveles de energía: los electrones van ocupando los niveles de
menor a mayor energía. En cada nivel puede haber más de un orbital.
En cada orbital, definido por_los tres
números cuánticos, solo puede haber un máximo de dos electrones.
•••••
1S
r:Nl
~
2py
2p,
[IJ[IJ[IJ Nivel de energía 2
[ill
Nivel de energía 1
Nitrógeno,
~
¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?
número atómico
2px
2s
r:Nl
En la figura 1-3 se muestra una tabla periódica en la que se señalan solamente
los elementos químicos presentes en los seres vivos. La posición de cada elemento en la tabla revela sus características.
Cada celda de la tabla periódica contiene un elemento identificado con un
símbolo, el número másico y el número atómico. El orden de los elementos en
la tabla periódica viene determinado por dos ejes: uno, horizontal (períodos); y
otro, vertical (grupos) (Fig. 1-4). Los elementos se ordenan en un período, de
izquierda a derecha, según aumenta su número de protones y, por lo tanto, de
electrones si el átomo es neutro. Al terminar el período, se habrá completado la
última capa o nivel de energía de ese período, y se comienza a colocar en el siguiente. El último elemento de cada período tiene completo su último nivel de
energía y se denomina gas noble.
5
[ill
Oxígeno,
N
1s2 2p 2 2p 3
[ill[I][I] Nivel de energía 2
Nivel de energía 1
O
1s2 2p 2 2p4
Figura 1-2. Configuración electrónica de
los átomos de nitrógeno y oxígeno. Se
muestra la forma de los orbitales y la representación a modo de cajas, así como los niveles de energía que ocupan los electrones.
pe~enecientes
c::flos elementos
a
un mismo grupo tienen el mismo
número de electrones en la última
capa (capa de valencia).
--------
c::flos elementos pertenecientes a
un mismo período tienen el mismo
nivel de energía (n).
Figura 1-3: Tabla periódica donde se indican los elementos químicos presentes
principafmente en los seres vivos.
6
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Grupo 1
Hidrógeno
Período 1
Figura 1-4. Características que determinan el orden de los elementos de un período y de un grupo dentro de la tabla
periódica. A lo largo del período, de izquierda a derecha, aumenta el número de
electrones en la última capa hasta completar
un nivel de energía. Al descender en un grupo, se aumenta un nivel de energía, pero todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen el mismo número de electrones en
la última capa.
Período 2
Período 3
@
(@) <@)@®(@)\®
~
Los elementos se combinan y forman moléculas
O la valencia de un determinado
elemento químico se puede definir
como su capacidad de combinación,
y es un dígito que indica el número
de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto. Por ejemplo, la valencia del carbono es cuatro, y podrá formar cuatro enlaces.
O la
definir
sentan
par de
electronegatividad se puede
como la tendencia que prelos átomos a atraer hacia sí el
electrones compartido.
Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración
electrónica en que sus orbitales estén completos. Salvo casos excepcionales, los
átomos tienden a asociarse formando moléculas o agregados atómicos. La unión
entre los átomos se establece a través de enlaces químicos, y estos nuevos. agregados poliatómicos (moléculas) se comportan como unidades elementales de
nuevas sustancias. A veces se asocian dos átomos iguales (como en la molécula
de oxígeno, 0 2). Las moléculas que están constituidas por átomos de diferentes
elementos se denominan compuestos (como, por ejemplo, la molécula de agua,
formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno: H 2 0).
La mayor parte de las reacciones químicas proceden de la formación y ruptura de enlaces químicos, por lo que resulta necesario conocer la naturaleza de estos enlaces.
·
La configuración electrónica de cada elemento es la que va a determinar su
reactividad. Los electrones de las últimas capas, que ocupan los niveles de mayor energía, son los que van a participar en las reacciones químicas y se conocen
como electrones de valencia.
Para entender la formación de los enlaces resulta útil la regla del octeto que
se basa en el comportamiento químico de los denominados gases nobles. Estos
elementos tienen poca tendencia a reaccionar químicamente debido a que su
configuración electrónica se caracteriza por tener completa su última capa (la
capa de los electrones de valencia, que posee ocho electrones, a excepción del
helio, que posee dos).
Según esta regla del octeto postulada por Lewis, los átomos son más estables
cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia. Esto puede representarse de forma sencilla utilizando la notación de Lewis, mediante el símbolo
químico de cada elemento rodeado por puntos que representan los electrones de
valencia (Recuadro 1-1).
Antes de estudiar los enlaces hay que definir una propiedad de gran importancia a la hora de explicar su formación y sus posteriores características: la electronegatividad, que es la tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el
par de electrones compartido.
Cuanto mayor sea el número de electrones, más fácil será completar su última capa; por lo tanto, los átomos que tengan más electrones en su última capa
son más electronegativos. En el caso de los elementos presentes en los seres vivos, el oxígeno y el nitrógeno son más electronegativos que el carbono y el hidrógeno, que poseen una electronegatividad semejante (véase Fig. 1-4).
Cuando los átomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el
enlace se forma porque ambos elementos comparten sus electrones de valencia
hasta completar su última capa: este tipo de enlace, denominado enlace cavalente, es el que se dá principalmente eh las moléculas biológicas. En el enlace
covalente no hay una transferencia de electrones completa, como ocurre en el
enlace iónico (Fig. 1-5). De la combinación de los dos orbitales atómicos surge
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
7
Recuadro 1-1. La regla del octeto
El método de Lewis permite explicar de fo rma simple algunos enlaces; postula que los elementos que se sitúan próximos a los gases nobles
tienen tendencia a captar, ceder o compartir electrones hasta completar los ocho electrones que caracterizan a los gases nobles.
Según esta regla del octeto, los átomos son más estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia -sean pares solitarios o
compartidos- mediante un enlace covalente. En cada enlace covalente simple, cada átomo de la un ión aporta un electrón; por lo tanto, al dibujar un diagrama o estructura de Lewis, hay que evitar asignar más de ocho electrones a cada átomo.
Si n embargo, hay algunas excepciones. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un sólo orbital en su capa de valencia, la cual puede aceptar como máximo dos electrones; por eso, solo puede comparti r su orbital con un átomo formando un único enlace. Por ot ra parte, los átomos no metálicos,
a partir del tercer período pueden formar "octetos expandidos"; es decir, pueden contener más de ocho orbitales en su capa de valencia, por lo
general, colocando los orbitales extra en subniveles.
Átomo
Número de
electrones
no apareados
(en rojo)
Número de
electrones en
la capa externa
completa
H·
1
2
H·
+
H·
=
~
H
:N : H
H
=
~
H
H: C: H
H
=
:s : H
H
=
2
8
:o ·
+
2 H·
~
:N ·
3
8
:N ·
+
3 H·
4
:s ·
8
8
2
·~·
:?·
+
4 H·
+
2 H·
=
:o : H
H
:o ·
· C·
H: H
~
~
H- H
O- H
1
H
H
' N- H
H/
8
3
3 H·
+ :p .
+
4 · O:
Amonio
1
H- C- H
Metano
1
H
5- H
1
H
Sulfuro de
hidrógeno
OH
:p:: f :g:H
~
Agua
H
H
:o :
: P·
Di hidrógeno
1
=
O= P- OH
1
:o:
Ácido
fosfórico
OH
¡.¡
Átomos
Áto mos
-·
.·
·..
.-
......___,r ·.. _
.
/
~nsfe·r~~~;~
! d~
electrones
·.
-Molécu la
1
Enlace covalente
ión
positivo
ión
negativo
Enlace ión::.
J
un orbital molecular que determinará las características de la unión. Los orbitales m oleculares p ueden ten er menor en ergía q ue los orbitales atómicos de partida, lo q ue lleva a una estabiliza_ción del sistem a que favorece su· formación. Este
tipo de orbital estable se conoce como orbital enlazante. O .pued en p resemar
2Figura 1-5. Representación de un enlace
covalente, donde los electro nes de dos
átomos que forman el enlace se comparten, y de un enlace ión ico, donde un
electrón se transfiere de un átomo a
otro, formando iones.
'
'
8
SECCIÓN l. lOS MATERIAlES DE lA CÉlUlA
mayor energía que los orbitales atómicos de partida, lo que provoca una desestabilización. Este tipo de orbitales se denomina orbitales antienlazantes y no favorecen la formación del enlace.
La distribución específica de los electrones dentro de una molécula se denomina configuración electrónica. En condiciones normales, esta distribución se
caracteriza por poseer la mínima energía potencial posible y entonces se dice
que la molécula está en su estado basal o fundamental. Pero existen otras alternativas de mayor energía potencial; en este caso, la molécula posee una mayor
energía potencial y se dice que se encuentra en un estado excitado.
Orbitales híbridos. La tetravalencia del carbono
O la hibridación sp 3 permite al
carbono establecer cuatro enlaces
covalentes.
Para los elementos del segundo período de la tabla periódica, entre los que se
encuentran el carbono (C), el nitrógeno (N) y el oxígeno (0), los orbitales s y p
de la última capa están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales. Estos orbitales híbridos consiguen que el elemento forme el mayor número
de enlaces posible, mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para
minimizar las fuerzas de repulsión. Los orbitales híbridos formados por el carbono son los más estudiados y explican la naturaleza de sus enlaces con otras moléculas (Fig. 1-6) .
Enlace covalente coordinado o dativo
O Un enlace coordinado es un
enlace covalente en el que los dos
electrones compartidos los aporta el
mismo átomo.
O se produce un dipolo cuando
un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están
separadas por cierta distancia (generalmente pequeña).
En los enlaces covalentes estudiados hasta ahora cada electrón del par de electrones compartido lo aporta uno de los átomos que participa en el enlace. Sin embargo, en algunos casos, el par de electrones compartido procede exclusivamente
de uno de los átomos, mientras que el otro aporta un orbital vacío. El resultado
es una molécula con carga positiva que procede del átomo que aporta el orbital
sin electrones, y, por lo tanto, con mayor número de protones. Para que se forme este tipo de enlace, un átomo tienen que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par solitario en su nivel más externo (como ocurre en el oxígeno
y el nitrógeno) , y el otro debe disponer de un orbital vacío (como en el caso de
protón: H+) (Fig. 1-7).
Polaridad y enlaces polares
Cuando dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace
covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos átomos, de forma que serán atraídos con más fuerza por el más electronegativo. En
este caso se forma un enlace covalente polar (Fig. 1-8), en el que el átomo más
(a)
(b)
ITIIJD
(e)
[[[] _ / promoción
Figura 1-6. Hibridación del átomo de carbono. (a) Estructura tetraédrica de un átomo de carbono; (b) forma y ángulos de los
orbitales híbridos; y (e) configuración electrónica.
Carbono
e-
[IJ[IJ[IJ
[IJ
hibridación
hibridación
[IJ [IJ[IJ[IJ
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
electronegativo presenta una mayor densidad de carga negativa (representada
como in, mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva (representada como o+) provocada por la ausencia del electrón que neutralizaba la carga positiva del núcleo. El resultado es la formación de un dipolo, es decir, dos
cargas de signo opuesto separadas por una distancia determinada. Este tipo de
enlaces va a ser muy importante a la hora de entender las interacciones no cavalentes que pueden darse entre diferentes moléculas. La molécula de agua presenta enlaces covalentes polares, fundamentales para explicar la solubilidad de las
diferentes moléculas biológicas en agua.
H
Electrones forman
enlace coordinado
con el protón
9
H
1
H~N : -- H+ _.. H-N ~ H
H/
1
H
ión amonio
Figura 1-7. Enlace covalente coordinado
dativo en la formación del ión amonio.
Los grupos funcionales determinan las interacciones
entre biomoléculas
Las múltiples posibilidades que tiene el átomo de carbono para formar moléculas diferentes viene determinada por la capacidad de formar cuatro enlaces con
ángulos muy abiertos, además de ser enlaces covalentes no polares y, por lo tanto, muy estables. Así, las moléculas biológicas pueden formar largas estructuras
lineales, ramificadas e incluso cíclicas, muy firmes. Sin embargo, debido a que la
unión entre. carbono e hidrógeno es de naturaleza no polar, será necesaria para
las moléculas biológicas -presentes en un medio polar como el agua- la colaboración de otros átomos que les permitan formar y romper enlaces, haciendo
que estas moléculas sean más reactivas. Una "molécula viva" o biomolécula debe
estar en constante cambio; y así formarán asociaciones muy importantes, bien
entre ellas o con el agua, ya que éste es el medio en el que se van a encontrar
principalmente.
Los elementos químicos fundamentales en la reactividad de las biomoléculas
van a ser el O y el N, ambos átomos electronegativos, que harán reaccionar entre sí a las moléculas que los porten.
En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente, una serie de grupos funcionales. La naturaleza de estos grupos es determinante en el funcionamiento de la molécula biológica; tanto para el establecimiento de enlaces covalentes entre moléculas y la formación de biopolímeros,
o macromoléculas, como para la asociación e interacción mediante enlaces débiles entre ellas y con el medio.
En el recuadro 1-2 se detallan los principales grupos funcionales presentes
en las moléculas biológicas; en el siguiente apartado, donde se van a describir las
interacciones débiles, se dan las claves para reconocer el papel que juegan estos
grupos funcionales dentro de las grandes macromoléculas celulares y así poder
entender su comportamiento biológico.
grupo~ funcio~ales
c JLos
son las
diferentes asociaciones entre átomos
que proporcionan características
funcionales a las moléculas.
Las interacciones débiles determinan la función de la molécula
Todo proceso biológico se produce gracias a las- interacciones débiles establecidas entre moléculas. Las moléculas deben interaccionar para comenzar una acción, y posteriormente separarse. Tanto la unión y reconocimiento único entre
una enzima y un sustrato, o de un receptor y su ligando, como el proceso de
replicación y transcripción del DNA, todos ellos son procesos que tienen lugar
gracias a una determinada orientación y unión entre las moléculas implicadas.
Estas interacciones son débiles, pero la suma de muchas de ellas en la posición
o
+
enlace covalente apolar
[ en lace covalente polar J
enlace iónico )
Figura 1-8. Diferencia de polaridad en los
enlaces covalentes e iónicos según la
electronegatividad. En un extremo de la
escala están los átomos que forman el enlace apolar 'C on electronegatividades similares;
en el otro extremo, el enlace iónico con
electronegatividades muy diferentes.
10
SECCIÓN l. lOS MATERIALES DE lA CÉLULA
Recuadro 1-2. Grupos funcionales comunes en bioquímica
COMPUESTOS CON NITRÓGENO
Fórmula
H
1
R- C- H
1
H
Metilo
Alcano
Etilo
Alqu eno
Eteno
(Etileno)
Naturaleza
quím ica
· R- CH3
R-CH2 - CH3
H H
1 1
R-C = C- H
R-CH= CH2
Fórmula
Naturaleza
química
primari a
H
R-N /
" H
R-N H2
Pola r (base)
secu ndaria
R-N- R'
1
H
R- NH-R
Polar (base)
R-CH= NH
Polar (base)
R- CO- NH 2
Polar
Ami no
No polar
H H
1 1
R-C-C - H
1 1
H H
Estructura
Grupo funcional
1
N-H
11
~ mi n o
R-C
1
H
No polar
o
11
/ H
R-C-N
" H
Ami do
H
HYyHR
-0-o No pol.c
Fen ilo
R YH
COMPUESTOS CON FÓSFORO
H
Grupo
funcional
Estructura
COMPUESTOS CON OXÍGENO
Grupo funcional
Est ructura
Hidroxilo (alco hol)
Fórmula
R-0-H
Aldehído
e primario
o
Naturaleza
química
R- OH
Polar
R-C(=O) H
Polar
Carbonita 1---- - - - - + - - - - - - + - - - - - + - - - - - l
o
Cetona
R- C(= O)-R'
11
Pola r
e secundario
R-C - R'
Carboxilo
R-COOH
o
Éster
11
R-C-0 - R'
R-COO-R'
Naturaleza
química
Fórmula
Polar
(ácido)
No polar
11
R- 0- P-OH
Fosfori to
Polar (ácido)
1
OH
COMPUESTOS CON AZUFRE
Grupo funcional
5u lf hidrilo (Tiol)
Estructura
Fórmula
R- 5-H
R- 5H
o
5ulfuri lo
(Ac. sulfú rico)
11
R- 0 -5 =0
Naturaleza
química
Polar
+
R- 0 -50 3H
Polar (ácido)
1
OH
ENLACES NO COVALENTES D~BILES EN EL AGUA
PUENTE DE HIDRÓGENO
Hidroxilo
INTERACCIÓN HIDROFÓBICA
-OHIII IO(
H
--
H
Carbonita
Carboxilo
(Cualquier
ácido
protonado)
" c=O IIII H
/
'o
H/
o
OIIII H,
-e1! H/ ·o
\
PUENTE SALINO
(
OHIII IO- H
1
H
-e
Ami no
" o~
Alifát icos
Aromáti cos
o
-
OI III H- 0
~
11
Ami do
,r- 0
H H
1 1
H- C-C -H
1 1
H H
- C-N - H
1
HII II O- H
1
H
-Y, / .y
o
-5--/ \
-5--
/ "(-.
o
~
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
11
correcta, hará que la unión sea altamente específlca y fuerte, además de ser vital
para la vida en la célula.
Las interacciones débiles pueden ser de naturaleza electrostática o hidrofóbica. Las primeras incluyen los puentes de hidrógeno, los puentes salinos (enlace
iónico) y las fuerzas de van der Waals.
Puente de hidrógeno
Este tipo de interacción es de naturaleza relativamente fuerte. Es muy común
entre moléculas polares en un medio acuoso, y es la responsable de las múltiples
uniones débiles entre las moléculas de agua.
Para que se forme un puente de hidrógeno es necesaria la presencia de un
átomo de hidrógeno (H) unido covalentemente a un átomo electronegativo (habitualmente el O y N) que, debido a su carga parcial positiva, será atraído por
otro átomo electronegativo presente en una molécula diferente (Fig. 1-9).
c fun puente de hidrógeno se establece cuando un átomo de H, unido covalentemente a un átomo
electronegativo, es atraído por un
átomo electronegativo de un grupo
vecino a una distancia y en una
orientación óptima.
Enlace iónico o puente salino
.
,
En la célula, los iones (por ejemplo, Na+, K+ o Cr) van a establecer entre sí, interacciones de tipo electrostático (entre cargas opuestas), también denominadas
puente salino (Fig. 1-10).
Además, aquellos grupos funcionales que se comportan como ácidos o bases,
es decir, que tengan la capacidad de ceder un protón al medio o de captarlo, van
a presentar una carga real (un electrón de más o de menos del que le corresponde al átomo neutro), lo que les convierte en unión. Los iones, en solución acuosa, pueden atraerse o repelerse según la carga que porten. Este tipo de atracción
electrostática se comportaría como un enlace iónico, sin embargo, se considera
una interacción débil, ya que al estar el ión en solución acuosa se encuentra solvarado (rodeado de moléculas de agua) reduciendo la fuerza del enlace entre los
iones de carga opuesta.
(a)
(b)
-
Puente de hidrógeno __________. :
l
carbonita
Aceptar de
puente de H
J "e /
Enlace covalente
11
o
carbonita
ami n.o
~/
puente de H
/
ami no
~/
11
N
o
H
H
H
1
1
o
1
1
N
N
1
1
o
1 Donador de .l
"e
1
hidroxi lo
N
H
amino
1
Figura 1-9. Representación del enlace o puente de hidrógeno. (a) Entre dos moléculas de agua, y (b) entre grupos funcionales. Se indica el
átomo aceptar y el donador del puente.
er
ión ohidratado
Figura 1-10. Enlaces iónicos en el agua:
puente salino. Los cristales iónicos del cloruro sódico se disuelven en agua, debido a la
capa de solvatación de moléculas de agua
que rodea cada ión.
1,.....
12
-
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
:.1
i
¡
Figura 1-11. Interacciones hidrofóbicas.
Las gotas de aceite, mediante interacciones
hidrofóbicas, tienden a asociarse para minimizar la superficie de contacto con el agua.
Debido a que la capacidad que tiene un ácido de ceder o de captar protones
depende de la concentración de H+ que haya en la solución en la que se encuentra, los grupos ácidos o básicos no siempre van a estar en su forma ionizada.
Entre los grupos funcionales que se comportan como iones a pH fisiológico, se
encuentran los grupos amino y carboxilo, que utilizan este tipo de enlace débil
para interaccionar con el agua y con otras moléculas.
Los puentes salinos no son tan dependientes como los puentes de hidrógeno,
de la distancia ni de la orientación entre átomos.
Fuerzas de van der Waals
O los iones en solución acuosa
van a establecer interacciones electrostáticas o puentes salinos.
Este tipo de interacción iónica es débil, debido al apantallamiento que se
produce en la interacción por las moléculas de agua que rodean al ión.
O Hidrofóbico: fobia, odio al
agua.
O
Hidrófilo: atracción por el agua.
(a)
s-
o
s+H ~
s+
.
H
Son interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente átomos o
moléculas no polares. También son interacciones de tipo carga-carga, pero dependen de la distancia entre átomos. Son "dipolos temporales", solo en el momento en que el electrón de un átomo se acerca o aleja del átomo con el que
está enlazado. Este tipo de dipolos temporales se están formando continuamente
entre moléculas en solución, y no es necesario que las moléculas sean polares.
Puede establecerse, por lo tanto, un dipolo temporal en un enlace covalente no
polar. Su constante movimiento y redistribución de los electrones en la molécula produce cambios complicados y fluctuantes en su atracción o repulsión.
Interacción hidrofóbica
Las fuerzas hidrofóbicas difieren de las anteriormente descritas en que no presentan naturaleza electrostática. Por lo tanto, se darán entre moléculas y grupos
funcionales no polares. N o va a haber tampoco entre ellos ningún tipo de interacción: la unión se basa únicamente en la imposibilidad que tiene la molécula
hidrofóbica en interaccionar con el agua. La fuerza que mantiene unidas a las
moléculas apolares o hidrofóbicas se basa en la tendencia de expulsar el agua de
su entorno, debido a su repulsión (insolubilidad) con los grupos polares del
agua (Fig. 1-11).
Las interacciones hidrofóbicas son fundamentales en bíología, ya que la naturaleza apolar de muchos componentes, les obliga a mantenerse unidos, formando distintas estructuras, para alejarse del agua y así formar verdaderas barreras hidrofóbicas, como las membranas lipídicas que definen las células y sus orgánulos.
0
EL AGUA COMO PRINCIPAL DISOLVENTE BIOLÓGICO
La molécula de agua es un dipolo
Figura 1-12. la molécula de agua. (a) Representación del dipolo de una molécula de
agua; y (b) los puentes de hidrógeno que se
establecen entre varias moléculas.
El agua es el medio líquido fundamental en el que se va a desarrollar la mayor
parte de las reacciones químicas de la célula. Es, por lo tanto, el principal disolvente biológico. La moléc4la de agua presenta la característica química de comportarse como un dipolo: el átomo de O, con una carga parcial negativa Un, y
los dos átomos de H con una carga parcial positiva (é¡+). Esta disposición es debida a la diferente electronegatividad entre los átomos de H y el átomo de O
(muy electronegativo puesto que tan solo le faltan dos electrones para completar
su última capa). La distribución de las cargas y la geometría de la molécula posibilitan la gran interacción entre una molécula y sus vecinas. Las interacciones
débiles que establece una molécula de agua con las de su alrededor se realiza
mediante puentes de hidrógeno (Fig. 1-12). Este tipo de enlace débil es de vital
importancia, no solo por permitir la formación y rotura de los enlaces y, por lo
tanto, dar la naturaleza líquida al agua, sino también porque gracias a este tipo
de interacción se van a disolver muchas moléculas biológicas en este medio.
La formación y la rotura de los puentes de hidrógeno entre las moléculas de
agua es constante a la temperatura fisiológica (37 oC); sin embargo, muy rara
vez una molécula de ag4a se disocia en dos especies iónicas denominadas iones
hidronio e ión hidroxilo (Fig. 1-13). Habitualmente se habla de protón (H+) como el catión disociado de una
molécula de agua:
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
13
+
El protón se desplaza
de una molécula a otra
ión hidronio ]
H 20
hidroxilo
H+ +OH-
Sin embargo, en la naturaleza el protón se encuentra asociado a otra molécula form ando un ión hidronio:
H zO + H zO
Recuadro 1-3. Proceso de disociación del agua
~
2~
Velocidad de formación= k 2 [W] [OW]
v de
formación y disociación se igualan:
k, [Hp]
c:fHidronio es el catión formado
al hidratar cationes de hidrógeno W
(protón). Estos cationes no se presentan libremente; son extremadamente reactivos y resultan solvatados
inmediatamente por las moléculas
de agua circundantes.
W+OW
Velocidad de disociación= k, [Hp]
Equilibrio de la reacción : las
c fla autoionización del agua solo
ocurre en una de cada 109 moléculas
de agua a temperatura ambiente.
H 30+ + OH-
Por lo tanto el número de protones va a ser igual al número de iones hidronio (Recuadro 1-3).
HO
Figura 1-13. Disociación de la molécula
de agua en sus dos especies iónicas: el
ión hidronio y el hidroxilo.
= k 2 [W]
c fEn química, el ión oxonio co.rresponde al catión Hp+, también
denominado hidronio.
[OW]
k,
[W][OW]
K = - = -,----,-eq
k2
[H20J
c:fProtón: del griego protos, primero (W).
Kw de disociación del agua:
Kw = K,q [Hp]
= [W]
[OW]
En el agua pura a 25 °C:
[W] = [OW] =10- 7 M
Química de los ácidos y de las bases
El comportamiento de la ionización del agua es la base para comprender el concepto de ácido y base. Actualmente se acepta la definiCión de Lewis, según la
cual una base es una sustancia con un par de electrones disponibles para formar
un enlace covalente dativo, mientras que un ácido es una molécula en la que
existe un átomo capaz de aceptar un par de electrones ya que posee un orbital
externo libre.
Sin embargo, en muchos casos resulta útil la antigua definición de BronstedLowry en la que un ácido se define como una sustancia que puede ceder un
protón y una base es aquella que puede aceptar un protón al reaccionar con un
ácido. Cuando el ácido pierde el protón se convierte en una sustancia que tiende a recuperarlo y, por ese motivo, esta segunda forma se denomina su base
conjugada. De igual forma, una base que capta un protón tendrá tendencia a
perderlo y, por tanto, tendrá carácter ácido. Existen sustancias que pueden
comportarse como ácidos y como bases, y se denominan sustancias anfóteras.
El agua pertenece a este tipo de sustancias y, en las· disoluciones acuosas,- el
agua actúa como ácido en presencia de una base o como base en presencia de
un ácido.
Dentro de las moléculas biológicas solo unos pocos grupos funcionales van a
comportarse como ácido o base. Es importante conocer su comportamiento en
el medio fisiológico · dadas las implicaciones que puede tener para los seres vivos
(Fig. 1-14).
c:flón hidróxido: también den ominado ión hidroxilo (OW) .
c:fsegún Bronsted-Lowry, un ácido
se define como la sustancia capaz de
ceder un protón y una base aquella
que puede aceptar un protón al reaccionar con un ácido.
c:flos grupos ácidos o básicos van
' a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la solución, por lo tanto las uniones por
puente salino son muy dependientes del pH del medio en que se encuentren.
O las sustancias anfóteras, como
el agua, son las que pueden comportarse como ácido o base.
14
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 1-4. Recuerda ... el logaritmo
-70
R-C
Se puede escribir una fracción como un
exponente negativo:
_1_ = 10-1
10
'o-H
-
+
o· o•
Grupo carboxilo
(ácido)
-7H
H-0
~ "H
Grupo carboxilato
(base conjuga9a)
Hidronio
(ácido conjugado)
El logaritmo es la función matemática
inversa de la función exponencial.
El logaritmo de un número x es el exponente (n) al que hay que elevar la base
dada (usualmente 10) , para que dé dicho
número x.
Log10x=n =
Figura 1-14. Ionización de un grupo carboxilo. A pH fisiológico, el carboxilo se comporta como
un ácido débil. y dona un protón al agua que actúa de base. El grupo carbox ilato será la base
conjugada y la molécula de agua capta el protón convirtiéndose en un ión hidronio que será una
especie ácida.
x= 10"
Ejemplo:
1
Log10 10=1 =x=10 =10, n=1
7
Log 10 = 7 =
7
Log 10- =-7
7
x = 10 ,
=
n=7
7
x= 10-
,
n = -7
Cuando la base es 1O el subínd ice se
omite.
c:fEl pH de una disolución es una
medida de la concentración de los
protones; como los protones reaccionan con el agua para dar iones
hidronio, se puede considerar el pH
como la concentración de esta última especie química.
El pH y el pKa
La acidez de una solución se mide por la concentración de iones hidronio o protones, que presente. Esta concentración abarca el rango desde 1 molar (1 M) en
una solución muy ácida, hasta una concentración de 10- 14 M en una sol!lción
muy alcalina o básica. Para evitar el uso de números tan pequeños, se decidió
convertir estas concentraciones a una escala logarítmica (Recuadro 1-4), denominada escala de pH, que comprende el valor de O al 14 (Tabla 1-2).
Se define pH = -log 10 [H+], donde [H+] es la concentración molar: número
de moles de H+ por litro de disolución.
Debido a que el pH solo es una manera de expresar la concentración del ión
hidronio, las disoluciones ácidas y básicas a una temperatura de 25 oc; pueden
identificarse por sus valores de pH como sigue:
Disoluciones neutras:
[H+]
= 1,0 X 10-7 M,
pH
= -log
[1 ,0 x 10-7}
= -(-7) = 7
Disoluciones ácidas:
[H+] > 1,0
X
10-7M,
pH<7
X
10-7M,
pH>7
Disoluciones básicas:
[H+] < 1,0
*
10-2
2
10-12
12
10-3
3
10-11
11
10-4
4
1o-1o
10
10-5
5
1o-•
9
1o-6
6
1o-a
8
1o-7
• 7
1o-7
7
1o-a
8
1o-6
6
10-9
9
10-5
5
1o-10
o
1o-•
4
10-11
11
10-3
3
10-12
12
1o-2
2
10-13
13
10-1
1o-1•
14
10° (1)
Como ya se ha comentado, la disociación del H 2 0 es:
H 20 + H 20
Por tanto,
f-------1
H 30+ + OH-
[H30+] = [OH-] = 1 x 10-7 mol/litro
pH
= -log
[H30+]
= -log [H+]
pH = -log [1 x 10-7]
pH = 7
o
pOH = -log [OW] . La expresión pOH es
análoga a la expresión de pH . En todos
los casos pH + pOH = 14.
A 25 oc , el pH del agua pura y de cualquier solución acuosa que contenga
concentraciones iguales de ión hidronio y de ión hidroxilo es 7.
Las soluciones tampón regulan el pH de la célula
Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o bases débiles. Por ello, su estado de ionización dependerá de la concentración ·de protones del medio. Si se tiene en cuenta que la mayoría de las enzimas van a presentar este tipo de grupos ionizables en su centro
activo, se comprenderá el importante papel que puede jugar una pequeña fluctuación del pH celular. Por ejemplo, si un"grupo amino de un residuo de una
enzima presenta carga positiva a un pH 7, un ligero aumento del pH, puede
forzar a que el H+ del grupo amino sea cedido al medio y, por lo tanto, pierda
esa carga. En muchos casos, esta carga es fundamental para que la enzima interaccione con el sustrato; entonces, la enzima dejará de funcionar. La importante
CAPÍTULO 1, lAS BASES DE lA BIOQUÍMICA
15
repercusión de la ionización de los grupos de los aminoácidos presentes en las
proteínas y, en particular, en las enzimas, se revisará detenidamente en los capítulos 4 y 8 respectivamente.
Tanto en el medio intracelular como en el extracelular, será por lo tanto imprescindible una regulación del pH para que las moléculas puedan operar de
m anera óptima. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar ,
los cambios que se producen en el pH, cuando se añaderi pequeñas cantidades
de ácido (H+) o de base (OH-). Estos sistemas tampón están constituidos por un
ácido débil y su base conjugada, o bien por una base débil y su ácido conjugado.
C uando la concentración de ambas especies es similar, entonces el sistema tiene
una gran capacidad amortiguadora. En esta situación, cualquier aumento de la
concentración de H+ podrá ser absorbida por la base conjugada, y si se increm enta la concentración de OH-, será el ácido débil del sistema tampón quien
ceda un protón al medio que neutralice el ión hidroxilo. Según la ecuación de
H enderson-Hasselbalch (Recuadro 1-5) cuando el valor del pH de la solución
es igual al p.K,_ del sistema, entonces las concentraciones de las dos especies que
definen el sistema serán iguales. Por lo tanto, eñ la célula aquellas sustancias que
tengan un p.K,_ próximo a 7 (pH fisiológico) serán buenos tampones.
El principal tampón biológico intracelular es el tampón fosfato, que presenta un p~ de 6,86, y por lo tanto, es capaz de resistir los cambios de pH entre
5,9 y 7,9.
Recuadro 1-5. Cálculo de La constante de disociación de un ácido y ecuación de Henderson-Hasselbalch
Una reacción general de disociación de un ácido puede escribirse mediante la reacción general:
HA~
A- + W
,
9 , - - - - -- - - - -- - -- - - - - .
8
Esta reacción se caracteriza por una constante de equilibrio, que
en el caso de un ácido se denomina K, o constante de disociación del ácido y se expresa mediante la fórmula:
7
T
6
5
Un ácido fuerte como el HCl tendrá un valor de K, elevado, puesto que, al estar muy disociado, las concentraciones de los productos de la reacción serán mayores que las de los reactivos.
De igual forma que el pH se definía como -log [W]. se puede expresar el grado de disociación de un ácido como -log K,. Esta expresión se denomina pK, y su valor es inversamente proporcional
a la fuerza del ácido.
El pK, de ácidos débiles se puede calcular realizando una curva
de titulación y se puede ver ver el significado de este valor si se
observa la variación en la concentración de las diferentes formas
moleculares a los distintos valores de pH, representados en la
gráfica.
pH 5,76
región tamponante
4
3
pH
= pK, = 4,76
j_ pH 3,76
1
1
2~:
1
1
1
1
1
QL--L~--~~--L__L~L__L~~
o
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
OW (equivalentes)
Curva de titulación del ácido acético
A un pH bajo dominan las formas protonadas (en este caso
CH 3 -COOH, sin carga) que van disminuyendo a medida que sube
el pH hasta llegar a un pH en el que la forma dominante será la disociada (CH 3 - Coo-. con carga negativa). En el punto medio de la valoración
se pasará por un estado en el que las concentraciones de ambas formas coinciden ([CH 3 -COOH] = [CH 3 -COO-]).
Podemos relacionar el pH con el pK, mediante la fórmula de Henderson-Hasselbalch
[K] (aceptor de protones)
pH = pK, + log - [HA] (dador de protones)
Esta relación permite observar que cuando coinciden las concentraciones de A- (aceptor de protones) y HA (dador de protones) el pK, = pH , ya
que el log de 1 es cero.
De esta relación se pueden extraer dos conclusiones:
1.
El valor de pH que coincide con el pK, es aquel en el que el par ácido-base conjugada presenta mayor poder tamponante, ya que la concentración de aceptor de protones que puede neutralizar los protones si se añade un ácido coincide con la de dador de protones, que puede
neutralizar los grupos OW que aumentan al añadir una base.
2.
A un pH inferior al valor de pK, dominan las formas protonadas, y por encima de ese valor serán mayoritarias las formas desprotonadas; y,
como consecuencia, cambia la carga neta de la molécula.
16
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
H2PO;;
c:flos tampones biológicos resisten
fluctuaciones de pH en torno al valor de pH fisiológico, entre 6,9 y 7,4.
H+ + HPo¡-
El principal tampón sanguíneo es el sistema de tampón bicarbonato, compuesto por el ácido débil carbónico y la base conjugada bicarbonato.
H+ + HCO~
H 2C0 3
0
LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA CÉLULA
Equilibrio de una reacción química
En una reacción química, los reactivos interaccionan para formar productos.
Pero, en la mayoría de las reacciones químicas, la reacción no finaliza cuando
todo el reactivo se ha convertido en producto. En lugar de ello, llega un momento en el que el producto formado comienza a reaccionar para dar un nuevo
reactivo. Es decir, la reacción ocurre de forma reversible. Cuando la velocidad
de reacción que va hacia delante (formación de producto) y la velocidad de la
reacción marcha atrás (formación de reactivo) se igualan, se dice que la reacción
alcanza el equilibrio. La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la
célula son reacciones reversibles, y por lo tanto tienden a alcanzar este equilibrio químico.
.
La velocidad de una reacción viene determinada por una constante de velocidad (k) y por la concentración de reactivo. Siendo k 1 constante de velocidad de la reacción hacia delante y k_1 constante de velocidad de la reacción
marcha atrás,
k,
A
B
k_,
La velocidad de formación de B:
v8 = k 1 [A]
La velocidad de formación de A: vA = k_1 [B]
k 1 [A] = k_1 [B]
En el equilibrio:
L uego,
k1
k_
[B]
.
= [A]
= Kd e eqm'l'b
1 no
1
c:fEn el equilibrio, la relación de
las concentraciones de productos y
reactivos es constante (K.q). Pero
esto no quiere decir que dichas concentraciones sean iguales.
En el equilibrio, las velocidades se igualan, y la relación entre la concentración de productos de reactivos y productos es constante.
Los principios de termodinámica ayudan a predecir si una reacción química
se produce espontáneamente o no . Si la reacción es espontánea se dice que está
· alejada del equilibrio, por lo que tenderá a formar producto espontáneamente
hasta que alcance el equilibrio. En este caso, al comienzo de la reacción, a temperatura y presión constantes, la energía del producto será mucho menor que la
del reactivo y el cambio de energía que se da en la reacción desprenderá energía
del sistema (reacción) al entorno (medio en el que transcurre la reacción), dando un valor menor que cero. El cambio o variación de energía libre de Gibbs
(~G) de una reacción se calcula como un incremento;
~G =
Gfina! -
Ginicia!
Si la reacción está en equilibrio, no se moverá, no habrá cambio, la reacción
tendrá la misma energía en el estado inicial que en el firial y, por lo tanto, su ~G
será igual a O.
Si la reacción tiene una ~G positiva, el reactivo tendrá menor energía que el
producto y la reacción no se podrá dar espontáneamente. En este caso se deberá
utilizar energía de otra reacción que se pueda acoplar a la primera, siempre que
la suma de las dos reacciones acopladas sea menor que cero.
La variable G es una "función de estado", por lo que su valor no depende de
la vía que se utilice para ir del estado inicial al final. Por este motivo es posible
hacer que una reacción no espontánea lo sea, gracias a su acoplamiento con otra
que sí es favorable, debido a la existencia de un intermediario común.
El valor de ~G proporciona información de la espontaneidad de la reacción,
pero no aporta información sobre la velocidad de la reacción. Estos conceptos se
ampliarán en los capítulos 7 y 8.
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
17
Reactividad de Las moléculas biológicas
La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas van a unirse a otras o a reaccionar y transformarse.
Los sitios reactivos pueden ser nucleófilos o electrófilos, según la capacidad
de atraer o no electrones. Los grupos funcionales de las moléculas proveen a las
enzimas de los "sitios de ataque" donde la enzima convertirá un sustrato en un
producto. En el capítulo 8 se clasifican las enzimas en seis categorías dependiendo del tipo de reacción que catalicen.
,
.
La gran cantidad y variedad de reacciones químicas que tienen lugar dentro
de la célula (vías metabólicas), involucran a unos pocos sitios reactivos, que invariablemente van a implicar a los grupos funcionales ya descritos. Estos grupos se
comportan de forma diferente al resto de la molécula en que se encuentran. Ya se
ha descrito la importancia de los grupos funcionales para la "interacción" entre
macromoléculas, pero ahora se detallará su determinante implicación en la transformación de dichas biomoléculas, para construir las macromoléculas biológicas.
Los sitios reactivos van a portar centros nucleófilos o electrófilos:
• Centros nucleófllos (atracción por el núcleo): son grupos ricos en electrones, y pueden tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o
"pares solitarios", o poseer una densidad electrónica típica de dobles enlaces. Estos sitios atacarán a grupos cargados positivamente, ya que se sienten atraídos por ellos.
• Centros electrófilos (atracción por electrones): tienen atracción por las
cargas negativas, es decir, ricas en electrones, debido a su carencia de electrones en capa de valencia.
Hay que tener en cuenta que un grupo funcional puede tener . un átomo
electronegativo para generar un dipolo, portando tanto un centro nucleófilo
como electrófilo (Fig. 1-15). Estos centros reactivos proporcionan la base de los
diferentes tipos de reacciones químicas.
Las reacciones de condensación o deshidratación son un tipo de reacción
química que va a tener un papel fundamental en la formación de las macromoléculas. En este tipo de reacciones participan diferentes grupos funcionales polares y la formación de un enlace covalente va a liberar una molécula de agua al
medio. Dado que las reacciones bioquímicas tienen lugar siempre en un medio
acuoso (bien el citoplasma o el medio extracelular), este tipo de reacciones van
ser determinant~s para la formación de polímeros, es decir, de las macromoléculas como polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos que se estudian a lo
largo del libro (Fig. 1-16).
·
A continuación se describen, en la figura 1-17, los diferentes tipos de enlaces
covalentes de condensación que se establecen entre los distintos grupos funcion ales y que van a dar lugar a la gran variedad de moléculas biológicas.
Monómero
•
•
Monosacárido
Aminoácido
1
Macromoléculas
,r--o
-NI
Grupo amino
no cargado
r =R
-e-
~~
Átomo de carbono
de un grupo carbonilo
,r--o
H-o-
lón hidróxido
Figura 1-15. Centros nu.cleófilos y elect(Ófilos de los sitios reactivos. Los grupos nucleófilos (ricos en electrones. como el nitrógeno o el oxígeno) atacan a grupos electrófilos con carga positiva o menor densidad
electrónica. como un protón o un carbono.
1
Polisacárido
Proteína
o
Nucleótido
Nucleófilos
Ácido nucleico
Figura 1-16. Formación de biopolímeros o
macromoléculas a partir de las unidades
monoméricas mediante enlaces de condensación.
18
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Nombre
Grupos funcionales
Éter
Reacción
Hidroxilo + Hidroxilo
e
Éster
p
Éster fosfórico
Carboxilo + Hidroxilo
+ sulfhidrilo
R1 -0H
R-e
+
OH-R 2
OH+
SH-R 2
\
11
R1 -C-O-R2
____.
____.
o
11
R1 -C-S-R 2 tioéster
o
o
Fosforito + Hidroxilo
11
R -0-P-OH
1
1
OH
+
Sulfurilo + Hidroxilo
OH
11
R-O-S-OH
o
____.
OH-R 2
+
11
1
11
R1 -0-P-O-R
1
2
____.
OH-R 2
o
S
R1 -0-R2
o
o
/¡
1
____.
OH-R 2
+
11
R -O-S -0-R
1
11
2
o
o
c-e
Carboxilo + Carboxilo
Anhídridos
C-P
Mixto
o
o
11
R1 -C-OH
o
o
11
11
Carboxilo + Fosforito
R1 - C-OH
Fosforilo + Fosforito
11
R - 0-P-OH
1
1
OH
o
p-p
Fosfoanhídrido
o
+
11
OH-P-O-R
2
1
OH
Carboxilo + Amina
o
C anomérico + Hidroxilo
Disulfuro
C anomérico + Amina
Sulfhidrilo + Sulfhidrilo
+
1
C OH
e
+
1
H
1
COH
e
+
1
H
R1 -SH
o
o
11
11
R -P-O-P-0-R
1
1
1
2
OH
OH
o
11
R1 -C-OH
NH 2-R 2
____.
OH-R 2
11
R -C-N-R
1 '
1
2
H
____.
C r 0 - R2
H
Glucosídico
N
o
o
____.
o
Amida
o
11
11
R1 -C-0-P-0-R
1
2
OH
____.
OH-P-O-R
1
2
OH
+
o
11
11
R1 -C-O-C-R 2
____.
11
OH-C-R 2
+
,.
+
H
1
NH 2-R 2
HS-R2
____.
____.
cN-R2
\1
e
1
H
R1 -S-S-R 2
Figura 1-17. Enlaces covalentes comunes en bioquímica.
Otro tipo de reacción característica que tiene lugar en la célula es aquella en
la que se transfiere electrones de un sustrato a otro, son las reacciones denominadas de oxidación-reducción o rédox. La mayoría de las reacciones que tiene
lugar durante el metabolismo celular implican esta transferencia de electrones.
Para ello, siempre serán necesario dos reactivos, uno que cede electrones y el
otro que los acepta. En las moléculas biológicas, esta transferencia de electrones
se realiza habitualmente en forma de átomos de hidrógeno, ya que un átomo de
hidrógeno contienen un electrón (H = 1 e-)
AH 2 + B
f---t
A + BH2
donde: AH 2 =donador de electrones (agente reductor, molécula reducida)
B = aceptor de electrones (agente oxidante, molécula oxidada) \
En las biomoléculas los procesos rédox de transferencia de electrones tienen
lugar en los átomos de carbono. La forma más reducida de un átomo de carbo-
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
no será la que esté saturada con cuatro hidrógenos, como en el m etano, mientras que la más oxidada será el dióxido de carbono.
Los niveles de oxidación del carbono (Fig. 1-18) se pueden evaluar fácilmente contando el número de enlaces que establece el carbono con el hidrógeno
(estado más reducido) o con el oxígeno (estado más oxidado).
El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto mayor sea
el poder de oxidación (es decir, cuanto más · reducida esté la sustancia) por lo
que, durante el proceso de oxidación, se desprenderá gran cantidad de energía.
El m etabolismo celular se encarga de transformar y almacenar este contenido
energético de las moléculas reducidas que la célula usa como fuente de energía.
En la sección 111 dedicada al metabolismo se analizarán detalladamente estos
procesos de oxidación-reducción.
H
1
R- C- H
H
~
1
o
H
1
X
R- C-OH [ Hidroxilo 1
1
o
H
A
e
1
R
Los niveles de organización molecular de la célula permiten observar que, en el
primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los monómeros o
sillares con los que se va a construir la célula. Estos monómeros se asociarán en
polím eros mediante reacciones de condensación, para dar el segundo nivel o nivel macromolecular (Fig 1-19). La asociación entre diferentes macromoléculas
formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo
mediante interacciones débiles. Y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar
las diferentes reacciones.
La célula será, por lo tanto, el continente. En una célula eucariota los compartim entos celulares están claramente diferenciados y sus funciones bien especializadas, por lo que no todas las reacciones químicas van a transcurrir en cualquier lugar de la célula. Esta especialización en orgánulos se puede llevar a cabo
de fo rm a muy eficiente porque cada orgánulo está delimitado por una membrana celular cuyas características químicas permiten una disposición en forma de
bicapa lipídica, lo que separa dos medios hidrofílicos. En el capítulo 11 se da
una visión esquemática de las funciones de cada orgánulo y los procesos que se
llevan a cabo.
Por último, un organismo multicelular necesita una observación a un nivel
superior al celular, y este nivel proporciona una visión orgánica sobre cómo
transcurren las reacciones bioquímicas en el organismo completo. Aunque los
procesos bioquímicos que tienen lugar en la célula son, en muchos casos, idénticos en células de diferentes especies, y a lo largo del libro se ha tratado de buscar
-
Enlace
2° nivel
Macromoléculas
:/!
o
1 Carbonilo 1
" e=
HO/
o
1 Carboxilo 1
!
O= C=O
Figura 1-18. Oxidación y reducción de los
grupos funcionales de interés en bio_química. A medida que se oxida el carbono se
reduce el número de H unidos. Se indica en
azul el número de hidrógenos (electrones)
unidos al carbono.
3" nivel
Complejos
macromoleculares
Enlaces no
cava lente
~
" e=
N
EL CONTEXTO CELULAR
1° nivel
Monómero
Metilo
1
6
0
19
cava lentes
Aminoácido
Nucleótido
-
.,..
t.•?"~·
Proteínas globulares y RNA
•Í (.
Ribosoma
.
1 ..
~
'
Figura 1-19. Niveles de organización celular. En este ejemplo el primer nivel está compuesto por los monómeros (aminoácidos y nucleótidos) que mediante enlaces de condensación forman · proteínas y ácidos núcleicos, que interaccionan para f9rma el ribosoma , tercer nivel de
organización .
20
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
aquellos puntos que unifican el metabolism o de las células eucariotas, en determinados p rocesos es necesario prestar atención al sistema u órgano en el que
transcurre dich o p roceso, pues la especialización orgánica es un punto funda- ·
m ental para com p render el funcionamiento metabólico del organismo. Por
ejemplo, los procesos de síntesis de lípidos no se van a llevar a cabo en cualquier
célula, si no que el hígado será un órgano primordial que tendrá las enzimas
necesarias para llevar a cabo la síntesis de gran cantidad de estas biomoléculas.
Aunque la especialización de los diferentes órganos trasciende al contenido d e
este libro, se remarcarán aquellos procesos metabólicos que se produzcan en un
determinado lugar.
~~\
~Y CONCEPTOS CLAVE
o
Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes
en el núcleo.
o
Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima
probabilidad de encontrar estos electrones.
O Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrón ica en que sus orbitales estén
completos.
o
o
o
o
La unión entre los átomos se establece a través de enlaces químicos.
La valencia de un determinado elemento químico se puede definir como su capacidad de combinación, y su número indica el número de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto.
La electronegatividad es la tendencia que tienen los átomos a captar electrones para completar su última capa.
En los enlaces iónicos, los electrones se transfieren de un átomo con pocos electrones en su última capa (metal) a
otro átomo con la última capa casi completa (no metal).
o
El enlace covalente es el más común en las moléculas biológicas; los electrones de las últimas capas de valencia son
compartidos por los átomos que forman el enlace.
o
Se produce un dipolo cuando un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están separadas por
cierta distancia (generalmente pequeña).
o
Los grupos funcionales son las diferentes asociaciones entre átomos que proporcionan características funcionales a
las moléculas.
o
o
o
o
Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas.
o
Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH , cuando se
añaden pequeñas cantidades de ácido (W) o de base (OW) .
o
La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles y, por lo tanto, tienden a
alcanzar el equilibrio químico.
La naturaleza química de la molécula de agua presenta la característica de comportarse como un dipolo.
Exi sten sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases, y se denom inan sustancias anfóteras.
Los grupos ácidos o básicos van a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la solución. El pH
de una disolución es la medida de la concentración de los protones.
O En el equ ilibrio, la relación de las concentraciones de productos y reactivos es constante (K.q) . Pero esto no qu iere
decir que dichas concentraciones sean iguales.
o
La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas van a
unirse a otras o a reaccionar y transformarse.
·
o
El pri mer nivel de organización molecular de la célula lo constituyen los monómeros, que se asocian en polímeros
en un segundo nivel macromolecula r mediante reacciones de condensación.
o
La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer
nivel, sobre todo mediante interacciones débiles, y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones.
CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
0
21
EJERCICIOS
A partir de la siguiente molécula, indique:
a) Los grupos funcionales.
b) La naturaleza química.
e)
Si existe algún enlace covalente de condensación.
d) El tipo de interacción débil que puede formar.
e) Un producto de oxidación y otro de reducción del carbono 1.
H
2 1
1
OH
H
H
H
o-
1
1
1
1
1
H-e- e - e - e - e - e- o- P-o11
1
1
1
1
1
11
O
OH
H
OH
OH
H
O
SOLUCIÓN
a)
b) Todos los grupos indicados son polares. El grupo fosforilo, además, presenta carga negativa a pH fisiológico, por su carácter ácido.
e)
Enlace de condensación el enlace éster fosfórico:
H
2 1
1
OH
H
H
H
o-
1
1
1
1
1
H- C- C - C - C - C - C-O-P-011
1
1
O
OH
H
. 1
OH
1
1
11
OH
H
O
o1
---t
R-CH 2OH+ HO - P-o11
O
d) Puente de hidrógeno con los grupos OH y CO y puente salino con las cargas negativas del grupo fosforilo
e ) Oxidación:
Reducción:
-
R-COOH
R-CHPH
¿Qué tienen en común los elementos de un mismo grupo y de
un mismo período?
-
¿Qué partícula atómica determina que un elemento pueda reaccionar con otro?
-
¿Qué grupos funcionales de lós que están presentes en las biomoléculas se comportan como ácido o como base?
0
.:11 Una las siguientes moléculas mediante un enlace covalente tipo
amida
.:B A partir de la molécula que ha construido en la pregunta anterior, indique el tipo de interacción débil que puede establecer
con el agua a pH fisiológico.
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
DI ¿Cuál de los siguientes grupos funcionales están ordenados de
más oxidados a más reducidos?
a) Hidroxi lo-carbonilo-metilo- carboxilo.
b) Carboxilo-carbonilo-hidroxilo-metilo.
C) Carbonilo-carboxilo-hidroxilo-metilo.
d) Metilo-hidroxilo-carbonilo-carboxilo.
-
Cuando una reacción química alcanza el equilibrio:
a) La velocidad de formación de productos es mayor que la
de reactivos.
b) La concentración de productos y reactivos es siempre la
misma.
e) La relación entre las concentraciones de productos y reactivos es constante.
d) a y e son ciertas.
1111 Una reacción exergónica:
a) Es siempre espontánea.
b) Se hace a una gran velocidad.
e) Es siempre exotérmica.
d) Todas son correctas.
-
Una reacción de condensación entre un grupo carboxilo y un
hidroxilo es un enlace:
·
·
a) Amina.
b) Amida.
e) Fosfoéster. ' 1
d) Éster.
.:11 Entre
un grupo carboxi lo y un catión en disolución acuosa se
establece:
a) Interacciones hidrofóbicas.
b) Puente salino.
e) Puente de hidrógeno.
d) Enlaces éster..
· .:B Indique cuál de las siguientes interacciones no se considera una
interacción no covalente:
22
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
a)
b)
e)
d)
-
Puentes de hidrógeno.
Interacciones hidrofóbicas.
Interacciones iónicas.
Enlaces carbono-carbono.
Indique cuál de los siguientes elementos no se encuentra entre
los cuatro más abundantes en los organismos vivos:
a) Carbono.
b) Hidrógeno.
e) Nitrógeno.
d) Fósforo.
.:0 Un ión hidronio:
a) Su estructura es H,o•.
b) Es la forma habitual de uno de los productos de disociación del agua en disolución.
e) Es un ión de hidrógeno hidratado.
d) Todas las anteriores son ciertas.
.:1.1 Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los tampones
es cierta:
a) Un tampón formado por un ácido débil con un pK, =S es
más fuerte a pH 4,0 que a pH 6,0.
b) El pH de una disolución tamponada permanece constante
con independencia de la cantidad de ácido o base que se
añada a dicha disolución.
e) Cuando el pli = pK,, las concentraciones del ácido débil y
de su base conjugada en el tampón son iguales.
d) Para un valor de pH por debajo del pK,, la concentración
de la base conjugada es mayor que la del ácido débil.
IJill ¿Qué
pareja de grupos funcionales pueden establecer puentes
de hidrógeno entre sí?
a) Amina-hidroxilo.
b) Metilo-etilo.
e) Carboxilo-Metilo.
d) Hidroxilo-fenilo.
HIDRATOS DE CARBONO
o
CONTENIDOS
o
o
o
o
o
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Diferenciar y clasificar los hidratos de carbono
Introducción
seg~n
su composición y
función en la célula.
Monosacáridos
o Comprender su naturaleza química, nombrar sus grupos funcionales y
Oligosacáridos
sus características químicas.
Polisacáridos
o Establecer uniones entre monosacáridos para formar los polímeros, así
como con otras biomoléculas.
Glucoconjugados
o Reconocer la importancia de la isomería en las moléculas biológicas.
o Identificar las funciones biológicas principales que presentan los hidratos de carbono.
r
Se ha elegido comenzar esta sección del libro dedicada a los
materiales o biomoléculas que constituyen los seres vivos con
los hidratos de carbono, ya que desde el punto de vista químico, son compuestos sencillos, lo que facilitará -la comprensión
de su estructura y sirve, además, para fijar los fundamentos
químicos aprendidos en el capítulo l .
A lo largo del presente capítulo se destaca la importancia de la
estructura química de los diferentes hidratos de carbono presentes en los seres vivos para determinar su función biológica;
bien energética, estructural o portadora de información. Puesto que son moléculas con actividad óptica, se van a introducir
los principios de la isomería, tan i·tnportantes en las moléculas
biológicas, tal y como se comentará en los capítulos 4, 5 y 8,
dedicados a aminoácidos, proteínas y enzimas.
Desde el punto de vista biológico, la glucosa -el hidrato de
carbono más abundante en la naturaleza-, va a jugar un papel central en el metabolismo celular, como se describirá en
los capítulos 11, 12 y 13 dedicados al metabolismo, al ser el
principal componente del ciclo de carbono de la biosfera.
24
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 2-1. Etimología
El nombre de los hidratos de carbono es
muy variado, de acuerdo con las diferentes raíces empleadas:
• Hidratos de carbono o carbohidratos:
debido a que responden a la fórmula
estequiométrica (CH,O)n. y antiguamente se creía que eran, tan sólo,
carbonos hidratados.
• Sacáridos: del griego sakcharon, azúcar.
• Glúcidos: derivados de la glucosa,
principal monosacárido.
Prefijos o sufijos:
• Osas: sufijo que se utiliza para designar a los sacáridos.
• Gluco: prefijo utilizado para indicar
una característica relacionada con los
azúcares, por contaminación del inglés (glyco) ocasionalmente se emplea
glico.
0 INTRODUCCIÓN
Los hidratos de carbono o sacáridos son moléculas biológicas simples en cuanto
a su composición química, sin embargo desempeñan funciones vitales fundamentales. La denominación de hidratos de carbono, se debe a que la mayoría de
ellos responde a la fórmula estequiométrica (CHzO) n, si bien algunos pueden
estar modificados conteniendo otros grupos como fosfato, sulfato o amino (Recuadro 2-1).
Las unidades monoméricas de los hidratos de carbono son los monosacáridos; la unión de dos monosacáridos forma los disacáridos. Cuando se unen pocas unidades monosacáridas se denominan oligosacáridos (del griego oligo, poco),
y polisacáridos cuando se unen muchos monómeros (del griego poli, mucho).
Los hidratos de carbono desempeñan funciones muy variadas en los seres
vivos, y juegan un papel central en el ciclo energético de la biosfera. Mediante la
fotosíntesis , las plantas captan e~ dióxido de carbono (COz) de la atmósfera y se
fija en los hidratos de carbono. Estos se almacenarán en las plantas en forma de
polisacáridos (almidón) que serán la fuente de carbono para los animales .. Mediante la respiración, tanto las plantas como los animales oxidarán estos hidratos de carbono para obtener energía y devolverán a la atmósfera el COz. Sin
embargo ésta no es la única función de los hidratos de carbono, puesto que
también tienen un importante papel en la formación de estructuras que protegen a las células, como la celulosa de las células vegetales, los polisacáridos de las
paredes bacterianas y los exoesqueletos de los artrópodos. Una tercera función
no menos importante es la que desempeñan los sacáridos unidos a proteínas o
lípidos de la superficie celular, siendo unos de los actores principales en la comunicación celular.
0 MONOSACÁRIDOS
Los monosacáridos se clasifican según sus car~cterísticas químicas
/
Los monosacáridos son los azúcares más simples, las unidades monoméricas de
todos los hidratos de carbono. Se sintetizan a partir de precursores que se obtienen de COz y el HzO por medio de la fotosíntesis. Los organismos heterótrofos
(como los animales) obtienen los monosacáridos de los nutrientes. En los capítulo 12 y 13 se de-tallarán todas las vías metabólicas implicadas en ambos procesos de síntesis y degradación de los monosacáridos.
La principal característica de los monosacáridos es que responden a la fórmula (CHzO),, encontrándose n en un rango de 3 a 7. Químicamente los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Su clasificacJón se
basa atendiendo al grupo carbonilo (e= o) ' es decir' si este grupo es un aldehído (aldosas) o bien una cetona (cetosas), así como al número de átomos de carbonos. De esta forma, los monosacáridos más pequeños se denominan triosas, y
se indica si se trata de un aldehído o una cetona con el prefijo correspondiente.
Así tendremos aldotriosas, aldotetrosas, aldopentosas, aldohexosas, aldoheptosas
(Fig. 2-1), y lo mismo con las cetosas: cetotriosas, cetotetrosas, etc. (Fig. 2-2).
Existen muchos monosacáridos de importancia biológica, pero sin duda la
glucosa es el más importante, es el más abundante en la naturaleza, y el que
juega un papel central en el metabolismo celular, además de ser el monosacárido
principal en la m ayoría de los polisacáridos. Otras aldohexosas importantes son
la galactosa y la manosa. Entre las <;:etohexosas la más abundante en la naturaleza es la fructosa. También dentro de las aldopentosas se encuentran moléculas
de enorme interés biológico, como la ribosa, por formar parte de importantes
nucleótidos (como el ATP) y de los ácidos ribonucleicos.
Los monosacáridos presentan isomería
Si se atiende a la fórmula química de las triosas, (CHz0) 3 , se observa ,que es válida tanto para las aldotriosas como para las cetotriosas. Sin embargo la posición
del grupo carbonilo cambia del carbono 1 en la- aldotriosa (gliceraldehído) al
carbono 2 en las cetotriosa (dihidroxiacetona). Ambas moléculas son, por lo
CAPÍTUL0.2. HIDRATOS DE CARBONO
eH O
1
He OH
1
eHpH
25
Aldotriosa
o-Gliceraldehído
eH O
1
He OH
1
HCOH
eH,OH
eH O
1
HOeH
He OH
CH 20H
o-Eritrosa
o-Treosa
+
eH O
1
1
•
'
eHO
He OH
1
He OH
1
He OH
1
eH,OH
HOCH
1
He OH
1
HCOH
1
e H20 H
o-Ribosa (Rib)
o-Arabinosa
o-Xilosa
1
1
1
+
eH O
eH O
HCOH
1
HCOH
1
He OH
1
He OH
1
eH,OH
CHO
1
HOCH
1
HCOH
1
HCOH
1
He OH
1
eH,OH
HCOH
1
HOCH
1
HCOH
1
He OH
1
eH, OH
o-Alosa
o-Altrosa
o-Glucosa
1
+
eH O
•
1
•
1
eH O
1
HCOH
1
HOe H
1
He OH
1
eHpH
1
1
Aldotetrosas
1
1
CHO
HOe H
HOeH
He OH
eH, OH
o-Lixosa
1
1
Aldopentosas
1
1
•
1
J
,..
HOe H
1
HOe H
1
He OH
1
HCOH
1
eH,OH
eH O
1
He OH
1
He OH
1
HOe H
1
He OH
1
CH 20H
eH O
1
HOeH
1
He OH
1
HOeH
1
He OH
1
CH 20H
eH O
1
He OH
1
HOeH
1
HOeH
1
He OH
1
eH, OH
e HO
1
HOe H
1
HOe H
1
HOe H
1
He OH
1
e H20H
o-Manosa
o-Gulosa
o-Id osa
o-Galactosa
o-Talosa
1
Aldohexosas
Figura 2-1. Familia de las o-aldosas. A medida de que se adiciona un carbono por debajo del grupo carbonita en la serie o-aldosa (triosas, tetrosas, etc.), se generan dos nuevos diasteroisómeros. Se marcan en rojo los carbonos asimétrie0s y se recuadran los monosacáridos más comunes en
los sistemas biológicos. No se representa la configuración L, que sería la imagen especular de las formas o. Se señala en azul el grupo OH qüe inarca
la configuración o.
tanto, isómeros estructurales, porque tienen la misma fórmula química pero se
diferencian en la localización de sus átomos y grupos funcionales (Fig. 2-3) .
Una característica fundamental de los monosacáridos (a excepción de la dihidroxiacetona) es que presentan esteroisomería, debido ·a la presencia de carbonos asimétricos, es decir, son moléculas quirales (quiral: del griego quiros,
m ano) . Este término se emplea para moléculas que son imágenes especulares no
superponibles, como ocurre con nuestra manos. Al mirar el gliceraldehído, se
puede observar que el carbono situado en posición 2 (C-2) es un carbono asim étrico, también denominado centro quiral, es decir, aquel que tiene cuatro
sustituyentes diferentes, por lo tanto el gliceraldehído tiene dos posibles isómeros 'ópticos del tipo enantiómero (Fig. 2-4). Dos enantiómeros son indistinguibles desde el punto de vista químico y comparten casi todas las propiedades ·físicas. Estas dos moléculas sólo difieren en la forma en que interaccionan cop la
luz polarizada diferenciándose por el grado de rotación del plano de la luz, medido por un polarímetro. Pero lo que es más importante desde el punto de vista
biológico, es que únicamente un enantiómero podrá interaccionar (encajar) con
otra molécula que también sea quiral, por ejemplo, el centro activo de una enzima. Como la mayoría de las moléculas biológicas son quirales, la unión de una
enzima solo reconocerá a un único tipo de enantiómero (Recuadro 2-2) .
En la la figura 2-1 se observa que a medida que aumenta el ·n úmero de carbonos, el monosacárido podrá adoptar un mayor número de configuraciones
espaciales. Cadá centro quiral tendrá dos posibles configuraciones, denominadas
D o L. Por lo tanto una molécula con n centros quirales tendrá 2" posibles este-
·.
c:J"Los enantiómeros son moléculas cuya imagen especular no es
superponible. En la naturaleza solo
un enantiómero es biológicamente
activo.
( jla presencia de carbonos asimétricos determina que los monosacáridos presenten esteroisomería.
26
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
CH 20H
1
C=O
Isómero
estructural
Enantiómero
Cetotriosa
1
CHO
CH 20H
CHO
Dihidroxiacetona
Cetotetrosas
1
L-Glucosa
•
CH, OH
CH, OH
1
1
1
1
HCOH
1
HCOH
1
HOCH
1
HCOH
1
HCOH
1
1
CH ,OH
o-Psicosa
CH 20H
1
C=O
1
HCOH
1
HOCH
- 1
HCOH
1
CH,OH
CH,OH
o-Fructosa
o-Sorbosa
1
1
HOCH
1
OCli
1
1
HCOH
1
1
CH 20H
o-Xilulosa
t
1
HCOH
HCOH
1
CH,OH
o-Ribulosa
CHO
OClj
1
1
Diasteroisómero: Epímero
CHO
1
HCOH
CH,OH
1
Cetopentosas
•
CH 20H
1
1
HOCH
1
HOCH
CH,OH
o-Talosa
C=O
Cetohexosas
1
HCOH
•
Diasteroisómero
1
HOCH
HCOH
HCO H
o-Fructosa
1
HOCH
1
HCOH
'
o-Glucosa
1
C=O
1
CH,OH
:HOC
1
C=O
1
CH,OH
t
o-Eritrulosa
1
HCOH
1
CH,OH
CH 20H
1
HCOH
1
C=O
HCOH
1
HCOH
'
1
HCOH
C=O
1
HOCH
1
1
CH ,OH
1
1
~
C= o
C=O
HOCH
CH,OH
1
CH,OH
1
HCOH
o-Galactosa
Figura 2-3. Diferentes isómeros de la glucosa. La diferente posición
del grupo carboni lo en la fructosa lo convierte en un isómero estructural o funcional. La imagen especular de la o-gluco ~ a es su enantiómero, la L-glucosa; la o-galactosa es un epímero, mientras que la o-talosa es un diasteroisómero con más de un C asimétrico en diferente configuración .
1
CH,OH
o-Tagatosa
Figura 2-2. Serie de las o-cetosas. Para moléculas con el mismo número de carbonos que en la serie de las aldosas, el número de carbonos asimétricos (en rojo) es menor y, por lo tanto, también los posibles isómeros_ Se recuadran los monosacáridos más comunes en los·
sistemas biológicos.
Recuadro 2-2. Convención de Fischer
¿Qué puede ser más semejante a mi mano o a mi oreja y más igual en
todas sus partes que su imagen en el espejo? Y, sin embargo, yo no puec
do colocar la mano que se ve en el espejo en el lugar de la original.
Kant, lmmanuel, Prolegómenos a toda metafísica del porvenir.
Se utiliza la convención de Fisher para describir las diferentes formas de las
moléculas quirales. Se emplea como molécula de referencia el gliceraldehído. El o-gliceraldehído y su enantiómero L-gliceraldehído desvían el plano
de la luz polarizada en los mismos grados pero en direcciones opuestas; la
forma o provoca rotación a la derecha (o de dextro, derecha) y la L a la izquierda (L de levo , izquierda) (Fig. 2-4). Fischer propuso la notación abreviada para representar las configuraciones de las moléculas con centros
quirales, conocidas como proyecciones de Fischer. En esta representación
los enlaces horizontales se extienden sobre el plano del papel y los verticales lo hacen por debajo. Cualquier molécula que presente centros quirales
se puede representar de esta forma , sin embargo cuando la molécula tiene
más de un carbono asimétrico, como ocurre en los monosacáridos, la forma o se asigna a la disposición del C asimétrico que esté más alejado del C
primario. En este caso la molécula con configuración o no necesariamente
desviará el plano de la luz polarizada a la derecha sino que se denomina o
por comparación con el o-gliceraldehído, según la convención de Fisher.
L-Gliceraldehído
o-Gliceraldehído
\
o ~~Í\
1
x
1
1
x
1
Figura 2-4. Isómeros ópticos del gliceraldehído. Se representan los enantiómeros según la proyección de Fisher, y se
compara su naturaleza quiral con la disposición de las manos.
En el caso de gliceraldehído la forma o desvía el planb de la
luz polarizada a la derecha (+) y la forma L a l ~ zquierda (-).
Se representa la importancia de la quiralidad en una molécula
con actividad biológica.
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
rotsomeros. Existen cuatro centros quirales en las aldohexosas, luego habrá
2 4 = 16 esteroisómeros, sin embargo en la naturaleza se encuentra solo las ocho
configuracio nes o ya que, como se ha comentado, únicamente es activo uno de
los dos posibles enantiómeros (véase Recuadro 2-2). Todo esteroisómero que no
sea enantiómero se denomina diasteroisómero (véase Fig. 2-3). Cuando miramos la glucosa vemos que se diferencia de la galactosa y la manosa en la disposición de uno solo de los centros quirales; este tipo de diasteroisómeros se denominan epímeros. Para que en la célula un epímero se convierta en otro (p.ej.
una glucosa en gabctosa), se tiene que romper y formar un nuevo enlace, por lo
que es necesaria que esta reacción esté catalizada por una enzima.
27
O En la naturaleza sólo un enantiómero es biológicamente activo.
Los monosacáridos en solución presentan un nuevo centro quiral
Los monosacáridos en solución acuosa pueden adoptar una forma ciclada cuando uno de sus grupos hidroxilo reacciona con el grupo carbonilo, sea aldehído
o cetona, de su misma molécula, y forman un enlace denominado hemiacetal o
~ /H ----" R- O, / H
hemicetal, respectivamente (Fig. 2-5). Así, una molécula de seis carbonos con
R- OH
R' -e ~') ,---e
~o
R'/ ' oH
cuatro centros quirales, al adoptar la forma ciclada presentará un quinto centro
+
quiral en el carbono que proviene del grupo carbonilo (C-1 si es aldehído y
Alcohol
Aldehído
Hemiacetal
C-2 si proviene de una cetona), pudiendo ahora adoptar dos posibles configuraciones.
R- 0
R"
~
R"
. ' e/
----"
R- OH + R' -e .(.' ) .,---_ Los azúcares de seis o más carbonos adoptan una forma de anillo de seis
R'/
'
oH
o
miembros y se conocen como piranosas, por analogía a la molécula de pirano.
Alcohol
Cetona
Hemicetal
Las cetosas de seis carbonos y las aldosas de cinco adoptan la forma de un anillo
de cinco miembros denominándose furanosas , por analogía al furano (Fig. 2-6) .
Figura 2-5. Reacción hemiacetal y hemiLos nuevos esteroisón;J.eros se denominara anómeros y se diferencian en la · cetal. El enlace entre un alcohol con un
grupo aldehído (hemiacetal) o una cetona
disposición del grupo OH del nuevo carbono asimétrico denominado carbono
(hemicetal) es muy común en pentosas y
anomérico. Sólo varía la configuración de este carbono, quedando los sustituhexosas en disolución.
yentes de los demás centros quirales en la misma disposición. Si el OH está en
el lado opuesto del anillo del grupo CH 20H que designa la configuración o o L
(C-5 en hexosas) se denomina anómero a y si están al mismo lado del plano se
denomina anómero ~. Como normalmente la configuración o se representa con
el C-5 en la parte superior del anillo, la configuración a presentará el OH debajo del plano y la ~ por encima. Los dos anómeros de la o-glucosa tienen propiedades físicas y químicas diferentes, entre los que se incluye la capacidad de desc:flos monosacáridos en solución
viar el plano de la luz polarizada. Se observa que en solución acuosa los anómeacuosa adoptan una configuración
ros se interconvierten libremente (mutarrotación), llegando al equilibrio; por
ciclada
que presenta un nuevo carejemplo, a partir de la o-glucosa se obtiene una mezcla de 63,6% de la forma~
bono asimétrico denominado anoy un 36,4% del anómero a, estando la forma lineal presente en muy poca promérico.
porción (Fig. 2-?a).
(a)
H
'-.J
O
6
'e
H-e - OH
1
'Ho 2 e-H
4 1
H-e - OH
S 1
eH,OH
6~H,O~
7/
4e H
7
e=O
1
1\0H
H/ ' '
OH 1
1
3e - e
1
H-e - OH
61
eH,OH
H
reacción
~
' eH,OH
1
' e=o
3
1
4
1
S
1
OH-e-H
21
H-e-OH
H-e - OH
61
eH,OH
o-Fructosa
H
H
,
OH
2
o
Pira no
OH
a:-o-Glucopiranosa
(Proyección de Haworth}
t8
' eH,OH
1
______,.
e=O
,
- HOH 2
l\7 / 2
H9
4e - e 3
1
1
OH
H
~H
3
H
OH
HOH,e 6 _.,...... OH
1
se /
H
4
HO
o-Glucosa
(b)
4)
1
se -OH
2 1
reacción
hemicetat
5
1
6
O ' 'eH,OH
2
H H HO OH
4
3
OH H
"
a:-o-Fructofuranosa
(Proyección de Haworth)
lt·
o
o.
Fu rano
1'
F igura 2-6. o-glucopiranosa_ y o-fructofuranosa. Formación de moléculas cicladas a
partir de las formas lineales de la o-glucosa
(a) y o-fructosa (b). Las fórmulas se representan en proyección de Haworth: los lados
del anillo más cercanos al lector se representan con trazos gruesos. La disposición de los
grupos hidroxilo ·por debajo del plano del
anillo é n este tipb de representación corresponde con la pos ición a la derecha en las
proyecciones de Fisher. Se compara con las
moléculas de pirano y furano.
-1
28
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Figura 2-7. (a) Formas anoméricas de la
o-glucopiranosa. Proceso de mutarrotación
en el que se produce una interconversión de
la forma a a la ¡3, posiblemente a través de
un paso por la forma lineal. Estos anómeros
sólo se diferencian en la configuración del
carbono anomérico (C-1 ). (b) Dos posibles
conformaciones en silla de la ~-o-glucopi­
ranosa. Se indica en rojo los sustituyentes
en posición ecuatorial.
(a)
H
O
~.JI
4~
· ·,;:,0: ",
HO
OH
3
H
'e
2
6
1
H-C-OH
3 1
HO-C-H
4 1
2
H-C-OH
OH
H-C-OH
5 1
a-o-glucopiranosa
6
1
CH 2 0H
~
CHPH
~
4
~H
O OH
H
HO
3
H
,
H
2
OH
~-o-glucopiranosa
o-Glucosa
(forma lineal)
(b)
H
HO
OH
c:f
Configuración vs conformación. Para que una molécula cambie
de configuración, se debe romper
alguno de sus enlaces covalentes .
Pasar de un enantiómero a otro requiere cambio de disposición de los
sustituyentes del centro quiral mediante cambio de un enlace covalente. Sin embargo, para pasar de una
conformación a otra no es necesario
romper ningún enlace covalente. Son
adaptaciones de la molécula en el
espacio.
La representación de los anillos según la Proyección de Haworth, simula un
anillo plano para las formas pirano y furano. Sin embargo, debido a la estructura tetraédrica del carbono, estas estructuras cíclicas adoptan conformaciones más
estables termodinámicamente, denominadas conformación en silla. La disposición de los sustituyentes en el plano axial o ecuatorial (según un eje de referencia perpendicular al anillo) dependerá de lo voluminosos que sean los sustituyentes del carbono, y tendrá gran influencia en la disposición espacial y, por lo
tanto, en la función que desempeñará en la célula (Fig. 2-7b).
los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades
Considerando las posibles reacciones químicas que pueden realizar los grupos
funcionales presentes en los monosacáridos: grupos hidroxilo, carbonilo (ceto o
aldehído) y hemicetal o hemicetal; podemos analizar aquellas modificaciones
que sufren algunos ·monosacáridos en la célula y que adquieren cierta importancia biológica (Fig. 2-8) .
· Oxidaciones
c:f
Debido al poder reductor de los
monosacáridos las pruebas de identificación de los azúcares se basan en
su capacidad de reducir reactivos
con Cu 2+ provocando un cambio de
color fácilmente medible.
Si la oxidación la sufre el grupo aldehído, convirtiéndose en un grupo carboxilo,
se produce un ácido aldónico, como es el caso del glucónico en la oxidación del
C-1 de la glucosa (se añade el sufijo -ónico después del nombre de la aldosa que
proviene). La capacidad de ser oxidados hace que los monosacáridos tengan poder reductor, siendo ésta una de las características distintivas de estas moléculas
para su identificación por métodos bioquímicos. Ya que todos los monosacáridos tienen poder reductor, todos podrán reducir algún agente químico como los
2
iones de Cu +, haciendo que el cambio de color del precipitado de cobre revele
la presencia de monosacáridos en la muestra a determinar.
Si la oxidación la sufre un alcohol primario de las aldosas (C-6) se convierte
en un ácido urónico, como el glucurónico en el caso de la glucosa (añadiendo
ahora el sufijo -urónico después del nombre de la aldosa que proviene). En este
caso puede presentarse en forma ciclada, y es un azúcar ácido muy frecuente en ,
los polisacáridos presentes en las células animales. En condiciones fisiológicas
estará ionizado presentando carga negativa, denominándose glucuronato. Puede
existir la oxidación de los dos carbonos de los extremos, y entonces aparace la
forma aldárica, con dos grupos carboxilos.
Las lactonas son una fony a ciclada, pero en este caso mediante un enlace
éster, entre el carboxilo oxidado del carbono 1 y un alcohol de la misma molécula, normalmente el carbono 5. Un ejemplo ~ lactona es la vitamina C o ácido ascórbico.
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
REDUCCIÓN
OXIDACIÓN
O
1
¡,r
H
1
'e
2 1
3 1
2
1
4 1
S 1
6
HOCH
3 1
4 1
'
1
Glicerol
H
H
OH
OH
i
H
-
mio-inositol
=
="=
ESTERIFICACIÓN
H
~H
HO
Azúcares alcohol
Ácido
o-Glucurónico
li:
11
-o - ~ -0~-CH,
-o
H
-
HOH,~OOH
H
OH
H
HO
OH
o-Glucono-5-lactona
Desoxiazúcar
o
·:
OH
CH,OH
Sorbitol
COOH
OH
1
CH,OH
1
:
~:"e(
~:'-o
oqo~
Ácido
o-Gluconato
1
H-C-OH
HCOH
S 1
6
CH, OH
1
Azúcares ácido
H
HCOH
H-C-OH
CH,OH
Ácido
o-Glucónico
1
1-'
H-C-OH
1
HO
1
H-C-OH
HO-C-H
H-C-OH
HCOH
¡,[,
HO-C-H
H-C -OH
¡
CHP H
~/
COOH
H-C -OH
29
OH
H
i'
H
OH
H
H
OH
H
H
¡3-o-2-desoxirribosa
OH
a:-o-glucopiranosa-6-fosfato
=
AMINOAZÚCAR
Hr{it
H
NH 1
a:-o-Glucosamina
TOOH } Residuo de
T=O
ácido pirúvico
H~:~
~H
H
NH 1
a:-o-Galactosamina
CH
1
l
O
H-C-OH
11
1
CH3-~-
H
CH - C- NH -C-H
3
1
HO -C-H
1
HC -OH
H
o· :
·
O COOH
H
H
OH
H
.
OH
Ácido N-acetilneuramínico
(forma piranosa)
N-Acetilmanosamina
1
1
H-C-OH
C-OH
R=
1
CH,OH
1
H-C-OH
1
Ácido N-Acetilneuramínico
CH,OH
Figura 2-8. Diferentes modificaciones de monosacáridos. Se muestra las moléculas de monosacáridos modificados de mayor relevancia en los
sistemas biológicos. Se indica en rojo las modificaciones en comparación con la molécula original.
Reducciones
Los grupos aldehído y cetona pueden sufrir también reacciones de reducción a
grupos alcohol. Existen muchos azúcares alcohol, alditoles, presentes en la célula, como el glicerol, el mio-inositol, que forma parte de varios lípidos de membrana, el ribitol, componente de la flavina adenindinucleótido (FAD). Otros
alditoles se utilizan como edulcorantes, como el xilitol, y el sorbitol, por reducción de la glucosa.
Otra forma reducida de los monosacáridos son los desoxiazúcares, donde
se ha sustituido un grupo OH por un H. El desoxiazúcar más importante es la
~-n-2-desoxirribosa,' por ser el azúcar presente en los nucleótidos que forman
el DNA.
Esterificación
Los numerosos grupos hidroxilos presentes en los monosacáridos permiten la
unión mediante enlaces éster de un ácido fosfórico, formando los azúcares fosfato, de gran importancia biológica dado su alto valor energético. Importantes intermediarios metabólicos de la oxidación de la n-glucosa son la n-glucosa 6-fosfato y la n-gliceraldehído 3-fosfato. Además, la n-ribosa y n-desoxirribosa también son esterificadas para ser incorporadas en la síntesis de los ácidos nucleicos.
;.,
30
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Es importante resaltar que la esterificación se produce no por una incorporación
del ácido fosfórico, sino más bien, por una transferencia del grupo fosforilo en
una reacción catalizada por enzimas denominadas quinasas.
Aminoazúcares
Cuando se produce la sustitución del grupo OH del C-2 de un carbohidrato
por una amina (- NH 2), se obtiene un aminoazúcar. La o-glucosamina y la
o-galactosamina son aminoazúcares muy frecuentes en polisacáridos. Además,
estas aminas pueden acetilarse mediante enlaces amida, convirtiéndose, por
ejemplo en N-acetilglucosamina. Otro derivado aminado importante es el
N-acetilmurámico, ~minoazúcar que tiene un ácido carboxílico de tres carbonos
(ácido láctico) esterificado en el C-3 del azúcar. Veremos posteriormente que
éste es un componente de la pared de las bacterias. Un derivado aminoazúcar
ácido importante por estar presentes en muchos componentes glucoconjugados
y glucolípidos de las membranas de células animales es el N-acetilneuramínico;
éste y sus derivados se nombran como ácidos siálicos.
0
OLIGOSACÁRIDOS
Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico
Una reacción muy importante que no se ha descrito hasta ahora, es la que produce la unión covalente de dos azúcares, mediante un enlace de condensación.
La reacción entre un hidroxilo cualquiera de un monosacárido con el grupo OH
del carbono anomérico (C-1 en aldosas y C-2 en cetosas) de un azúcar diferente, producirá la unión mediante un enlace o-glucosídico de los dos monosacáridos. En la célula, este enlace de condensación será catalizado por diferentes enzimas, de acuerdo con los azúcares que intervengan en la reacción. Las enzimas
distinguen no solo el tipo de azúcar sino también el tipo de anómero. Una vez
enlazado un anómero, por ejemplo a-o-glucosa a un hidroxilo de otro monosacárido, que podría ser el- OH del carbono 4, la posición del carbono anomérico quedará fijada. En este caso el enlace se denominará (a1-74) . La hidrólisis de
este enlace en condiciones fisiológicas será muy lenta en ausencia de la enzima
adecuada. La unión de dos· monosacáridos mediante este tipo de enlace permitirá la extensión de la molécula, ya que quedará libre siempre un- OH del carbono anomérico para iniciar otro enlace o-glucosídico y podrá, por lo tanto, formar oligosacáridos o polisacáridos, dependiendo de si se unen pocas o muchas
unidades. Este tipo de enlace se denomina monocarbonílico, ya que solo uno de
· los- OH del enlace es aportado por un carbono anomérico (derivado del carbonilo). Sin embargo, si la unión entre dos monosacáridos se realiza aportando
ambos azúcares su ~OH del carbono anomérico se producirá un enlace dicarbonílico, imposibilitando que el disacárido siga extendiéndose, y perdiendo
también su poder reductor.
Otro tipo de enlace glucosídico es el que tiene lugar entre el grupo hidroxilo
del carbono anomérico y una amina cualquiera. En este caso se formará un enlace N-glucosídico. Los nucleótidos son moléculas de gran importancia biológica
en el que interviene este tipo de enlace donde se produce la unión de una amina
de la base nitrogenada a un -OH del carbono anomérico de la ribosa o de la
desoxirribosa (Fig. 2-9).
Las proteínas también pueden establecer uniones covalentes de este tipo con
los azúcares. Para establecer un enlace 0-glucosídico, la proteína debe aportar al
enlace un grupo hidroxilo de alguno de los radicales de sus aminoácidos, y se
producirá un N-glucosídico si el radical del aminoácido aporta una aniina (véase
Fig. 2-15). El azúcar siempre deberá aportar al enlace un grupo hidroxilo de un
carbono anomérico.
Los disacáridos pueden ser reductores o no reductores
La unión de dos monosacáridos mediante el enlace o-glucosídico producirá una
gran variedad de disacáridos, dependiendo de los monómeros que participen en
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
vF:~
H~CH~3 ~------J
+ CH, OH
HOHoH
H
31
H
OH
a-o-Glucosa
OH
Metil-a-o-glucósido
N;:
o~NJ
. HOH 2 C~
Base
nitrogenada
H
H
H
OH
OH
OH
Nucleósido
el en lace y los grupos que reaccionen en el mismo. Los disacáridos más comunes
en la naturaleza son los que se forman por unión de, al menos, una molécula de
o -glucosa (Fig. 2-10). El simple hecho de que la unión fije un tipo de anómero
a o ~, producirá un disacárido diferente, con diferentes características físicas,
químicas y, por lo tanto, biológicas. Por ejemplo la unión de dos moléculas de
o -glucosa mediante enlaces (al~ 4), produce el disacárido maltosa, pero si la
unión es de tipo a (~1 ~4) se produce la celobiosa. Ambos son disacáridos que
se obtienen como productos de degradación de polisacáridos; la maltosa del alm idón y la celobiosa de la celulosa. Los humanos podemos digerir con facilidad
la m altosa, ya que tenemos enzimas que hidrolizan este tipo de enlaces (al~ 4),
sin embargo no somos capaces de digerir la celobiosa ya que carecemos de enzim as hidro líticas que rompan enlaces (~ 1 ~ 4).
T ambién son importantes los disacáridos formados por unidades monosacáridas diferentes, como son la lactosa y la sacarosa. La lactosa o azúcar de la leche
está formada por uniones (~1 ~4) entre galactosa y glucosa, aportando la galactosa el carbono anomérico y quedando libre el carbono anomérico de la glucosa.
Es, por lo tanto, un azúcar reductor, como la maltosa y la celobiosa. En todos
estos casos el enlace que se ha formado es o-glucosídico monocarbonílico.
El disacárido más abundante en la naturaleza es la sacarosa, formada por la
unión entre la glucosa y la fructosa mediante enlace (al ~~2); es decir, ambos
azúcares aportan al enlace los carbonos anoméricos, formando un enlace dicarbonílico, y quedando en consecuencia el disacárido sin poder reductor, o azúcar
n o reductor. La sacarosa es la forma en que los hidratos de carbono son transportados por las plantas y nos resulta familiar ya que es el azúcar de mesa com ún.
Los oligosacáridos aportan "información" a las moléculas
que los portan
Existen en la naturaleza gran heterogeneidad de oligosacáridos según la naturaleza de las moléculas que lo formen y el tipo de enlace o-glucosídico que los
una; así podrán formarse uniones (1 ~ 2), (1 ~ 3), (1 ~ 4), (1 ~ 6), etc. También puede ocurrir que un mismo monosacárido se enlace a tres moléculas formando una ramificación (véase Fig. 2-15). Consecuentemente un oligosacárido
se identificará por las moléculas que lo formen, por su secuencia, las formas
anoméricas y los enlaces que lo comprendan. Esta rica variedad de formas aporta una importante información a la molécula que lleve unido el oligosacárido,
ya que este tipo de moléculas suele asociarse a proteínas o a lípidos.
Una característica importante en la naturaleza de los monosacáridos que forman estas estructuras oligosacáridas es la aparición de azúcares complejos, es
decir de monosacáridos modificados como la N-acetilglucosamina, el N-acetilneuroamínico y los azúcares ácidos; que incorporan a la moléculas· diferentes
Figura 2-9. Enlace o-glucosídico y N-glucosídico. Formación del enlace o-glucosídico
entre el carbono anomérico del monosacárido y un alcohol, en este caso el metano!, y
un N-glucosídico con un grupo amino de una
•
base nitrogenada.
Maltosa
a-o-glucopiranosil-(1 ~ 4)o-glucopiranosa
Lactosa (forma j3)
13-o-galactopiranosil-(1 ~ 4)¡3-o-glucopiranosa
Gal(j31 ~4)Glc
H
OH
o
0
2
HOH C~ ~
S
H
HO
H
2
CHPH
4
OH
3
1
H
Sacarosa
a-o-glucopiranosil-(1 ~ 2)
¡3-o-fructofuranosa
Figura 2-10. Disacáridos de importancia
biológica. Se muestra la formación del disacárido maltosa por enlace o-glucosídico,
así como otros disacáridos, como lactosa y
sacarosa, por proyecciones de Haworth, con
sus nombres comunes y los sistemáticos.
32
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
grupos funcionales en muchos casos con carácter ácido (cargados negativamente
a pH fisiológico) (véase Fig. 2-8).
0
Ó la porción oligosacárida de una
glucoproteína o de un glucolípido
provoca que dicha molécula adquiera una compleja estructura "rica en
información".
POLISACÁRIDOS
La mayoría de los hidratos de carbono se encuentran en la naturaleza formando
polímeros de gran masa molecular y tamaño, es decir, en forma de polisacáridos, también denominados glucanos. Si atendemos a la naturaleza de los monosacáridos que los componen, se podrán clasificar en homopolisacáridos, formados por el mismo tipo de monosacáridos, o heteropolisacáridos, si lo están por
diferentes monosacáridos. Además, también podrán diferir en la longitud y disposición de las cadenas; en forma lineal o ramificada, según cómo estén enlazados. Sin embargo, en este apartado los clasificaremos según la función que desempeñan en la naturaleza: función de reserva energética o por la capacidad de
formar estructuras.
Los polímeros de glucosa con enlaces tipo a son la reserva
energética de los organismos
Ó Todos los polisacáridos de reserva unen sus unidades de glucosa
mediante enlaces o-glucosídicos
tipo a.
Ó una gran ventaja de almacenar
la glucosa en forma de glucógeno es
que esta forma molecular tiene una
osmolaridad muy reducida.
La principal manera que tienen los organismos de almacenar la glucosa cuando
no la necesitan es crear grandes polímeros, que se acumulan en forman de gránulos en el interior de las células. Las plantas la almacenan en forma de almidón, y los animales en forma de glucógeno. Las bacterias y levaduras también
almacenan la glucosa en diferentes polisacáridos denominados dextranos.
El almidón está formado por dos polímeros, la amilosa y la amilopectina. La
amilosa es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces (al~ 4), mientras
que la amilopectina está ramificada. En este caso las glucosas están unidas también por (al ~4), pero aparecen ramificaciones cada 24-30 residuos (Fig.
2-11). La ramificación se produce por la posibilidad de _una glucosa de establecer mediante un enlace (al~ 6) otro enlace glucosídico con una cadena de glucosas. La mayoría de las células vegetales sintetizan almidón, que se almacena en
gránulos, pero es especialmente abundante en la patata, arroz y semillas.
El glucógeno es el poli~acárido de reserva principal de las células, animales.
Está altamente ramificado, cada 8-12 residuos de glucosa unidas por enlaces
(al~ 4) aparece una ramificación mediante enlaces (al~ 6). Esto hace que sea
más compacto que el almidón. Tienen una masa molecular muy alta, pudiendo
alcanzar varios millones. Se almacena principalmente en el hígado y en el músculo en forma de gránulos, donde se acumulan varias moléculas individuales de
gran tamaño. Si se observa la figura 2-11 se puede apreciar que cada rama tiene
un extremo no reductor, sin embargo cada molécula completa de glucógeno
solo presenta un único extremo reductor. Las enzimas que se encargan de eliminar las moléculas de glucosa desde los extremos no reductores pueden trabajar a
la vez (una molécula de enzima por cada rama) haciendo que la obtención de
glucosa a partir del glucógeno cuando la célula lo requiere sea muy rápida. Una
gran ventaja de almacenar la glucosa en forma de glucógeno es que esta forma
molecular tiene una osmolaridad muy reducida, sin embargo si una célula tuviera que contener el mismo número de moléculas de glucosa en forma monomérica tendría una concentración de glucosa de 0,4 M. Esto provocaría la entrada
masiva de agua para compensar la alta concentración de glucosa, o la salida de
moléculas osmolarmente activas. Además, la diferencia de concentración tan
alta dentro de la célula frente una baja concentración en el medio extracelular
(5 mM en sangre en los mamíferos) induciría que la entrada de glucosa en la
célula en contra de gradiente consumiera mucha energía.
Los dextranos son polímeros de glucosa unidos por enlaces (al~ 6) con ramificaciones (al~ 3) , pudiendo también tener ramificaciones (al~ 2) y
(al~ 4). Son sintetizados por bacterias y levaduras, y tienen una importancia
relevante en la formación de la placa dental, dado su carácter pegajoso. Van a
ser importantes en la formación del biofilm en la superficie del diente, lo que
permitirá una adherencia y, por lo tanto, la colonización bacteriana. Estas bacterias utilizarán estos polisacáridos extracelulares como fuente de adhesión, pero
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE ~ARBONO
(a)
Extremo
no reductor
L
J
o
0
(b)
o
33
Extremo
reductor
0
(a.1 ~6)
punto de
ramificación
e'''"' )Lo
principal
OH
(e)
Figura 2-11. Estructura de los diferentes polisacáridos de reserva. (a) Forma lineal de la amilosa. (b) Punto de ramificación mediante enlace
(al ~6) entre dos moléculas de glucosa; esta unión se da tanto en la amilopectina como en el glucógeno. (e) Se muestran los puntos de ramifica-
ción (verde) y los extremos no reductores (rojo), así como una representación de la alta ramificación en el glucógeno.
también como fuente de nutrientes, ya que existen enzimas que pueden degradarlos en componentes monosacáridos que serán utilizados por las bacterias
como fuente de energía.
Las paredes celulares están formadas por polisacáridos
con uniones tipo J3
Una característica común a todas los polisacáridos estructurales de los diferentes
organismos es la presencia de enlaces glucosíd~cos tipo ~· La celulosa que forma
la pared de las células vegetales y la quitina que forma el exoesqueleto de los artrópodos (como los insectos y crustáceos) son homopolisacáridos que forman
estructuras insolubles, siendo muy abundantes en la naturaleza. La celulosa for-
34
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 2-3. Estrategias evolutivas
La celulosa es el polisacárido más abundante en la naturaleza, sin embargo no
puede ser utilizado como fuente de energía parac la mayoría de los animales. Esto
es debido a que los animales no disponen
de las enzimas necesarias para degradar
los enlaces (~1 -->4) que mantienen unida.s las unidades de glucosa; a diferencia
de lo que ocurre con enlaces tipo
(al-->4) del almidón. Los rumiantes, que
solo se alimentan de vegetales, han resuelto el problema y pueden obtener
energía de las glucosas que forman la celulosa de las células vegetales de sus alimentos. Aunque no sintetizan las enzimas
hidrolíticas, poseen multitud de microorganismos en uno de los compartimentos
de su estómago, que sí son capaces de
degradarla. Así, una vez hidrolizada la celulosa por los microorganismos, la glucosa liore puede ser asimilada por las células animales y obtener su energía almacenada. Los animales no rumiantes solo se
pueden aprovechar de la celulosa de forma indirecta consumiendo la leche y la
carne de los rumiantes.
c::f-La diferencia entre la disposición
de las moléculas de glucosa, mediante enlace tipo a en la amilosa o 1) en
la celulosa, provoca una disposición
diferente en el espacio, lo que determina su forma y, por lo tanto, la
función que desempeña en la célula.
ma parte de.las plantas leñosas, en particular, cañas, tallo y troncos; así, la madera y el algodón están constituidos principalmente por celulosa (Recuadro 2-3).
La quitina también es muy abundante ya que forma los exoesqueletos de casi un
millón de especies de artrópodos.
La celulosa son polímeros lineales de glucosas unidas por enlaces (1)1 ~ 4);
la quitina es prácticamente igual pero difiere en que la glucosa está N-acetilada en el carbono 2. Ambos polímeros son lineales y la disposición en el espacio de los anillos de piran o, unidos por enlaces (!) 1 ~ 4), experimenta una rotación de 180° con respecto a las moléculas vecinas produciendo una estructura extendida de largas fibras de celulosa. Además, la gran cantidad de
grupos hidroxilos altamente polares permite una asociación mediante puentes
de hidrógeno entre las diferentes moléculas de glucos~, tanto intracatenarios
como intercatenarios, lo que produce estructuras muy rígidas y poco solubles
en agua, ya que no disponen de grupos -OH libres para interaccionar con el
agua (Fig. 2-12).
Las bacterias también tienen paredes celulares rígidas formadas por polisacáridos unidos por enlaces tipo 1)(1 ~4). El peptidoglucano es un heteropolisacárido formado por moléculas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico
unidas de forma alternada por enlaces 1)(1-4). Una particularidad de esta estructura es que las largas moléculas lineales de este heteropolisacárido se unen entre
sí por enlaces covalentes; a diferencia de la celulosa o quitina que se asociaban
por enlaces débiles de puentes de hidrógeno. Las uniones covalentes se realizan
por un péptido (cadenas cortas de aminoácidos) que se unen a los grupos- OH
de los azúcares. Esta estructura de cadenas de polisacáridos unidos por pequeños
puentes de aminoácidos da una gran rigidez a la pared bacteriana, protegiéndola
de los cambios externos a los que se exponen las células. La secuencia de los
péptidos difiere entre las diferentes especies bacterianas. Además existen diferencias significativas entre la pared bacteriana de los dos grandes grupos clásicos de
bacterias. Esta clasificación de bacterias Gram positivas y Cram negativas radica
en la diferente forma de teñirse (y, por lo tanto, por su aspecto al observarse al
microscopio) las paredes bacterianas; las bacterias Gram positivas y las Gram
negativas van a tener una disposición diferente de las cadenas de heteropolisacáridos y también distinta manera de unirse por los péptidos. Otra particularidad
de estas estructuras es que los péptidos alternan aminoácidos D y L, algo inusual
en la naturaleza, donde solo existen aminoácidos en la configuración L, dando
una ventaja a las bacterias ya que difícilmente serán atacadas por las enzimas
celulares que únicamente son capaces de reconocer, y por tanto romper, enlaces
entre L-aminoácidos (Recuadro 2-4) .
(a)
(b)
Figura 2-12. Diferencias estructurales debido al tipo de enlaces a(1 --t 4) o
¡3(1--t 4). La disposición que adoptan en el
espacio las moléculas de o-glucosa que forman la ami losa o la celulosa, promueven estructuras tan diferentes como hélices en el
caso de la amilosa (a), o superficies formadas por cadenas de celulosa (b), mantenidas
por puentes de hidrógeno.
OHIIIIIIIIII~
IIIIIIIIIOH
O
o
O lflflllflfiHO
OH
o
OH
\
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
El agar es un polisacárido de las paredes de las algas rojas marinas; compuesde una mezcla de h eteropolisacáridos sulfatados. Su característica principal es
fa capacidad de formar geles, lo que. se ha aprovechado. ~n los laboratorios de
bioquímica para forma~ geles muy ~Idratados .que se u~Iliza? ~omo soporte en
muchas técnicas separativas de gran Importancia en la bwqmmica como la elecrroforesis, o bien en las técnicas microbiológicas ya que el agar sirve como soporte para el crecimiento de colonias bacterianas en el laboratorio.
35
Recuadro 2-4. Defensa y Ataque
0
La pared de peptidoglucano n0 solo actúa protegiendo a la bacteria del medio
externo, sino que sus componentes son
responsables de la virulencia bacteriana,
es decir, de la capacidad de producir enfermedad . Esto provoca que los componentes de las paredes bacterianas induzcan la respuesta inmune de los animales
infectados, ya que son muy antigénicos.
Los glucosaminoglucanos son los polisacáridos estructurales
de tos t ejidos animales
La presencia de uniones entre iJy L aminoácidos, es una manera de resistencia al
ataque de las enzimas celulares. Sin embargo, la enzima Hsozima de las secreciones corporales, es capaz de degradar los
enlaces 0-glucosídicos entre los dos monosacáridos del peptidoglucano; actuando como primera defensa bacteriana.
Las células animales no requieren una pared rígida que las proteja de los cambios externos, como en los organismos unicelulares y en las plantas. Sin embargo, las células de los tejidos animales se encuentran embebidas en un material
gelatinoso, la matriz extracelular, que mantiene unidas a las células y que está
compuesta por u na red de moléculas d e heteropolisacáridos y proteínas fibrosas
(como colágeno y elastina) y proteínas de anclaje a las células epiteliales (como
la fibronectina y la laminina). La consistencia gelatinosa de la matriz es conferida por los heteropolisacáridos, denominados glucosaminoglucanos (GAG), altamente hidratados debido a su naturaleza ácida. Estos polisacáridos proporcionan a los tejidos resistencia a la compresión y rellenan los espacios intercelulares;
además, su naturaleza porosa permite la difusión de nutrientes y oxígeno por los
tejidos. La naturaleza de los diferentes tejidos conjuntivos dependerá de la proporción y el tipo de polisacáridos y proteínas fibrosas que contengan.
En general los GAG son heteropolisacáridos formados por unidades disacáridas unidas por enlaces alternos. La unidad está formada por una N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina siendo el otro monosacárido que forma parte de
esta unidad una ácido urónico, normalmente D-glucurónico o L-idurónico. Algunos presentan grupos sulfatos esterificados, que aumenta así las cargas negativas. Esta naturaleza ácida provoca una disposición en el espacio muy extendida
de las grandes cadenas de polisacáridos para disminuir así la repulsión de sus
cargas negativas. Además, estas estructuras promueven la asociación con moléculas que interaccionen electrostáticamente con ellas, siendo un papel muy importante de los GAG el reconocimiento específico de un gran número de ligandos. En la matriz extracelular los GAG se suelen unir covalentemente a proteínas formando proteoglucanos que se describen en el siguiente apartado. En la
figura 2-13 se presentan los principales glucosaminoglucanos indicando la naturaleza de los monosacáridos que los componen, el tipo de enlace.
El ácido hialurónico es uno de los principales GAG de la matriz extracelular,
y forma grandes masas moleculares superiores a un millón. Además ocupa un
gran volumen, debido al gran contenido de moléculas de agua que contiene,
unidas por puentes de hidrógeno a los grupos OH y por atracción electrostática
coo-
CH,OH
O
Otras estrategias más efectivas, ha sLdo la
utilización de antibióticos dirigidos c'O ntra
la síntesis de peptidoglucano, como son
la penicilina y sus d_erivados.
La clasificación de bacterias en
Gram positivas y Gram negativas radica en la diferente estructura del peptidoglucano de su pared.
<~H•>
H
HO
H
OH
O/
H
o"
NHCOCH 3
o-Glucuronato N-Acetil-o-glucosamina
Ácido hialurónico
o-Glucuronato
N-Acetil-ogalactosamina-4-sulfato
Condrotín-4-sulfato
.;
'
(
UNIVERSIDAD CES
Un C'omp/'"QI>IUIJ tOitla Exclltncia
H·
H
OH
o-Galactosa
H
NHCOCH 3
N-Acetil-oglucosamina-6-sulfato
Queratán sultato
H
OH
L-lduronato
NHCOCH 3
N-Acetil-ogalactosamina-4-sulfato
Dermatán sulfato -
Figura 2-13. Principales glucosaminoglucarios. ·se ' muestran las "uñidades repetidas
de disacáridos, según . ·la naturaleza ·de los
monosacáridos que los componen y el tipo
de enlace.
36
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
O la gran resistencia de los tejidos
cartilaginosos y la dureza del tejido
óseo frente a la consistencia gelatinosa del humor vítreo del ojo, radica
en la naturaleza de los hidratos de
carbono de la matriz extracelular.
por los grupos ácido del glucurónico. Los enlaces glucosídicos que mantienen
unidos este polímero pueden ser degradados por la enzima hialuronidasa, que es
secretada por algunas bacterias patógenas lo que les confiere una mayor facilidad
para invadir los tejidos.
0
GLUCOCONJUGADOS
La superficie celular y la matriz extracelular están compuestas de moléculas ricas
en hidratos de carbono. En este caso, los azúcares están unidos covalentemente
por proteínas o lípidos de membrana; siendo el glucoconjugado la molécula
biológicamente activa. El papel de los azúcares en estas moléculas es el de transportar información: actúan en el reconocimiento y adhesión celular, migración
celular, respuesta inmunitaria, etc. Los glucolípidos son moléculas de lípidos de
la membrana (esfingolípidos) unidos covalentemente a oligosacáridos (y se comentarán en el capítulo 3); las glucoproteínas son proteínas unidas a oligosacáridos muy diversos y los proteoglucanos son proteínas que se unen específicamente a los polisacáridos GAG. La proporción glucídica es menor en las glucoproteínas que en los proteoglucanos, donde los GAG representan la mayor parte
de su masa. El hecho de que los glucoconjugados siempre estén orientados hacia
al exterior celular vienen determinado por su síntesis, ya que los oligosacáridos
se adicionan durante el transporte desde su lugar de síntesis en el retículo endoplásmico (RE) y su paso por el aparato de Golgi.
Los diferentes GAG generan una gran variedad de proteoglucanos
En el apartado anterior se ha descrito la variedad de GAG; esto va a determinar
que en las células de mamífero se puedan sintetizar hasta 30 tipos diferentes de
moléculas de proteoglucanos. La unidad básica es una "proteína núcleo" a la
que se une covalentemente uno o más GAG. Este GAG se une a una secuencia
fija de la proteína núcleo, Gly-X-Gly-Ser. A excepción del queratán sulfato y del
ácido hialurónico, el resto de los GAG se unen la proteína núcleo a través del
puente trisacárido Gal-Gal-Xyl. El queratán sulfato también se puede unir a
proteínas, pero lo hará directamente mediante enlaces N - u o-glucosídico, mientras que el ácido hialurónico, que es el GAG más largo, no parece formar proteoglucanos, aunque forma parte de estructuras ricas en proteoglucanos de la
matriz (Fig. 2-14) .
Existen varias familias de proteínas núcleo: las sindecán, son proteínas transmembranales que tienen unidos el sulfato de condroitina y el sulfato de heparán; los glupicanos, son una familia de seis miembros y están también anclados
a la membrana, aunque en este caso a través de un lípido de membrana. Existen
otras proteínas núcleo que se secretan al medio extracelular, formando parte de
la matriz extracelular. Los proteoglucanos suelen sufrir transformaciones en las
moléculas de azúcares, como epimerizaciones y sulfataciones. Se alternarán regiones en el GAG con dominios sulfatados (dominios S) con otros sin modificar. Los- patrones que aparecen en los proteoglucanos parecen ser muy importantes como aporte de información a la molécula. Se asociarán estos dominios
con otras moléculas (p. ej., factores de crecimiento) provocando transmisión de
información por cambios conformacionales que permitirán la unión de receptor
y ligando.
Algunas veces se pueden formar grandes agregados de proteoglucanos. Este
es el caso del agrecán, una gran estructura que da consistencia, resistencia y tensión a la matriz del tejido conjuntivo de los cartílagos. El agrecán está formado
por una única molécula de ácido hialurónico al que se unirán de forma no cavalente unas 100 proteínas de enlace, a su vez, unidas a proteínas núcleo de agrecán que tendrán unidas covalentemente, diferentes GAG (queratán sulfato y
sulfato de condroitina) (Fig. 2-14). Esta estructura en forma de "escobilla o cepillo" estará cargada negativamente, debido a los grupos -coo- del ácido glucurónico y de los grupos -SO.j que también estará en su forma ionizada. Mantener la neutralidad eléctrica requerirá el reclutamiento de gran cantidad de
contraiones, que llevarán asociada muchas moléculas de agua. Por otro lado,
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
37
(a)
(b)
(e)
N-oligosacáridos
Queratán sulfato
"'~&----
Condroitín sulfato
Ácido hialurónico
Figura 2-14. Diferentes estructuras de proteoglucanos. (a) Se muestra la unión de los GAG a una proteína núcleo mediante el trisacárido característico. (b) Un proteoglucano formado por una proteína transmembranal. (e) Una estructura de agrecán característica de la matriz extracelular
del tejid o cartilaginoso.
esta estructura está íntimamente asociada a las proteínas de colágeno de la matriz. Por lo tanto, combina la rigidez de las proteínas fibrosas, y la alta hidratación provocada por el agrecán, dándole flexibilidad y compresibilidad al tejido,
lo que permite resistir la torsión y el choque.
Las glucoproteínas contienen oligosacáridos ricos en información
La adición de los oligosacáridos se realiza durante el proceso de síntesis de proteínas en el retículo endoplásmico (RE) . El destino final de la proteína (exportación hacia el medio extracelular, la membrana plasmática, los lisosomas, vesículas de transporte, etc.) vendrá determinado por la modificación que sufran los
azúcares que se adicionaron en primer lugar en el RE. .
.
Las glucoproteínas siempre van a tener unidos covalentemente los oligosacáridos a un determinado aminoácido de la proteína. Si los azúcares se unen al
aminoácido Asn la unión será de tipo N-glucosídico, ya que este aminoáCido
aporta un grupo NH 2 al enlace con el carbono anomérico del azúcar. Si la unión
se realiza mediante un enlace o-glucosídico se unirá el azúcar al grupo -OH de
la Ser o de la Thr (Fig. 2-15). Aunque la porción azucarada de las glucoproteínas es mucho menor que la de los proteoglucanos, son estructuralmente mucho
más complejos. Esto es debido a que los oligosacáridos pueden estar compuestos
por monosacáridos diferentes y además presentar diversos enlaces glucosídicos,
( 1 ~ 2) , (1 ~ 3), (1 ~ 6), etc., con ramificaciones; siendo otra característica distintiva del enlace la configuración a o ~ del carbono anomérico. Además de la
rica variedad de monosacáridos hay que tener en cuenta que éstos pueden ser
modificados, por ejemplo por adición de grupos sulfato, haciendo que la estructura y la naturaleza química que adopte este oligosacárido contenga una gfan
informació n. Esta estructura oligosacárida será una pieza fundamental de la glucoproteína, debido a la disposición espacial, para el reconocimiento por una
proteína. Existen proteínas encargadas de reconocer específicamente y acoplar
los oligosacáridos de los glucoconjugados, desencadenando respuestas fisiológicas tan variadas como las respuestas inflamatorias, señales de diferenciación celular, etc. (Recuadro 2-5).
.
Recuadro 2-5. Oligosacáridos como
Antígenos y Marcadores celulares
Las lectinas son proteínas capaces de reconocer y, por lo tanto, unirse a una
porción oligosacárida, bien de una glucoproteína o de un lípido de la membrana
celular. Este reconocimiento altamente
específico, se caracteriza por uniones débiles, entre los aminoácidos de la lectina
y los azúcares del oligosacárido. Muchos
microorganismos invaden sus tejidos diana por este tipo de interacción. También
la adhesión de los leucocitos a las células
endoteliales en procesos de reparación
de daño tisular se debe a este tipo de reconocimiento.
Además, los oligosacáridos pueden ser
reconocidos como antígenos específicos,
siendo marcadores inmunoquímicos de
gran importancia. Los antígenos de los
grupos sanguíneos o los que provocan el
rechazo de muchos trasplantes son porciones oligosacáridas de la parte externa
de las células.
38
SECCIÓN l. LOS· MATERIALES DE LA CÉLULA
Figura 2-15. Glucoproteínas. Se representan la variedad de los oligosacáridos que
pueden unirse mediante enlaces N y o-glucosídico a proteínas.
1
Enlace
o-glucosídico
O
1
~
1
H~:~ 10-CH _¿H
~
NH
CH
2
2
Ser
1
H
1
C=O
1
Os¡
CH 3
los azúcares se unen al radical
NH 2 del aminoácido Asn la unión
será de tipo N-glucosídico; si la unión
se realiza mediante un enlace o-glucosídico se unirá el azúcar al grupo
OH de la Ser o de la Thr.
NAcGal
~
Asn
e Glc
• NAcGlc
QMan
0Gal
O NeuSAc
~ Fue
~ NAcGal
CONCEPTOS CLAVE
Los monosacáridos presentan un único grupo carbonilo (aldehído o cetona) y muchos grupos hidroxilos.
o
o
o
Los monosacáridos se clasifican en función de su grupo funcional en aldosas b cetosas (tabla resumen) .
La presencia de carbonos asimétricos determina que los monosacáridos presenten esteroisomería.
Los enantiómeros son moléculas cuya imagen especular no es superponible. En la naturaleza solo un enantiómero
es biológicamente activo, siendo la forma o la presente en los hidratos de carbono naturales.
o
Los monosacáridos en solución acuosa adoptan una configuración ciclada que presenta un nuevo carbono asimétrico denominado carbono anomérico.
o
Debido al poder reductor de los monosacáridos, las pruebas de identificación de los azúcares se basan en su capacidad de reducir reactivos con Cu 2+ provocando un cambio de color fácilmente medible.
o
Los polímeros de monosacáridos (disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos) se forman mediante enlace o-glucosídico.
o
o
Los polisacáridos de reserva unen sus unidades de glucosa mediante enlaces o-glucosídicos tipo a.
El glucógeno es el polisacárido que almacéna la glucosa en las células animales, mientras que el almidón es el polisacárido de reserva vegetal.
o
Los polisacáridos estructurales de las células animales son los glucosaminoglucanos. La gran resistencia de los tejidos cartilaginosos y la dureza del tejido óseo frente a la consistencia gelatinosa del humor vítreo del ojo, radica en
la naturaleza de los hidratos de carbono de la matriz extracelular.
o
o
Los glucoconjugados son macromoléculas formadas por lípidos o proteínas unidos a una porción glucídica.
La porción oligosacárida de una glucoproteína o de un glucolípido provoca que dicha molécula adquiera una compleja estructura "rica en información".
CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO
39
CLASIFICACIÓN DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
Unidad
3(
Aldosa
4(
Aldehído
(HCO)
se
Cetosa
3(
6(
Poder
reductor
Ejemplos
N" carbonos
Grupo funcional
Aldotriosa
Aldotetrosa
Aldopentosa
Aldohexosa
Gliceraldehído
Eritrosa
Ribosa
Glucosa
Cetotriosa
Cetotetrosa
cetopentosa
Cetohexosa
Dihidroxiacetona
Eritrulosa
Ribulosa
Fructosa
Monosacárido
Sí
4C
se
Cetona
(CO)
Unidad
6(
Tipo de enlace
Polisacárido
Estructural
Poder
reductor
Fuente de origen
0-glucosídico
monocarbonílico
Lactosa
Maltosa
Celobiosa
0-glucosídico
dicarbonílico
Sacarosa
0-glucosídico
enlace a
Dextranos
Almidón
Glucógeno
Bacterias
Plantas
Animales
0-glucosídico
enlace ~
Peptidoglucano
Celulosa
Quitina
GAG
Bacterias
Plantas
An . invertebrado
Animales superiores
Disacárido
Reserva
Ejemplos
---
Leche
Cereales
Celulosa
Sí
Azúcar de caña
No
No
GLUCOCONJUGADOS
Glucolípido
Lípido (esfingolíp ido)
Monosacárido, disacárido, oligosacárido
Glucoproteína
Proteína
Oligosacáridos
Proteoglucano
Proteína
Polisacáridos (GAG)
0 EJERCICIOS
.
;
!D Apartir de la fórmula lineal de la giucosa indique:
H
O
,e
'~
a)
El número de carbonos asimétricos.
b)
El número de isómeros ópticos y cuáles están presentes en la naturaleza.
e)
Escribe la fórmula lineal de su enantiómero, de un epímero y de un diasteroisómero
cualquiera.
2
1
3
1
4
1
H-C-OH
HO-C-H
H-C-OH
S [
H-C-OH
6
1
CHPH
o-Glucosa
SOLUCIÓN
a)
Cuatro carbonos asimétricos con cuatro sustituyentes diferentes. En la figura de arriba los números 2, 3, 4 y 5.
b) 24 = 16. Cada carbono asimétrico tiene dos posibilidades según la configuración del OH, por lo que habr.á 16 posibles formas de configuración en el espacio. En la naturaleza solo están presentes las formas o, por lo tanto habrá 8 isómeros de la glucosa, los enantiómeros tipo
D.
40
e)
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Enantiómero de la o-Glucosa
es la L-Glucosa, ya que es su
imagen especular.
CHO
1
HOCH
1
HCOH
1
HOCH
Epímero de la o-Glucosa puede ser la o-Manosa, ya que
solo difiere en la configuración de un solo carbono asimétrico.
CHO
1
HOCH
1
HOCH
HCOH
CH,OH
L-Giueosa
o-Manosa
IEIII Considerando
el disacárido natural sacarosa; suponga que se
trata con una glucosidasa. Escriba la fórmula lineal de los enan-
0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
IIIIEIII ¿Cuál de los siguientes disacáridos carece de carbono anomérico?
a)
b)
e)
d)
Maltosa.
Lactosa.
Sacarosa.
Ninguno de los anteriores.
IIIJI Si se oxida sólo el primer carbono de la o-glucosa:
a)
b)
e)
d)
En la posición 1 habrá un COOH.
La o-glucosa se convierte en ácido o-glucurónico.
La o-glucosa se convierte en ácido o-glucónico.
Las opciones a y e son ciertas.
1111 En
el caso de la sacarosa, ¿cuál de las siguientes opciones es
falsa?:
a) Carece de poder reductor.
b) Es un disacárico formado por glucosa y fructosa.
e) No tiene anomería óptica.
d) Se puede formar un polisacárido constituido solamente
por repeticiones de sacarosa.
IEIII El ácido hialurónico y el sulfato de condroitina tienen en común
en su composición:
a) La presencia de N-acetil-o-glucosamina.
b) La presencia de grupos sulfatos.
e) La presencia· de ácido o-glucurónico.
d) Todo lo anterior es falso .
lllfD Una de las siguientes opciones es cierta:
a) La fructosa es un isómero óptico de la glucosa.
b) Una aldohexosa tiene más carbonos asimétricos que una
cetohexosa.
e) Si se reducen todos los carbonos de la glucosa se incrementa su solubilidad en agua.
d) En la formación de un enlace hemiacetal, que da lugar a
un carbono anomérico, se libera una molécula de agua.
1
HCOH
1
HOCH
1
HCOH
1
1
CHPH
1111 Dibuja una aldopentosa fosforilada en el carbono S.
1
1
HOCH
la o-Glucosa, escriba la fórmula de un derivado
oxidado y otro reducido, e indique su nombre.
CHO
HOCH
1
HCOH
1
IIIJI Considerando
Diasteroisómero de la o-Glucosa puede ser la o-ldosa; ya
que es un isómero no enantiómero.
1
CH,OH
o-Id osa
tiómeros correspondientes a los productos de esta reacción y
del derivado aldónico de uno de estos enantiómeros.
llllfD Una
glucosidasa que rompe enlaces (al -t4), ¿cuál de los siguientes compuestos NO podrá degradar? glucógeno, sacarosa,
lactosa, sulfato de condroitina, amilopectina. Indique si la degradación puede ser parcial o total.
111f1l1 Cuando dos hidratos de carbono son epímeros:
a) Uno es una piranosa y otro es una furanosa.
b) Uno es una aldosa y otro es una cetosa.
e) Se diferencian únicamente en un carbono en la longitud
de la cadena.
d) Se diferencian únicamente en la configuración alrededor
de un átomo de carbono.
liD Los esteroisó~eros que son imág~nes especulares son :
a)
b)
e)
d)
Epímeros.
Diasteroisómeros.
Enantiómeros.
Todas las anteriores son faltas.
IIEI:I tndique cuál de las siguientes afirmaciones sobre la lactosa es
falsa:
a) Es la a -o-glucopiranosil-(1 -t 4)-P-o-fructofuranosa.
b) Es un azúcar reductor.
e) Presenta glucosa.
d) Presenta sólo anillos pirano en su estructura.
lllifJJJI Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre el almidón y el
glucógeno es falsa :
a) El glucógeno está más ramificado que el almidón.
b) Ambos son homopolímeros de glucosa.
e) Ambos actúan fundamentalmente como elementos estructurales en las paredes celulares.
d) Ambos se almacenan dentro de la célula en forma de gránulos insolubles.
lfll!l Los efectos
para
a)
b)
e)
d)
biológicos de las lectinas se basan en su capacidad
unirse a:
Moléculas antipáticas.
Lípidos específicos.
Oligosacáridos específicos.
Moléculas hidrofóbicas.
LÍPIDOS
o
CONTENIDOS
o
o
o
o
Introducción
La naturaleza química de
los lípidos
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Conocer la clasificación de los lípidos en función de su composición y
función en la célula.
o
Conocer la composición química, estructura y función de los ácidos
grasos.
o
Comprender la naturaleza química, grupos funcionales y características
de los distintos tipos de lípidos.
o
Reconocer la variedad de funciones biológicas que presentan los lípidos.
o
Valorar la importancia fisiológica de los distintos tipos de lípidos.
Lípidos saponificables
Lípidos insaponificables
·
Este capítulo , el tercero de la sección del libro dedicada a los
materiales de la célula, se ocupa de las biomoléculas más hidrofóbicas y con mayor poder energético: .[os lípidos. Con su estudio se profundiza en el conocimiento de las moléculas biológicas, iniciado con los hidratos de carbono en el capítulo 2.
A lo largo del presente capítulo se analiza la composición química, estructura y clasificación de los lípidos, así como sus principales funciones biológicas. Comprender la naturaleza química
de los lípidos y su capacidad para formar bicapas, será fundamental a la hora de presentar el papel de estas moléculas en la
formación de las membranas biológ icas (Capítulo 9).
{
Las variadas funciones biológicas que presentan los lípidos denotan su importancia fisiológica, así como su participación en
diversas funciones celulares, algunas de las cuales se tratan en
la Sección 11. El conocimiento de estos aspectos resulta básico
para la comprensión del metabolismo lipídico y su conex ión
con las rutas centrales del metabolismo intermediario (Capítulos 13 y 14).
' '
42
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0
INTRODUCCIÓN
Los lípidos son moléculas orgánicas insolubles en agua. Una de sus propiedades
más importantes es la hidrofobicidad. Son un grupo químicamente diverso y
por tanto, desempeñan funciones biológicas muy variadas. Algunos son moléculas que almacenan gran cantidad de energía química, como los triacilglicéridos.
Los fosfolípidos y los esfingolípidos constituyen los principales componentes
estructurales de las membranas biológicas. Otros lípidos desempeñan funciones
de protección, como los que se encuentran en las superficies limitantes con el
medio externo (ceras). También existen lípidos que desempeñan funciones muy
importantes, tales como vitaminas, pigmentos (carotenoides), hormonas y mensajeros intracelulares, a pesar de estar presentes en cantidades relativamente pequeñas en los organismos.
Según su estructura los lípidos se pueden clasificar en:
• Lípido~ saponificables: formados por ésteres de ácidos grasos. En presencia de NaOH o KOH, dan jabones:
- Acilglicéridos
- Lípidos complejos (fosfoglicéridos, esfingolípidos)
- Ceras
• Lípidos insaponificables: no contienen ácidos grasos, por ello, no pueden
formar jabones:
- Terpenos
- Esteroides
- Eicosarioides
c fEn función de la presencia o no
de ésteres de ácidos grasos en su estructura, los lípidos pueden ser saponificables o insaponificables.
0
LA NATURALEZA QUÍMICA DE LOS LÍPIDOS
Los ácidos grasos
Estructura y composición química
Son ácidos carboxílicos de cadena larga con un único grupo carboxílico y una
"cola" hidrocarbonada no polar. Los ácidos grasos difieren unos de otros en la
longitud de la cadena y en la presencia, número y posición de dobles enlaces. La
mayor parte de los ácidos grasos presentes en los sistemas biológicos contienen
un número par de átomos de carbono, generalmente entre 14 y 24, siendo los
de 16 y 18 átomos de carbono los más abundantes.
La cola hidrocarbonada puede estar saturada si sólo contiene enlaces simples
(todos los C están saturados con H), o insaturada si posee uno o más enlaces
dobles. Estos últimos son los más abundantes. Además, los dobles enlaces en los
ácidos grasos poliinsaturados están separados entre sí por, al menos, u'n grupo
metilo (es decir, son no conjugados).
c:flos ácidos grasos se diferencian
en la longitud de la cadena hidrocarbonada, y en la presencia, número y
posición de los dobles enlaces.
-CH=CH-CH~CH-CH=CH-
-CH=CH -CH 2 -CH=CH-
Conjugados
No conjugados
En la tabla 3-1 se muestran diversos ejemplos de ácidos grasos naturales. El
nombre sistemático de un ácido graso deriva del nombre de su cadena hidrocarbonada, sustituyendo la terminación -o por -oico. Por ejemplo, al ácido
graso saturado de 16 carbonos (C 16) se le denomina ácido hexadecanoico porque su hidrocarburo de origen es el hexadecano. A un ácido graso C 18 con un
doble enlace se le llama ácido octadecanoico; con dos dobles enlaces ácido octadecadienoico, y con tres dobles enlaces ácido octadecatrienoico. La nomenclatura de los ácidos grasos especifica la longitud de la cadena y el número de
dobles enlaces, separados por dos puntos. Los átomos de carbono de los ácidos
grasos se numeran empezando por el extremo carboxilo. Así, ·la abreviatura
18 :0 indica un ácido graso C 18 sin dobles enlaces, mientras que 18:2 significa
que tiene dos dobles enlaces. Las posiciones de los dobles enlaces se especifican
por exponentes que siguen a la letra delta (.~). Por ejemplo, el ácido oleico,
qtie tiene .18 átomos de carbono y es insaturado (doble enlace entre C-9 y
43
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
Ta~-1. Ejemplos de ácidos grasos naturales: estructura, nomenclatura y punto de fusión
Nombre sistemático
Fórmula estructural
Símbolo
Nombre
común
¡
12:0
CH 3 (CH 2) 10 COOH
14:0
CH 3 (CH 2) 12 COOH
16:0
CH 3(CH 2)-000H
18:0
CH 3(CH 2)16COOH
_____.,
~-
Presente
en
Punto de
fusión
("C)
Ácido n-dodecanoico
Ácido
la úrico
Nueces.
aceite de
laurel
44.2
Ácido n-tetradecanoico
Ácidg
mirística
Nueces
53.9
Ácido n-hexadecanoico
Ácido
palmítico
Grasas
animales y
vegetales
63.1
Ácido n-octádecanoico
Ácido
esteáric-o·
Grasas
animales y
vegetales
69,6
76.5
20:0
CH 3(CH 2)18COOH
Ácido n-eicosanoico
Ácido
araquídico
Aceite de
cacahuete
22:0
CH 3 (CH 2h0COO H
Ácido n-docosanoico
Ácido
behénico
Aceite de ,
cacahuete
Ácido cis-9hexadecanoico
Ácido
palmitoleico
Animales de
sangre fría
Ácido cis-9octadecanoico
Ácido oleico
Animales y
vegetales
13,4
CH 3 (CH 2)4CH = CHCH 2CH =CH(CH 2)7 COOH
Ácido cis-cis-9,12octadecadienoico
Ácido
linoleico
Pescado,
huevos,
vegetales
1-5
CH 3CH 2CH = CHCH 2CH = CHCH 2CH =CH(CH 2}¡COOH
Ácido cis-cis-cis-9, 12,15octadecatrienoico
Ácido
a-linolénico
Fosfolípidos,
.pescado
-11
16:1 t- 9
CH 3(CH 2)5CH = CH(CH 2)7COOH
18:1 t- 9
CH 3(CH 2}¡CH = CH(CH 2}¡COOH
18:2t.9.12
18:3t.9,12,15
-
Ácido
cis-cis-cis-cis-
Ácido
Cerebro,
araquidónico hígado
20:4t.5,8,1 1,14 CH (CH ) CH = CHCH CH =CHCH CH =CHCH CH = CH(CH ) COOH 5,8,11 ,142
23
3
24
2
2
eicosatetraenoico
C-10) =} 18:1 !:. 9 • Un ácido graso de 20 carbonos ·con dos dobles enlaces, uno
entre C-9 y C -10, y otro entre C-12 y C-13, se designa 20:2 !:.9 ' 12 • \
Los dobles enlaces de casi todos los ácidos grasos naturales están en la conformación cis. Los ácidos grasos trans se producen durante la fermentación en el
rumen de los animales productores de lácteos y de carne. También se forman
durante la hidrogenación de aceites de pescado y vegetales. Dado que las dietas
ricas en ácidos grasos trans están correlacionadas con niveles elevados de LDL
(colesterol "malo") y bajos de HDL (colesterol "bueno"), se recomienda evitar la
ingestión de grandes cantidades de estos ácidos grasos (Recuadro 3-1: "Mantequilla o m argarina: ¿qué es más saludable?").
Propiedades de los ácidos grasos
Las propiedades de los ácidos grasos dependen de la longitud de su cadena y del
grado de insaturación. La cadena hidrocarbonada apolar explica la escasa solubilidad de los ácidos grasos en agua. A temperatura ambiente, los ácidos grasos
saturados tienen una consistencia cérea (sólidos blandos), mientras que los insaturados son líquidos viscosos. A igual longitud de cadena, los ácidos grasos insaturados tienen un punto de fusión más bajo que los saturados (Tabla 3-1) . Así,
por ejemplo, el punto de fusión del ácido esteárico es de 69,6 oc, mientras que
el del ácido oleico (con un único doble enlace) es de 13,4 oc. Los puntos de
~sión de los ácidos grasos poliinsaturados de la serie C 18 son, inc~so, más baJOs. La longitud de la cadena también afecta al punto de fusión; por ejemplo, la
temperatura de fusión del ácido palmítico (C 16) es 6,5 grados inferior a la del
'
..
81
1 a -0.5
-49,5
c:fEs conveniente reducir al maxlmo la ingesta de ácidos grasos trans,
relacionados con niveles elevados de
LDL y bajos de HDL.
~­
l
(
44
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 3-1 . Mantequilla o margarina: ¿qué es más saludable?
La mantequilla y la margarina constituyen las grasas más utilizadas en la gastronomía en todo el mundo, por lo que resulta interesante analizar
sus aportes a la salud.
La mantequilla aporta entre un 80 y un 85% de grasas, de las cuales un 60% son saturadas (véase Tabla 3-2). La principal diferencia entre las
grasas y los aceites es el porcentaje de ácidos grasos insaturados en su composición. Esta diferencia es mucho más importante para determinar
el punto de fusión que la longitud de la cadena hidrocarbonada. La mantequilla tiene un alto porcentaje de ácidos grasos de cadena corta, y
por ese motivo "se derrite en la boca".
Dado que las enfermedades cardiovasculares se correlacionan con dietas altas en grasas saturadas, una dieta con más grasas insaturadas podría
reducir el riesgo de ataques cardiacos y accidentes cerebrovasculares. Además, los alimentos ricos en grasas poliinsaturadas son más saludables.
Una opción adecuada es el aceite de oliva, pero en muchos países su consumo es escaso. Otra alternativa son las margarinas, grasas semisólidas
que se obtienen mediante procedimientos industriales a partir de grasas insaturadas de origen 100% vegetal, o bien, de un porcentaje de éstas
complementadas con otras de procedencia animal (mixtas). Para su elaboración, la materia prima se somete a un proceso de endurecimiento
que le permite adquirir su consistencia sólida y untable. Esto se consigue hidrogenando de forma parcial los dobles enlaces de los ácidos grasos
insaturados de los aceites. Resulta curioso que, para evitar comer los ácidos grasos saturados de la mantequilla, se crearon sustitutos a partir de
aceites poliinsaturados eliminando algunos de los dobles enlaces, lo que los hace más saturados. Por otra parte, durante el proceso de hidrogenación, algunos dobles enlaces se convierten en la forma trans. Estudios recientes demuestran que los ácidos grasos trans incrementan la proporción del LDL (colesterol "malo") frente al HDL (colesterol "bueno"), lo que se correlaciona con problemas cardiacos. Así pues, los efectos de
los ácidos grasos trans son similares a los de los ácidos grasos saturados. La mejora en los procesos de producción de la margarina ha permitido
disminuir el porcentaje de grasas trans. También han aparecido en el mercado nuevas margarinas: con fitosteroles que reducen el nivel de colesterol en sangre; o enriquecidas con vitaminas A, D. E y 82•
Tabla 3-2. Porcentaje de ácidos grasos totales en algunas grasas naturales
Número de átomos
de C en la cadena
Aceite de oliva
Mantequilla
Grasa bovina
4-12
2
12
t 2
14
2
10
2
16
13
26
29
18
3
12
21
80
. 40
46
Saturados
lnsaturados
c:Jcomo
consecuencia de su grado
de empaquetamiento, los ácidos grasos saturados tienen puntos de fusión más altos que los insaturados.
c:Jlos diferentes puntos de fusión
de los ácidos grasos determinan su
consistencia a temperatura ambiente.
16-18
esteárico (C 18). Por lo tanto, las longitudes cortas de la cadena y la insaturación
aumentan la fluidez de lo$ ácidos grasos y sus derivados.
Estas diferencias en los puntos de fusión se deben a los diferentes grados de
empaquetamiento de las moléculas de los ácidos grasos (Fig. 3-1). Los ácidos
grasos saturados presentan gran flexibilidad, por lo que cuando se empaquetan
tienden a establecer la conformación más estable, que es la forma totalmente
extendida, en la que los· impedimentos estéricos entre átomos vecinos están reducidos al mínimo. En los ácidos grasos insaturados, un doble enlace cis provoca
un giro en la cadena hidrocarbonada, impidiendo que se puedan empaquetar
tan fuertemente como los ácidos grasos saturados, y como consecuencia las interacciones entre ellos son más débiles . Por este motivo, los ácidos grasos insaturados tienen puntos de fusión claramente más bajos que los ácidos grasos saturados de la misma longitud de cadena. En la tabla 3-2 se indica la composición de
ácido grasos de algunas grasas naturales. Las grasas con abundantes ácidos grasos
insaturados (como el aceite de oliva) son líquidas a temperatura ambiente, mientras que las que tienen un contenido más elevado de ácidos grasos saturados
(como la mantequilla) son más sólidas. De hecho, una grasa totalmente saturada
es un sólido bastante duro, en especial si las cadenas hidrocarbonadas son largas,
lo que queda claro observando los datos de los puntos de fusión de la tabla 3-1.
0
LÍPIDOS SAPONIFICABLES
Los acilglicéridos como almacén de energía
Acilglicéridos
Los acilglicéridos son ésteres constituidos por el alcohol glicerol y ácidos
grasos (tanto saturados como insaturados), y se forman mediante una reacción
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
Grupo
carboxilo
(a)
45
-o o
'-._,f'
e
Cadena
hidrocarbonada
Ác. oleico 18:1 /l. 9
Ác. esteárico 18:0
(e)
(b)
Ácidos grasos
saturados
Mezcla de ácidos grasos
saturados e insaturados
Figura 3-1 . Disposición espacial y empaquetamiento de los ácidos grasos.- El
nivel de empaquetamiento de los ácidos
grasos depende de su grado de saturación.
(a) Representaciones de dos ácidos grasos
mostrando su conformación normal extendida. Cada línea del zigzag representa un
enlace simple entre carbonos adyacentes.
Los dobles enlaces no permiten la rotación
e introducen un giro rígido en la cola hidrocarbonada. Todos los demás enlaces de
la cadena pueden rotar libremente. (b) Los
ácidos grasos saturados se empaquetan en
ordenamientos casi cristalinos, estabilizados
por múltiples interacciones hidrofóbicas.
(e) La presencia de uno o más dobles enlaces interfiere en este empaquetamiento
dando lugar a agregados menos estables.
de condensación denominada esterificación. U na molécula de glicerol (o glicerina, son equivalentes en la nomenclatura) puede reaccionar con hasta tres moléculas de ácidos grasos, puesto que tiene tres grupos hidroxilo. Según el número de ácidos grasos que aparezcan esterificados, los acilglicéridos pueden ser de
tres tipos :
• Monoacilglicéridos: cuando el glicerol sólo se esterifica en un grupo alcohol con un ácido graso . Se libera una molécula de agua:
• Diacilglicéridos: cuando la glicerina ~e esterifica con dos ácidos grasos. Se
liberan dos moléculas de agua:
CH 2 0H
HOOC-R1
1
CHOH + HOOC-R2
~
1
CH 2 0H
• Triacilglicéridos (Fig. 3-2): ésteres de glicerol con tres ácidos grasos. Se
liberan tres moléculas de agua.
CH 2 0H
HOOC-R1
CH 2 0 -CO-R 1
1
1
CHOH + HOOC- R2
1
CH 2 0H
~
CHO -CO-R2 + 3 H 2 0
1
HOOC- R3
CH 2 0 -CO-R3
..
c flo,s acilglicéridos son ésteres del
glicerol c0n uno, dos o tres ácidos
grasos.
46
SECCIÓN 1. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
(a)
(b)
H,C
¡
o
O -~C
- HC
/ H,C,
1
O,
O
Glicerol
1
C=O
C=O
Ácidos grasos
Figura 3-2. Triacilglicéridos. (a) Representación de un triacilglicérido constituido por
glicerol y dos ·ácidos grasos insaturados y
uno saturado. (b) Fórmula esquemática de
un triacilglicérido con un solo ácido graso
insaturado en la posición C-2 .
c flos tnacilglicéridos son el principal tipo de acilglicéridos, y desempeñan funciones de almacenamiento y
reserva de energía.
Los triacilglicéridos son simples si los tres ácidos grasos son iguales, y se denominan según el ácido graso. Por ejemplo: triestearina (16:0), tripalmitina
(18:0), trioleína (18:1). Son mixtos si contienen dos o más ácidos grasos diferentes. Por ejemplo: 1-estearoil, 2-oleil, 3-palmitoil glicerol.
Los triacilglicéridos funcionan como almacen de energía en las células, constituyendo reservas de energía mucho más eficaces que los hidratos de carbono.
Las grasas y los aceites que se encuentran en plantas y animales son en gran medida mezclas de triacilglicéridos.
La esterificación con glicerol reduce considerablemente el carácter hidrofílico
de los grupos de cabeza de los ácidos grasos. Como consecuencia de ello, los
triacilglicéridos son muy insolubles en agua. Las grasas acumuladas en las células
vegetales y animales forman pequeñas gotas oleosas en el citoplasma. En los adipociras, que son las células animales especializadas en el almacenamiento de las
grasas, casi todo el volumen de una célula está ocupado por una gota de grasa.
Estas células constituyen la mayor parte del tejido adiposo de los animales. El
contenido medio de grasa en los seres humanos (21 o/o para los hombres, 26%
para las mujeres) les .permitiría sobrevivir a la inanición durante 2 ó 3 meses.
Por el contrario, la proporción de glucógeno del cuerpo, que funciona como
una reserva de energía de corto plazo, puede abastecer las necesidades de energía
del cuerpo durante menos de un día. Además, la capa de grasa subcutánea proporciona aislamiento térmico, lo que es especialmente importante para l9-s animales acüáticos de sangre caliente, como las ballenas, las focas o los pingüinos,
que están expuestos a bajas temperaturas.
El almacenamiento de grasas en los animales tiene tres funciones distintas:
l. Producción de energía. La mayor parte de la grasa de la mayoría de los·
animales se oxida para generar ATP, que impulsa los procesos metabólicos.
2. Producción de calor. Algunas células especializadas (como las de la "grasa parda" de los animales homeotermos) oxidan los triacilglicéridos para
producir calor, en lugar de utilizarlos para formar ATP.
3. Aislamiento. En los animales que viven en un entorno frío, las capas
de células adiposas situadas debajo de la piel actúan como un aislante
térmico.
Reacción de saponificación
La saponificación es una reacción qu1m1ca entre un ácido graso o un lípido
saponificable, y una base, en la que se obtiene como principal producto la sal
correspondiente. Así, los jabones son sales de ácidos grasos y metales alcalinos
que se obtienen mediante este proceso.
Como ejemplo, si un triacilglicéridos se hidroliza con potasa (KOH), se obtiene una mezcla de sales potásicas (jabones) de los ácidos grasos y glicerol:
CH 2 0-CO-R 1
1
CHO-CO-R2
1
CH 2 0 H
KOH
R 1 -coo-K+
1
CHOH
+ R 2 -Coo-K+
1
CH 2 0-CO-R3
CH 2 0 H
R3-coo-K+
T riacilglicérido
Glicerol
Jabones de K' (sales)
Los fosfoglicéridos como principales constituyentes
de las membranas
c flos fosfoglicéridos están constituidos por una molécula de glicerol, dos ácidos grasos y una cabeza
polar.
Los fosfoglicéridos , fosfoacilglicéridos o glicerofosfolípidos están constituidos
por dos ácidos grasos esterificados al primer y segundo -OH del glicerol. El
tercer grupo -OH está unido por un enlace fosfodiéster a un grupo de cabeza
muy polar o cargado (X) .. Todos los fosfolípidos poseen dos colas no polares
aportadas por los dos ácidos grasos de cadena larga, generalmente uno saturado
(C 16 o C 18 en la posición C-1 del fosfoglicérido) y otro insaturado (de C 16 a C 20 ,
en la posición C-2 del fosfoglicérido). El fosfoglicérido más simple, en el que
X= H , es el ácido fosfatídico. Los demás derivan de él y se forman por unión
de diferentes compuestos al grupo fosfato. Los fosfoglicéridos se nombran según
el alcohol polar en el grupo de cabeza (Fig. 3-3). Por ejemplo, la fosfatidilcolina
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
/
T
2
o
11
o-c
~
H
HC- 0 -C
CABEZA POLAR
47
FOSFOLÍPIDOS
Ácido graso saturado
Etanolamina
Ácido graso insaturado
- H
Ácido fosfatídico
-C H2 -CH 2 -NH;
Fostatidiletanolamina ~
CH 3
1
H2C
O
" O-P11 - 0 -@ Cabeza polar
1
Colina
•
Fosfatidilcolina -"
(Lecitinas)
-CH 2 -CH 2 -W-CH
1
3
1
CH 3
o-
-CH -CH-NH+
2
3
1
e
Serina
Fosfatidilserina
,;7'.
o oGlicerol
- CH 2 -CH'--CH
-OH
1
2
Fosfatidilglicerol /
OH
-o
OH
OH
lnositol
Fosfatidiletanolamina
Fosfatidilinosito~
OH
..
· OH
-CH
1
HO-CH
1
2
o
11
C-O-P-O-CH 2
Fosfatidilglicerol
......
o1
1
o
11
HC-0-C-Rl
Difosfatidilglicerol
(Cardiolipina)
1
H2C-O-C-R2
11
o
,
Figu ra 3-3. Fosfoglicéridos. Los fosfoglicéridos están constituidos por el glicerol unido a dos ácidos grasos y a alcoholes del grupo de cabeza mediante un enlace fosfodiéster. El ácido fosfatídico sólo posee un grupo fosfato como cabeza polar. Cada derivado se denomina según el alcohol del
grupo de cabeza (X), con el prefijo "fosfatidil-". En la cardiolipina, dos ácidos fosfatídicos quedan unidos por una molécula de glicerol.
y la fosfatidiletanolamina tienen colina y etanolamina, respectivamente, en sus
grupos polares. En todos estos compuestos, el grupo de cabeza se une al glicerol
mediante un enlace fosfodiéster.
Los fosfoglicéridos son lípidos estructurales de las membranas biológicas.
Estas membranas están formadas por una doble capa lipídica que constituye una
barrera al paso de moléculas polares e iones. Los lípidos de las membranas son
anfipáticos; es decir, un extremo de la molécula es hidrofóbico y el otro hidrofílico. Sus interacciones, hidrofóbicas entre ellos, e hidrofílicas con el agua, dirigen su empaquetamiento hacia la formación de bicapas (Fig. 3-4). En los fosfoglicéridos, las regiones hidrofóbicas están compuestas por los dos ácidos grasos
unidos al glicerol. La parte hidrofílica de estos compuestos anfipáticos está constituida por el grupo fosfato y la "cabeza polar". En el capítulo 9 se detalla la estructura y composición química de las membranas celulares.
efE!
carácter antipático de los fosfoglicéridos hace que sean constituyentes fundamentales de las membranas biológicas.
Los esfingolípidos participan en el reconocimiento celular
U na segunda clase importante de componentes de la membrana es la de los esfingolípidos. También tienen una cabeza polar y dos colas apolares pero, a dife-:
rencia de los fosfoglicéridos, no contienen glicerol. Están formados por el aminoalcohol de cadena larga esflngosina, una molécula de un ácido graso de cadena larga y un grupo polar en la cabeza, que puede ser un alcohol o \.lll azúcar
(Fig. 3-5).
.
Cuando se une un ácido -graso por un enlace amida al- NH 2 del C-2 de la
esfingosina, se obtiene una ceramida. La ceramida es la unidad estructural fundamental común 4e todos los esfingolípidos .
..
Figura 3-4. Esquema de la sección de una
bicapa lipídica.
c:fl~s
esfingolípidos están constituidos por una molécula de esfingosina, un ácido graso y una cabeza
polar.
48
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
HO
"'-3/
Esfingosina (C 18 )
trans-1,3-dihidroxi-2-amino-4-octadeceno
CH = CH
CH
O
2/
~-11
CH - NH- C
"
1 CH
2-
Ácido Graso
0 -@ Cabeza Polar
Esfingomielina
CABEZA POLAR
ESFINGOLÍPIDO
- H
Cera mida
o
Fosfocolina
11
- ~-O - CH 2 -
CH 2 -
W - [CH,],
Esfingomielina
o-glúcido
Glucolípido
Figura 3-5. Esfingolípidos. En los esfingolípidos. el grupo amino en el C-2 lleva un ácido graso unido por un enlace amida. Los distintos esfingolípidos difieren en el grupo de cabeza polar (X) unido al C-1.
Existen varias clases de esfingolípidos, todos ellos derivados de la ceramida,
pero que difieren en sus grupos de cabeza:
• Las esfingomielinas contienen fosfocolina o fosfoetanolamina como grupo de cabeza polar, por lo que se clasifican como fosfolípidos junto con los
glicerofosfolípidos (Fig. 3-6). Las esfingomielinas se encuentran en las
membranas plasmáticas de las células animales; también se encuentran (de
ahí su nombre) en la vaina de mielina que rodea y aísla los axones de las
neuronas mielinizadas.
LÍPIDOS DE MEMBRANA
Glicerofosfolípido
Esfingolípido
o
Glicerol
1
~
"'So
u
•<(
-
Enlace éster
-
Enlace amida
-
Enlace glucosídico
1
~
ou
QJ
~
"'So
u
·<(
Figura 3-6. Lípidos de membrana. En esta figu ra puede observarse la semejanza estructural entre los fosfoglicéridos y los esfingolípidos~ así como
su carácter antipático. En los fosfolípidos. el grupo de cabeza polar está unido por un enlace fosfodiéster, mientras que los glucoesfingolípidos
(glucolípidos) tienen una unión glucosídica directa entre el azúcar del grupo de cabeza y el glicerol. También aparece representado el colesterol,
un importante componente de las membranas celulares eucariotas.
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
• Los glucoesflngolípidos? que se encuentran principalmente en la cara externa de la membrana plasmática, tienen uno o más azúcares en su grupo
de-cabeza unidos al C-1 de la ceramida. No contienen fosfato. Dentro de
este grupo, los cerebrósidos tienen un único azúcar unido a la ceramida;
los que contienen galactosa se encuentran de manera característica en las
membranas plasmáticas de las células del tejido nervioso, mientras que los
que contienen glucosa se hallan en las membranas plasmáticas de células
de tejidos no nerviosos. Los cerebrósidos, en contraposición con los fosfolípidos, carecen de grupo fosfato y, por lo tanto, no tienen carga.
Los globósidos son glucoesfingolípidos neutros (sin carga) con dos o más
azúcares, normalmente n-glucosa, n-galactosa o N-acetil-n-galactosamina.
Los gangliósidos son los esfingolípidos más complejos. Contienen grupos
de cabeza polares formados por oligosacáridozy uno o varios residuos terminales de ácido N-acetilneuramínico (ácido siál1co) (véase capítulo 2. Fig.
2-8) . El ácido siálico aporta a los gangliósidos una carga negativa a
pH = 7. Los gangliósidos se concentran en la superficie exterior de las células. Sus complejas cabezas de hidratos de carbono actúan como receptores específicos para · funciones fisiológicas importantes. También son receptores para determinadas toxinas proteicas de origen bacteriano, como
la toxina colérica.
En humanos se han identificado al menos 60 esfingolípidos diferentes en las
membranas celulares. Muchos desempeñan un papel importante en las membranas plasmáticas de neuronas, y algunos actúan en procesos de reconocimiento en la superficie celular, pero sólo se ha descubierto la función específica de
unos pocos. La porción glucídica de ciertos esfingolípidos define los grupos sanguíneos humanos y determina el tipo de sangre que los individuos pueden recibir en las transfusiones sanguíneas (Fig. 3-7).
Antígeno O
Antígeno A
49
f:fogl~­
O como en el caso de los
céridos, el carácter antipático de los
esfingolípidos les permite formar
parte de las membranas biológicas.
O los esfingolípidos desempeñan
diversas funciones relacionadas con
el reconocimiento celular.
Antígeno B
Figura 3-7. Glucoesfingolípidos como determinantes de los grupos sanguíneos. Los grupos sanguíneos ~umanos (A, B, O) vienen determinados
en parte por los grupos polares de estos glucolípidos. Los mismos tres oligosacáridos se encuentran también unidos a ciertas proteínas sanguíneas
de individuos de los tipos A, B y O. Glc: Glucosa; Gal: galactosa; GalNAc: N-aceti! galactosamina; Fue: fucosa.
Ceras: protectores y aislantes
Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga (de 14 a 36 átomos de carbono),
saturados o insaturados, con alcoholes de cadena larga (de 16 a 30 átomos de
carbono). Sus puntos de fusión (60 a 100 oc) son generalmente más elevados
que los de los triacilglicéridos. Como ejemplo, en la figura 3-8 se presenta la
fó rmula del triacontanilpalmitato, componente mayoritario de la cera de abeja.
Las ceras realizan diversas funciones en la naturaleza, que tienen que ver con
su hidrofobicidad y su consistencia. Las glándulas de la piel de los vertebrados
secretan ceras para mantenerla flexible, lubricada e impermeable. Las aves acuáticas las secretan para mantener la repelencia al agua en sus plumas. Muchas
plantas, como el acebo, tienen las hojas recubiertas de ceras para evitar la evaporación excesiva de agua y el ataque de parásitos. Además las ceras biológicas
tienen diversas aplicaciones en la industria farmacéutica o cosmética. Ceras
como la lanolina o la cera de abeja, se ·utilizan en la fabricación de lociones,
pomadas, etc.
O El carácter extremadamente hidrofóbico de las ceras las hace desempeñar funciones de aislamiento y
' protección.
~~-----y------~
Ácido palmítico
1-Triacontanol
Figura -3-8. Estructura de la cera de abeja.
·50
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0
LÍPIDOS INSAPONIFICABLES
Estos lípidos se caracterizan por no poseer ácidos grasos en su composición. Por
ese motivo, no pueden ser sometidos a la reacción de saponificación y por ello
no forman jabones (de ahí su nombre).
Terpenos: derivados del isopreno con múltiples
funciones biológicas
Se forman a partir del isopreno, una unidad de cinco carbonos (Fig. 3-9). Los
terpenos pueden contener de una a ocho unidades de isopreno. Al unirse, forman moléculas lineales o con anillos. En su mayoría son de origen vegetal, fúngico y bacteriano. En los vegetales actúan como pigmentos, señales moleculares
(hormonas y feromonas) y agentes defensivos. Constituyen el grupo más abundante de aceites de los vegetales, proporcionándoles aromas y sabores característicos. Según el número de isoprenos que tengan se clasifican en: monoterpenos
(dos moléculas de isop"reno, como el geranio! o el limoneno, que son aceites
esenciales vegetales); sesquiterpenos, con tres isoprenos· ~como el farnesol); diterpenos, con cuatro isoprenos (fitol, ácido giberélico); triterpenos (ocho isoprenos, como el escualeno); y tetraterpenos (ocho isoprenos, comÓ ellicopeno y
los carotenoides). En la figura 3-9 se muestra la fórmula del isopreno y ejemplos
de distintos tipos de terpenos.
A partir de ciertos terpenos se forman algunas vitaminas liposolubles, como
las vitaminas A, E o K, tratadas al final del presente capítulo.
O las terpenos están constituidos
por unidades de isopreno. Actúan
como pigmentos, hormonas y agentes defensivos.
CH3
CH, =¿-CH=CH,
1
~
ISOPRENO
Terpenos
Monoterpeno (2)
Geranio!
1
1
~CH,-OH
Sesquiterpeno (3)
Farnesol
Diterpeno (4)
Fitol
Triterpeno (6)
Escualeno
Figura 3-9. Estructura del isopreno y
ejemplos de terpenos. Los terpenos
se forman por la unión de unidades de
isopreno. La mayoría son de origen vegetal. El ¡3-caroteno es el precursor de
la vitamina A.
efE!
colesterol es el principal precursor de los distintos tipos de esteroides.
Ciclopentanoperhidrofenantreno
Figura 3-10. Estructura del ciclopentanoperhidrofenantreno.
Tetraterpeno (8)
¡3-Caroteno
Esteroides: colesterol y sus derivados
Estos lípidos derivan de una estructura rígida y casi plana llamada ciclopentanoperhidrofenantreno (Fig. 3-1 O).
Los esteroides se encuentran presentes en la mayoría de las células eucariotas.
Difieren unos de otros en el número y posición de los dobles enlaces, localización de sustituyentes, etc. Destacan los siguientes:
• Colesterol: es el principal esteroide en los tejidos animales. Es anfipático,
con una parte polar (-OH en el C-3) y una parte no polar (núcleo esteroideo y cadena lateral del C-17 con ocho átomos de C) (Fig. 3-11). Se
encuentra en las membranas de células animales y constituye típicamente
del 30 al 40% de los lípidos de membrana. En los mamíferos es el precur-
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
CH 3
51
CH 3
1
/
CH CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -C~
3
CH 3
HO
Figura 3-11 . Fórmula estructural del colesterol.
Colesterol
sor metabólico de otros esteroides como hormonas y ácidos biliares. Si se
esterifica con ácidos grasos se convierte en no polar.
• Ácidos biliares: actúan como detergentes en el intestino, emulsionando
las grasas de la dieta para hacerlas más accesibles a las enzimas digestivas.
Son más solubles que el colesterol por tener varios grupos - OH.
• H ormonas esteroideas: se desplazan por la sangre en proteínas transportadoras desde su sitio de producción a su tejido diana, donde entran en las
células. En el núcleo se unen a proteínas· receptoras y provocan cambios en
la expresión génica y el metabolismo. Dentro de este grupo se encuentran
(Fig. 3-12):
.
- Los glucocorticoides, como el cortisol, que participan en el metabolismo de hidratos de carbono, proteínas y lípidos, e influyen en una amplia variedad de funciones vitales.
- La aldosterona y otros mineralocorticoides, que regulan la excreción
de sal y agua por los riñones.
- Los andrógenos y los estrógenos (estradiol, testosterona), hormonas
que influyen en el desarrollo y la función sexual.
O las hormonas esteroideas provienen de los esteroles y actúan
como señales biológicas importantes.
como las hormonas sexua les.
Eicosanoides: mensajeros entre células
Son compuestos que derivan del ácido araquidónico, ácido graso poliinsaturado
de 2 0 carbonos (20:4 ó. 5' 8 ' 11 ' 14). Los producen la mayor parte de los tejidos de los
mam íferos, pero sólo algunos vertebrados inferiores e invertebrados. Los eicosanoides tienden a actuar localmente, cerca de las células que los producen, y no
son transportados por el torrente sanguíneo hasta su sitio de acción. Existen tres
clases (Fig. 3-13):
• Prostaglandinas: Su nombre procede de la glándula prostática, donde se
aislaron por primera vez. Actúan en muchos tejidos regulando la síntesis
del mensajero intracelular AMP cíclico. Como el AMPc interviene en la
función de muchas hormonas, las prostaglandinas afectan a muchas fun-
......
o
'-.
o
Cortisol {hidrocortisona)
(un glucocorticoide)
Testosterona
(un andrógeno)
¿
l
<
CH 20H
1
C=O
OH
...
1
o
\
HO
Aldosterona
(un mineralocorticoide)
f3-Estradiol
(un e_strógeno)
Figura 3-12. Algunas hormonas esteroideas representativas.
52
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
.
o
OH
OH
coaOH
OH
Prostaglandina E2
Tromboxano A2 (TXA 2)
Leucotrieno B4
Figura 3-13. Estructuras de varios eicosanoides.
O las prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, procedentes del
ácido araquidónico, son hormonas
extremadamente potentes.
ciones celulares y tisulares. Participan en la contracción ·del mi'Isculo liso
del útero en el parto, el control del flujo sanguíneo a determinados órganos, la elevación de la temperatura corporal y la inflamación con su consiguiente dolor.
• Tromboxanos: Los producen las plaquetas y, actúan en la formación de
coágulos sanguíneos y en la reducción del flujo sanguíneo hacia el sitio del
coágulo. Estimulan la vasoconstricción y la agregación plaquetaria que facilita el inicio de la coagulación sanguínea.
• Leucotrienos: Se aislaron de leucocitos. Son señales biológicas muy potentes. El LTD4 induce la contracción del músculo que rodea las vías_aéreas del
pulmón. Un exceso de leucotrienos produce un ataque asmático. La fuerte
contracción de los miísculos lisos del pulmón que tiene lugar en el shock
anafiláctico es parte de la reacción alérgica, potencialmente letal, en individuos hipersensibles a las picaduras de abeja, penicilina u otros agentes.
Los AINE (antiinflamatorios no esteroides) son fármacos empleados para
reducir los efectos de prostaglandinas y tromboxanos. El Recuadro 3-2 se ocupa
de ellos.
Recuadro 3-2. Fármacos antiinflamatorios no esteroideos
Los antiinflamatorios no esteroideos (abreviado AINE) son un grupo variado de
fármacos con actividad antiinflamatoria, analgésica y antitérmica, además de otros
efectos. Por ello, reducen los síntomas de la inflamación, el dolor y la fiebre.
Estos fármacos ejercen sus efectos gracias a que son capaces de inhibir a enzimas
que participan en la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos (como la ciclooxigenasa). Como se explica en el capítulo, estos eicosanoides participan en procesos inflamatorios, con producción de dolor y elevación de la temperatura corporal.
Los antiinflamatorios naturales son derivados de corticoides, son esteroides producidos por el propio organismo. Tienen una acción antiinflamatoria muy potente, pero
con importantes y adversos efectos secundarios. Por ello, y en oposición a los corticoides, se aplica a los AINES el término "no esteroideo" para remarcar su estructura
química no esteroidea y su menor cantidad de efectos secundarios.
Dentro de estos fármacos se incluyen el ácido acetilsalicílico (aspirina), el ibuprofeno, o el naproxeno. El paracetamol se incluye también entre los AINES, a pesar de
su poca acción antiinflamatoria.
FOSFOLÍPIDOS DE MEMBRANA CELULAR
CORTICOIDES
~(-) 1
~
fosfolipasa
.
.
ACIDO ARAQUIDONICO
t;poo>lgeoA
1AINE
(1
-)
loo>IOeo"'
Prostaglandinas
Tromboxanos
Vitaminas Liposolubles
Las vitaminas son esenciales para el buen funcionamiento del organismo. No
pueden ser sintetizadas por el ser ·humano y otros vertebrados, po.r..lo que tienen
que tomarse en la dieta. Las vitaminas liposolubles son las que se disuelven en
grasas y aceites, y se consumen junto con alimentos que contienen grasa. Son las
vitaminas A, D, E y K. Dos de ellas (D y A) son precursores hormonales.
Vitamina A (retinol)
O 'Las vitaminas A, D. E y K son
compuestos liposolubles que desempeñan papeles fundamentales en el
metabolismo y la fisiología de los
animales.
Funciona como hormona y como pigmento visual de los ojos de los vertebrados
(Fig. 3-14). El ácido retinoico, derivado de la vitamina A, actúa a través de proteínas receptoras en el núcleo celular y regula la expresión génica en el desarrollo
del tejido epit~lial. Otro derivado es el retinal, que es el pigmento encargado de
iniciar la respuesta a la luz de los bastones y conos de la retina, produciendo una
53
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
señal neuronal hacia el cerebro. Es esencial para la visión al incorporarse a la
opsina para dar rodopsina (pigmento visual). Algunas fuentes son el aceite de
hígado de pescado, hígado, huevos, leche entera o mantequilla. En los vertebrados, el j3-caroteno (véase Fig. 3-9), pigmento que confiere a las zanahorias y
otras hortalizas amarillas su color, se puede convertir enzimáticamente en vitamina A. La carencia de esta vitamina produce diversos síntomas en el ser humano, como ceguera nocturna, sequedad de la piel, los ojos y las membranas mucosas, retraso en el desarrollo y en el crecimiento.
X
X = CH 20H
Retino! (vitamina A)
X = CHO
Retina!
Figura 3-14. Vitamina A. Se identifica la estructura del retino[ (alcohol) y del retina[
(aldehído).
Vitamina D
Las diversas formas de vitamina D son derivados de esteroles. La vitamina D 2
(ergocalciferol) se produce de forma no enzimática en la piel de los animales
mediante la acción fotolítica de la luz UV sobre el esterol vegetal ergosterol,
mientras que la vitamina D 3 (colecalciferol), estrechamente relacionada, se produce en la piel a partir del 7 -deshidrocolesterol mediante una reacción fotoquímica desencadenada por la luz solar (Fig. 3-15).
R
R
radiación UV
·Ho
espontáneo )
R = X 7-Deshidrocolesterol
HO
HO
R = X Vitamina 0 3 (colecalciferol)
R = Y Ergosterol
R = Y Vitamina 0 2 (ergocalciferol)
X= ·HJCI LCH J
Y=
CH 3
..,..
Figura 3-15. Proceso
de formación de Las
vitaminas 0 3 y 0 2 • La
vitamina D3 (colecalciferol) se forma mediante la acción de la
luz UV sobre el ergostero[, mientras que la
vitamina D2 (ergocalciferol) deriva de manera
similar · del 7-deshidrocolesterol. Ambas son
inactivas.
Las vitaminas D 2 y D 3 no son biológicamente activas, pero ciertas enzimas
del hígado y los riñones las convierten en 1,25-dihidroxicolecalcifeiol, que es la
forma de la vitamina D activa (Fig. 3-16). Esta vitamina aumenta 1~ concentra2
ción de Ca + sérico, lo que promueve la absorción intestinal del Ca2~ de la dieta
y, en consecuencia, su depósito en huesos y dientes.
\
Entre las fuentes de vitamina D destacan la yema de huevo, el atún, el hígado y los cereales, así como los suplementos añadidos a leche y ·mantequi:~a.
La deficiencia de vitamina D conduce a la formación defectuosa de los huesos propia del raquitismo, una enfermedad caracterizada por una disminución
en el crecimiento y la deformación de los huesos, consecuencia de una minerali- ·
zación ósea insuficiente.
Vitamina E
OH
HO
D entro de este término se incluye un grupo de lípidos estrechamente relacionados, entre los cuales el más abundante es el a-tocoferol (Fig. 3-17) . Los tocoferoles son antioxidantes biológicos, al ser capaces de reaccionar con las formas
m ás reactivas del oxígeno y otros radicales libres. Estos pueden atacar a los ácidos grasos insaturados presentes en los lípidos de membrana oxidándolos, lo
que conlleva fragilidad celular. Los tocoferoles se encuentran en los huevos, los
aceites vegetales y el germen de trigo . Su carencia en animales de laboratorio
ocasiona piel escamosa, debilidad muscular, pérdida de peso y esterilidad. En los
seres humanos, la deficiencia de esta vitamina es rara.
1-a,25-Dihidroxicolecalciferol
Figura 3-16. Molécula de La vitamina D
activa: 1,25-dihidroxicolecalciferol.
.
:
' ~(
7
HO
a-Tocoferol (vitamina E)
Figura 3-17. Molécula La de vitamina E.
54
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
La vitamina E suele añadirse en forma de suplemef!to alimenticio, lo que se
fundamenta en la hipótesis de que protege a las células contra el daño oxidativo
y, de esta forma, reduce los efectos del envejecimiento.
R
Vitamina K
R=~
Filoquinona
(vitamina K,)
R=~
Menaquinona
(vitamina K2)
l
1)3
Figura 3-18. Diferentes formas de la vitamina K.
Esta vitamina participa en la carboxilación de los residuos de ácido glutámico de
algunas de las proteínas involucradas en la coagulación sanguínea. Así, participa
en la formación de la protrombina activa, una proteína del plasma sanguíneo
esencial para la formación de coágulos. La protrombrina es una enzima proteolítica que rompe enlaces peptídicos de la proteína sanguínea fibrinógeno, convirtiéndola en fibrina, a la sazón la proteína que mantiene unidos los coágulos de
sangre. La vitamina K 1 se encuentra en las hojas de las plantas verdes mientras
que la vitamina K 2 es sintetizada por las bacterias de la flora intestinal de vertebrados (Fig. 3-18). Su carencia es rara_en humanos: sólo se da en lactantes que
padecen enfermedades hemorrágicas.
CONCEPTOS CLAVE
o
o
o
Los lípidos son un grupo muy diverso de moléculas orgánicas hidrofóbicas.
Los ácidos grasos son ácidos monocarboxílicos, por lo general con un número par de átomos de carbono, que oscila entre 12 y 20.
Los ácidos grasos saturados tienen puntos de fusión más altos que los insaturados, debido a su grado de empaquetamiento.
O Los triacilglicéridos son el principal tipo de acilglicéridos, y desempeñan funciones de almacenamiento y reserva de
energía.
o
Los fosfoglicéridos son moléculas antipáticas y tienen una cabeza polar y dos colas de á~idos grasos no polares,
unidas a un esqueleto de glicerol. Su carácter antipático hace que formen parte fundamental de las membranas
biológicas.
o
Los esfingolípidos también son moléculas antipáticas, constituidos por una molécula de esfingosina, un ácido graso
y una cabeza polar. Participan en el reconocimiento celular.
o
o
Las ceras desempeñan funciones de aislamiento y protección, debido a su carácter extremadamente hidrofóbico.
o
El reino vegetal es rico en terpenos, formados por ,unidades de isopreno, que sirven como pigmentos, señales mo'""
leculares (hormonas y feromonas) y agentes defensivos.
El colesterol es el principal esteroide en los tejidos animales. A partir de él se siotetizan las hormonas esteroideas
(hormonas sexuales, glucocorticoides) y los ácidos biliares.
O Los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) actúan en concentraciones muy bajas y están invo-
lucrados en procesos como la producción del dolor y la fiebre, la regulación de la presión y la coagulación sanguínea y la reproducción.
\
o
0
Las vitaminas A, D, E y K son compuestos liposolubles que desempeñan papeles fundamentales en el metabolismo
y la fisiología de los animales.
EJERCICIOS
Una sustancia M se aísla de membranas celulares, se trata con una enzima que rompe enlaces éster y da lugar a tres productos: Q, ácido
fosfórico y un alcohol con carga positiva a pH 7. La sustancia Q en medio acuoso forma bicapas lipídicas. Cuando se trata la sustancia Q
con una enzima que rompe enlaces amida da lugar a dos sustancias: R y V. La sustancia R es un ácido graso de cadena alifática muy larga. La sustancia V es un aminoalcohol de cadena larga. ¿Qué sustancia es M?
~-----
-----~-
SOLUCIÓN
En un principio se deberá ir descartando las moléculas que no cumplen las premisas que se indican en el enunciado.
Datos según el enunciado:
CAPÍTULO 3. LÍPIDOS
55
• Upid o de membrana: de todas las moléculas que constituyen los lípidos podría ser, fosfoglicéridos, esfingolípidos o colesterol.
• Prese nta un grupo fosfato ; pueden ser fosfoglicéridos y esfingolípidos, se -descarta el colesterol.
• Presenta un alcohol con carga positiva: pueden ser fosfoglicéridos y esfingolípidos, ya que ambos pueden contener la etanolamina o la colina.
Sin embargo, si se rompen los enlaces éster de un fosfoglicérido, daría un alcohol sin carga (glicerol), un fosfórico, dos ácidos grasos y un alcohol con carga como la etanolamina. Por lo tanto, no daría una sustancia como Q. Se descarta que sea un fosfoglicérido .
Si se ro mpe los enlaces éster fosfórico de un esfingolípido (1 en la figura) quedaría una ceramida, un fosfato y un alcohol.
Q es, por lo tanto, la ceramida , formada por un ácido graso unido por enlace amida a una esfiflgosina. Además, al ser antipática, puede formar
bicapas lípídicas.
Después de romper el enlace amida de Q (2 en la figura) se obtienen R, ácido graso y V la esfingosina unida a fosfócolina o fosfoetanolamina.
M es la esfingomielina.
V: Esfingosina (C 18)
HO
'--3/
CH = CH
CH 2. Enlace amida
2
1
~
CH-NH _! C
R: Ácido graso
1
\
~
CH 2 -0 -P-O-CH 2 -CH 2 -W - [CH 3h
t
b-
t
P-colina
1. Enlace éster-P
1111 ¿Cuántos isómeros ópticos presenta la molécula de colesterol?
11111 Si se trata la fosfatidilserina con la enzima fosfolipasa A (que
2
rompe enlace éster del C-2 del glicerol), ¿cuáles serán los productos de degradación?
1111 Continuando con la pregunta anterior ¿se podría formar algún
lípido insaponificable a partir del fosfoglicérido, si el ácido graso
del C-2 es bien:
0
-
Indique cuál de las siguientes moléculas no contiene ácidos grasos ni deriva de ellos.
a) Cera de abeja.
b) Testosterona.
e) Prostaglandina.
d) Esfingolípido.
cierta:
a) Muchos contienen ácidos grasos unidos por enlaces éster
o amida.
b) La testosterona es un esfingolípido que se encuentrá en la
mielina.
e) Sólo desempeñan funciones de almacenamiento de
energía.
d) Son más solubles en agua que en disolventes orgánicos.
.
1111 Si una molécula de colesterol formase enlaces éster con moléculas de ácido oleico, ¿aumentaría o disminuiría su solubilidad
en agua?, ¿qué carga neta tendría entonces la molécula en solución acuosa a pH 7?
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
liD Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los lípidos es
-
• un ácido araquidónico,
• un ácido oleico,
• un ácido linolénico?
Indique cuál de las siguientes afirmaciones referidas a las esfingolípidos es cierta:
a) Los cerebrósidos y los gangliósidos son esfingolípidos.
b) Están formados por glicerol y ácidos grasos.
e) Contienen dos ácidos grasos esterificados.
· d) Pueden presentar carga , pero no son moléculas antipát icas.
I I I J indique cuál de las siguientes moléculas no deriva del colesterol:
a) Ácido araquidónico.
b) Ácidos biliares.
e) Aldosterona.
d) Cortisol.
1111 Indique cuál de las siguientes vitaminas no es liposoluble:
a)
b)
e)
d)
E.
B.
D.
K.
liD Los
fármacos antiinflamatorios no esteroideos (AINES) ejercen
su función bloqueando la producción de:
a) Esfingolípidos.
b) Vitamina K.
e) Prostaglandinas.
d) Ninguna de las anteriores es cierta.
liD Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los esteroides
es cierta:
~
a) Todos los esteroides comparten una estructura formada
por cuatro anillos unidos.
b) Los esteroides se encuentran en las membranas de todas
las células.
e) Los est_eroides son solubles en agua.
d) Ninguna de las anteriores_es cierta .
. . La esfingosina no es un componente de:
a) Ácido fosfatídico.
• '
b) Ceramida.
e) Gangliósido.
d) Cerebrósido.
56
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
liD Indique cuál de los siguientes ácidos grasos tendrá menor punto
de f usión:
a) 20:0.
b) 20:3ó.9.12.15.
e) 18:0.
d) 18:1 ó. 9.
l l l l l lndique cuál es la nomenclatura correcta para el siguiente ácido
graso, CH 3 - (CH 2)4 - CH =CH- CH 2- CH = CH- (CH 2)¡ - COOH:
a) 18:2ó.9.12.
b) 18:2ó.5·8 •
e) 22:2ó. 9·12.
d) Ninguna de las anteriores es correcta.
(_
\
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'
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. : .a.~.·,
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f u\~
.~
·,
,;
AMINOÁCIDOS '/ ENLACE
PEPTÍDICO
o
CONTENIDOS
o Introducción
o Aminoácidos
o El enlace peptídico
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Conocer las características estructurales comunes de los aminoácidos.
o Diferencia r los aminoácidos por las características de sus cadenas laterales y conocer las interacciones covalentes y no covalentes que
pueden establecer con otros grupos funcionales.
o Conocer las consecuencias químicas y biológicas derivadas de su comportamiento como ácidos y bases.
Los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas
que se estudian en el capítulo 5. En el presente capítulo se explican sus principales características estructurales analizando las
cadenas laterales de los 20 aminoácidos que forman las proteínas y relacionando su estructura con el tipo de interacciones no
covalentes y los enlaces covalentes ?~ ue pueden establecer entre
ellas o con otras moléculas. Este análisis facilita la comprensión
de la estructura tridimensional de las proteínas que se detalla
en. el tema siguiente.
Se estudia con detalle el comportamiento ácido-básico de los
aminoácidos y la aparición de cargas en sus moléculas, a diferentes condiciones de pH en el medio, relacionándola con su
función biológica .
58
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0
INTRODUCCIÓN
Los aminoácidos son un grupo heterogéneo de moléculas que poseen unas características estructurales y funcionales comunes. Existen veinte aminoácidos
diferentes especificados en el código genético, aunq(líe hay otros aminoácidos
menos frecuentes que se forman por modificaciones enzirnáticas posteriores al
proceso de traducción. En las células, estos.veinte aminoácidos se unen mediante enlaces covalentes formando largas cadenas de combinaciones específicas que
producen un gran número de proteínas diferentes. El tamaño puede ser muy
-variado, desde péptidos formados por un número pequeño de aminoácidos hasta polímeros de una elevadísirna masa molecular. La disposición lineal concreta
de los aminoácidos de una proteína constituye su secuencia primaria y es esta
secuencia la que va a determinar su estructura tridimensional específica que es
fundamental para que desempeñe su función.
Además de ser las unidades estructurales de las proteínas, existen aminoácidos que son intermediares de ciertas rutas metabólicas, corno la citrulina y la
ornitina en el metabolismo de la arginina y la prolina. Otros son precursores de
muchas sustancias biológicas que contienen nitrógeno (grupo hemo, nucleótidos, coenzirnas, hormonas, neurotransmisores, etc.). Por ejemplo, las catecolarninas (adrenalina, noradrenalina y doparnina) se sintetizan a partir de la tirosina, un aminoácido, en el cerebro y en las glándulas suprarrenales y actúan corno
neurotransmisores y corno hormonas.
0
c:fTodos los aminoácidos, exce"pto
la Gly, presentan un carbono asimétrico y, por tanto, presentan isomería
óptica.
O las proteínas están constituidas
por L-aminoácidos.
AMINOÁCIDOS
Características estructurales comunes
Los aminoácidos tienen en común la existencia de un átomo de carbono (llamado carbono a) al que se unen los siguientes grupos f1,1ncionales: un grupo carboxilo (-COOH), un grupo arnino (-NH 2) y un átomo de hidrógeno. La
cuarta valencia del carbono está unida a un radical o cadena lateral, que sirve
para diferenciar los veinte aminoácidos que constituyen la mayor parte de las
proteínas (Fig. 4-1). La única excepción es la prolina, que posee una estructura
cíclica y un grupo arnino secundario.
Figura 4-1. Estructura general de un aminoácido. Estructura general de los aminoácidos
en su estado de ionización a pH 7. El grupo amino está protoriado, por lo que presenta
carga positiva. El grupo carb.oxilo presenta carga negativa ya que se encuentra en su estado
disociado.
2
H0- ~-H
3
CH 20H
L-Giiceraldehído
2
H- ¡-oH
3
1
HW 3
2
C-H
CH 3
3'
L-Aianina
CH,OH
o-Giiceraldehído
Coo-
H -2c - N•H
'
3CH 3
3
o-Aianina
Figura 4-2. Analogía de los enantiómeros
de la alanina con la configuración del o y
L-gliceraldehído. Representados mediante
sus fórmulas en perspectiva, los estereoisómeros o y L de la alanina son imágenes especulares no superponibles.
Grupo amino
(protonado)
Grupo carboxilo
(disociado)
Los nombres de los veinte aminoácidos se pueden representar mediante un
código de tres letras o utilizando una única letra, tal y corno se muestra en la figura 4-3.
.
Corno puede obserVarse, excepto en la Gly, el carbono a tiene cuatro sustituyentes distintos, por lo que es un centro quiral. Así, los aminoácidos se pueden
presentar orientados en el espacio de dos formas diferentes que son imágenes
especulares no superponibles denominados enantiórneros. Siguiendo la representación de Fischer, propuesta para los azúcares (véase capítulo 2), los enantiórneros se designan con las letras D o L, según su analogía con el D o L-gliceraldehído (Fig. 4-2).
Los aminoácidos que forman las proteínas sólo pertenecen a las formas del
enantiórnero L, ·a unque se desconoce el motivo por el que se ha elegido esta forma durante la evolución.
Corno ex~epción, existen formas D en algunos péptidos que forman parte de
la composición de las paredes bacterianas. Estas formas D se forman a partir de
las L por la actuación de una enzima (racernasa) que es un frecuente ·objetivo
farmacológico antibacteriano.
Además del carbono a, algunos aminoácidos presentan carbonos asimétricos
en su cadena lateral, corno es el caso de la Thr y la Ile (Fig. 4-3).
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
59
AMINOÁCIDOS APOLARES
ALIFÁTICOS
coo1
H N+-C-H
1
3
H
Glicina
Gly
G
Alanina
Ala
A
Valina
Val
V
Leucina
Le u
l
AROMÁTICOS
~
1
coo1
1
H W - C-H
o
H W- C-H
1
Fenilalanina
Phe
F
lle
1
CON AZUFRE
coo3
lsoleucina
-l-
3
o=)
H
Triptófano
Trp
w
IMINOÁCIDOS
coo-
coo1
H W- C-H
3
1-
.
1
C- l:l
H W - C-H
1
3
1
SH
2
S
Prolina
Pro
Cisteína
Cys
1
.Qh
2
lli,t -CI:h.
1
CH ·
"e1~~
H2Ñ/
\
CH 2
CH2
1
coo-
1
p
e
Metionina
Met
M
AMINOÁCIDOS POLARES SIN CARGA
AROMÁTICO
coo-
1
1
H W - C-H
3
coo-
coo-
1
H, N
H W- C-H
1
3
CHP H
Serina
Ser
Fi21
Treonina
Thr
T
S
0
1
OH
Asparagina
Asn
N
· Tirosina
Tyr
Glutamina
Gln
... y
Q
AMINOÁCIDOS POLARES CON CARGA
CARGA POSITIVA
CARGA NEGATIVA
coo1
H N+- C-H
3
1
CH 2
1
coo-
coo1
H3 N+- C-H
CH 2
1
CH 2
1
Aspartato
Asp
D
~
Glutamato
Glu
E
coo1
H3 W- C-H
CH 2
1
CH 2
1
3
3
CH 2
CH 2
~
NH 2
1
r-¿~
1
1
2
C-NH
11
\
c ,rtf'CH
CH
., 2
CH 2
lisina
Lys
K
H N+- c -H
1
C=N+H2
1
1 •
1
CH 2
1
coo-
cooH N+- C-H
1
H
1
Arginina
Arg
R
Histidina
His
H
'
..
Figura 4-3. Clasificación de los aminoácidos según la naturaleza de su cadena lateral. Los distintos aminoácidos se representan en el estado
de ionización que domina a pH 7. Se han destacado las cadenas laterales mediante un sombreado y los carbonos asimétricos aparecen en rojo.
Debajo de cada aminoácido figuran : su nombre completo, el código de tres letras y el código de una letra.
í
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Los aminoácidos se clasifican por las características
de su cadena lateral
d las cadenas laterales de los aminoácidos pueden ser apelares, polares sin carga o pueden presentar
carga a determinados valores de pH .
La unión covalente de los aminoácidos para formar las proteínas hace que los
grupos funcionales amino y carboxilo de todos los aminoácidos, excepto el
primero y el último, se vean modificados debido a la formación del enlace
peptídico. Por este motivo, en los polipéptidos, la naturaleza química de la cadena lateral de los aminoácidos es la que va a condicionar su solubilidad en
agua, su reactividad y el tipo de interacciones no covalentes que se pueden establecer.
Las cadenas laterales de los diferentes aminoácidos pueden ser de naturaleza
hidrofóbica (apolar), polar sin carga, o pueden presentar carga a determinados
valores de pH.
Los aminoácidos estrictamente hidrofóbicos son: Ala, Val, Leu, Ile, Pro,
Phe, Trp y Met. Todos tienen cadenas laterales alifáticas, menos la Phe y el Trp
que, por presentar anillos aromáticos en su estructura, tienen la capacidad de
absorber luz ultravioleta a determinadas longitudes de onda (alrededor de
280 nm). La prolina se caracteriza por su estructura cíclica rígida con un grupo
amino secundario que le confiere un papel especial en la formación de la estructura secundaria. El aminoácido Gly, que tiene un solo hidrógeno como cadena lateral, se suele incluir en este grupo, aunque tiene unas características especiales. La presencia de azufre permite diferenciar dos aminoácidos: Met y
Cys. La Met es totalmente apolar y es el aminoácido iniciador de la síntesis de
proteínas (codón AUG, véase capítulo 18). La Cys, que posee un grupo sulfhidrilo muy reactivo, puede incluirse en este grupo ya que su principal característica es la formación de puentes disulfuro entre dos Cys, un enlace covalente
apolar.
Los aminoácidos polares sin carga son: Ser, Thr, Tyr, Asn y Gln. Los tres
primeros tienen en común la presencia de un grupo hidroxilo, aunque hay que
destacar el carácter aromático de la Tyr. Como se verá en el capítulo 8, la Ser es
con frecuencia unos de los aminoácidos fundamentales en la catálisis enzimática, debido a su actuación como reactivo nucleófilo. <;;In y Asn se caracterizan
por la presencia de un grupo amida que les confiere su reactividad.
Los aminoácidos ionizables a pH fisiológico son: Glu, Asp, Lys, Arg e His.
Los dos primeros poseen un grupo carboxilo que se encuentra ionizado en su
forma aniónica a pH fisiológico (- COO-) y los tres últimos poseen grupos funcionales con carácter básico por lo que pueden captar protone.s del medio adquiriendo carga positiva. Tanto la Lys como la Arg se encuentran ionizadas a pH
fisiológico ; y la His, con un grupo imidazol con un p.!<,; de 6, sólo estará cargada
en un cierto porcentaje de moléculas a este pH (véase Tabla 4-1). Como se estudiará más adelante, también la Cys y la Tyr pueden encontrarse ionizados en
unas determinadas condiciones de pH, pero no a pH fisiológico .
Los aminoácidos presentan carácter ácido y básico
c::flos aminoácidos son sustancias
anfóteras ya que pueden actuar
como ácidos o como bases.
Como ya se ha mencionado, los aminoácidos presentan un grupo amino con
carácter básico (aceptor de protones) y un grupo carboxilo con carácter ácido
(dador de protones). Como a pH fisiológico los aminoácidos se encuentran en
su forma de ión dipolar, en realidad el carácter ácido lo presenta el grupo amino
protonado y el carácter básico el grupo carboxilo ionizado (Fig. 4-4). Este tipo
de sustancias que pueden actuar como ácidos o como bases se conocen como
sustancias anfóteras. Además algunos aminoácidos tienen un grupo ácido o básico en su cadena lateral.
Para comprender la importancia biológica de este carácter y sus principales
consecuencias vamos a analizar el comportamiento del aminoácido más sencillo,
la Gly, cuando se realiza una curva de titulación (Fig. 4-5). A un pH muy ácido
ambos grupos funcionales se encuentran protonados y la forma dominante es
NH; - CH- COOH. Por tanto esta molécula puede perder dos protones, el del
grupo carboxilo y el del grupo - NH;, que es ahora un ácido conjugado. Cuando
va aumentando el valor del pH (por la adición de un volumen conocido de una
base fuerte como el NaOH) cada vez encontraremos un mayor porcentaje de moléculas que han perdido el protón del grupo ácido, hasta llegar a un valor en el
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
61
pH básico
carga negativa
pH 7 =neutro
ión dipolar
grupo carboxilo ionizado
(ácido conjugado)
coo1
1
R-C-H + W
:
1
grupo amino protonado
(base conjugada)
NH 2
Figura 4-4. Estado de ionización de un
aminoácido con cadena lateral no ionizable en distintas condiciones de pH. A pH 7
se encuentra en su forma de ión dipolar con
carga neta cero. A pH ácido dominan las
formas protonadas con carga positiva y a pH
básico domina la forma totalmente desprotonada con carga negativa.
COOH
1
R- C-H
1
N+H3
pH ácido
carga positiva
que la concentración de las formas NH; -CH -COOH y NH; -CH -coosea igual. Si recordamos la ecuación de Henderson-Hasselbalch (véase Recuadro
1-5), este es el valor en el que pH = pK,_. En el caso de la Gly este valor es de 2,34
para el grupo carboxilo (p.K;). Si se sigue aumentando el pH, llegará un momento
en que se empiecen a perder los protones del grupo - NH; hasta que se llegue a
un valor del pH en el que la concentración de NH; - CH- coo- sea igual a la
de NH 2 - CH- coo-. Este valor de pH coincide con el pK,_ de grupo NH;
(p.K; de 9,6 para la Gly). Entre ambos valores habrá un valor de pH en el que la
forma dominante sea el ión di polar (NH; - CH- COO-). Este valor de pH se
denomina punto isoeléctrico, ya que la carga neta de la molécula es cero. En aminoácidos sin cadena lateral ionizable el valor del pi coincide con la media aritmética de los valores de pK,_ que afectan a la forma neutra [pi = Yz (p.K; + p.K;)].
A continuación se revisan las principales consecuencias de este comportamiento.
La carga eléctrica de los aminoácidos varía con el pH
Como puede deducirse de la curva de titulación de la Gly, por debajo del valor
de pH del pK del grupo ácido (p.K; = 2,34) domina la forma totalmente protoWH 3
N+H
NH,
CH,
CH 2
CH 2
1
1
3
valores de pH por debajo del
punto isoeléctrico la glicina tiene
carga neta positiva; y a valores de pH
superiores al pi, presenta carga neta
negativa.
1
1
1
c:JA
1
coo-
1
1
1
COOH
coo-
Forma protonada
carga+
lón dipolar
carga neta O
: Forma desprotonada
carga:
1
13.------r------,------+------~
1
1
1
1
Glicina
:
1
1
1
1
1
1
1
pK2
-------~-------1
1
-
~ 9,60
j
../.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7
pH
pK1
pi = 5,97
'J' 2,34
0,5
1,S
OW (equivalentes)
2
Figura 4-5. Curva de titulación del aminoácido Glicina. La molécula cambia su estado de ionización lo que implica un cambio
en su carga · neta. Se destacan en sombreado
las dos zonas con poder tamponante.
62
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE ·LA CÉLULA
nada con carga neta positiva (NH; - CH- COOH). Por encima de este valor
empieza a aumentar el porcentaje de moléculas que se encuentran en la forma
del ión dipolar, con carga neta cero, hasta llegar al pi en el que es la forma dominante. Por encima de este valor de pH el grupo NH; va perdiendo su protón
y va disminuyendo en porcentaje de la forma dipolar hasta que se iguala con la
forma del ión negativo en el pH que coincide con el p.l(. del grupo NH;
(pK; = 9,6). Por encima de este valor dominará la forma con carga negativa
NH 2 -CH-COO-.
Los aminoácidos con cadenas laterales con grupos ionizables tienen curvas de
titulación más complejas con tres valores de p.l(.. Los puntos isoeléctricos de los
aminoácidos con un grupo ácido en su cadena lateral se calcularán como la media aritmética de los dos p.l(. de los grupos ácidos que están implicados en los
equilibrios de la molécula con carga neta cero (ión dipolar). ~or el mismo razonamiento, en el caso de los aminoácidos con cadena lateral con carácter básico,
el punto isoeléctrico se calculará como la media aritmética de los p.l(. de los gru. pos básicos (Fig. 4-6) . ·
Existen regiones pH en los que los aminoácidos presentan
poder tamponante
O Al pH correspondiente al pK, de
los grupos funcionales ionizables los
aminoácidos tienen poder tamponante.
Como puede observarse eri la curva de titulación (Fig. 4-5), en las zonas próximas a los valores de p.l(. de ambos grupos (COOH y NH;), se necesita más
cantidad de base (NaOH) para que se produzca un aumento en el pH de la so-
(a)
coo-
COOH
1
~
CH 2
1
~
1
CH 2
1
CH 2
1
CH 2
1
CH 2
1
1
COOH
coo-
COOH
I
P
H2N-CH
H3 W -CH
1
CH 2
1
1
H3 W -CH
1
coo-
coo-
1
H3 W - CH
= pK,
~
..----
1
:r:
a.
CH 2
1
CH 2
1
coo-
2
+ pKR = 3 22
2
.
OW (equivalentes)
(b)
COOH
1
H3 W -CH
1
:r:
a.
~
CH 2
H
e --N\
1
11
CH
C - Ñ~
H
H
I
P
= pKR+ pK2 = 7 59
2
.
OW (equivalentes)
Figura 4-6. Curva de titulación de un aminoácido con cadena lateral ácida (Glu) y un aminoácido con cadena lateral básica (His). (a) En
el Glu se pasa gradualmente de la forma totalmente protonada con carga positiva a la forma totalmente desprotonada con carga -2. (b) En la His,
se parte de la forma con carga neta 2 a la forma con carga - 1. En ambos casos el pi se obtiene como la media de los valores de pK, en los equilibrios en los que participa el ión dipolar.
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
lución. Este efecto se conoce como efecto tamponante (véase capítulo 1) y tiene
importantes consecuencias biológicas. Como se deduce de los datos aportados
en la tabla 4-1, en la que se muestran los valores de pK,. y pi de los aminoácidos,
sólo la His (con el pK,. de su cadena lateral de 6) puede actuar como tampón a
un valor de pH cercano al pH fisiológico. Un ejemplo de este poder tamponante se produce en la hemoglobina. En esta proteína, los protones liberados durante el metabolismo celular se unen a un residuo de His evitando una disminución
del pH y cambiando, además, su afinidad por el oxígeno. El proceso completo
se explica con más detalle en el capítulo siguiente.
63
1
El va lor del pK. puede variar con el entorno químico de la molécula
Si comparamos los valores de pK,. de los grupos COOH y NH; de la glicina con
el de moléculas similares como el ácido acético y la metil amina podemos observar lo siguiente (Fig. 4-7):
En el primer caso, el valor del pK,. del grupo carboxilo de la glicina (2,34) es
m ucho más bajo que el del ácido acético (4,8) , lo que significa que se ioniza más
fácilmente. Esto se debe a dos factores. Por un lado a que la carga positiva del
grupo NH; del aminoácido ayuda a que se libere el protón del grupo - COOH
por un efecto de repulsión de cargas. Además, la aparición de una carga negativa
en la molécula tiene un efecto estabilizante ya que compensa la carga positiva
del grupo amino protonado.
En el segundo caso, el valor del pK,. del grupo NH; (9,6) también es menor
que el de la metilamina (10,6) . En este caso se debe al efecto de atracción de los
electrones por parte del oxígeno, más electronegativo, que hace que sea más fácil
la pérdida del protón. Este comportamiento explica que sea muy difícil dar un
-
pK,
pK2
(-COOH)
(-NH;)
Gly
2,34
9,6
5,97
Ala
2,34
9,69
6,01
Val
2,32
9,62
5,97
Le u
2,36
9,60
5,98
lle
2,36
9,68
6,02
Met
2,28
9,21
5,74
Cys
1,96
10,28
Ph e
1,83
9,13
5,48
Trp
2,38
9,39
5,89
Pro
1,99
10,96
6,48
Ser
2,21
9,15
5,68
Thr
2,11
9,62
5,87
Asn
2,02
8,80
5,41
Gln
2,17
9,13
5,65
Tyr
2,20
9,11
10,07
5,66
Asp
1,88
9,60
3,65
2,77
Glu
2,19
9,67
4,25
3,22
Lys
2,18
8,95
10,53
9,74
Arg
2,17
9,04
12,48
10,76
His
1,82
9,17
Aminoácido
aa
a polares
aa
polares
sin carga
aa
polares
con carga
pKR
(cadena lateral)
8,18
6
pi
(punto isoeléctrico)
5,07
7,59
-
.
c:fEl
pK. de un grupo funcional
concreto está muy influenciado por
las características químicas de los
grupos funcionales próximos presentes en la molécula.
64
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
2
H
H'
1~
.
+
H'
eH -eOOH __j____,. eH - eoo3
12
10
8
1 3
eH 3- WH 3
eH3-NH2
H'
1
Ácido acético pK, (-eOOH) = 4,8
Figura 4-7. Efecto del entorno químico en
el valor del pK•• La comparación de los valores de pK, de moléculas semejantes permite comprobar la variación que se produce
debido a la presencia de grupos funcionales
próximos. Efectos de este tipo se pueden
producir en los centros activos de ciertas
enzimas.
WH
1
Metil amina pK, (-N•H3)
NH 2
WH
3
1
13
1
H-e- eoo-
H-e-eOOH
1
1
H
H
Glicina pK, (-eOOH) = 2,34
= 10,6
H-e- eoo-
~
1
Glicina pK, (- N'H 3)
= 9,6
valor concreto de pi(, de un grupo funcional, _ya que su valor puede variar dependiendo de las características de los grupos funcionales que le rodean en la
molécula.
Este hecho tiene una gran importancia para explicar cómo se producen las
reacciones químicas en un entorno concreto en el caso del centro activo de las
enzimas (véase capítulo 8).
Comportamiento ácido-base de las cadenas laterales
Las cadenas laterales de ciertos aminoácidos también poseen grupos funcionales
con carácter ácido o básico. Estos aminoácidos son: Lys, Arg, His, Asp, Glu,
Cys y Tyr. Como puede verse en la figura 4-8 el estado de ionización de estas
moléculas y, por tanto, su carácter ácido o básico, va a depender del valor de su
pi(,. A pH fisiológico, todos se encontrarán en su forma ácida, excepto la His.
Este aminoácido, por tener un pi(, próximo al fisiológico , sólo se encontrará ionizado en un cierto porcentaje, por lo que coexisten grupos en su forma ácida
con grupos en su forma básica.
El grupo sulfhidrilo de la Cys y el grupo fenol de la T yr sólo se encuentran
ionizados en condiciones muy alcalinas, como se deduce de los valores de su pi(,.
AMINOÁCIDO
Lisina (Lys)
Arginina (Arg)
Forma ácida
Forma básica
- WH 3
Amonio
-NH-e= WH
1
~
------"
,..-----
2
\
-"" WH
e "'
H
------"
,..-----
lmidazolio
Figura 4-8. Valores aproximados de pK.
de Las cadenas Laterales ionizables. Los
aminoácidos ácidos (Asp, Glu), los básicos
(Lys, Arg e His) y la Tyr y la eys pueden presentar carga a determinados valores de pH.
Debido a la influencia del entorno molecular
se aportan intervalos entre los que puede
variar el valor, dependiendo de las condiciones concretas.
-SH
11 ,5- 12,5
-Q-oH
-eOOH
Ácido carboxílico
-e=eH
1
\
HN , -"'N
e"'
H
+W
6,0- 7,0
- s-
+W
8,0- 9,0
+W
9,5 - 10,5
+ H+
3,0 - 5,5
Tiolato
------"
,..-----
Fenol
Aspártico (Asp)
Glutámico (Glu)
+W
lmidazol
------"
,..-----
Tiol
Tirosina (Tyr)
-NH-e=NH
NH 2
Guanidino
-e=eH
eisteína (eys)
7,6- 10,6
1
NH 2
1
HN,
+ H+
Ami na
Guanidinio
Histidina (His)
-NH 2
Rango de pK.
aproximado
- Q - oFenolato
------"
,..-----
- eooCarboxilato
CAPÍTULO 4 . AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
Igual que ocurre con otras propiedades, el comportamiento ácido-base de
las proteínas va a estar condicionado por los grupos ionizables de las cadenas
laterales.
La importancia biológica de estos grupos funcionales radica en su posibilidad
de participar en las reacciones enzimáticas mediante dos procesos diferentes. En
primer lugar, estos aminoácidos pueden actuar como aceptores o dadores de
protones en cien~~ reacciones químicas. Adeii_Iás, los ácid~s. pueden actu~r como
reactivos nucleoHhcos y las bases como reactivos electroflltcos en reaccwnes de
ruptura y formación de enlaces. Por este motivo estos aminoácidos se encuentran con frecuencia en los centros activos de numerosas enzimas, como se verá
en el capítulo 8.
65
c JLos aminoácidos con cadenas
laterales con carácter ácido o básico
desempeñan un papel fundamental
en la catálisis enzimática.
7""---
Las propiedades de las cadenas laterales determinan
las interacciones no covalentes
El análisis de las características estructurales y la presencia de ciertos grupos funcionales permiten entender las relaciones que se pueden establecer entre distintas partes de la misma molécula o entre la proteína y otras moléculas.
Hidrofobicidad
Como puede observarse en la figura 4-2, muchos aminoácidos presentan una
cadena lateral totalmente apolar. Teniendo en cuenta que las proteínas suelen
encontrarse en un entorno acuoso, las cadenas laterales apolares tienden a agruparse como consecuencia del fenómeno de repulsión definido como efecto hidrofó bico (véase capítulo 1) plegándose en una estructura tridimensional en la
que suelen quedar formando un núcleo hidrofóbico (Fig. 4-9a).
Fuerzas de Van der Waals
En las cadenas laterales de los aminoácidos apolares se pueden crear dipolos instantáneos que pueden crear fuerzas de atracción intermoleculares muy débiles
pero que, en conjunto, pueden tener un efecto importante en la determinación
de la estructura tridimensional de las proteínas (Fig. 4-9b).
ácido glutamínico
valina
\
Núcleo hidrofóbíco
Puente de
hidrógeno
con agua
(a) Efecto hidrofóbico
lisina
(b) Van der Waals
(e) Interacciones electrostáticas
Figura 4-9. Interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de los aminoácidos. (a) En un entorno acuoso, los aminoácidos con cadena lateral apolar se concentran en la zona central formando un núcleo hidrofóbico. (b) A una determinada distancia, se pueden crear dipolos
tem porales entre los átomos de estas cadenas apolares que hacen que se establezcan otro tipo de interacciones no covalente: las fuerzas de Van
de r Waals. (e) Las cadenas laterales ionizables pueden presentar carga a pH fisiológico. Esto permite que se establezcan fuerzas de atracción electrostática entre grupos funcionales con carga opuesta y fuerzas de repulsión entre grupos con la misma carga.
66
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA ·CÉLULA
~~:nt8: derd~~~
~0-H IIIIIIIIII ~Q~
H
Tyr
Donador de H
Tyr
Aceptor de H
Figura 4-10. Puentes de hidrógeno en la
Tyr. Los puentes de hidrógeno son muy habituales entre los átomos de ciertas cadenas
laterales. La Tyr puede participar en la formación de estos puentes de hidrógeno actuando como donador o como aceptor del
átomo de hidrógeno.
Formación de pu entes de hidrógeno
Algunas cadenas laterales pueden formar interacciones no covalentes de este tipo
pudiendo actuar como donadores. o como aceptares de hidrógeno. En el primer
caso se encuentran las cadenas laterales de los aminoácidos Ser, Tyr, Thr, Trp,
Gln, Asn, His y Cys. En todos los casos, existe un átomo de hidrógeno unido a
un átomo más electronegativo que hace que se cree una densidad de carga positiva en el átomo de hidrógeno. A un pH bajo, las cadenas de Asp y Glu estarán
protonadas y también pueden actuar como donadores de H.
Las cadenas laterales que poseen grupos funcionales con átomos con densidad de carga negativa que pueden actuar como aceptares en la formación de
puentes de hidrógeno son: Tyr, Glu, Asp, Ser, Thr, Asn, Gln, His y, en ocasiones, la Cys.
Como puede observarse en la figura 4-1 O, .las cadenas laterales de algunos
aminoácidos pueden actuar como donadores y como aceptares.
Interacciones electrostáticas
c:!Las interacciones no covalentes
determinan la estructura tridimensional de las cadenas polipeptídicas y
pueden ser modificadas por cambios
en el medio.
Las cadenas laterales de algunos aminoácidos presentan grupos funcionales con
carácter ácido o básico que, como consecuencia, pueden estar ionizados a determinados valores de pH. Las cadenas laterales de Lys, Arg e His puederi presentar
carga positiva y las de Glu y Asp carga negativa. Dado que cargas de signos opuestos se atraen, se pueden crear interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de estos aminoácidos que, por su semejanza a las interacciones iónicas que se
dan en las sales, se denominan con frecuencia puentes salinos (véase Fig. 4-9c).
Estas interacciones también se dan entre proteínas (con cadenas laterales con
carga positiva) y el DNA (con las cargas negativas de los grupos fosfato).
Como se deduce del comportamiento de los grupos funcionales de este tipo
de residuos, estas interacciones pueden verse alteradas por modificaciones del
pH y por la adición de sales.
Unión de elementos metálicos
c:!Las cadenas laterales de aminoácidos como la His pueden formar
enlaces covalentes coordinados con
cationes metálicos.
coa-
coa-
His E7
Distal
Figura 4-11 . Unión de un átomo de hierro
en la molécula de oxihemoglobina. La
unión se establece por la formación de una
entidad de coordinación en la que participan
átomos del grupo prostético y de las cadenas laterales de dos residuos de His de la
proteína.
· · cov· al ente a protemas
•
d e cationes
·
d.tva1entes (M g 2+, ea2+, z n 2+) y al guLa umon
nos metales de transición (Fe, Cu, Ni, etc.) es relativamente frecuente en muchas enzimas y en otras· proteínas como la hemoglobina. La unión de estos elementos metálicos tiene una gran importancia en la función de la proteína, permitiendo, en algunas ocasiones, su participación dire<;ta en ciertas reacciones
químicas o, simplemente, esta,bilizando su estructura t{fffi mensional. Estos metalés se unen formando entid'á.des de coordinación, que están compuestas por
un átomo central (en este caso el metal) que se encuentra unido a un conjunto
de átomos denominados ligandos. Estos complejos se 'forman con las cadenas
laterales de aminoácidos como His, Tyr, Cys, Met, Asp y Glu~ En el grupo
hemo de la hemoglobina en la unión al Fe 2+ participan, tanto átomos del grupo
hemo como aminoácidos de la proteína formando un total de seis enlaces. Como
se observa en la figura 4-11, el Fe 2+ establece cuatro de sus enlaces con los átomos de N del anillo de porfirina del grupo hemo. El quinto enlace se forma con
el N del grupo imidazol de una histidina (denominada His proximal). El sexto
sólo se forma cuando la molécula fija una molécula de 0 2 , que se sitúa entre el
,
·
Fe 2+ y la cadena lateral de otra His (His distal) .'
La incorporación de estos elementos metálicos aumenta las posibilidades de
las proteínas para participar en ciertas reacciones, como ocurre en las reacciones
de transferencia de electrones.
Los aminoácidos con cadenas laterales ionizables también pueden establecer
interacciones con elementos metálicos pero, en este caso, mediante interacciones
no covalentes iónicas. Un ejemplo sería la fijación de Ca2+ en las proteínas con
residuos de Asp y Glu. .
2
Otra muestra de interacción de proteínas con Ca + se da en un tipo de proteínas de adhesión entre células: las cadherinas. Estas proteínas poseen una por2
ción extra,¡::el~lar con cinco dominios. La unión del Ca + en lugares e\ pecíficos
. de estos dominios le confiere a la proteína la rigidez necesaria para realizar su
función.
67
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
coo-
Las cadenas laterales pueden establecer enlaces covalentes
.
Ciertos residuos tienen en su cadena lateral grupos funcionales que permiten la
fo rmación de enlaces covalentes que pueden establecerse entre dos aminoácidos
o entre ciertos aminoácidos y grupos funcionales de otras moléculas.
coo-
1
WH -C-H
3
1
N+H -C-H
1
3
CH,
SH
1
-2 H
_______,
+
SH
D os residuos de Cys pueden unirse covalentemente mediante la formación de
un enlace disulfuro mediante un proceso de oxidación (Fig. 4-12). Este tipo de
entrecruzamiento se puede dar entre dos Cys de la misma proteína (intracatenarios) o entre dos Cys de cadenas diferentes (intercatenarios).
La reacción requiere un ambiente oxidante, por lo que estos enlaces no son
habituales en las proteínas intracelulares que se encuentran en el ambiente reductor del citosol. Sin embargo, estos enlaces son frecuentes en las proteínas
extracelulares que son secretadas por las células. En los organismos eucariotas, la
formación de estos enlaces se produce en ellumen del retículo endoplásmico, el
primer compartimento de la vía secretoria.
Estos enlaces estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas, que se
mantiene gracias a· las interacciones no covalentes, haciéndolas menos susceptibles a la degradación. En algunas proteínas que están formadas por varias unidades existen puentes disulfuro intercatenarios que mantienen unidas las distintas
cadenas. La molécula de inmunoglobulina G sirve como ejemplo (Fig. 4-13).
CH 2
S
1
S
1
CH 2
1
1
1
H-C-NW
1
.
CH 2
1
Formación de puentes disulfuro
1
3
eoodos cisteínas
medio reductor
H-C-NW
1
3
coouna cistina
medio oxidativo
Figura 4-12. Formación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de
dos residuos de Cys. Los grupos sulfhidrilo
de dos moléculas de Cys, en condiciones
oxidativas reaccionan formando un enlace
covalente denominado puente disulfuro. La
unión de dos Cys da lugar a una molécula
denominada cistina.
Fosforilación
Las cadenas laterales de los aminoácidos Ser, Thr y Tyr pueden sufrir un proceso de fosforilación por la unión a su grupo hidroxilo (-OH) de una molécula
de fosfato inorgánico (PJ En la naturaleza la formación de este tipo de enlaces
está catalizada por una clase de enzimas denominadas quinasas. La fosforilación
es reversible y el grupo fosfato es eliminado gracias a la acción de otra clase de
enzimas: las fosfatasas.
La fosforilación de proteínas es un proceso que tiene un papel destacado en
m uchos procesos biológicos siendo un medio muy común de regulación de la
actividad proteica. La introducción de un grupo fosfato con carga negativa hace
que se produzcan cambios conformacionales en la proteína, que tienen como
consecuencia una modificación en su actividad. En el caso
de las enzimas, la fosforilación puede hacer que se pase de
una forma activa a una, inactiva o viceversa. El que se adicion en o se escindan ·grupos fosfato se produce con frecuencia como respuesta a señales específicas.
c:f
Numerosas proteínas cambian
su actividad debido a un cambio de
conformación producido por un
proceso de unión o escisión de un
grupo fosfato.
Glucosilación
En las células eucariotas los azúcares se pueden unir de form a covalente a las proteínas mediante la formación de un
enlace o-glucosídico, si el carbono anomérico del azúcar
reacciona con el grupo hidroxilo de una Ser o una Thr.
También se puede formar un enlace N-glucosídico si la
unión se realiza con el grupo amino de la cadena lateral de
la Asn (Fig. 4-14) .
La estereoquímica de las cadenas laterales es
fu ndamental para comprender la estructura
tridimensional de las proteínas
Además de las características químicas discutidas en los
apartados anteriores, la geometría y distribución espacial de
los enlaces de los átomos que forman las cadenas laterales
también va tener una gran importancia ·a la hora de determinar el plegamiento de las proteínas y sus relaciones con
otras moléculas. El tamaño y la forma de las cadenas latera-
Cadenas pesadas
Figura 4-13. Puentes disulfÚro en la inmunoglobulina G (lgG).
La -molécula de · lgG presenta puentes disulfuro de dos tipos. Los
intracatenarios 'se establecen entre residuos de Cys de la misma
cadena (en azul) y los intercatenarios entre residuos de Cys· de las
dos cadenas diferentes (en rojo) .
68
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
CHPH
H
NH,
1
0-CH,- C-COOH
1
HO
H
H
NH
1
C=O
1
CH 3
o-glucosídico con Ser
les condiciona el tipo de interacciones que pueden darse con otros grupos funcionales, teniendo en cuenta sus radios de Van der Waals. En las cadenas alifáticas, la superficie de la cadena lateral que queda expuesta hacia el exterior va a
influir sobre la hidrofobicidad general del residuo. En situaciones de gran proximidad en la estructura tridimensional, el tamaño de la cadena lateral puede
condicionar la situación de los residuos en la secuencia de aminoácidos, como
ocurre en las cadenas a del colágeno con los residuos de Gly (véase capítulo 5).
Los átomos de cualquier cadena lateral más larga que la Ala tienen la posibilidad de disponerse en el espacio adoptando diferentes posiciones relativas o
conformaciones debido a las posibilidades de rotación de los enlaces: alterna y
alineada. Se ha podido comprobar que la disposición alterna es la más favorable
desde el punto de vista energético. En esta conformación, los sustituyentes de
un átomo de carbono se sitúan en la posición que dejan los del átomo siguiente, como puede verse si se observa la molécula a lo largo del eje de rotación
(Fig. 4-15).
Modificaciones químicas de los aminoácidos en las proteínas
Figura 4-14. Unión covalente de hidratos
de carbono mediante enlaces o-glucosídico y N-glucosídico. Unión de un monosacárido a un residuo de Ser (podría se también
a un residuo de Thr) mediante un enlace
o-glucosídico. El enlace N-glucosídico se establece con el grupo amido de la Asn.
Además de los veinte aminoácidos determinados por el código genético, existen
otros aminoácidos que sufren modificaciones después de estar incorporados en
la cadena polipeptídica. Estos aminoácidos "no estándares" a veces tienen un
papel biológico importante.
En la molécula de colágeno existen dos de estos aminoácidos: la 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina (Fig. 4-16). En ambos casos la modificación consiste en la adición de un grupo hidroxilo y cada reacción esta catalizada por una
enzima específica. Existen cambios más complejos como la formación de desmosina en la elastina a partir de cuatro residuos de Lys (Fig. 4-16).
Algunos aminoácidos de las proteínas que forman complejos con los ácidos
nucleicos también están modificados. Las proteínas de los cromosomas, las histonas, pueden tener grupos metilo, acetilo o fosfato específicos.
El ácido y-carboxiglutámico, producido por una modificación postraduccional dependiente de vitamina K, se encuentra en la protrombina, una de las proteínas que intervienen en la coagulación de la sangre, y en otros factores de
coagulación. Con dos grupos carboxilo, tiene una gran capacidad para fijar cationes Ca2+.
Aminoácidos no presentes en las proteínas
Además de su papel como componentes estructurales de las proteínas existen
otros aminoácidos que cumplen otras importantes funciones biológicas. Es frecuente que algunos compuestos derivados de aminoácidos funcionen como
mensajeros químicos. Un ejemplo de esta función son los neurotransmisores
como el GABA (ácido y-aminobutírico), que se produce por la descarboxilación
del gluramato y es un neurotransmisor con función inhibitoria. El receptor del
GABA es un blanco frecuente de fármacos que reducen la ansiedad como los
barbitúricos. La dopamina, un. derivado de la Tyr, es un neurotransmisor rela-
(a)
Alineada
Alterna
Figura 4-15. Estabilidad de las conformaciones alineadas y alternadas. La disposición alternada es energéticamente más favorable que la alineada, debido a los efectos estéricos que se crean en la última por la mayor proximi dad de sus átomos. (a) Vista de la molécula de etano a lo
largo del eje C-C. (b) Diferentes conformaciones de la Val. La primera conformación alternada (b) es más favorable que las mostradas en (e) y (d),
porque los dos grupos metilo (más voluminosos) unidos al carbono ~ se encuentran más cerca del átomo de hidrógeno unido al carbono a .
CAP ÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
69
N'H,
H,c "" ' cH-coo-
donado con la enfermedad de Parkinson que también se utiliza como fármaco
en el sistema periférico para aumentar la frecuencia cardiaca y producir dilatación de los vasos sa.n guíneos renales.
'
12
HC-CH
1
OH
4-Hidroxiprolina
Q
El ENLACE PEPTÍDICO
OH
N'H 3
1
El enlace peptídico es la unidad primaria estructural de las cadenas polipeptídicas. Los aminoácidos se unen en secuencias lineales durante la síntesis de
proteínas mediante una reacción de condensación entre el grupo carboxilo de
un aminoácido y el grupo amino del siguiente, que produce la formación de
un enlace amida (Fig. 4-17). Los aminoácidos incorporados en la cadena polipeptídica se denominan residuos por la pérdida de agua que se produce en la
reacción.
Como consecuencia de este proceso sólo el grupo amino del primer aminoácido (grupo amino terminal) y el grupo carboxilo del último (carboxilo terminal) tienen capacidad de ionización. También pueden ionizarse las cadenas laterales de los aminoácidos ácidos y básicos ya que éstas no participan en· la formación del enlace peptídico. Por tanto, dependiendo de su secuencia concreta,
cada polipéptido tendrá una curva de titulación característica y un punto isoeléctrico determinado. Es importante conocer la carga de un polipéptido a un
determinado valor de pH porque permite predecir el tipo de interacciones que
pueden darse, dentro de la misma cadena o con otras moléculas. Como ya se ha
comentado un mismo grupo funcional puede tener mayor o menor tendencia a
ionizarse dependiendo del entorno molecular. Esto hace que los valores de p.K.;
de los grupos laterales sólo sirvan de referencia para saber el intervalo de pH en
el que se produce la ionización en el péptido, pero el valor exacto no puede conocerse (Recuadro 4-1).
Características estructurales
Es importante analizar la estructura del enlace peptídico para poder comprender las restricciones estructurales de las cadenas polipeptídicas que van a condicionar la distribución en el espacio de los átomos (conformación) de las proteínas. Los estudios de difracción de rayos X realizados por Linus Pauling y Robert
Carey, demostraron que el enlace peptídico tiene una estructura plana y rígida
(Fig. 4-18). Esto se debe a que existe un fenómeno de resonancia de los electrones del grupo carbonilo entre los tres átomos del enlace O-C- N que hace que
el enlace C- N tenga un cierto carácter de doble enlace que no permite la rotación sobre su eje.
La limitación del giro del enlace C- N hace que sólo existan dos posibles
configuraciones alrededor de este enlace: cis, con- el átomo de H y el grupo carbonilo en el mismo lado del eje, y trans, con ambos átomos en posiciones alternas. La posición transes la que se da de forma mayoritaria en las proteínas, ya
que la forma cis presenta mayores restricciones estéricas (Fig. 4-19). Un ejemplo de configuración cis se da en la molécula de colágeno. En los enlaces peptídicos en los que participa la Pro se pueden dar las dos configuraciones, ya que
debido a su estructura cíclica, ambas configuraciones son bastante inestables
(véase Fig. 4-20).
Sin embargo, sí existe posibilidad de rotación alrededor de los enlaces N- Ca
y Ca- C. Por tanto, el esqueleto de la cadena puede considerarse como una sucesión de unidades planas que comparten un punto de giro alrededor del carbono a, de forma que cada carbono a, excepto el primero y el último, pertenece a
dos de estas unidades (véase Fig. 4-18). Teniendo en cuenta esta estructura, podemos ver que las cadenas laterales quedan excluidas de la unidad.
La conformación del polipéptido dependerá de los ángulos de torsión que se
adopten alrededor de este punto. Aunque el enlace permita el giro, hay que ten er en cuenta que no todas las posiciones son posibles debido a las restricciones
estéricas de los átomos del esqueleto polipeptídico y de las cadenas laterales concretas de cada aminoácido . Las conformaciones prohibidas serán aquellas en las
que se produzcan colisiones entre los átomos de las cadenas laterales y los de la
1
N+H3 -CH, -CH-CH, -CH,- C-H
1
coo5-Hidroxilisina
~
CH,
(CH
1
1
2) 3
H 2 C~~/CH,
6;~
<~H) e~
~
Desmosina cross-link
Figura 4-16. Modificaciones postraduccionales. Existen modificaciones posteriores al
proceso de traducción como la adición de
un grupo hidroxilo en el caso de la 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina, dos aminoácidos que se encuentran en la molécula de
colágeno . Se pueden formar estructuras
complejas por la formación de enlaces cavalentes de residuos modificados, como ocurre
en el caso de la desmosina, un enlace cavalente entre cuatro residuos de Lys que se
habían oxidado previamente para dar residuos de alisina.
O las longitudes y los ángulos de
enlace de los átomos que componen
el enlace peptídico son muy semejantes en todas las unidades de todas
las proteínas.
R,
H R2
1
1
1
H N• - cH - C- OH + H-N-CH-C003
11
o
Figura 4-17. Formación del enlace peptídico. El grupo carboxilo d~ un aminoácido
forma un enlace covalente amida con el grupo amino de otro aminoácido mediante una
reacción de condensación.
J
70
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 4-1. Variación del estado de ionización de un péptido a diferentes valores de pH
En la figura (a) se muestra el estado
de ionización a pH 7, en el que los
grupos ácidos se encuentran ionizados (el pH es superior a su pK,) y
presentan carga negativa y los grupos básicos se encuentran protonados (el pH es inferior a su pK,) y se
encuentran con carga positiva. En la
figura (b), a pH ácido, todos los
grupos funcionales están protonados. Los grupos ácidos no presentan
carga y los grupos básicos presentan
carga positiva. En la figura (e), a pH
básico los grupos ácidos están ionizados y los básicos han perdido su
protón (a un pH por encima de su
pK,). La consecuencia de esta variación en el estado de ionización de
la molécula a distintos valores de
pH es el cambio en su carga neta.
Secuencia abreviada
amida
(enlace peptídico)
~
11
Asp-Lys-Gln-His-Cys-Arg-Phe
(código de tres letras)
DKQHCRF
(código de 1 letra)
1
Carbono a
o
o
11
11
o
11
o
11
o
11
l
..
ó
o
11
H~
-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH- C-~
3
1
CH 2
r
¿=O
1_
O
Asp
N-terminal
(izda.)
Hl
CH 2
¿H2
1
CH 2
1
CH 2
Hl
CH 2
Hl
CH 2
¿H2
1
C=O
1
NH 2
1
~H
3
Gln
1
~
e--\
ll
CH
e - N+/;
Hl
CH 2
~H
Cys
H H
His
Hl
CH 2
Hl
CH 2
¿H2
1
CH 2
1
NH
1
~
Phe
1
C = ~H
1
~s
2
N~
e-terminal
(dcha.)
Arg
(a) Estado de ionización a pH 7. Carga neta +2
o
o
o
o
o
o
o
11
11
11
11
11
11
11
HN+
-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C
N-CH
C-OH
3
1
Hl
H l
Hl
Hl
Hl
Hl
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
r
¿=O
1
OH
Asp
N-terminal
¿H2
1
CH 2
1
CH 2
¿H2
1
C=O
1
NH 2
~H
Gln
1
3
1
H
e .-N\
ll
CH
e - N+/;
~H
Cys
H H
His
ó
¿H2
1
CH 2
1
NH
~
Phe
1
C=~H
1
Lys
1
7
2
NH 2
e-terminal
Arg
(b) Estado de ionización a pH ácido. Carga neta +4
o
o
o
o
o
o
o
11
11
11
11
11
11
11
HN-CH-C-N-CH-C-N-CH-C - N-CH-C-N - CH - C-N-CH-C-N-CH- c-o2
1
Hl
H l
Hl
H l
Hl
Hl
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
1
¿=O
1
o-
Asp
N-terminal
¿H2
1
CH 2
1
TH 2
NH 2
¿H2
1
C=O
1
NH2
Gln
1
H
N
C..- \
11
_lH
~H
Cys
~ - Nv
His
~
(e) Estado de ionización a pH básico. Carga neta -2
~El comportamiento ácido-base y
la carga neta de las proteínas va a
estar determinado por el estado de
los grupos amino y carboxilo terminales y por el de los grupos de las
cadenas laterales ionizables.
¿H2
1
CH 2
1
~H
ó
7
1
~
Phe
C= NH
1
N~
e-terminal
Arg
cadena principal. La Gly, con un único átomo de hidrógeno como cadena lateral, tendrá mayores posibilidades de giro que aquellos que tienen cadenas laterales m ás voluminosas. Por ello, la presencia de Gly en la secuencia de una proteína permit!rá un mayor número de conformaciones posibles.
El enlace peptídico permite la formación de
puentes de hidrógeno
Si analizamos la electronegatividad de los átomos que componen el enlace peprídico podemos observar que se trata de una estructura polar y, por tanto , hidrofílica. Además, sus componentes pueden formar enlaces de puente de hidrógeno
ya que posee un grupo carbonilo con una densidad de carga negativa que puede
actuar como aceptor, y un hidrógeno que puede actuar como donador, al estar
71
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
~Plano
amida
-
Figura 4-18. Estructura del enlace peptídico. Los átomos del enlace peptídico se disponen en un plano, debido a la imposibilidad de rotación del
enlace C- N. Este enlace posee un cierto carácter de doble enlace, efecto debido a un fenómeno de resonancia. Si existe posibilidad de giro en el
enlace entre los átomos C~ y N (ángulo <j>) y en el que se da entre los átomos C~ - C (\ji).
R ..,,,1" a~H
H
; c'c/j - NQ
o H ··'' '"
R·····t/'Cf RC.., OH
11
/
C=O
1
R
Configuración trans
Configuración cis
Configuración trans
Figura 4-19. Configuración cis y trans del enlace peptídico. La imposibilidad de rotación del enlace peptídico hace que existan dos posibles configuraciones: cis (con los átomos de H y O en el mismo lado) y trans (con los átomos de H y O en lados opuestos. Excepto en el caso de la prolina, esta configuración trans es la más estable.
O
'tt.
\
'
C- N
/j
o
Configuración cis
Figura 4-20. Enlace peptídico en La Pro. Configuración cis y trans. En el caso de la prolina, debido a su estructura cíclica, en las dos configuraciones el grupo a-imino muestra interacciones desfavorables con el carbono a del aminoácido
adyacente.
unido al N, más electronegativo (Fig. 4-21). La excepción se produce otra vez
cuando en el enlace participa una Pro que carece del átomo de H unido al N
(Fig. 4-20).
Péptidos de interés biológico
Existen algunos péptidos con importantes funciones en el organismo. La insulina, péptido formado por dos cadenas unidas por puentes disulfuro, desempeña
un importante papel en el metabolismo de los hidratos de carbono (véase capítulo 2). Este péptido se sintetiza como una molécula de una única cadena (denominada proinsulina) que se convierte en su forma activa mediante la hidrólisis de dos pequeños segmentos de dos aminoácidos. Las moléculas de insulina
de diferentes especies muestran pequeñas variaciones que revelan cuáles son los
residuos indispensables para su función biológica.
La vasopresina y la oxitocina, que actúan como hormonas y como neurotransmisores, son dos péptidos de nueve aminoácidos con una secuencia semejante (sólo se diferencian en dos aminoácidos). Ambos poseen dos Cys formando un puente disulfuro.
~ igura 4-21. Puentes de hidrógeno en el
enlace peptídico. El átomo de hidrógeno
un ido al N del enlace peptídico puede actuar
como dador para la formación de un puente
de hidrógeno con el grupo carbonilo otro
enlace peptídico (de la misma cadena proteica o de cadenas adyacentes).
72
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
f
g
~~ CONCEPTOS CLAVE
o
Los aminoácidos tienen en común la existencia de un carbono a al que se unen: un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y un radical o cadena lateral que los diferencia.
o
El carbono a es asimétrico en todos los aminoácidos menos en la Gly. La Thr y la lle tienen un carbono asimétrico
en su cadena lateral.
o
o
Las proteínas están constituidas por L-aminoácidos.
o
o
o
Las cadenas laterales de los aminoácidos pueden ser apelares, polares sin carga o pueden presentar carga a determinados valores de pH .
Los aminoácidos son sustancias anfóteras que pueden actuar como ácidos o como bases.
El estado de ionización de los aminoácidos se modifica en diferentes condiciones de pH.
A un valor de pH correspondiente al pK. de los grupos funcionales ionizables los aminoácidos tienen poder tamponante.
o
El pK. de un grupo funcional concreto está muy influenciado por las características químicas de los grupos funcionales próximos presentes en la molécula.
o
Las interacciones no covalentes determinan la estructura tridimensional de las cadenas polipeptídicas y pueden ser
modificadas por cambios en el medio.
O Las cadenas laterales de algunos aminoácidos pueden formar enlaces covalentes coordinados con cationes metáli-
cos y otras pueden establecer interacciones no covalentes electrostáticas.
o
Se pueden formar enlaces covalentes tipo disulfuro entre las cadenas laterales de dos Cys en condiciones oxidativas.
o
o
Los aminoácidos Ser, Thr y Tyr pueden formar enlaces ester con un grupo fosfato.
Los grupos hidroxilo de las cadenas laterales de Ser y Thr pueden formar enlaces o-gluc<;>sídicos con hidratos de
carbono y el grupo amino de la Asn forma enlaces N-glucosídicos con estos compuestos.
o
Algunos aminoácidos, como la hidroxiprolina y la hidroxilisina, sufren modificaciones covalentes después de estar
incorporados a una cadena proteica.
·
o
o
Los aminoácidos se unen med iante un enlace covalente tipo amida denominado enlace peptídico.
o
Las longitudes y los ángulos de en lace de los átomos que componen el enlace peptídico son muy semejantes en
todas las unidades de todas las proteínas.
El comportamiento ácido base y la carga neta de las proteínas va a estar determinado por el estado de los grupos
amino y carboxilo terminales y por el de los grupos de las cadenas laterales ionizables.
0 EJERCICIOS
La a -Quimotripsina (E.C. 3_4 _2 u ) es una enzima digestiva muy específica que rompe sólo los enlaces peptídicos en los que participa el grupo carboxilo de los aminoácidos aromáticos. Indique qué efecto tendría esta enzima sobre el siguiente péptido y los productos de la
reacción catalizada por esta enzima.
Lys-Ser-Tyr-Val-Phe-Lys-Cys
SOLUCIÓN
En cada enlace peptídico participa el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido que le sigue en la secuenci a concreta
del péptido o proteín a, siguiendo el siguiente esquema:
Aminoácido 1 Aminoácido 2
CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO
73
Por tanto, si se escribe la fórmula completa del péptido y se identifican los grupos carbonilo, que participa en el enlace peptídico, de los aminoácidos aromáticos presentes en el péptido (Phe, Tyr) y se señalan (flecha roja) los lugares donde se produce la hidrólisis catalizada por la a Quimotripsina.
o
3
1
H
1
1
CH,
1
+NH 3
OH
11
N - CH - C
1
N - CH - C
1
"ó
o
o
11
11
N-CH-C
1
(CH 2) 4
o
o
11
H N• -cH-C
1
1
H
1
t
11
N-CH-C
1
"6
CH 3
o
11
N-CH- C
1
l.
H (CI1 2) 4
t
1
+NH 3
N-CH-coo1
H
1
CH 2
1
SH
OH
Lys
Tyr
Ser
Val
Phe
Lys
Cys
Los productos de la reacción serán los siguientes péptidos:
Lys-Ser-Tyr
Lys-Cys
Vai-Phe
liD Señale las interacciones no covalentes que se pueden establecer 1111 Suponga que se hace pasar una disolución tamponada de pH 7
entre los aminoácidos Ser y Asn en disolución acuosa a pH 7,
realizando un esquema en el que se identifiquen los átomos
que participan en la interacción, su función concreta y el tipo
de fuerzas que lo mantienen.
IIIJI En el ejercicio anterior, ¿cambiarían las interacciones si la molécula se encuentra a pH 1,5?
11111 Calcule el estado de ionización y la carga del aminoácido Cys a
los siguientes valores de pH:
a)
pH= 1
b)
pH = 7
e)
pH
= 13
teniendo en cuenta que los valores de pk, de sus grupos funcionales son los siguientes:
0
pk,
- COOH = 1,96
pk,
- NH ~
pk,
-SH
= 10,28
= 8,18
con diferentes aminoácidos a través de una columna con un gel
de una sustancia que contiene numerosos grupos sulfato y se
recogen e identifican los aminoácidos al salir de la columna.
Si en la mezcla de aminoácidos se encuentran Lys, Val y Leu,
indique (de forma razonada) qué aminoácido tardará más en
salir de la columna
liD Tenemos dos soluciones A y B de aminoácidos que se diferencian por su capacidad de absorción de luz de longitud de onda
(A.) de 280 nm. Al medir la absorción en un espectrofotómetro
la solución A muestra una elevada absorción mientras que la
solución B no absorbe la lu ~' a esa ::1.. ¿A qué puede deberse esta
diferencia?
l!fJI A partir de la clasificación de la tabla 4-2 indique los aminoácidos que se pueden fosforilar y los que se pueden o-glucosilar,
realizando un esquema de los enlaces formados.
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
11111 Los grupos R de los aminoácidos Pro, Val y Leu:
a)
b)
e)
d)
Tienen
Tienen
Tienen
Tienen
grupos
grupos
grupos
grupos
cargados negativamente.
cargados positivamente.
polares.
no polares.
liD Indique cuáles de los siguientes grupos de aminoácidos son todos aromáticos:
a) His, Trp y Phe.
b) Tyr, Trp y Phe.
e) His, Phe y Pro.
d) His, Phe y Tyr.
&JI Indique cuáles son los dos aminoácidos que contienen azufre:
a)
b)
e)
d)
Cys y Ser.
Cys y Thr.
Met y Cys.
Thr y Met.
11111 La titulación de la valina con
pK,.
a)
b)
e)
NaOH revela la existencia de dos
La reacción que se produce al pK, (pK, = 9,62) es:
-COOH + OW ~ -coo- + H2 0
-COOH + -NH, ~ -coo- + -NH ~
-NH ~ + OW ~ -NH, + H20
liD Indique cuál será la cargá neta de un aminoácido con
un grupo
R neutro para un valor de pH por debajo de su pi:
a) Carga neta negativa.
b) Carga neta positiva.
e) Sin carga.
d) Es necesario conocer el valor exacto del pH para contestar
a esta pregunta.
III':JI A
pH 7, la conversión de una prolina en hidroxiprolina, ¿qué
efecto tendrá en l carga neta de la proteína que la contiene?
a) Se volverá máls negativa.
b) Se volverá más positiva.
e) La carga se quedará igual.
d) Depende de la concentración de sales en disolución.
l!fJI .Indique cuál de
las siguientes afirmaciones respecto a los aminoácidos "no estándares" que aparecen en las células es cierta:
a) La 5-hidroxilisina aparece en el colágeno.
b) El ácido y-carboxiglutámico aparece en la vitamina K.
e) La 4-hidroxiprolina forma parte de la protrombina.
d) Todas las anteriores son ciertas.
74
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
IIIJI Con respecto a las interacciones de las cadenas laterales de los
aminoácidos, indique cuál de las siguientes afirmaciones es
falsa :
a)
Dos residuos de Cys pueden unirse a través de un puente
disulfuro.
b) La cadena lateral de la Ala puede sufrir un proceso de
fosforilación .
e)
La Ser puede unirse a un azúcar a través de un· enlace
0-glucosídico.
d) La Asn puede unirse a un azúcar a través de un . enlace
N-glucosídico.
IEiiJII Con respecto al enlace peptídico, indique cuál de los siguientes
afirmaciones es falsa :
a) El enlace peptídico es un enlace amida.
b) La configuración trans es la más favorable .
e) En su formación se elimina una molécula de agua.
d) La cadena proteica gira por el enlace peptídico.
III!JI El péptido Gly-Ala-Thr-Ser-lle tiene:
a)
b)
e)
d)
Un puente disulfuro.
Cinco enlaces peptídicos.
Un grupo carboxilo libre.
Dos grupos amino libres.
\
PROTEÍNAS
o
CONTENIDOS
o
Introducción
o Niveles estructurales de las
proteínas
o
Principales funciones de las
proteínas
o
OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE
o
o
o
Reconocer los niveles estructurales de las proteínas.
Diferenciar las distintas estructuras secundarias.
Comprender los factores que determinan su estructura tridimensional.
o
Relacionar las características estructurales con la función de las proteínas.
o
Comprender cómo la estructura y la función se alteran ante cambios
en el entorno molecular.
o
Identificar las principales funciones de las proteínas.
El estudio detallado de la estructura tridimensional de las proteínas permite comprender la importancia de esta distribución
espacial en las numerosas funciones~de las proteínas, como son:
la función catalítica, que se analiza ·en el capítulo 8, la función
estructural se estudia en el tema de las membranas biológicas
(Capítulo 9) y otras funciones, tales como la recepción y transmisión de señales, que se estl.!_dian en el capítulo 1O.
En este capítulo, además, se analiza la estructura de una proteína fibrosa estructural, el colágeno, y de una proteína globular
multimérica que transporta oxígeno: la hemoglobina.
76
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0
K
K G G L V A
H
secuencia de aminoácidos
(a) Estructura primaria
Teniendo en cuenta las características estructurales de las cadenas polipeptídicas, vistas en el terna anterior, se podría suponer que existen numerosas disposiciones espaciales posibles para una secuencia de aminoácidos concreta. Esta
variabilidad podría darse, ya que existen numerosas posibilidades de ordenación
en el espacio de los átomos alrededor de aquellos enlaces que permiten movimientos de rotación. Sin embargo, se ha comprobado que cada proteína tiene
una estructura tridimensional característica que es indispensable para que desempeñe su función específica. Aunque esta distribución viene determinada por
su secuencia de aminoácidos, no es posible predecirla a partir de esta información, por lo que resulta necesaria la utilización de técnicas experimentales corno
la cristalografía de rayos X o la resonancia magnética nuclear.
La primera determinación de la estructura tridimensional de una proteína
fue la de la rnioglobina, y su complejidad estructural y su falta de simetría resultó una sorpresa para los investigadores que la resolvieron. Desde entonces se ha
determinado la estructura tridimensional de numerosas proteínas, lo que ha facilitado que se puedan entender algunos principios básicos sobre su estructura y
sobre la relación estructura-función, que, a su vez, han permitido encontrar relaciones entre proteínas diferentes.
0
asociación de subunidades
(d) Estructura cuaternaria
Figura S-1. Niveles estructurales de las
proteínas. (a) La secuencia de aminoácidos
(estructura primaria) determina las asociaciones en niveles de organización superiores.
(b) Un ejemplo de estructura secundaria: la
a hélice, se debe a las interacciones entre
aminoácidos próximos en la secuencia primaria. (e) La cadena con segmentos ordenados en diferentes estructuras secundarias se
puede plegar por la interacción entre residuos más alejados en la secuencia de aminoácidos produciendo una disposición tridimensional característica. (d) Varias cadenas
asociadas formando una unidad funcional en
las proteínas multiméricas.
INTRODUCCIÓN
NIVELES ESTRUCTURALES DE LAS PROTEÍNAS
En las condiciones celulares, las proteínas se encuentran en unas conformaciones
limitadas que son las más estables desde el punto de vista energético (menor
energía libre de Gibbs). Estas disposiciones espaciales, en las que son capaces de
desempeñar su función, se denominan conformaciones nativas y manifiestan los
cambios que se producen ante la unión de determinadas moléculas (corno, por
ejemplo, la unión de una enzima a un sustrato). La pérdida de esta estructura
tridimensional de la proteína que conlleva la pérdida de su función, se denomina
desnaturalización y no tiene por qué llegar a sq un desplegarniento completo.
En primer lugar, la estructura tridimensional de las proteínas está determinada por la identidad de los aminoácidos que la componen y por el orden concreto en que estos aminoácidos se disponen en la cadena, es decir, por su secuencia,
que determina su estructura primaria (Fig. 5-la). Algunas zonas de esta cadena
adquieren una disposición espacial concreta denominada estructura secundaria
(helicoidal, plegamiento ¡3, estructura al azar) que se debe a las interacciones entre los residuos próximos en la secuencia de aminoácidos (Fig. 5-l b). Estas estructuras regulares están caracterizadas por un valor concreto y repetido de sus
ángulos <j> y 'V· Esta estructura, a su vez puede plegarse en una disposición tridimensional conocida corno estructura terciaria en la que las interacciones se
pueden dar entre residuos que están alejados en la secuencia primaria y que se
encuentran en estructuras secundarias diferentes (Fig. 5-lc). Las interacciones
que mantienen la estructura secundaria y terciaria son no covalentes (puentes de
hidrógeno, electrostáticas, hidrofóbicas). En algunos puntos, la estructura terciaria puede estar estabilizada por la presencia de enlaces covalentes: los puentes
disulfuro.
Por último, existe la posibilidad de que varias cadenas proteicas o subunidades (que pueden ser iguales o diferentes) se asocien en complejos tridimensionales que componen la estructura cuaternaria de las proteínas (Fig. 5-ld). La
unidad de repetición estructural en estas proteínas rnultirnéricas (compuesta por
una cadena o por varias) se denomina protórnero (véase Fig. 5-13). Esta asociación de diversas unidades es esencial para la función de la proteína, corno se verá
más adelante en el ejemplo de la hemoglobina. Una proteína formada por dos
subunidades se denomina dímero; si lo está por tres, se llama trímero; etc. La
asociación entre subunidades está estabilizada por fuerzas de atracción no cavalentes y puede incluir uniones disulfuro covalentes entre las distintas subunidades, corno ocurre en moléculas .corno las inrnunoglobulinas (véase Fig. 4 .13).
Considerando los niveles de organización de las proteínas, éstas se suelen
clasificar en dos grandes grupos: globulares y fibrosas. Las primeras se caracterizan por tener una forma esférica, ser solubles en medios acuosos y presentar di-
CAPÍTULO S. PROTEÍNAS
ferentes estructuras secundarias en una misma molécula (Fig. 5-2a). Las proteínas fibrosas suelen presentar una única estructura secundaria, se disponen en
forma de largas hebras y son insolubles en agua (Fig. 5-2b).
U na vez establecidos los diferentes niveles de organización de las proteínas,
nos centraremos en el estudio de las principales causas que determinan esta disposición espacial característica y de las implicaciones que tiene la estructura en
la función de la molécula.
(a) La Lisozima (Globular)
O c ada proteína tiene una estructura tridimensional característica, indispensable para realizar su función.
Aunque está determinada por su secuencia de aminoácidos, para conocerla se necesitan técnicas de análisis
complementarias.
(b) El Colágeno (fibrosa)
O las interacciones débiles son las
principales fuerzas que mantienen la
estructura tridimensional de las proteínas, si bien dicho nivel de estructura puede estar estabilizado por
enlaces covalentes disulfuro.
Figura S-2. Proteínas globulares y fibrosas. (a) La enzima lisozima sirve de ejemplo
de proteína globular en la que se observan
diferentes estructuras secundarias en la misma molécula (a hélices, láminas ~ -representadas . por flechas-) (PDB 1ELI). (b) El
colágeno es una proteína fibrosa típica con
una única estructura secundaria: la cadena a .
En la molécula de colágeno, tres cadenas a
se agrupan formando una triple hélice.
cadena a
Los estudios de mutagénesis dirigida permiten estudiar
los residuos esenciales para su estructura y función
Gracias a las técnicas de DNA recombinante, actualmente es relativamente fácil
determinar la secuencia primaria de una proteína a partir de la secuencia de su
DNA . Pero hay que tener en cuenta que algunos datos, como la presencia de
puentes disulfuro o las modificaciones postraduccionales de algunos aminoácidos, sólo se pueden determinar a partir del análisis directo de la proteína en
estudio .
No todos los residuos de una proteína participan en igual medida en el mantenimiento de su estructura tridimensional y en su función biológica. Por tanto,
res ulta fundamental conocer cuáles son aquellos residuos más importantes. La
form a habitual de identificar un aminoácido concreto en una proteína es referirse a su posición dentro de ella, numerándolos en orden ascendente desde el extrem o N-terminal hasta el extremo C-terminal. Así, si nos referimos al residuo
Ser 530 de una proteína, estaremos indicando que el residuo número 530 de esa
proteína es una Ser. Una forma de estudiar aquellos residuos que son más importantes en estos aspectos, consiste en realizar experimentos de mutagénesis
dirigida mediante los cuales se sustituye un aminoácido concreto por otro. Habitualmente, en los estudios de este tipo la proteína sin modificar, o forma "salvaj e", se compara con la forma "mutante" o proteína modificada. En la forma
mutante, se habrá podido sustituir un aminoácido bien por otro de naturaleza
sem ejante (por ejemplo un Asp por un Glu), bien por otro de naturaleza totalmente distinta (Asp por Val). Comparando las consecuencias que tiene, tanto
en la estructura como en la función de la proteína, la sustitución de un aminoácido por otro, podemos deducir la importancia de ese aminoácido en el mantenimiento de la estructura tridimensional, en la función, o en ambos aspectos
(véase Recuadro 5-l).
77
j
'
.
78
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 5-1. La anemia falciforme: una enfermedad causada por la sustitución de un único aminoácido en la molécula de
hemoglobina
La anemia falciforme sirve de ejemplo para comprobar la importancia de la situación de
ciertos aminoácidos en la estructura y función de las proteínas. La enfermedad se produce
por una variación en un único aminoácido de las cadenas P de la hemoglobina, la proteína
encargada de transportar el oxígeno en la sangre (véase estructura en la figura 5-13). Una
mutación hace que el residuo Glu 6 de la hemoglobina normal sea sustituido por una Val
en los individuos enfermos. La sustitución de un aminoácido con carga negativa por uno
apolar produce un cambio en la conformación de la hemoglobina desoxigenada que hace
que las moléculas de hemoglobina defectuosa (hemoglobina 5) presenten una zona hidrofóbica en su superficie. Esto permite que se creen interacciones entre varias moléculas,
que se agregan formando fibras insolubles responsables de la deformación de los eritroci- ·
tos, que adquieren forma de hoz.
Hemoglobina A
(normal)
Hemoglobina S
(defectuosa)
Esta enfermedad es más frecuente en África que en otros continentes y la investigación
sobre la causa de esa elevada incidencia llevó a conocer que los individuos que la padecen
presentan una mayor resistencia a la malaria. La causa de esta resistencia se debe a la imposibilidad del parásito de reproducirse en los eritrocitos más frágiles de los individuos con
anemia falciforme.
Imagen de microscopio electrónico de
barrido que revela las diferencias
morfológicas entre un eritrocito normal y
alterado en una muestra de sangre de un
paciente con anemia falciforme. Por
cortesía de jan ice Haney Carr «>cDC/Sickle
Cell Foundation of Georgia.
c::fla secuencia concreta de aminoácidos de una proteína aporta información sobre su estructura molecular y su función. y además aporta
datos sobre su evolución.
Como cabría esperar, se ha observado que los aminoácidos más importantes
para una proteína concreta se mantienen invariables en las proteínas de especies
biológicas distintas que comparten un antepasado común (proteínas homólogas). Sin embargo, la selección natural sí permite que se mantengan proteínas
con mutaciones en aminoácidos que no son fundamentales para su estructura y
su función.
El interior de las proteínas es hidrofóbico
c::flas interacciones hidrofóbicas
tienen un papel muy importante en
la estabilización de la estructura tridimensional de las proteínas.
---
Como se ha mencionado, los primeros estudios que determinaron la estructura
tridimensional de una proteína se llevaron a cabo en la mioglobina, una proteína globular. Una de las primeras conclusiones fue que los residuos hidrofóbicos
de esta proteína se empaquetan densamente formando un núcleo central de naturaleza apolar, lo que parece lógico si se tiene en cuenta el comportamiento de
cualquier macromolécula en un entorno acuoso (Fig. 5-3a y b).
Desde el punto de vista energético, esta disposición es favorable ya que disminuye el número de moléculas de agua que interaccionan con la superficie de
la molécula (capa de solvatación) y se produce un aumento favorable de la entropía (Fig. 5-3b).
Como se ha visto en el capítulo 4, el esqueleto pepddico tiene n~turaleza
polar y resulta difícil explicar cómo se mantiene esta estructura polar en el núcleo hidrofóbico. El problema se soluciona porque se crean puentes de hidrógeno entre los átomos polares del enlace peprídico de los residuos que quedan en
CAPÍTULO S. PROTEÍNAS
79
(b)
(a)
~ y" ·
Interacciones
hidrofóbicas
..
aJ
+
Exclusión hidrofóbica
moléculas de
agua con mayor
libertad
menor superficie
en contacto con
moléculas de agua
Figura S-3. Núcleo hidrofóbico
en proteínas globulares e interacciones apelares en un entorno acuo~o. (a) Las cadenas
laterales de los aminoácidos se
agrupan formando un núcleo hidrofóbico. (b) Dos cadenas apelares no agrupadas están rodeadas por un mayor número de
moléculas de agua con las que
no pueden establecer interacciones. Si las cadenas laterales se
agrupan, se reduce el número de
moléculas que las rodean (situación energética favorable) .
el n úcleo hidrofóbico mediante la formación de estructuras secundarias regula- res (a hélice y lámina~), como se verá más adelante.
1'
Estructuras secundarias frecuentes en las proteínas
la a hélice se estabiliza por enlaces de puente de hidrógeno
intracatenarios de residuos próximos en la secuencia
Esta estructura secundaria fue propuesta por Linus Pauling y Roben Corey que
realizaron un modelo basado en el estudio de la disposición espacial más estable
y energéticamente favorable de los elementos de las cadenas polipepddicas. Se
trata de una estructura helicoidal con un enrollamiento dextrógiro (Fig. 5-4a).
Cada giro incluye 3,6 residuos por vuelta, lo que produce que los residuos que
están a una distancia de tres o cuatro residuos se encuentren espacialmente muy
(a)
(b)
Puentes de
hidrógeno
3,6 residuos
L
Figura S-4. Posibilidades de giro de una
hélice y estructura de la a hélice. (a) Posibilidades de giro en una hélice: dextrógira
a la derecha (D) y levógira a la izqu ierda (L).
(b) La a hélice es una· hélice dextrógira estabilizada por .puentes de hidrógeno intracatenarios entre el grupo -C=O y el grupo
- NH de dos enlaces peptídicos.
80
s·ECCtóÑ J. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
,,
(a)
S+
R
H
o
S(b)
Ami no termin9l
S+
SCarboxilo terminal
Figura 5-S. La polaridad del enlace peptídico y el dipolo en la a. hélice. El dipolo
eléctrico del enlace peptídico (a) se transmite a lo largo del eje de la hélice (b) a través
de los puentes de hidrógenos intracatenarios. dado que en los extremos quedan grupos amino y carboxilo no estabilizados por
este tipo de enlace (marcados en rojo).
c:fHay varios factores que pueden
desestabilizar la estructura de la a
hélice: la presencia de residuos concretos (Gly, Pro), las características
de las cadenas laterales de los residuos situados a una distancia de tres
o cuatro residuos y la secuencia concreta de aminoácidos adyacentes.
cercanos, mientras que los que se encuentran a una distancia de dos residuos se
sitúen en lados opuestos. La hélice se encuentra estabilizada por la formación de
puentes de hidrógeno intracatenarios (Fig. 5-4b) que se forman entre un grupo
carbonilo de un enlace peptídico de un residuo n y el - NH del enlace peptídico
de un residuo que ocupa la posición n + 4. Así, todos los grupos - NH y
-e= o del esqueleto peptídico, menos el primero y el último, quedan unidos
por este tipo de enlaces. De esta forma se crea una red de puentes de hidrógeno
que elimina la posibilidad de que los átomos del enlace participen en la formación de puentes de hidrogeno con las moléculas de agua del medio, a excepción
de los extremos que, al ser polares, suelen quedar hacia la superficie de la proteína. Además, los enlaces de puente de hidrógeno crean una conexión en el conjunto de la hélice que hace que se transmita el dipolo característico del enlace
peptídico (Fig. 5-5a) a lo largo del eje longitudinal de toda la molécula, lo que
proporciona una carga parcial positiva en el extremo amino terminal y una carga parcial negativa en el extremo e terminal (Fig. 5-5b). Estas cargas podrían
atraer ligandos de carga opuesta, siendo más frecuente en el extremo N terminal
donde se suelen dar interacciones con moléculas con grupos fosfato, con carga
negativa.
Las cadenas laterales de los aminoácidos se disponen hacia el exterior de la
hélice evitando interferencias estéricas con el esqueleto polipeptídico. Se ha
comprobado que algunos aminoácidos aparecen con mayor frecuencia que otros
en la a hélice. Los aminoácidos que se encuentran con más frecuencia son Ala,
Glu, Leu y Met. Sin embargo, hay otros aminoácidos que son menos frecuentes,
como es el caso de la Gly, que por el reducido tamaño de su cadena lateral tiene
más flexibilidad conformacional. La presencia de Pro es poco frecuente, por dos
circunstancias especiales: su cadena lateral cíclica produce un acodamiento en
esta estructura que no es compatible con la hélice, y el enlace peptídico en el
que participa la Pro carece del grupo - NH para la formación del enlace de hidrógeno intracatenario (véase Fig. 4-19).
Existen otras circunstancias que pueden estabilizar o desestabilizar la a hélice. Teniendo en cuenta su estructura, las cadenas laterales que pueden interaccionar son las de los aminoácidos situados a 3 ó 4 residuos en la secuencia primaria. Si a esta distancia se encuentran aminoácidos con cadenas laterales que
permitan establecer interacciones no covalentes (fuerza electrostáticas, de Van
der Waals, etc.), éstas ejercerán un efecto estabilizador de la estructura; pero si
se dan fuerzas de repulsión, el efecto sería desestabilizador. Otro motivo que
puede desestabilizar la estructura de la a hélice es la naturaleza de las cadenas
laterales de residuos adyacentes. Si en una zona concreta se disponen residuos
sucesivos con la misma carga o con cadenas laterales voluminosas, se produce
una situación inestable (en el primer caso, por la repulsión de las cargas; y en el
segundo, por restricciones estéricas) .
La a hélice es una estructura secundaria habitual tanto en proteínas globulares como fibrosas. Dentro de la estructura tridimensional de las proteínas globulares, la disposición más común de la a hélice se da en su porción externa. Para
ello debe existir en la hélice una zona con residuos polares que puedan interaccionar con el entorno acuoso externo, y otra con residuos apelares que permita
su interacción con el núcleo hidrofóbico. El porcentaje de esta estructura en el
conjunto total de las proteínas es muy variable. Un ejemplo en el que esta estructura es mayoritaria (un 75% de a hélice) se encuentra en una proteína en· ·
cargada de almacenar hierro: la ferritina.
Una proteína fibrosa con estructura de a hélice es la queratina, el componente principal del pelo, las plumas, las uñas, los cuernos y las células muertas
de la epidermis. Algunos tipos de queratinas constituyen los filamentos intermedios del citoesqueleto y participan en las uniones entre células. En relación con
esta función, algunos defectos de la queratina producen enfermedades como la
epidermiólisis ampollar simple y la hiperqueratinosis epidermiolítica, que se
manifiestan por la formación de ampollas.
Las lám inas
f3 son e structu ras plegadas
Pauling y eorey descubrieron otra estructura con un patrón periódico a la que
denominaron lámina ~- Esta estructura surge de la interacción de algunas re-
CAPÍTULO S. PROTEÍNAS
giones de la cadena polipeptídica, las hebras p, que suelen tener una longitud
que varía entre cinco y diez residuos. Estas porciones de la cadena se disponen
paralelas unas a otras de forma que se puedan establecer enlaces de puente de
hidrógeno entre los grupos - C =O y - NH del enlace peptídico de una hebra
y los de la hebra contigua (Fig. 5-6a y 5-7a). La disposición relativa de los ángulos <P y 'V de las hebras es más extendida que en la cadena de la a hélice y
produce un patrón plegado característico con los carbonos a por encima y de- !
bajo del plano de la lámina y las cadenas laterales dispuestas a un lado y a otro
de la estructura (Fig. 5-6b y 5-7b). Las hebras pueden pertenecer a cadenas
polipeptídicas diferentes (lámina P intermolecular) o pueden ser partes diferentes de la misma cadena (lámina P intramolecular). En este último caso, los segmentos que se relacionan suelen estar en zonas próximas de la cadena, pero
también se pueden formar entre segmentos más alejados en la secuencia polipeptídica.
Hay dos tipos de láminas p, dependiendo de la orientación que presenten las
hebras que la componen. Si todas las hebras se disponen con la misma orientación de sus grupos amino y carboxilo terminales, se denominan láminas P paralelas (Fig. 5-6). Si, por el contrario, se disponen de forma alternada, se trata de
láminas P antiparalelas (Fig. 5-7) y, aunque son semejantes, presentan ciertas
características diferenciales. El período de repetición es más corto en la conformación paralela y también varían los patrones de los puentes de hidrógeno. La
lámina antiparalela tiene zonas alternadas de puentes de hidrógeno próximos y
separados que se disponen perpendiculares al eje de la hebra, y en la paralela lo
hacen a distancias semejantes pero formando un ángulo con la dirección de las
hebras, provocando que el enlace sea más débil. En ambos casos sólo los átomos
de las hebras de los extremos quedan sin formar enlaces de hidrógeno.
81
I TLa estructura de lámina p organiza las cadenas en forma de hoja
plegada mediante la interacción de
ciertas secuencias que se disponen
paralelas: las hebras p.
(a) Vista superior
(e)
....
(b) Vista lateral
Figura S-6. Estructura de la lámina f3 paralela. (a) En esta estructura secundaria se forman puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace
peptídico de segmentos de la cadena que se disponen de forma paralela (hebras ~). La dirección de las hebras (amino ___. carboxilo), queda indicada por las flechas. (b) En la vista lateral se observa la estructura plegada y la disposición de las cadenas laterales de los residuos. (e) Posible unión
de varios segmentos que pertenecen a la misma cadena polipeptídica.
a~~~~~s!~
DIDLIOliCA ~UNtlAC~RES
82
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
(a) Vista superior
(e)
(b) Vista lateral
Figura S-7. Estructura de la lámina f3 antiparalela. (a) Las hebras se disponen con los extremos amino y carboxilo en direcciones opuestas
como indican las flechas. (b) Vista lateral". (e) En una misma cadena las hebras están conectadas por un giro de 180° (giro ~) .
Los giros ~ son estructuras frecuentes
~
c JLos giros permiten que se produzca un cambio en el sentido de la
cadena polipeptídica.
Los giros ~ son un tercer tipo de estructura secundaria que aparece de forma
bastante frecuente en las proteínas. Está compuesta por cuatro residuos que se
disponen de tal forma que permiten que se produzca un cambio de dirección de
la cadena polipeptídica de 180°. La estructura queda estabilizada por la existencia de un enlace de puente de hidrógeno que se establece entre el grupo -e= o
del primer aminoácido y el grupo amino del cuarto. Existen variaciones y las
tipo 1 y 11 son las más frecuentes (Fig. 5-8). Aunque en estas estructuras participan pocos residuos, son muy frecuentes en las proteínas y permiten a la molécula que adopte su estructura terciaria característica. Por ejemplo, son necesarias
Figura S-8. Estructura de los giros f3 más
frecuentes. Cuatro aminoácidos se disponen
de forma que se consigue un giro de 180°.
En los tipos representados, 1 y 11, se establece
un puente de hidrógeno entre .los átomos
del enlace peptídico de los residuos 1o y 4o
del giro. El tipo 1 es más frecuente.
Tipo
1
Tipo 11
CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS
para que se pueda formar una lámina 13 antiparalela dentro de un segmento conriguo de la misma cadena (en este caso concreto se suelen denominar horquillas)
(fig. 5-7c) .
Dentro del conjunto de la molécula, es frecuente que estos giros se localicen
en la zona de la superficie donde los grupos que no forman enlaces de hidrógeno, para m antener los giros, lo hacen con moléculas de agua del disolvente. En
este caso los residuos son de naturaleza polar.
El estudio de la secuencia de estos giros en proteínas homólogas de diferentes
especies ha permitido comprobar que existe más variabilidad en estas estructuras
que en la zona del núcleo hidrofóbico. Es frecuente que en estos giros se encuentren residuos de Pro y en el giro tipo 11 el tercer residuo es siempre una Gly.
Además de su función como estructuras de conexión entre diferentes elementos de estructura secundaria, los giros participan frecuentemente en la formación de sitios de unión de ligandos (como en el caso de los lugares de reconocimiento de los anticuerpos) y de centros activos de las enzimas (véase capítulo 8). El análisis estructural de estas regiones ha permitido comprobar que los
giros no se suelen disponer al azar sino que forman un número limitado de estructuras.
83
c:fExisten combinaciones de segmentos con estructuras secundarias
definidas que se asocian con una
disposición espacial característica
formando motivos que se repiten en
diferentes proteínas.
Recuadro S-2. Representación de la estructura secundaria
Las estructuras secundarias se agrupan formando
motivos que forman estructuras globulares o
dominios
y terciaria
La representación habitual de
bolas y varillas utilizadas para
muchas moléculas biológicas
puede resultar un poco confusa para representar una
proteína en la que resulta útil
relacionar los diferentes elementos de la estructura secundaria y su forma de plegarse en su estructura tridimensional característica. Para
simplificar las representaciones, los principales tipos de
estructura secundaria se representan mediante símbolos:
cilindros o hélices para la a
hélice, flechas para las hebras
de las láminas J3 y segmentos
para las zonas sin estructura
secundaria o los giros.
Los elem entos denominados motivos o estructuras supersecundarias son combinaciones de varios elementos
con estructura secundaria definida con una disposición
geométrica característica (Fig. 5-9). En el Recuadro
5-2 se interpretan este tipo de representaciones. Algunos motivos tienen funciones biológicas específicas,
como la unión a DNA o a calcio, pero otros simplemente forman parte de otras unidades estructurales y
funcio nales.
Existe un motivo específico para la unión de calcio
que se encuentra en varias proteínas, que se compone
de dos zonas con estructura de a hélice, unidas por una
zona de giro o lazo en la que se encuentran residuos de
Asp y Glu que permiten su interacción con este catión
(Fig. 5-9b). Las proteínas que pueden fij ar calcio, como
(a)
Lazo
J3-a-J3
~Figura
(e)
(b)
Motivo unión Ca 2+
Horquilla
J3
S-9. Motivos proteicos. (a) Dos
motivos proteicos abundantes: el lazo J3-a-J3
y el vértice a-a. (b) En la calmodulina se
encuentra un motivo que combina dos hélices a con un giro en el que dominan residuos de carácter ácido que interaccionan
con el Ca 2+ mediante interacciones electrostáticas (representado por una esfera) mediante interacciones electrostáticas (PDB
31F7). (e) Dos hebras J3 antiparalelas conectadas por un giro J3.
84
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
O"varios motivos se pueden asociar formando dominios que suelen
ser unidades funcionales.
Dominio
citosólico
la parvalbúmina, la troponina Cy la calmodulina, pueden participar en actividades reguladas por la presencia de este catión, como la contracción y relajación
muscular.
El motivo más sencillo en el que se relacionan hebras ~ es el denominado
horquilla ~ y está compuesto por dos hebras antiparalelas unidas por un giro ~
(véase Fig. 5-9c). Estas estructuras se pueden dar aisladas o pueden formar parte
de otras más complejas.
En algunas proteínas se encuentran estructuras globulares bien definidas
formadas por la combinación de varios motivos que se denominan dominios.
Estas estructuras también se definen como la parte de la cadena que se puede
plegar de forma independiente formando una estructura terciaria estable, y son
unidades estructurales que suelen ser también unidades de función. Estructuralmente, los dominios están formados por diferentes combinaciones de elementos
con una estructura secundaria concreta (a hélice, lámina~, etc.) o de diferentes
motivos.
Algunas proteínas pequeñas están formadas por un único dominio; sin embargo otras presentan varios. Las proteínas de membrana que son receptores de
señales suelen tener un dominio extracelular en el que se une el ligando que desencadena la señal, un dominio transmembrana para la fijación de la proteína y
un dominio intracelular que suele ser un lugar de interacción con otras proteínas citoplasmáticas (Fig. 5-10).
·
Estructura terciaria y desnaturalización
SH
Figura S-10. Dominios _en una proteína
transmembrana. En esta proteína se distinguen tres dominios: el dominio extracelular,
el dominio transmembrana (con estructura
de a hélice) y ~1 dominio citosólico.'
o -La estructura tridimensional se
altera ante cambios en el entorno
(calor, variaciones en el pH, presencia de sales o disolventes apolares)
que producen una pérdida de su
función.
Figura S-11. Estructura terciaria. La interacción entre residuos más alejados en la secuencia de aminoácidos hace que la proteína se
pliegue en una disposición espacial concreta
que le permite realizar su función. En esta enzima, los residuos alejados en la cadena se
aproximan para formar el centro activo donde se produce la interacción con el sustrato
(representado como una esfera) (PDB 3LWO).
Una vez descritas las principales estructuras secundarias y su forma de agruparse
formando motivos y dominios veremos cómo estas estructuras se pueden relacionar en una estructura tridimensional característica con la que cada proteína
puede desempeñar su función específica.
El plegamiento de las proteínas, además de suponer una ventaja energética,
permite que se aproximen las cadenas laterales de residuos distantes y que se
puedan crear estructuras tridimensionales adecuadas para la interacción con
otras moléculas. Estas zonas tendrán también la naturaleza (polar o apolar) adecuada para que se establezcan las interacciones necesarias que estabilicen la interacción (Fig. 5-ll). Esta situación. tiene especial importancia en el caso de las
enzimas en las que los centros activos presentan la forma y naturaleza necesaria
para que se una el sustqto, como se describe con detalle en el capítulo 8.
En la célula, el proceso de plegamiento ocurre durante y después de que las
proteínas son sintetizadas en los ribosomas. En algunos es facilitado por unas
proteínas denominadas chaperonas, que interaccionan con las cadenas parcialmente plegadas o plegadas de forma defectuosa facilitando que lo hagan de la
forma correcta. Hay que destacar que esta estructura también se puede conseguir fuera del ambiente .celular (in vitro) siempre que se conserven las condiciones adecuadas. En algunas patologías, como las encefalopatías espongiformes, se
pone de manifiesto la importancia de la estructura tridimensional en la función
de una proteína (Recuadro 5-3).
Como la estructura tridimensional se mantiene mediante interacciones débiles, si se alteran las condiciones que mantienen estas fuerzas de atracción se produce desnaturalización de la proteína: modificación estructural que conduce a
la pérdida de su función (Fig. 5-12a). El calor afecta principalmente a los enlaces de puente de hidrógeno y produce una desnaturalización de las proteínas
que suele ocurrir de forma brusca al alcanzar una determinada temperatura.
Como se ha visto en el capítulo 4, el estado de ionización de las cadenas laterales cambia con el pH. Por este motivo, un cambio de pH puede alterar las interacciones electrostáticas que participan en el mantenimiento de la estructura de
la proteína. La presencia de sales o agentes como el ión guanidinio (Fig. 5-12h)
también puede afectar a las interacciones electrostáticas ya que los iones disueltos compiten a la hora de establecer interacciones de este tipo. Uno de los agentes desnaturalizantes que se utiliza con más frecuencia es la urea (Fig. 5-12c)
puesto que compite en la formación de enlaces de puente de hidrógeno. Las interacciones hidrofóbicas se verán alteradas por sustancias que puedan establecer
interacciones de la misma naturaleza con los residuos, como son los disolventes
apolares o los detergentes.
CAPÍTULO S. PROTEÍNAS
85
Recuadro S-3. Priones: proteínas como agentes infecciosos
Las encefalopatías espongiformes, entre las que se encuentra
la co nocida como "síndrome de las vacas locas" sirven como
ejem plo para comprender la importancia de la estructura tridimensional de las proteínas y su posibilidad de producir procesos patológicos.
Los priones son proteínas capaces de actuar como agentes infecc iosos sin que participen moléculas de DNA o RNA, como
ocurre en el caso de los virus. La proteína que causa la enfermedad puede aparecer de forma espontánea o puede presentarse por la alteración de un gen.
El prión normal (PrP') tiene una conformación con tres hélices
a y dos segmentos pequeños de lámina beta y es soluble en el
med io extracelular. En la forma alterada (PrP 5') una de las hélices a se transforma en una lámina ~- El contacto de las proteínas con esta conformación alterada con las proteínas normales
induce a éstas a plegarse en esta nueva estructura tridimensional. Los priones alterados establecen interacciones entre sus
lám inas ~ formando agregados de fibras amiloides insolubles
que producen la muerte neuronal que caracteriza a estas enfermedades.
Prión alterado PrP 5'
Prión normal PrP'
Figura adaptada de La web: Cohen, F.E. (2004) . Actualizada el 19 de febrero de
2004. Universidad de California. The Cohen Group. Disponible desde Internet
en: http://www.cmpharm.ucstedulcohen [con acceso el 10 de julio de 2005].
(b)
(a)
Desnaturalización
•
NW
ll
l
H2N-C-NH 2
:!
Ión de Guanidinio
..,.,
(e) -
o
ll
H2N-C-NH 2
Renaturalización
Proteína nativa
Urea
Proteína desnaturalizada
Agentes: pH , Temperatura, sales
Figura 5-12. Desnaturalización y renaturalización. (a) Las variaciones en el medio (aumento de temperatura, variaciones en eCpH, presencia de
sales, etc.) alteran las interacciones no covalentes que mantienen la conformación nativa de la proteína produciendo su desnaturalización. El ión
guanidinio (b) y la urea (e) se utilizan con frecuencia como agentes desnaturalizantes en numerosas técnicas de laboratorio.
En algunos casos, si se restablecen las condiciones fisiológicas, la proteína
recupera su conformación nativa y su función en un proceso denominado renaturalización. Este hecho, demuestra que toda la información necesaria para que
se produzca el plegamiento se encuentra en la secuencia de aminoácidos de la
proteína.
Est ructura cuaternaria
En algunas ocasiones se asocian varias cadenas proteícas para formar una proteína multimérica. En ella las cadenas individuales se denominan subunidades y
pueden ser iguales (homomultímeros) o distintas (heteromultímeros) . En· ambos
casos las cadenas tienen su estructura tridimensional característica. Cuando las
cadenas son diferentes, el grupo de subunidades que se repite se denomina protómero. Por ejemplo, en la hemoglobina, compuesta por dos subunidades a y
dos ~' el protómero sería el conjunto formado por una subunidad a y una ~
(Fig. 5-13). Las unidades se mantienen unidas gracias a la existencia de interacciones no covalentes (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, etc.) y,
de forma adicional, pueden unirse mediante enlaces covalentes tipo disulfuro
intercatenarios (véase el ejemplo de la figura 4-13). La forma en que se asocian
las diferentes cadenas unas respecto a las otras definen la estructura cuaternaria
de la proteína~
Existen numerosos ejemplos de proteínas multiméricas y, como veremos más
adelante en el caso de la hemoglobina, su estructura está relacionada con su función biológica específica.
·
c JEn ,las proteínas multiméricas se
asocian varias subunidades mediante
interacciones no covalentes.
:
86
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0 PRINCIPALES FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS
Protómero
Hgura 5-13. Estructura cuaternaria en la
molécula de hemoglobina. La hemoglobina
es un tetrámero formado por cuatro cadenas
(dos cadenas a y dos (3). El protómero está
formado por una subunidad a y una (3.
Las proteínas son moléculas complejas que desempeñan funciones muy variadas
en los seres vivos. Existen proteínas estructurales como el colágeno o las proteínas integrales de membrana, proteínas de transporte y almacenamiento como la
hemoglobina, proteínas implicadas en funciones tan importantes como la contracción muscular, proteínas con función de defensa como los anticuerpos y
proteínas que participan en la recepción y transmisión de señales. Además, hay
que destacar a las proteínas con función catalítica: las enzimas, que se estudian
con detalle en el capítulo 8.
En la mayoría de los casos, la función de las proteínas depende de su interacción reversible con otras moléculas denominadas ligandos, que pueden ser moléculas de pequeño tamaño o, incluso, otras proteínas. Cuando una proteína
interacciona con un ligando pueden producirse cambios en su estructura tridimensional de mayor o menor magnitud. Estos cambios de conformación pueden desencadenar efectos fisiológicos importantes debido a que producen modificaciones en la actividad de la proteína en cuestión.
La unión de los ligandos a las proteínas se realiza en lugares específicos denominados sitios de fijación o de unión, que tendrán las características espaciales
adecuadas para que se produzca la interacción, y la naturaleza químic:a apropiada para que se establezcan interacciones proteína-ligando. Una proteína puede
tener varios sitios de fijación para diferentes ligandos que serán específicos.
Una proteína fibrosa con función estructural: el colágeno
¡
1,
El colágeno es la proteína con función estructural más abundante en los vertebrados. Está presente en tejido conjuntivo de huesos, dientes, cartílagos, tendones y córnea del ojo, y en tejidos epiteliales en los que desempeña un papel estructural como proteína extracelular. Existen numerosos tipos de colágeno que
se asocian de forma variada formando diferentes agregados moleculares. En el
colágeno tipo 1, el más abundante, sus moléculas se agrupan formando fibras de
gran resistencia. Sin embargo, el colágeno tipo IV se encuentra en la lámina basal del tejido epitelial donde forma estructuras reticulares.
1
1
!
!
1
1
La molécula de colágeno tiene estructura de triple hélice
(a)
(b)
(a)
0,5 nm
Cadena a
Figura 5-14. Estructura de la molécula de
colágeno. (a) La cadena a tiene una estructura secundaria de hélice levógira sin puentes de hidrógeno intracatenarios. (b) Estructura cuaternaria: tres cadenas superenrolladas formando la molécula de colágeno.
La unidad estructural del colágeno es una molécula con estructura de triple hélice dextrógira formada por tres cadenas individuales denominadas cadenas a.
Cada cadena a presenta una estructura secundaria de hélice levógira (distinta de
la a hélice) que se forma gracias a su particular secuencia de aminoácidos sin
que existan puentes de hidrógeno intracatenarios (Fig. 5-14). La estructura cuaternaria de triple hélice está estabilizada por puentes de hidrógeno entre las cadenas a y por entrecruzamientos covalentes. Las zonas terminales, denominadas
telopéptidos, carecen de esta estructura de triple hélice y son esenciales para la
formación de fibrillas en algunos tejidos (Fig. 5-15).
Su estructura primaria se caracteriza por un elevado contenido en glicina
(Gly), la presencia de prolina (Pro) y de algunos aminoácidos que son poco comunes en las proteínas como la hidroxiprolina (Hyp) y la hidroxilisina (HyLys)
(véase Fig. 4-16) . En general, en su secuencia alternan zonas en las que dominan los aminoácidos apolares, con zonas más polares en las que predominan los
aminoácidos ácidos y básicos (ionizables) . Esta disposición es esencial para la
posterior formación de agregados moleculares tales como las llamadas fibras de
colágeno, que se explicarán más adelante.
La presencia de una Gly cada tres aminoácidos (X-Y-Gly) es necesaria para
que las tres cadenas se puedan empaquetar de forma muy densa y muy próximas al eje central, estabilizando la triple hélice mediante interacciones apolares.
La importancia de. la presencia de este aminoácido se evidencia en enfermedades como la osteogénesis imperfecta (Recuadro 5-4). La Pro y la Hyp suelen
ocupar las posiciones X e Y. Estos aminoácidos con cadena lateral cíclica limitan la rotación de la cadena y le proporcionan la estructura secundaria helicoidal que queda estabilizada por la repulsión estérica de su anillo. La Hyp es el
resultado de una modificación postraduccional catalizada por la prolil hidroxi-
CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS
87
PROeOLÁGENO
Propéptido
N terminal
Propéptido
e terminal
Molécula de
colágeno
Figura 5-15. Procolágeno y colágeno. La
molécula de procolágeno tiene dos zonas
globulares denominadas propéptidos N y e
terminales en ambos extremos. El procolágeno se transforma en colágeno por la escisión
de los propéptidos catalizada por enzimas
específicas. En la molécula de colágeno, los
extremos N y e terminales carecen del enrollamiento helicoidal que caracteriza a la molécula y se denominan telopéptidos.
:~
s
l SS
SS
l -'_ /)- SS yo"""\
l -"'Ys (J'o-'"0 -
:~
l
Telopéptido
1
Recuadro S-4. Enfermedades asociadas a alteraciones genéticas o metabólicas del colágeno
La estructura del colágeno puede verse alterada debido a mutaciones genéticas, como ocurre en el caso de la enfermedad de la osteogénesis
imperfecta, o a alteraciones metabólicas como sucede en el caso del escorbuto y el latirismo. Las diferentes alteraciones confirman el papel
funda mental de ciertos residuos en la estructura de la molécula de colágeno y en su asociación para la formación de fibras en la matriz extracelu lar.
Algu nas variantes de osteogénesis imperfecta se producen por una mutación que tiene como consecuencia la síntesis de cadenas a en las que
faltan 84 aminoácidos. Estas cadenas más cortas se asocian con las normales y forman una triple hélice defectuosa que es degradada. Existen
otras formas de osteogénesis imperfecta en las que la mutación consiste en una sustitución de Gly por otro aminoácido. Esta alteración también
produce una triple hélice inestable ya que la Gly, por su pequeño tamaño, es esencial para que las tres cadenas se aproximen y formen la molécula de colágeno.
En el escorbuto la deficiencia en colágeno se debe a la falta de ácido ascórbico (vitamina e) necesario para la actividad de dos enzimas (hidroxilasas) que catalizan la hidroxilación de los residuos de Pro y Lys. Sin hidroxiprolina, se producen hélices inestables que son degradadas en
el interior de las células.
El Latirismo es una enfermedad inducida por la ingestión de las semillas de una planta: Lathyrus odoratus (guisante dulce) que contiene una
sustanc ia (~-aminopropionitrilo, N=e - eH, - eH,-NH;) que actúa como inhibidor irreversible de la enzima lisil oxidasa requerida en la primera etapa de oxidación que lleva a la formación de los entrecruzamientos de las moléculas de colágeno.
lasa que precisa la presencia de la vitamina C como coenzima. Estos residuos
son necesarios para la estabilización de la triple hélice de colágeno mediante la
formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo y el agua (véase
Recuadro 5-4).
C omo se explica en el siguiente apartado, la hidroxilisina permite la formación de los entrecruzamientos covalentes intramoleculares e intermoleculares de
las moléculas de colágeno. A algunos residuos de hidroxilisina se unen, de forma
covalente, ciertos azúcares (glucosa y galactosa) por acción de enzimas específicas. El número de unidades de azúcar depende del tipo de colágeno y su función
no está bien definida.
l as moléculas de colágeno se pueden asociar formando fibras
En los colágenos tipos I, III, V y XI, las unidades de colágeno se reagrupan formando estructuras macromoleculares. Las moléculas de colágeno se disponen en
líneas paralelas de forma que las moléculas de filas contiguas están escalonadas
porque se sitúan desplazadas un cuarto de la longitud de la molécula. Dentro de
la misma fila no existe conexión entre sus extremos que se encuentran separados
por una distancia de unos 400 Arnstrong (Fig. 5-16). Esta disposición se obtiene por superposición de las zonas apolares e ionizables de moléculas contiguas
entre las que se establecen fuerzas de atracción no covalentes (hidrofóbicas y
electrostáticas) y da lugar al patrón estriado que caracteriza al colágeno cuando
se observa en el microscopio electrónico. Esta disposición supramolecular se ve
reforzada por la creación de entrecruzamientos covalentes que se producen entre
moléculas de diferentes filas (entrecruzamientos intermoleculares).
Los enlaces covalentes se establecen en varias etapas y son los responsables de
las diferencias físico-químicas de los .colágenos de los diferentes tejidos y de los
cambios que se aprecian durante el envejecimiento. La primera etapa para la
formación de estos entrecruzamientos es la oxidación del grupo amino de la cadena lateral de un residuo de Lys que se transforma en un grupo aldehído (el
~
J
88
SECCIÓN l. lOS MATERIAlES DE lA CÉlUlA
... ...
:-...:....... ...........
·-¡,..e...
,•, .. ....
l.
....
1
-
.
~HH.._....
.1. . lww! low! !""4
...
.......
.... -=-
...
1
...
:
! :
Figura 5-16. Asociación de las moléculas
de colágeno. La alternancia de zonas polares y apolares en la molécula de colágeno
permite que las moléculas se asocien formando fibrillas y fibras. La disposición concreta de estas moléculas · confi~re a dichas
agrupaciones el aspecto estriado característico de las fibras de colágeno.
: :
-
- - --
polar
•
·l-
apolar
1 •
•
- --------
Asociación y apariencia estriada
de las fibras de co lágeno
residuo oxidado se denomina alisina; véase su importancia en el recuadro 5-4)
en la enfermedad denominada latirismo.
El colágeno se sintetiza como procolágeno
La síntesis del principal tipo de colágeno de mamíferos, el tipo I, se realiza en
los fibroblastos y osteoblastos. Comienza en el retículo endoplásmico rugoso y
se completa en el aparato de Golgi donde se forma la molécula precursora, denominada procolágeno, que es secretada al exterior mediante exocitosis. Esta
molécula contiene unas zonas globulares en los extremos C y N terminales (véase Fig. 5-15), denominadas propéptidos, que impiden que las moléculas se asocien formando fibras en el interior celular. Una vez fuera de la célula, los propéptidos son eliminados en una reacción catalizada por enzimas específicas. Esto
permite que las moléculas de colágeno se asocien formando las fibras características (Fig. 5-17).
El colágeno, durante su proceso de renovación, es degradado gracias a la actividad de un grupo de enzimas denominadas de forma genérica colagenasas.
Una pro~eína globular con estructura cuaternaria que une
·
ligandos específicos: la hemoglobina
La hemoglobina es la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre
desde los pulmones al músculo, así como el de C0 2 y los H+ en la dirección
opuesta. La estructura de esta proteína sirve como ejemplo de diferentes aspectos enumerados a lo largo del libro:
• Proteína globular compuesta por diferentes subunidades
• Presencia de un grupo prostético, el grupo hemo, de naturaleza no proteica.
• Modificaciones estructurales ante la unión de un ligando (oxígeno)
• Actuación de la His como tampón a pH fisiológico
• Variación en los valores de pK, de ciertos grupos funcionales con el entorno molecular
La hemoglobina es una proteína esférica compuesta por cuatro subunidades,
dos cadenas a y dos cadenas~ de estructura tridimensional semejante (véase Fig.
5-13). Cada una tiene un grupo prostético hemo, con capacidad para captar
oxígeno y otros ligandos, que presenta una estructura compuesta por cuatro
anillos con un átomo de hierro central unido por seis enlaces, tal y como se ha
explicado en el capítulo anterior (Fig. 5-18 y véase Fig. 4-11). La unión del
oxígeno a una subunidad de la hemoglobina produce un cambio en la conformación de esa cadena que induce modificaciones en las otras cadenas y en la
estructura cuaternaria de la proteína: el resultado es un cambio desde una forma
denominada T a una forma ·denominada ·R; que presenta una mayor afinidad
por el oxígeno. Por tanto, es la unión de la primera molécula de oxígeno lo que
hace que la proteína una las siguientes moléculas de oxígeno de forma más efi-
CAPÍTUlO S. PROTEÍNAS
89
1
Formación de
enlaces covalentes ~
Eliminación de
tos propéptidos
.
0,5-3 J.l.m
1
Fibra de
colágeno
Figura 5-17. Síntesis de colágeno. El procotágeno es sintetizado en el interior de la célula y liberado a la matriz extracetutar por exocitosis. Fuera
de la cé lula tos propéptidos son eliminados y esto permite que las moléculas se asocien mediante interacciones no covatentes, que después son
reforzadas por entrecruzamientos covatentes. Se forman así las fibrittas de colágeno que se asocián para formar las fibras de colágeno de gran resistencia a la tensión.
caz. Este efecto cooperativo se refleja en la curva sigmoidea que surge cuando se
representa lap0 2 (presión parcial de oxígeno) frente a la saturación (Fig. 5-19).
Este efecto no podría conseguirse en una proteína formada por una única unidad y es semejante al que se produce en ciertas enzimas alostéricas, tal y como
se verá en el capítulo 8.
El equilibrio entre las formas T y R de la hemoglobina permite controlar el
transporte de 0 2, C0 2 y NO, vital para el organismo. El control está regulado
por la concentración de H +, gracias a pequeños cambios en el pi( de las cadenas
laterales en las formas T y R. Los cambios en el pH en los distintos tejidos unen
el proceso de liberación de 0 2 a los tejidos con el de transporte de co2 hacia los
pulmones. El proceso se explica como sigue:
La unión de 0 2 a la hemoglobina se puede expresar mediante la siguiente
reacción:
Hb + 4 0 2
T (desoxi)
Hb(0 2)4 + n H+
R (oxi)
De esta reacción se puede deducir que una disminución el pH desplazará el
equilibrio hacia la izquierda debido a la captación de H+ por la hemoblobina,
con lo que se libera el oxígeno. Esta situación se produce en los tejidos que necesitan oxígeno, ya que una actividad metabólica intensa produce un aumento
de ácido láctico (y, por tanto, de H +) y C0 2. De esta forma, además de proporcionar el oxígeno necesario a los tejidos, al captar H+ (en la cadena lateral de una
His), la hemoglobina está actuando como un sistema tamponante ante una disminución del pH.
El efecto contrario, la liberación de protones al pasar de la forma T a la R
cuando la Hb capta 0 2 en los pulmones se conoce como efecto Bohr y tiene
gran importancia fisiológica. Esta liberación se produce por un cambio en el pi(
Figura 5-18. Estructura tridimensional de
una cadena de hemoglobina. Se destaca la
posición del grupo hemo y tos residuos que
participan activamente en su función como
la histidina proximal y la histidina distal.
90
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
1,0
p0 2 en
tejidos
p0 2 en
pulmones
1
/
0,8
1
1
0,6
e
0,4
0,2
o
~.
•'
1
V
4
8
p0 2 (kPa)
12
16
Figura 5-19. Curva sigmoidea y efecto
cooperativo. La incorporación de oxígeno a
una cadena hace que aumente la afinidad
por el oxígeno de las otras cadenas produciendo un efecto cooperativo, como muestra
la curva sigmoidea que se produce cuando
se representa la presión parcial de 0 2 frente
a la saturación.
,;
,, .
,;l•
1•['
¡·
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¡)
1~
1
de las cadenas laterales de ciertos aminoácidos como consecuencia de un cambio
en el entorno molecular, debido a los cambios en la conformación de la proteína. En la forma T, la His 146 está cerca de la cadena lateral del Asp 94 con la
que interacciona por atracción electrostática. Esto hace que esa His tienda a retener su protón y tenga un pK.ligeramente superior al normal (pK. de 7,7). En
. la conformación R, la His 146 y el Asp cambian de posición (se alejan) y no
interaccionan lo que hace que el valor de pK. sea 7,3 (inferior a la forma T) y se
produzca la liberación de H+ a la sangre. Esta situación es un claro ejemplo de la
variación de los valores de pK. en un entorno molecular concreto, explicada en
el capítulo anterior, que cambia como consecuencia de una modificación de la
estructura tridimensional de la proteína.
Las inmunoglobulinas tienen función de defensa
gracias a uniones específicas
Las inmunoglobulinas (Ig), producidas por los linfocitos, son un ejemplo de estructura proteica con múltiples dominios que permiten el reconocimiento y la
unión de moléculas ajenas al organismo señalándolas para que sean destruidas
por las células encargadas de esta función: las células T, que tienen receptores
específicos que también son proteínas.
Para que se sintetice un determinado anticuerpo en las células B, es necesario
que entre en el organismo un antígeno, es decir, un tipo de molécula que contiene unas pequeñas porciones denominadas epítopos capaces de desencadenar
la producción de anticuerpos y la respuesta del sistema inmune del organismo.
Las moléculas de anticuerpo son glicoproteínas compuestas por dos cadenas
ligeras (L) y dos cadenas pesadas (H) que se asocian formando una estructura
con forma de Y que se mantiene por fuerzas no covalentes y puentes disulfuro
intercatenarios (véase capítulo 4, Fig. 4-13). Las cuatro cadenas tienen la misma
orientación, de forma que los extremos N-terminales de las cadenas H y L se
encuentran próximos. En el extremo C-terminallas cadenas tienen una secuencia muy semejante en todos los antígenos que forman los dominios constantes.
En los extremos N-terminales se localizan los dominios variables, que se asocian
creando el lugar de fijación del anticuerpo. La unión es específica y se basa en la
creación de interacciones no covalentes (Van der W aals, puentes de hidrógeno,
etc.) con el antígeno y producen cambios conformacionales en la proteína.
La unión del antígeno a las Ig G, las más abundantes, produce la activación
de ciertos linfocitos, como los macrófagos, que reconocen los extremos C-terminales y los incorpora mediante fagocitosis.
CONCEPTOS CLAVE
Cada proteína tiene una estructura tridimensional característica indispensable para realizar su función . Aunque está
determinada por su secuencia de aminoácidos, para conocerla se necesitan técnicas de análisis complementarias.
o
o
La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos.
La secuencia concreta de aminoácidos de una proteína nos aporta información sobre su estructura molecular, su
función y sobre su evolución.
o
La estructura secundaria es la disposición espacial característica que se produce por la interacción entre residuos
próximos.
o
o
La estructura terciaria es la forma tridimensional de la proteína.
o
La estructura cuaternaria se da en proteínas formadas por dos o más cadenas que interaccionan formando una
unidad de función.
Las interacciones débiles son las principales fuerzas que mantienen la estructura tridimensional de las proteínas
que puede estar estabilizada por enlaces covalentes disulfuro.
CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS
0
o
Las interacciones hidrofóbicas tienen un papel muy importante en la estabilización de la estructura t ridimensional
de las proteínas.
o
La a hélice es una estructura secundaria helicoidal dextrógira estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios.
o
La estructura de lámina ~ organiza las cadenas en forma de hoja plegada mel:J iante la interacción de ciertas secuencias que se disponen paralelas: las hebras ~-
o
o
o
Los giros ~ permiten que se produzca un cambio en el sentido de la cadena polipeptídica.
91
Las estructuras secundarias se agrupan formando motivos que constituyen estructuras globulares o dominioS:
La estructura tridimensional se altera ante cambios en el entorno (calor, variaciones en el pH , presencia de sales o
disolventes apolares) que producen una pérdida de su función.
o
Existen proteínas con función estructural como el colágeno que es una proteína muy abundante en la matriz extracelular.
o
La hemoglobina es una proteína multimérica especializada en el transporte de gases como el 0 2 y el C0 2 y que,
además, tiene un efecto tamponante.
o
Las inmunoglobulinas son proteínas de defensa que identifican a los anticuerpos mediante interacciones específicas.
EJERCICIOS
Las proteínas deben su carga eléctrica a la capacidad de ganar o perder protones de ciertos grupos funcionales de sus cadenas laterales
y de su grupo amino y carboxilo terminal, en ciertas condiciones de pH. Calcular la carga neta del siguiente polipéptido:
Lys-Arg-Leu-Pro-Cys-Trp-Vai-Leu-Phe-Giu-Asp-Thr-Ser-Tyr-Asp-Asp-Giu-Gin-Asn
=1.
a)
pH
b)
pH = 7.
e)
pH = 13.
d) Estimar si el pi (punto isoeléctrico) de este polipéptido se encuentra por encima o por debajo del pH 7.
----------------~
SOLUCIÓN
a) A pH 1 tanto los grupos ácidos como los básicos se encuentran protonados, tal y como se indica de forma simplificada en la figura :
H3 W-Lys-Arg-Leu-Pro - Cys-Trp - Val-Leu - Phe-Glu-Asp - Thr-Ser-Tyr-Asp-Asp-Glu-Gln - Asn - COOH
1
1
(CH 2) 4 (CH 2) 3
1
NH;
1
C=NH;
1
(CH,)4
1
1
1
1
CH,
CH,
CH,
1
1
1
COOH COOH
1
(CH 2) 2
1
COOH COOH CO"OH
1
NH,
Por lo que la carga neta del polipéptido sería igual a 3.
b) A pH 7, los grupos - COOH se encuentran ionizados (- coo-) y los grupos básicos todavía se encuentran protonados (- NH; en la Lys y
1
amino terminal y C=N•H, en la Arg) , por lo que la carga neta sería igual a - 3.
~~
e)
~
A pH 13 , todos los grupos funcionales se encuentran desprotonados (- coo- en Glu, Asp y carboxilo terminal, - NH, en Lys y amino termi1
nal y C=NH en la Arg) , por lo que la carga neta del polipéptido es - 6.
1
NH,
d) El punto isoeléctrico de una proteína es el valor del pH al cual la proteína presenta carga neta cero.
En este polipéptido, a pH 7 la carga neta es - 3. Las cargas negativas se deben a la presencia de grupos -COOH ionizados (-coo-). Podremos
hacer que la molécula tenga carga neta cero si desaparecen esas tres cargas negativas, lo que se consegu iría añad iendo protones al medio (bajando el pH). Por tanto, aunque no se conozca el valor exacto de pH al que se produce esta situación, si se puede saber que será a un pH inferior al pH 7 y, por tanto, a un pH ácido.
92
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
&JI En
la proteína del ejercicio anterior. indique la carga a pH 7
cuando la proteína está fosforilada en aquellos residuos en los
que resulta posible la formación de un enlace éster fosfato.
&JI Algunos investigadores han postulado que la función
de la pro-
teína del ejercicio 1 es la fijación de calcio.
a)
b)
Explicar si esta hipótesis puede ser correcta.
¿Podría desempeñar esta función en un orgánulo celular
en el que el pH fuera muy ácido?
¿Aumentaría la captación de calcio si la proteína estuviera fosforilada ? Razone la respuesta.
11!11 Otro grupo de investigación ha realizado experiencias que indican que la misma proteína puede captar acetato de colesterol.
Teniendo en cuenta la estructura del polipéptido:
0
a)
¿Sería posible que desempeñara esa función?
b)
En el caso de que la respuesta fuera afirmativa. ¿se vería
afectada su función por alteraciones del pH del entorno
en el que se encuentra?
llill El DNA se une tanto a proteínas estructurales como
reguladoras. De los siguientes péptidos. razone cuál podría unirse a la
molécula de DNA e indique el tipo de interacciones que se establecen entre ambas molécula s.
a)
Val-Leu-Pro-Ala.
b)
Lys-Arg-Lys-Lys.
e)
Glu-Glu-Ser-Asp.
d)
Phe-Pro-Leu-lle.
&11:1 En
la figura 5-2a identifique cuántas estructuras primarias. secundarias y terciarias diferentes tiene la proteína, indicando el
tipo de interacciones o enlaces que las mantiene en cada caso.
llfll El colágeno se sintetiza y libera al espacio extracelular en forma
de procolágeno que se transforma en colágeno por la escisión
de los propéptidos terminales de la molécula en una reacción
catalizada por una enzima específica. ¿Qué consecuencias tendría en la estructura de las fibras de colágeno tipo 1 una inhibición irreversible de la enzima que cataliza la reacción?
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
11111 La
disposición tridimensional de una proteína se corresponde
con:
a) Su estructura primaria.
b) Su estructura secundaria.
e) Su estructura terciaria.
d) Su estructura cuaternaria.
&JI Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre la composición
de aminoácidos de las proteínas es cierta:
a) Las proteínas más grandes tienen una distribución de aminoácidos más uniforme que las proteínas más pequeñas.
b) Las proteínas contienen, de los 20 aminoácidos estándar
diferentes. al menos uno de cada.
e) Las proteínas con el mismo peso molecular tienen la misma composición de aminoácidos.
d) La composición de aminoácidos no determina su estructura tridimensional.
&JI Indique
cuántos aminoácidos por vuelta aparecen aproximadamente en una a hélice:
a) l.
b) 2,4.
e) 3,6.
d) 3,8.
11!11 En una a
hélice, los puentes de hidrógeno:
a) Son aproximadamente paralelos al eje de la hélice.
b) Son aproximadamente perpendiculares al eje de la hélice.
e) Se producen principalmente entre los átomos electronegativos de las cadenas laterales de los aminoácidos.
d) Se producen sólo cerca de los .extremos amino y carboxilo
de la hélice.
lli.ll lndique cuál de los siguientes aminoácidos interrumpirá la formación de una a hélice:
a) Un residuo de Arg cargado negativamente.
b) -un residuo apolar cerca del carboxilo terminal.
e) Un residuo de Pro. ·
d) Un residuo de Lys cargado positivamente.
&11:1 La
principal razón por la que las láminas ~ antiparalelas de las
proteínas son más estables que las paralelas es que estas últimas:
a) Tienen menos puentes disulfuro entre las cadenas adyacentes.
b) Tienen menos puentes de hidrógeno entre las cadenas
adyacentes.
e) Forman puentes de hidrógeno más débiles entre las cadenas adyacentes.
d) Están en una configuración ligeramente más extend ida.
llfll Indique cuáles de los siguientes aminoácidos se encuentran con
frecuencia en el interior de un giro
a) Ala y Gly.
b) Pro y Gly.
e) Dos Cys.
d) Dos aminoácido s apolares.
~:
IIJll lndique cuál de las siguientes afirmaciones sobre las proteínas
es falsa:
a) La estructura secundaria mayoritaria en el colágeno es la
a hélice.
,
b) Los residuos de Gly son muy abundantes én el colágeno.
e) La hemoglobina es una proteína oligomérica formada por
cuatro subunidades.
d) La estructura secundaria mayoritaria en la queratina es la
a hélice.
B . l lndique cuál de los siguientes compuestos no es un agente desnaturalizante de proteínas:
a) Un detergente. como el SDS.
b) Urea.
e) Ión guanidinio.
d) Tampón fosfato.
IIIll Las proteínas tienen
a menudo regiones que presentan un patrón de plegamiento o función característico. Estas regiones se
denominan:
a) Dominios.
b) Oligómeros.
e) Péptidos.
d) Subunidades.
NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS
NUCLEICOS
o
CONTENIDOS
o
o Introducción
o Los nucleótidos
o Estructura y función del
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Conocer la estructura y la composición química de los nucleótidos.
o Comprender la naturaleza química y la función de los ácidos nucleicos
presentes en las células.
o Relacionar la estructura del DNA con su función .
o Conocer la variedad de moléculas de RNA existentes en las células.
o Conocer las funciones celulares de distintos nucleótidos que no for-
DNA
o Estructura y función del
RNA
o Nucleótidos con otras
man parte de los ácidos nucleicos.
funciones
o Valorar la importancia del ATP como moneda energética de la célula.
,
Este capítulo cierra la sección dedicada al estudio de las biomoléculas que forman parte de la materia viva. Con ello se completa el análisis de los principales constituyentes de los seres vivos, lo que permite afrontar adecuadamente el resto de secciones del libro.
Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son las moléculas encargadas
del almacenamiento, transmisión y expresión de la información
genética. A lo largo del presente capítulo se analiza la estructura y composición química de sus constituyentes, los nucleótidos,
así como otras funciones que éstos pueden desempeñar. Es muy
importante comprender la naturaleza química de los ácidos nucleicos para relacionar su estructur _
con su función en la célula.
1
De igual forma, el estudio del ATP como moneda energétic~ de
la célula, resulta imprescindible pa ra la comprensión del metabolismo celular.
El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos permite comprender el flujo de la información genética , tema del que se ocupa la Sección IV de este libro (Capítulos
16 a 18).
94
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
0
c:flos nucleótidos son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA
(ácido desoxirribonucleico) y RNA
(ácido ribonucleico).
O un gen es un segmento de DNA
que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o
un RNA.
INTRODUCCIÓN
Los nucleótidos participan en multitud de funciones celulares. Colaboran en
funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y
reacciones de biosíntesis. Además, son los constituyentes de los ácidos nucleicos:
ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA), las principales
moléculas participantes en el almacenamiento y la descodificación de la información genética. Los nucleótidos y los ácidos nucleicos también desempeñan
papeles estructurales y catalíticos en la célula. Ningún otro tipo de biomolécula
participa en funciones tan variadas o en tantas funciones esenciales para la vida.
Las funciones del DNA son el almacenamiento y la transmisión de la información biológica. En el DNA se encuentran especificadas las secuencias de aminoácidos de todas las proteínas y las secuencias de nucleótidos de todas las moléculas de RNA. Un segmento de DNA que contiene la información necesaria
para la síntesis de un producto biológico funcional (proteína o RNA) se denomina gen. Las células tienen miles de genes, lo que explica que las moléculas de
DNA sean muy grandes.
En la célula existen tres clases de RNA: los RNA ribosómicos (rRNA), que
son componentes de los ribosomas; los RNA mensajeros (mRNA), que actúan
como transportadores de la información desde un gen hasta el riboso!lla, donde
se sintetizan las proteínas; y los RNA de transferencia (tRNA), que traducen la
información genética contenida en el mRNA a secuencias específicas de aminoácidos. Además, existen diversas moléculas de RNA que desempeñan funciones específicas.
0
LOS NUCLEÓTIDOS
Los nucleótidos desempeñan numerosas funciones en el metabolismo:
• Actúan como transmisores de energía (ATP).
• Actúan como señales químicas en los sistemas celulares en respuesta a las
hormonas y otros estímulos extracelulares (AMPc).
• Son componentes extracelulares de una serie de coenzimas e intermedios
metabólicos (NAD+, FAD, NADP+).
• Son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA y RNA.
Nucleósidos y nucleótidos
Composición química y estructura
O los nucleósidos se forman por
la unión de una base nitrogenada a
una pentosa. Si se añade. al menos
un grupo fosfato, se forma un nucleótido.
:. . ...
: .t •'
• · ..
1 ••
Los nucleótidos están constituidos por tres componentes característicos: una
base nitrogenada, una pentosa y al menos un grupo fosfato.
Las bases nitrogenadas son moléculas planas, aromáticas, heterocíclicas, que
derivan de la purina o de la pirimidina. Las bases púricas más comunes son la
adenina (A) y la guanina (G) . Ambas aparecen tanto en el DNA como en el
RNA. Las bases pirimidínicas principales son la citosina (C) , el uracilo (U) y la
timina (T) (Fig. 6-1). La citosina se encuentra en ambos tipos de ácidos nuclei.cos, pero la timina sólo aparece en el DNA y el uracilo únicamente en el RNA.
Las bases se unen a una pentosa (mediante el N-1 en las pirimidinas y el
N-9 en las purinas), a través de un enlace N-~-glucosídico con el C'-1 de la pentosa. A los átomos de las pentosas de los nucleótidos se les añade el signo prima
(') para distinguirlos de los átomos de las bases nitrogenadas. En los ribonucleótidos, la pentosa es la o-ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos (desoxinucleótidos) el azúcar es la 2'-desoxi-o-ribosa. Ambos tipos de pentosas se
encuentran en forma ~· El compuesto resultante de la unión de una base más la
pen~osa es un nucleósido (Fig. 6-2).
El grupo fosfato se une en la posición 5' de la pentosa normalmente, aunque
también puede aparecen en otras posiciones (2', 3'). La base más la pentosa más
el fosfato constituyen el nucleótido (Fig. 6-2).
1
En la figura 6-3 se muestran las estructuras y los nombres de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonu~leósidos 5' -monofosfato), que
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
95
PURINAS
H
N
Ce
~
H
o
NH 2
N
1~
s
H
N
.
9
N
H
1
J.~N>-H
N
).,~:>-H
N
1
H
N
H2N
l
H
H
Purina
Guanina
Adenina
Citosina
Pirimidina
Figura 6-1. Bases púricas y pirimidínicas
de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas que forman parte del DNA y el RNA
se forman a partir de la purina y de la pirimidina.
Uracilo
[ Base Nitrogenada + Azúcar = NUCLEÓSIDO J
Nl:
N;:
Cltosina){_ _,_)
N
O
~ 1- -
1
J
1
\ OH/
tiOH¡C~
- O , ,
.
H
H
O
·
OH
2'
OANJ
H20
/ H \
+
HOH 2 C~
H
,.
H
H
H
OH
H
Desoxicitidina
(1-13-desoxirribofuranosil-citosina)
H
H Desoxirribosa
Base Nitrogenada + Azúcar + Ácido Fosfórico
H2 0
J
= NUCLEÓTIDO
H0-~:0o~N<xS
N_,.;::;:
H2C
4'
1'
H
H
OH
Adenosina
(Nucleósido)
OH
Adenosín - 5'-monofosfato
(AMP)
rm~n parte del D NA, y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósi\ -monofosfato) , que forman parte del RNA.
' u~que la mayoría de los nucleótidos contienen las bases nitrogenadas A, C,
1
' ) (. • el DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias (Fig.
6
1
e·l ~A, las más comunes son las formas metiladas de las bases princiP 1 ••
dc e
A, Y en especial en el tRNA, también se encuentran distintos tin lo 5 ~ ~secundarias. En el Recuadro 6-1 se analiza el papel de algunos
l·n la ~l ases o de nucleótidos como agentes terapéuticos.
1 crc:ntcs ~ ~as también aparecen nucleótidos con grupos fosfato en posiciones
1 ribon e car_bono 5', como los ribonucleósidos 2',3' -monofosfato cíclicos
del R A. uc1eóst~os 3' -monofosfato, qüe son ·productos finales de la hidrólisis
1 u nosin ~;?s ~Jemplos son la adenosina-3',5' -monofosfato cíclico (AMPc) ymenta~ ,5 -monofosfato cíclico (GMPc) (Fig. 6-5). Al final del capítulo
a estructura y función del AMPc.
· .
•
t
Figura 6-2. Nucleósidos y nucleótidos. En la figura se ilustra
con dos ejemplos los procesos
de formación de un nucleósido
(base nitrogenada+ azúcar)
mediante un enlace N-glucosídico y de un nucleótido (base nitrogenada + azúcar + grupo
fosfato) mediante enlace éster
fosfórico.
b
e~~~~S!~
lilibiQTiQA FUNPAQ~RES
96
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
RIBONUClEÓTIDOS
Adenosina
S'-monofosfato
AMP
Guanosina
S' -monofosfato
GMP
l~">
HN:X>
~
N
0_
HN A
o-
N
-o-~-o-H e
o
2
1
H
11
o
H
H
OH
OH
O
H
H
H
H
OH
OH
J
o
o-o-P-O-He
1
11
2
O
H
H
0
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-o-P-O - He
2
11
H
H
O
H
OH
J
OA
N
H
OH
H
H
H
OH
OH
H
H
H
Desoxicitidina
S' -monofosfato
dCMP
N
;:
HN~eH¡
11
O
OH
O
H
o
o
2
H
1
Desoxitimidina
5' -monofosfato
dTMP
Desoxiguanosina
S' -monofosfato
dGMP
Cx"
>
~
N
0_
H
o
o-o-P-O-He
2
11
NJ
l
NH 2
-o-~-o - H e
J
OA
OANJ
[ DESOXIRRIBONUClEÓTIDOS
Desoxiadenosina
S' -monofosfato
dAMP
N;:
HN~
N
2~
-o-P - O-He
2
11
O
N
CMP
o
o
NH 2
Citidina
S'-monofosfato
Uridina
S' -monofosfato
UMP
o
H
H
OH
H
1
_____.
J
OA
NJ
o
o-o-P-O-He
1
11
.
2
O
H
H
NJ
H
H
OH
H
H
Figura 6-3. Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de los ácidos nudeicos. los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos se
encuentran en forma monofosfato, situándose el grupo fosfato en posición 5'. la parte nucleosídica de cada molécula aparece sombreada.
(a)
eH 3
NH 2
O
1
,¡~:("'
""~)
( r)
N
N
1
N
H e -N Á
J
1
[ Rib osa]
1
S-Metilcitidina
(b)
o
NH
Rib osa
1
N 6-Metiladenosina
o
H
NJ__N
.-l----,
~
N 2-Metilguanosina
S
HN~N>
o
HNr
~NJ_N
1
[Rib osa
lnosina
OA
NJ
1
OA
1
N
H
Pseudouridina
HNA
1
Rib osa
1
4-Tiouridina
Figura 6-4. Algunas bases púricas y pirimidínicas secundarias. (a) Bases poco abundantes en el DNA. La 5-metilcitidina está presente en el DNA
de los animales Y ?lantas superiores, y la N 6-metiladenosina en el DNA bacteriano. (b) Bases poco abundantes presentes en los tRNA. La inosina
contiene la base h1poxantina. La modificación con respecto al nucleótido original aparece en color.
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
97
¡·Recuadro 6-1. Análogos de bases o nucleósidos como agentes terapéuticos
Existen muchos compuestos (aislados de productos naturales o de nueva síntesis) que son análogos estructurales de las bases o de los nucleósidos utilizados en muchas reacciones metabólicas. Estos compuestos son inhibidores relativamente específicos de enzimas implicadas en el metabolismo de los nucleótidos, y se emplean en el tratamiento de diversas patologías. Entre ellos están los antimetabolitos, de los que a continuación se destacan algunos ejemplos.
Para el tratamiento del virus de inmunodeficiencia humana (HIV), y del herpesvirus (HSV), se utilizan análogos de nucleósidos. Estos metabolitas permiten controlar, aunque no curar, las infecciones causadas por estos virus. Estos fármacos son el aciclovir y el 3'-axido-3'-desoxitimidina (AZT).
El aciclovir (acicloguanosina) es un análogo de purinas. Este compuesto se activa por fosforilación, gracias a la acción de una timidina quinasa
especifica del HSV, codificada por el genoma del virus. Se forma así la acicloguanosina monofosfato, que es entonces fosforilada por enzimas
celulares a las formas di- y trifosfato. Esta última actúa como sustrato para la DNA polimerasa del HSV, y se incorpora a la cadena de DNA vírico
en crecimiento, provocando su finalización, inhibiendo así la replicación viral.
El AZT es un análogo de pirimidinas. También necesita fosforilarse para formar el compuesto activo. Quinasas celulares lo convierten en AZTtrifosfato, que bloquea la replicación el HIV al inhibir la DNA polimerasa del virus (que es una polimerasa dependiente de RNA). Esta enzima es
al menos 100 veces más sensible al AZT-trifosfato que la DNA polimerasa de la célula huésped, lo que permite la selectividad del AZT hacia las
cé lulas infectadas por HIV respecto a las no infectadas.
Otros análogos estructurales de bases o nucleósidos purínicos y pirimidínicos interfieren en reacciones metabólicas muy específicas, y se utilizan
en el tratamiento del cáncer. Entre ellos se incluyen la 6-mercaptopurina y la 6-tioguanina, para el tratamiento de la leucemia aguda; o la
azatiopurina, para la inmunosupresión en pacientes con transplantes de órganos.
~N
H3C- N'\
f__j_ N0
Azatioprina
C9 H7 N102S
2
S
6-tioguanina
:):
HN
~
l,N
N>
"-N
Ejemplos de análogos de bases y nucleósidos utilizados
como agentes terapéuticos
Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos
por enlaces fosfodiéster
Los n ucleótidos pueden unirse unos a otros para formar el DNA o el RNA. La
unión se realiza mediante "puentes" de grupos fosfato, en los cuales el grupo
-OH en la posición 5' de un nucleótido está unido al grupo -OH del siguiente mediante un enlace fosfodiéster (Fig. 6-6). De esta forma, los esqueletos de
los ácidos nucleicos consisten en residuos de fosfato y pentosa, quedando las
bases nitrogenadas como grupos laterales unidos al esqueleto.
Todos los enlaces fosfodiéster tienen la misma orientación a lo largo de la
cadena, con lo cual cada cadena lineal de ácido nucleico tiene una polaridad específica y extremos 5' y 3' diferenciados. El residuo terminal cuyo C-5' no está
unido a otro nucleótido se conoce como extremo 5', mientras que -el residuo
terminal cuyo C-3' no está unido a otros nucleótidos se llama extremo 3'. Por
convención, la secuencia de residuos nucleotídicos en un ácido nucleico se escribe, de izquierda a derecha, desde el extremo 5' hasta el 3' .
Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido (generalmente hasta 50 nucleótidos). Los ácidos nucleicos de mayor longitud se denominan polinucleótidos.
0
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL DNA
El descubrimiento del material genético
La investigación de la bioquímica del DNA comenzó con Friedrich Miescher,
un biólogo suizo, que realizó, en 1868, los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares, y aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que
denominó nucleína, a partir de los núcleos de .las células de la pus (leucocito_s),
obtenida de vendajes quirúrgicos de desecho. Miescher demostró que dicha nu~
cleína consistía en una porción ácida, que hoy se conoce como DNA, y una
nucleótido~
c:flos
se unen entre sí
mediante enlaces fosfodiéster para
formar los ácidos nucleicos, en una
orientación S' a 3'.
O-H 2C5'
1
O=P--
H J'H
0
OH
1
o-
Adenosina 3',5'-monofosfato cíclico '
(AMP cíclico, cAMP)
O-H 2C5'
1
H J'H
O=P--0
OH
1
oGuanosi_na 3',5'-monofosfato cíclico
(GMP cíclico, cGMP)
Figura 6-5. Estructura del AMPc .Y el
GMPc, dos_nucleótidos reguladores.
98
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Extremo 5'
DNA
RNA
Extremo S'
o-
o-
1
1
-o - P=O
-o-P = O
1
1
H,~fs· u:)
O A
H
H
H
H,~~
s·
O
H
H
3'
O
O
H
1
O
H
1
H,~~
s·
T
O
O
H
H
3'
1
1
1
H,~b!
s·
0
Diversos experimentos demostraron que el DNA es la molécula
que almacena y transmite la información genética.
H
OH
-o-P=O
1
c:f
G
H
O
H
-o - P=O
1
3'
H
3'
O
H
OH
-o-P=O
H,~~
s·
S'
H
1
Enlace
fosfodiéster
1
Figura 6-6. Formación de enlaces fosfodiéster en el DNA y el RNA. Los enlaces
fosfodiéster unen los sucesivos nucleótidos.
El extremo 5' carece de nucleótido en la posición 5' y el extremo 3' carece de nucleótido en la posición 3'.
U
H
3'
-o-P=O
H
H
H
H,~~
s· _ O e
G
O
H
H
3'
O
H
H
H
3'
H
O
1
OH
1
H
Extremo 3'
H
Extremo 3'
porción básica en la que se encuentra la proteína. Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del salmón, y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas de sus propiedades.
En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Diplococcus pneumoniae, que
causa la neumonía. Observó que las células de cepas patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta delgada de polisacáridos,
y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R), no eran patógenas. Los
descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes: observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor, y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se inyectaron de forma separada.
Además, pudo aislar células S vivas, encapsuladas1 a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las células S muertas por calor tenían algo
que transformaba a las células R vivas en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó "principio transformante", pero no puedo -identificarlo.
En 1944, Oswald Avery, Colín Macleod y Maclyn McCarty prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los extractos en varios
componentes y probaron su capacidad para transformar células R en células S in
vitro. Encontraron que el principio transformante residía en el DNA. Una prueba decisiva para confirmar esto fue que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada específicamente el DNA, acabó con la actividad transformante, mientras que las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradas proteínas, no afectaron a esta actividad transformante.
Estudios posteriores realizados con un bacteriófago que infecta a la bacteria
E. coli apoyaron los trabajos de Avery. En 1952, Martha Chase y Alfred D. Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo radiactivo 2 P), un constituyente del DNA pero no de las proteínas, y azufre radiactivo 5S), un constituyente
de las proteínas pero no del DNA (Fig. 6-7). Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E. coli), es el DNA de la partícula vírica,
que ~ontiene fósforo, y no la proteína de la cápsida del virus, que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información
genética para la replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han
demostrado que el DNA es el vnico componente cromosómico que contiene la
información genética en las células vivas.
e
e
CAPÍTULO .6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
99
EXPERIMENTO DE HERSHEY Y CHASE
(a) Unión
(b) 1nyección
(e) Agitación
1\
(d) Separación
(por centrifugación)
~
Radiactivo
(la bacteria infectada
contiene 32 P)
radiactivo
No
radiactivo
Radiactivo
(cubiertas virales
vacías con 35 5)
Figura 6-7. EL experimento de HersheyChase. Se prepararon dos muestras del bacteriófago T2 marcadas isotópicamente. Una
marcada con 32 P. en los grupos fosfato del
DNA y la otra con 35 S en los residuos de aminoácidos que contienen azufre de las proteínas de la cápsida. Posteriormente se infectaron por separado suspensiones de bacterias
no marcadas. Una vez realizada la infección,
se separaron las cápsidas víricas vacías y las
bacterias. Las células infectadas por el fago
marcado con 32 P contenían radiactividad: el
DNA vírico marcado había penetrado en las
células, y las cápsidas víricas vacías no contenían radiactividad . Las células infectadas con
el fago marcado con 35 S no contenían radiactividad, mientras que las cápsidas vacías sí.
Después de la eliminación de las cubiertas
del virus se observó la formación de nuevos
virus en ambas suspensiones: el mensaje genético para la replicación de los virus había
sido introducido por el DNA de los virus y
no por su proteína.
Las moléculas de DNA tienen diferente composición de bases
En el descubrimiento de la estructura del DNA resultó de gran importancia el
trabajo de Erwin Chargaff y sus colaboradores a finales de la década de 1940.
Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótid'os del DNA
variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. La proporción cuantitativa de las bases en una macromolécula se adapta en ocasiones a las denominadas Reglas de Chargaff. Éstas fueron confirmadas por muchos investigadores y sirvieron como pauta para el establecimiento de la estructura tridimensional del DNA, así como de los
mecanismos sobre cómo se codifica la información genética en el DNA y cómo
se transmite de una generación a la siguiente. Tales reglas son las siguientes:
l. La composición de las bases del DNA generalmente varía de una especie
a otra.
2 . Las muestras de DNA aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases.
3 . La composición de bases del DNA de una detérminada especie no varía
con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
4 . En todos los DNA de diferentes especies, ~1 número de los residuos de·
adenina es igual al de los résiduos de timina (A= T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos · de citosina (G = C). A
Las reglas de Chargaff fueron
esenciales para la deducción de la
estructura tridimensional del DNA y
la forma en que se codifica y transmite la información genética.
100
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
t
3,6 nm
Surco mayor
Figura 6-8. Modelo de Watson y Crick de
la estructura del DNA. La molécula de
DNA tiene 10,5 pares de bases y 3,6 nm
por vuelta de hélice. (a) Representación
esquemática que muestra las dimensiones
de la hélice. (b) Modelo lineal que muestra
el esqueleto covalente y el apilamiento de
las bases. (e) Modelo de esferas. Las bases
se muestran en gris, los fosfatos en amarillo y las ribosas y los oxígenos de los fosfatos en azul.
0,34 nm
(a)
partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es:
A+G=T+C.
EL DNA es una doble hélice
La determinación de la estructura del DNA por parte de James Watson y
Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología molecular moderna.
La estructura de Watson y Crick del DNA permitió la determinación del mecanismo molecular de la herencia.
Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para
analizar fibras de DNA. A principios de la década de 1950 demostraron que el
DNA produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis
de los diagramas permitió deducir que las moléculas del DNA son helicoidales,
y que sus bases aromáticas planas forman un apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la construcción de un modelo tridimensional
de la molécula de DNA que explicara los datos de difracción de rayos X, así
como las equivalencias entre bases descubiertas por Chargaff, junto con otras
propiedades químicas del DNA.
Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y Crick postularon un
modelo tridimensional para el DNA. El modelo de Watson y Crick tiene las siguientes características principales:
Figura 6-9. Hélice levógira y hélice dextrógira. En cada caso, mientras el pulgar
apunta hacia donde la hélice avanza, los demás dedos se curvan en la dirección de giro
de la hélice. Esto se mantiene cuando las
hélices se colocan al revés.
l. Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje
común, formando una doble hélice (Fig. 6-8) .
2. Las dos cadenas del DNA son antiparalelas (es decir, transcurren en
direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira (la diferencia entre una hélice dextrógira y una levógira se muestra en la figura 6-9.
3. Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos
se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre lo's grupos
fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras
de ancho desigual: los surcos mayor y menor (véase Fig. 6-8).
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
4 . Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una
base de la hebra opuesta, para formar un par de bases
plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja
con un residuo de citosina y viceversa, y cada residuo
de guanina debe aparearse con un residuo de citosina
y viceversa (Fig. 6-10). Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de
bases complementarias, da como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice.
La doble hélice del DNA se mantiene unida por dos tipos
de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases
complementarias, y las interacciones de apilamiento de las
bases. Entre G y C se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden establecer dos entre A
y T. Esta es una de las razones de la dificultad para separar
las hebras apareadas del DNA: cuanto mayor sea la relación
de pares de bases G C con respecto a las A= T, más difícil
será su separación. La complementariedad de las hebras del
DNA se debe a los enlaces de hidrógeno que se establecen
entre los pares de bases.
U n gran número de resultados experimentales apoyan las
principales características del modelo de Watson y Crick
para el DNA. Además, a partir del propio modelo, sugirió de
inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del
DNA permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de
hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra
hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas hipótesis se confirmaron experimentalmente
(véase capítulo 16).
Esqueleto de
azúcares fosfato
Apareamiento de bases
complementarias
101
Esqueleto de
azúcares fosfato
S'
3'
j
1
3'
S'
=
El DNA puede adoptar distintas formas
tridimensionales
El D NA es una molécula muy flexible, que puede presentar
Figura 6-10. Cadenas complementarias del DNA. Dos cadenas
numerosas variaciones estructurales. En el DNA celular se obde polinucleótidos se asocian mediante el apareamiento de sus
servan muchas desviaciones significativas de la estructura de
bases para formar el DNA de doble cadena. Se forman puentes
Watson y Crick. Estas variaciones estructurales no tienen ninde hidrógeno específicos entre A y T. y entre G y C.
gún efecto sobre las propiedades fundamentales del DNA definidas por Watson y Crick, y reflejan tres aspectos: las diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa, la rotación alrededor de los enlaces
O El modelo de Watson y Crick
del esqueleto de la hélice, y la libre rotación en torno al enlace glucosídico.
explica las características principales
La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del DNA
de la molécula de DNA.
o DNA B. La forma Bes la estructura más estable que puede adoptar un DNA
de secuencia al azar en condiciones fisiológicas. Las formas A y Z son dos variantes estructurales (Fig. 6-11).
La forma A predomina en disoluciones relativamente pobres en agua. El
DNA estál estructurdado en udnab doble hélice dextdrógira, pe ro la dhél ice es mdás ~
gruesa y e número e pares e ases por vue1ta es e 11, en 1ugar e 1os 10 ,5 e ~
la fo rma B del DNA. El plano de los pares de bases de la forma A tiene una inclinación de unos 20° con respecto al eje de la hélice. Esto hace que el surco
mayor sea más profundo y el surco menor más superficial.
El DNA Z supone una mayor desviación de la forma B. Es una hélice levógira. Contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es más delgada y
alargada. Las cadenas del DNA adoptan un plegamiento en zigzag.
DNA puede presentarse en
N o está claro si el DNA A se encuentra en las células, pero hay datos a favor
tres formas: DNA A, B y Z. El DNA B
de la presencia de zonas de DNA Z en procariotas y eucariotas. Estas regiones
responde a la estructura de Watson
pueden participar en la regulación de la expresión de algunos genes o en la rey Crick.
com binación genética.
c:f~:~
102
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Q ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL RNA
¿Cómo controlan las secuencias de nucleótidos las características de los organismos? En experimentos realizados con el hongo ascomiceto Neurospora crassa en la
década de 1940, George Beadle y Edward Tatum descubrieron la existencia de
una conexión entre los genes y las enzimas. Demostraron que las variedades mutantes de Neurospora que se generaban por irradiación con rayos X requerían nutrientes adicionales para crecer. Esto probablemente se debía a que las células dañadas por la radiación carecían de enzimas específicas necesarias para sintetizar estos nutrientes. De esta forma propusieron un vínculo directo entre los genes y las
reacciones enzimáticas, lo que se conoció como la hipótesis "un gen, una enzima".
El vínculo entre el DNA y las enzimas (que son, en su gran mayoría, proteínas) es el RNA. El DNA de un gen se transcribe para producir una molécula de
RNA que es complementaria con el DNA. La secuencia de RNA es entonces
traducida a la secuencia correspondiente de aminoácidos para formar una proteína (véase capítulo 18). Esta transferencia de información biológica se resume
en el llamado dogma central de la biología molecular formulado por Crick en
1958 (Fig. 6-12). El DNA se transcribe a RNA, y la secuencia de RNA se traduce a la secuencia de aminoácidos correspondiente, formando una proteína.
Las células contienen diversos tipos de RNA:
Forma A
Forma B
Forma Z
Figura 6-11. Formas A, By Z del DNA. Las
tres estructuras que se presentan tienen 36
pares de bases.
~os
ribosomas están formados
por moléculas de RNA y proteínas.
Participan en el proceso de síntesis
proteica.
Replicación
O
....
,
' '.
Transcripción
/
DNA , -------- RNA
Traducción
Proteína
Figura 6-12. El dogma central de la biología molecular. Las flechas de línea continua
indican los tipos de transferencia de información que se producen en todas las células:
el DNA dirige su propia replicación para producir moléculas nuevas de DNA; el DNA se
transcribe a RNA; el RNA se traduce en la
síntesis de una proteína. Las flecha.s de línea
discontinua representan las transferencias de
información que se observan sólo en algunos
organismos (como algunos virus).
• El RNA ribosómico (rRNA) es el componente principal de los ribosomas,
constituyendo hasta un 65% de su peso total. Las moléculas de rRNA suelen ser muy grandes. Desempeña un papel tanto catalítico como estructural en la síntesis de proteínas.
Tanto en los procariotas como en los eucariotas, un ribosoma consta de
dos subunidades, una mayor que la otra. A su vez, la subunidad más pequeña consiste en una molécula grande de RNA y unas 20 proteínas distintas; la subunidad más grande consiste en dos moléculas de RNA en los
procariotas (tres en los eucariotas) y unas 35 proteínas distintas en los procariotas (unas 50 en los eucariotas).
Para la separación de los componentes de los ribosomas, RNA y proteínas,
se utiliza una técnica denominada ultracentrifugación analítica. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de
sedimentación expresado en unidades Sverdberg (S), llamadas así por
Theodor Svedberg, el científico sueco que inventó la ultracentrífuga. El
valor S aumenta con el peso molecular de la partícula en sedimentación,
pero no de forma directamente proporcional, porque la forma de la partícula también afecta a la velocidad de sedimentación.
Un ribosoma de E. coli suele tener un coeficiente de sedimentación de
705, disociándose en una subunidad menor de 305 y una mayor de 505.
La subunidad 305 contiene un rRNA 165 y 21 proteínas distintas. La
subunidad 505 contiene dos rRNAs, de 55 y 235, y 34 proteínas distintas.
En cambio, los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 805, y las subunidades mayor y menor son 605 y 405, respectivamente. La subunidad pequeña de los eucariotas contiene un rRNA 185,
mientras que la grande contiene tres tipos de moléculas de rRNA, 55, 5,85
y 285 (Fig. 6-13).
• El RNA de transferencia (tRNA) consta de alrededor de 75 nucleótidos,
siendo una de las moléculas de RNA más pequeñas. Es un polinucleótido de
una sola cadena, con un peso molecular aproximado de 25.000 daltons.
Transporta los aminoácidos en forma activada al ribosoma para la formación
de enlaces peptídicos a partir de la secuencia codificada por el mRNA molde. Existe al menos un tipo de tRNA para cada uno de los 20 aminoácidos.
En el tRNA se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios, y se forman pares de bases A- U y G- C similares a los del DNA, salvo por la
sustitución de la timina por uracilo. La molécula puede dibujarse como
una estructura de trébol (Fig. 6-14). Las porciones de la molécula unidas
por puentes de hidrógeno se denominan tallos, y las otras, bucles. Algunos
1
de estos bucles contienen bases modificadas.
Si se comparan los tRNA de diferentes especies, se observan muchos aspectos estructurales comunes. La mayoría de tRNA tienen un residuo
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁC.IDOS NUCLEICOS
Ribosoma eucariota
Ribosoma bacteriano
70S
PM = 0,9
X
PM = 2.7
10 6
• rRNA 16S
(1.S40 nucleótidos)
• 21 proteínas
X
10
103
6
80S
PM = 4,2 X 10 6
PM = 1,8 x 106
PM = 1,4 x 10 6
PM=2 ,8 x 106
• rRNA SS
(1 20 nucleótidos)
• rRNA 235
(3.200 nucleótidos)
• 36 proteínas
• rRNA 18S
(1 .900 nucleótidos)
• -33 proteínas
• rRNA SS
(1 20 nucleótidos)
• rRNA 28S
(4.700 nucleótidos)
• rRNA S,8S
(1 60 nucleótidos)
• - 49 proteínas
Figura 6-13. Composición de los ribosomas en procariotas y eucariotas. Resumen
de la composición y la masa de los ribosomas en los procariotas y en los eucariotas.
Las subunidades ribosómicas se identifican
por sus valores del coeficiente de sedimentación S (Sverberg).
guanilato (pG) en el extremo 5', y todos tienen la secuenc!a CCA(3') en el
extremo 3'.
El brazo del aminoácido puede llevar un aminoácido específico unido por
su grupo carboxilo al grupo hidroxilo 2' o 3' del residuo A del extremo 3'
Brazo
aminoácido
Brazo D
•
••••
••••
A
1
1
1
1
1
i
Contiene dos o
tres residuos D
en diferentes
posiciones
Brazo anticodón
Anticodón
·Figura 6-14. Estructura en hoja de trébol
de los tRNA. Los puntos grandes representan res iduos nucleotídicos, mientras que las
líneas azules representan pares de bases. Los
residuos característicos y/ o invariables comunes a todos los tRNA aparecen en rojo.
En el extremo del brazo del anticodón se
encuentr a el bucle del anticodón, que con tiene siempre siete nucleótidos no apareados. Pu, nucleótido purínico; Py, nucleótido
pirimidínico; G*, guanilato o 2'-o-metilguanilato.
104
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
c:fExisten distintos tipos de RNA:
RNA ribosómico, RNA de transferencia, RNA mensajero, RNA nuclear
heterogéneo y RNA nuclear pequeño. Cada uno de ellos desempeña
funciones específicas en la célula.
del tRNA. El brazo del anticodón contiene el anticodón. El brazo D contiene dihidrouridina (D), y el brazo T'I'C contiene ribotimina (T) y pseudouridina ('!f). Los brazos D y T'I'C contribuyen al plegamiento de las
moléculas del tRNA.
Durante la síntesis de proteínas, tanto el tRNA como el mRNA se unen al
ribosoma de una forma definida, lo que garantiza el orden correcto de los
aminoácidos en la cadena polipeptídica sintetizada.
• El RNA mensajero (mRNA) es el menos abundante de los RNA, constituyendo del 5 al 10% de todo el RNA celular. Es el molde para la síntesis
de proteínas o traducción. La secuencia de los nucleótidos del mRNA es
complementaria al mensaje genético contenido en un segmento específico
del DNA. Las moléculas de RNA mensajero tienen diversos tamaños, lo
mismo que las proteínas cuya secuencia especifican. Se puede producir
una molécula de mRNA de cada gen o grupo de genes que vayan a expresarse en E. coli, mientras que se produce un mRNA específico por cada
gen en eucariotas. En consecuencia, el mRNA es una clase heterogénea de
moléculas.
En eucariotas, el mRNA formado inicialmente es una molécula más grande llamada RNA nuclear heterogéneo (hnRNA) , que contiene largas porciones de secuencias intermedias llamadas intrones, que no codifican proteínas. La modificación postranscripcional elimina los intrones.
• El RNA nuclear pequeño (soRNA) es una molécula de reciente descubrimiento. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. Tiene apenas
entre 100 y 200 nucleótidos, y en la célula se acompleja con proteínas para
formar partículas nucleares pequeñas de ribonucleoproteína (snRNP). Su
función es contribuir al procesamiento del mRNA inicial que se transcribe
del DNA, para dar una forma madura que pueda exportarse del núcleo.
En los eucariotas, la transcripción se efectúa en el núcleo, pero la síntesis
de proteínas se efectúa casi totalmente en el citosol, y eso hace necesaria la
exportación del mRNA.
Q NUCLEÓTIDOS CON OTRAS FUNCIONES
El ATP es la moneda· de intercambio energético de la célula
El ATP es un ribonucleótido constituido por adenina y ribosa, a la que se unen
en forma secuencial tres grupos fosfato por medio de un enlace fosfoéster seguido de dos enlaces fosfoanhídrido .
La importancia biológica del ATP radica en la gran cantidad de energía libre
que acompaña a la rotura de los enlaces fosfoanhídrido. Esto tiene lugar cuando
un grupo fosfato se transfiere a otro compuesto, liberando ADP (Fig. 6-15), o
se transfiere el AMP, y se libera pirofosfato (PPJ Cuando el aceptar es el agua,
el proceso se conoce como hidrólisis:
ATP + H 2 0
ATP + H 2 0
ADP + P;
AMP + PP;
La variación de energía libre para la hidrólisis del ATP es -30,5 kJ/mol en
condiciones estándar (f~ G 0').
En la figura 6-16 se indican los valores de t. G 0 ' para la hidrólisis de varios
compuestos fosforilados de importancia bioquímica. Estos valores se conocen
como potenciales de transferencia de grupos fosforilo , y son una medida de la
tendencia de los compuestos fosforilados a transferir sus grupos fosfato al agua.
El ATP tiene un potencial de transferencia de grupo fosforilo de valor intermedio. Bajo condiciones estándar, los compuestos que se encuentran por encima
del ATP pueden transferir de forma espontánea un grupo fosforilo al ADP para
formar ATP, que a su vez, de forma espontánea transfiere un grupo fosforilo a
los grupos apropiados de moléculas como glucosa o glicerol, para aumentar su
energía. A pesar de sus altos potenciales de transferencia de grupo, el ATP y los
compuestos fosforilados relacionados son cinéticamente estables, y no reaccionan a menos que actúe sobre ellos una enzima apropiada.
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
105
NH 2
1
Rotura de l enlace J
N-?e'-e~N~
·
1
11
~e-H
/e"'=' /e~N1 adenina
~ ~ ~
ATP
HdNO
-o-P - 0 - P- O- P-O-H e
¡Y
~~
1"
2
oooH
H
',
/
H
)
--
H
/
OH
OH
ribosa
ADP
o
11
-o-P- OH
+
1
o0
1 !::..G '
= -30,5 kj/motl
Gracias a su potencial de transferencia de grupos fosforilo, el ATP es el vínculo químico entre el catabolismo y el anabolismo (véase capítulo 7, Recuadro
7-1, Acoplamiento de reacciones). Constituye la moneda energética de la célula
viva. Gran parte de la energía que se libera de la glucosa y de otros combustibles
celulares se conserva mediante la síntesis acoplada de ATP a partir de ADP + P;.
El ATP cede su energía química a procesos como: biosíntesis de moléculas,
transporte de sustancias contra gradiente de concentración, movimiento mecánico, etc. Siempre que se utiliza la energía química del ATP, éste pasa a
ADP+ P;.
Aunque este apartado se ha centrado en el ATP como moneda energética
celular y dador de grupos fosforilo, los otros nucleósidos trifosfato (GTP, UTP
Figura 6-15. Hidrólisis del ATP. En la figura
se representa la estructura del ATP, indicando la posición de los enlaces de alta energía,
y cómo la ATPasa rompe uno de los enlaces
fosfoanhídrido para dar ADP. Este proceso es
exergónico y libera -30,5 kj/mol en condiciones estándar.
~l vínc~lo
c fEl ATP constituye
entre catabolismo y anabolismo. siendo
la moneda energética de la célula
viva. La conversión exergónica del
ATP a ADP y P; está acoplada a muchas reacciones y procesos endergónicos.
-70,------------------------------------------------,
eoo1
e-o-® Fosfoenolpiruvato
11
-60
o
eH 2
o-®
~/
e
-50
1
o
eH2-o-®
E
g
1
eH OH
-40
I
1 ,3-Bisfosfoglicerato
V>
:~
:0
~
.S::
-30
"'
t,
<l
-------------"T'--------~~------- ~i~~~i;!if;;
p
(lJ
-20
p
Gl"'" / /
Glicerol-®
-10
o
Figura 6-16. Clasificación de los compuestos biológicos fosforilados según sus
energías libres estándar de hidrólisis. En
el esquema se muestra el flujo de grupos
fosforito. desde dadores de elevada energía
vía ATP hasta moléculas aceptaras (como
glucosa y glicerol) para formar sus derivados
fosfato de baja energía.
1'06
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
y CTP) y todos los desoxinucleósidos trifosfato (dATP, dGTP, dTTP y dCTP)
son energéticamente equivalentes al ATP. Las variaciones de energía libre asociadas con la hidrólisis de sus enlaces fosfoanhídrido son prácticamente idénticas
a las del ATP. De esta forma, también pueden dirigir reacciones de forma análoga al ATP. El motivo de que sea esta última la moneda energética es que se
encuentra en mucha mayor concentración en las células.
Ciertos nudeótidos son importantes coenzimas
c::fExisten diversas coenzimas formadas por nucleótidos que participan en reacciones de oxidación y reducción en el metabolismo. Entre
ellas destacan el NAo•. NADP+, FMN
y FAD.
Diversas enzimas catalizan reacciones de oxidación y reducción en la célula. Las
enzimas que catalizan las oxidaciones celulares canalizan los electrones desde
multitud de sustratos diferentes a tan sólo unos cuantos tipos de transportadores
de electrones. La reducción de estos transportadores en los procesos catabólicos
permite la conservación de la energía libre que se produce en la oxidación de los
sustratos. Algunas de las coenzimas que acompañan a las enzimas que catalizan
este tipo de reacciones son nucleótidos. El NAD\ NADP\ FMN y FAD son
coenzimas nucleotídicas hidrosolubles que experimentan oxidación y reducción
reversibles en muchas de las reacciones de transferencia de electrones del metabolismo.
NAO+ y NADP+
El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+ en su forma oxidada) y su
análogo próximo, el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADP•) ,
están formados por dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfato por un
enlace fosfoanhídrido (Fig. 6-17).
Ambas coenzimas experimentan una reducción reversible del anillo de nicotinamida:
c::fEl NAD+ está formado por un
nucleótido de nicotinamida y otro
de adenina, unidos a través de sus
grupos fosfato. El NADP+ tiene la
misma estructura, con un grupo fosfato adicional esterificado al azúcar
del nucleótido de adenina.
NAD+ + 2 e- + 2 H+
NADH + H +
NADP+ + 2 e- + 2 H +
NADPH + H+
El NAD+ actúa generalmente en oxidaciones, como parte de una reacción
catabólica; y el NADPH es la coenzima habitual en las reducciones, casi siempre
como parte de una reacción anabólica.
Los anillos del NAD~ y del NADP+ provienen de la vitamina niacina, que se
sintetiza a partir del triptófano. La carencia de niacina afecta, por lo tanto, a todas las enzimas dependientes de estas coenzimas, y es la causa de una grave enfermedad humana denominada pelagra, que produce dermatitis, diarrea y deH
NAO+
O
Cr
O
ll
c , NH,
2W
~N
(oxidado)
0-H,C
~
O
H
H
11
f Y C' NH,
l ,.)
~
R
NADH
H H
H H
(reducido)
1
O=P-o1
OH
~
OH
2
<N:e:N
O=P-o-
1
N
1
)
Adenina
N#
o-H,r<o'>l
Figura 6-17. NAO+ y NADP+. El NAD+ y el
NADP+ se reducen a NADH y NADPH, captando un ión hidruro (dos electrones y un
· protón) a partir de un sustrato oxidable.
~
OH
OH )
En el NADP+ este grupo hidroxilo
está esterificado con fosfato
\
CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
107
mencia. Hace un siglo era una enfermedad común. Hoy en día está práctica~
mente erradicada en las poblaciones del mundo desarrollado. Pero aún la
padecen las personas alcohólicas cuya absorción intestinal de niacina está muy
reducida y cuyas necesidades calóricas están satisfechas a menudo con licores
destilados que carecen prácticamente de vitaminas, entre ellas la niacina.
FAD y FMN
El FAD (dinucleótido de flavina y adenina) y el FMN (mononucleótido de flavina) son dos nucleótidos de flavina (Fig. 6-18) que se unen a flavoproteínas, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción. La flavina es capaz de reducirse de manera reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de urio o
dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón)
desde un sustrato reducido. Así se originan las formas completamente reducidas:
FAD + 2 e- + 2 H+
FADH 2
FMN + 2 e- + 2 H+
FMNH 2
Los nucleótidos de flavina suelen estar unidos fuertemente a la mayoría de
las flavoproteínas, incluso de forma covalente. Estas coenzimas fuertemente unidas se denominan grupos prostéticos, y provienen de la vitamina riboflavina
(vitamina B2). La deficiencia de riboflavina es bastante rara en los seres humanos. Los síntomas de la deficiencia de riboflavina, que se asocia con la desnutrición general o con dietas poco equilibradas, son la inflamación de la lengua, lesiones en las comisuras de la boca y dermatitis.
I TEl FAD y el FMN son dos nucleótidos de flavina que se unen fuertemente a flavoproteínas. Pueden
aceptar de forma reversible uno o
dos electrones en forma de uno o
dos átomos de hidrógeno.
-------
Otros nucleótidos no nucleicos
Existen otros nucléotidos que no forman parte de los ácidos nucleicos y que
desempeñan funciones biológicas muy importantes. Cabe destacar el AMPc
(AMP cíclico) y la coenzima A.
El AMP cíclico actúa como segundo mensajero
El adenosín monofosfato cíclico (véase Fig. 6-5) es un nucleótido que actúa
como segundo mensajero . de diversos procesos biológicos. Se produce a partir
anillo de isoaloxazina
o
H,CY"(N~NH w.,~
HC~N
3
HC
3
""'NAO
1
~
1
1
N
1
R
CH 2
FMN
H3CXX~:Co
1
NH
NAO
1
H
FADH 2 (FMNH 2 )
(totalmente reducido)
HCOH
1
HCOH
1
HCOH
1
FAD
CH 2
1
o
NH2
---~j~~- --- <Nyl) N
1
-o -P=O
1
N~ ..~
H,{~o'>l
~
N
OH OH
Dinucleótido de flavina y adenina (FAD)
Mononucleótido de flavina (FMN)
Figura 6-18. FAD y FMN. El FMN consiste
en la estructura que se muestra por encima
de la línea de trazos del FAD. Los nucleótidos de flavina aceptan dos átomos de hidrógeno (dos electrones ·y dos-protones). Cuan- do el FAD o el FMN aceptan un solo átomo
de hidrógeno, se forma la semiquinona, que
es un radical libre estable.
...
,110
-::-. ..
..... _- ··.... ·"
t ......
SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Q PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
1111 El
compuesto formado por una desoxirribosa unida mediante
un enlace N-glucosídico al N-9 de la adenina es:
a} Un desoxirribonucleótido.
b} Un nucleótido de purina
e} Un ·nucleósido de pirimidina.
d} Desoxiadenosina.
e}
Los pares G-C comparten dos enlaces por puentes de hidrógeno.
d} Las bases ocupan el interior de la hélice.
DJI Indique cuál o cuáles de las siguientes composiciones de bases
es posible para un RNA de cadena sencilla:
%A
ID Indique
que
a}
b}
e}
d}
cuál de las siguientes afirmaciones sobre las pentosas
aparecen en los ácidos nucleicos es cierta:
Las pentosas están siempre en forma B-furanosa.
El C-S' y el C-1 ' de la pentosa están unidos a grupos fosfato.
El C-S ' de la pentosa está unido a una base nitrogenada, y
el C-1 ' a un grupo fosfato.
El enlace que une las bases nitrogenadas con las pentosas
en un enlace 0-glucosídico.
r -· .
enlaces fosfodiéster que unen los nucleótidos adyacentes
tanto en el RNA como en el DNA:
a} Siempre unen A con T y G con C.
b} No presentan carga a pH neutro.
e} Se forman entre los anillos de las bases adyacentes.
d} Unen el extremo 3' -0H de un nucleótido con el extremo
S' -OH del siguiente.
DI indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta
I D ·En base a las reglas de Chargaff. ¿cuál o cuáles de las siguientes
composiciones de bases para un DNA de doble cadena es posible?:
%A .
%(
%T
%U
%G
a}
S
4S
4S
S
20
20
20
20
e}
3S
1S
3S
1S
d} Ninguna de las anteriores.
b}
o
20
o
1'111 En la forma B del DNA:
%T
%U
S
4S
4S
2S
2S
2S
e}
3S
1O
30
d} Todas las anteriores.
o
o
o
2S
2S
b}
S
DI El
oligorribonucleótido S' -GACTAGCCTA-3 ' sólo podría formar
una estructura de doble hélice con:
a} S'-TAGGCTAGTC-3 ' .
b} S' -CTGATCGGAT -3 ' . .
e} S' -CUGAUCGGAU-3'.
d} S' -UAGGCUAGUC-3'.
&:1 En
las células. los nucleótidos y sus derivados
como:
a} Portadores de energía metabólica.
b} Cofactores enzimáticos.
e} Señales intracelulares.
d} Todas las anteriores son ciertas.
para el oli-
gonucleótido de DNA AGCTIG: .
a} Tiene 7 grupos fosfato.
b} · Tiene un grupo hidroxilo en su extremo 3'.
e} Tiene un grupo fosfato en su extremo 3'.
d} Tiene una A en su extremo 3'.
%C
a}
DI Los
..
%G
p~den
actuar
mJI El ATP es un ejemplo de:
Desoxirribonucleótido trifosfato.
b} Ribonucleósido.
e} Ribonucleósido trifosfato.
d} Ácido nucleico.
a}
lliJI Con
..
respecto a los nucleósidos. indique cuál de las siguientes
afirmaciones es verdadera:
a} Están formados por la unión de un ácido fosfórico, una
pentosa y una base nitrogenada.
b} El ácido fosfórico se une al C-S del azúcar.
e} Los ácidos nucleicos se forman por la unión de nucleósidos.
d} Todas las anteriores son falsas.
IIDI El DNA Z:
Una purina de una de las cadenas siempre se une a través
de puentes de hidrógeno éon una purina de la cadena
com·plementaria.
b} Los pares A-T comparten tres enlaces por puentes de hidrógeno.
a}
Es una cadena de DNA formada por tres hebras de nucleótidos.
b} Es una cadena de DNA levógira.
e} Es más ancha que la cadena de tipo B.
d} Todas las anteriores son falsas.
a}
\
j
/
\
BIOENERGÉTICA
o
CONTENIDOS
o
o
o
o
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Diferenciar las formas de la energía en la célula y sus transforma-
Introducción
ciones.
La energía de las moléculas
o Establecer los principios de la termodinámica y su aplicación a los sis-
Funciones de estado
temas biológicos.
Metabolismo y
bioenergética
o Relacionar el contenido de calor de un sistema y su grado de libertad
con la entalpía y la entropía.
o Predecir la espontaneidad de una reacción química según sus valores
de energía libre y su constante de equilibrio.
o Relacionar los conceptos de energía libre con el metabolismo celular.
r
El primer capítulo que abre esta sección revisa el concepto de
energía y su relación con las funciones celulares. Cualquier proceso que se realice en la célula consume o produce energía:
una reacción química catalizada por una enzima (Capítulo 8), la
entrada y salida de sustancias a través de la membrana (Capítulo 9), la transmisión de señales entre células y tejidos (Capítulo
10), la construcción o destrucción 9e macromoléculas (Sección
111) o la transmisión de la informaci ~ n genética (Sección IV). Todas estas funciones, descritas en los siguientes capítulos, deben
cumplir las leyes de la termodinámica.
Por ello, saber predecir si un proceso en un determinado sistema biológico va a ocurrir de forma espontánea, o si, por el
contrario, va a requerir un aporte de energía para llevarse a
cabo, es una tarea primordial a la hora de enfrentarse al estudio de los procesos biológicos.
114
SECCIÓN 11. -LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
0
INTRODUCCIÓN
La Termodinámica es la ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas
de la materia y sus intercambios de energía.
Los seres vivos dependen del suministro de energía, y para cumplir el primer
principio de la conservación de la energía, el balance final de energía entre la
célula y su entorno debe mantenerse constante.
Cualquier proceso que se realice en la célula, o bien consume, o bien produce energía. En este capítulo se van a analizar las formas de energía que la célula
es capaz de recibir, cómo las puede convertir en un trabajo útil, o incluso almacenar, para posteriormente ser utilizada en un determinado momento.
Los sistemas biológicos son capaces de formar biomoléculas que interaccionan para producir organismos complejos. Estos organismos poseen cualidades
que los distinguen de otras agrupaciones de materia inerte, y deben cumplir las
siguientes características:
•
•
c:fun sistema biológico debe cumplir las leyes de la Termodinámica.
•
•
I TEl estudio termodinámico de un
sistema biológico· permite determinar si un proceso (sea una reacción
química, un paso de moléculas a través de una membrana, etc.) va a
ocurrir de forma espontánea en la
célula.
Ser capaces de generar y mantener orden en un universo que siempre
tiende a un mayor grado de libertad.
Mantener un elevado grado de complejidad química y de organización
microscópica.
Haber desarrollado sistemas para la extracción, transformacioii y uso de
energía del entorno.
Poseer funciones definidas para cada uno de sus componentes y la regulación de las interacciones entre ellos.
La célula puede entenderse como una gran fábrica química donde cada segundo se realizan miles de reacciones que necesitan una fuente de materia (átomos que proceden del entorno en forma de nutrientes) y una fuente de energía
que, aunque se presenta en forma de energía química, en última instancia, proviene del sol. El objetivo final de un ser vivo será generar el orden que haga posible la vida.
0
LA ENERGÍA DE LAS MOLÉCULAS
Las diferentes formas de la energía y su transformación
c:fEl Primer Principio de la Termodinámica o Principio de Conservación de la Energía dice que la
energía no se crea ni se destruye,
solo se transforma. En cualquier
cambio físico o químico, el total de
la energía del Universo permanece
constante, aunque la forma de la
energía cambie.
----------------~
La energía se define como la capacidad de producir cambio y se mide por la
cantidad de trabajo realizado durante este período de cambio. A diferencia de
otras propiedades de la materia, la energía no se puede definir en términos de
tamaño, forma o masa. La presencia de energía solo se revela cuandó se ha producido un cambio (Recuadro 7-1).
/
La energía existe en muchas formas que pueden interconvertírse. La energía
potencial indica la cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía
que se encuentra almacenada en un determinado lugar. Por ejemplo, la energía
almacenada en una presa llena de agua: mientras está almacenada, la energía no
es útil, pero si se abre la presa, toda la energía que había contenida en ella se libera, y el agua arrastrará aquello que encuentre en su camino (se transforma la
energía potencial en energía cinética).
La energía de combustión es la energía contenida en los enlaces de carbono
de los combustibles, y que resulta liberada en un proceso de combustión (oxidación) . Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se
quema, lo que transformará su estructura química. Por lo tanto, un combustible
puede ser tanto el carbón utilizado en las máquinas de vapor, como la gasolina
que quema el inotor de un coche para su funcionamiento, de forma que la energía química del combustible se transforma en energía cinética.
La célula también es capaz de transformar la energía química de los nutrientes, de manera que, durante su proceso de combustión, se libera toda la energía
de las moléculas y se utiliza para realizar un trabajo celular, como pm\ ejemplo:
• Reacciones químicas no favorables o espontáneas.
• Movimiento de moléculas a través de una membrana.
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
• Reacciones que generen orden y, por lo tanto, un alto contenido en información.
• Crecimiento y división celular.
La energía de Los nutrientes
La energía que necesita un organismo heterótrofo proviene de los nutrientes y
de la energía almacenada en dicho organismo. Los azúcares, los lípidos y las proteínas son los tres tipos de componentes con valor energético que se utilizan
como combustible en .los seres vivos. Centrando el estudio en el ser humano,
una vez que estos nutrientes han entrado en el cuerpo, sufren una serie de reacciones hidrolíticas (proceso de digestión) que incluyen la conversión del almidón en disacáridos, de las proteínas en aminoácidos y de los lípidos en ácid.os
grasos y glicerol. Estas formas más simples de los nutrientes van a ser, después,
absorbidos y asimilados por el sistema digestivo, y se dirigirán a la circulación
sanguínea desdé los capilares del tracto gastrointestinal hacia el hígado . Parte de
estas m oléculas son utilizadas según las necesidades energéticas de la célula en
ese momento, y el resto será almacenada en fo rmas más complejas como el glucógeno, en el músculo e hígado, y los triacilglicéridos en el músculo y en el tejido adiposo. La cantidad de energía que se toma de estos nutrientes depende de
la cantidad de nutrientes consumida y del contenido de energía de los nutrientes, según la composición que tengan .
El rendimiento energético que tiene un nutriente también va a depender de
lo eficien te que sea su proceso digestivo. No solo es importante el contenido
calórico de un nutriente, sino que se obtendrá más energía del mismo cuanto
más eficiente sea el proceso digestivo, y se produzca una mayor absorción.
¿De qué depende que un nutriente tenga un contenido elevado de energía?
De la energía que esté contenida en sus enlaces químicos. Cuanto más reducido
esté el compuesto, mayor energía estará contenida en sus enlaces; de forma que
al romperse estos enlaces por un proceso hidrolítico, se produce un cambio de
energía. El sistema pasará de un estado inicial, alto de energía, a un estado final
(nutriente digerido) con mucho menor contenido energético. La energía que se
pierde en este sistema tiene que ser almacenada en algún otro componente celular, para que no se desperdicie en forma de calor, que será una forma de energía
no útil para la célula.
115
Recuadro 7-1 . Unidades de la energía
En un contexto biológico, la energía se
mide en julios U) o kilojulios (kJ), unidades de trabajo. También suele medirse
en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), que
son unidades de calor.
El julio es una medida estándar de energía de los nutrientes. La kilocaloría es la
unidad de medida de energía más utilizada en EE.UU. y Canadá.
julio o joule (símbolo J) es la unidad ael
Sistema Internacional (51) para energía,
trabajo y calor. Toma su nombre hispanizado en honor al científico inglés Sir
Prescot Joule (1818-1889).
Se define como "el trabajo realizado
por la fuerza de un newton en un desplazamiento de 1 metro". Es decir, la
cantidad de trabajo requerida para desplazar un objeto de O, 1 kg de peso a
una distancia de 1 metro, bajo la fuerza
de la gravedad.
kilocaloría: es la cantidad de calor requerida para aumentar 1 oc la temperatura de 1 kg de agua.
1 cal= 4.1845 J
1 kcal = 4.1845 kJ
La com bustión de Los nutrientes Libera energía
Una molécula muy reducida puede sufrir un proceso de combustión (oxidaCión
en presencia de Ü z) hasta que alcanza un estado oxidado. Los electrones contenidos en los enlaces de la molécula reducida son transferidos al oxígeno, por lo
que la pérdida de electrones de la molécula hace que tenga menos energía en sus
enlaces. Este proceso OCJ..lrre normalmente en moleculas compuestas de carbono;
el C saturado de H (es decir con el mayor número de enlaces covalentes unidos
al H) cederá sus electrones al O z atmosférico, convirtiendo el O z en agua, mienc
tras que la molécula hidrocarbonada se transforma en CO z, estado de máxima
oxidación del carbono. Este proceso de combustión es un proceso· que libera
energía en forma de calor a su entorno. En el caso de un sistema como la combustión de un papel (constituido por celulosa) en presencia de oxígeno atmosférico, toda la energía contenida en la celulosa se pierde en forma de calor que se
libera al entorno.
Los seres vivos han conseguido desarrollar una serie de reacciones químicas
(~atalizadas por enzimas), que permiten recuperar parte de la energía de las moleculas (com o la energía de los enlaces de la celulosa del papel) y aJmacenarla en
otras moléculas con gran contenido energético (Fig. 7-1). La célula funciona
como una m áquina que quema combustibles (nutrientes) en ·presencia de oxígeno: parte de la energía se libera a la atmósfera (en forma de calor) pero otra
Parte se transforma en otro tipo de energía capaz de realizar un trabajo útil
(~nergía química) . El proceso será más eficaz cuanto menos calor emita al ambtente y más rendimiento de trabajo consiga.
El com bustible, es decir, el nutriente, será transformado en la forma más estable Y menos energética del carbono, el COz, que será liberado a la atmósfera,
ITLos nutrientes son compuestos
reducidos, con alto contenido energético.
ITLa célula ha diseñado .un sistema
de almacenaje de energía durante el
proceso de combustión de los nutrientes. Esta energía se utilizará para
realizar un trabajo celular.
116
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Energía
H. H
H
1
1
1
1
1
1
R- ·c - C - C- R +O
'
H H H
compuesto
reducido
calor de
combustión
Figura 7-1. Esquema de la combustión de
una molécula reducida. Diferencia entre la
combustión directa. con liberación de la
energía en forma de calor, y la combustión
en la célula, donde se almacena parte de la
energía contenida en la molécula en energía
útil para la célula.
C0 2 + H20
CO, + H,O
Compuesto
oxidado
Compuesto
oxidado
tal y como lo hacen las fábricas, que desprenden COz en su proceso de combustión para la transformación y utilización de energía. El ciclo solo se cerrará si el
COz emitido es utilizado por "alguien". Esta es la función de las plantas y otros
organismos fotosintéticos, únicos seres vivos capaces de convertir el COz en un
compuesto mucho más energético. ¿Cómo consiguen las plantas la energía para
subir desde un nivel o escalón bajo en energía, donde está el CO z, a un nivel
energético mucho más elevado donde se encuentran los hidratos de carbono?
Solo se logra gracias a la capacidad que tienen las plantas de captar y utilizar una
energía mucho mayor, la energía solar, gracias a su maquinaria fotosintética
(Fig. 7-2).
Autótrofos
Heterótrofos
Trabajo
celular
Figura 7-2. Sistema de utilización y conversión de la energía en los organismos
autótrofos y heterótrofos.
0
FUNCIONES DE ESTADO
Los sistemas biológicos
Los organismos transforman energía y materia de su entorno para realizar las
reacciones químicas. Se puede definir un sistema como toda parte del universo
que se delimita mentalmente, es decir, la porción de materia cuyas propiedades
se estudian. Por ejemplo, una célula, una reacción química, etc. Todo lo que
rodea al sistema constituye el ambiente o entorno. El conjunto formado por el
sistema y el entorno se denomina universo.
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTÍCA
117
En una reacción química, las sustancias que intervienen constituyen el sistema termodinámico, que evoluciona desde un estado inicial (reactivos) hasta un
estado final (productos) . El entorno será el medio donde tiene lugar la reacción
quím ica. El universo será el conjunto de los reactivos y productos presentes en
una solución y la atmósfera circundante. Según su relación con el entorno, los
sistemas pueden ser:
• Aislados: aquellos que no intercambian materia ni energía con el entorno;
este sistema no produce efectos observables sobre el exterior.
• Cerrados: aquellos que intercambian energía, pero no materia con el entorno.
• Abiertos: los que intercambian energía y materia con el entorno. Las células se consideran sistemas abiertos ya que captan combustibles químicos del
exterior (obteniendo la energía de su oxidación) y pueden extraer energía
bien de los compuestos químicos o incluso algunas células de la luz solar.
Además pueden transferir también energía al entorno en forma de calor.
En termodinámica, una función de estado o variable de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio.
Dado un sistema termodinámico en equilibrio puede escogerse un número finito de variables de estado, tal que sus valores determinan unívocamente el estado
del sistema. Se revisarán algunas de estas variables, como son la energía interna
(E o U), la entalpía (H), la entropía (S). Son magnitudes cuyo valor sólo depende del estado del sistema y no de la forma en que el sistema alcanzó ese estado.
Se m iden segú!J. el cambio que se produce en un sistema en equilibrio desde un
estado inicial a uno final , y se representa con el signo fl.
(fl = incremento = Estado final - Estado inicial)
O
esta~ varia~
Una función de
oo
ble de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el
estado de un sistema en equilibrio.
Su valor sólo depende del estado del
sistema y no de la forma en que el
sistema alcanzó ese estado.
Entalpía o calor a presión constante
La entalpía es el contenido de calor interno del sistema reaccionan te a presión constante. Refleja el número y el tipo de enlaces que contiene una molécula. El incremento de entalpía de un sistema (flll) expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico; es, por lo tanto, la cantidad
de energía que ese sistema puede intercambiar con su entorno (Recuadro 7-2) .
. Recuadro 7-2. Recuerdo de química
ENERGÍA DE ENLACE: Cuando los átomos forman moléculas mediante enlaces covalentes, se libera energía. Por lo tanto, en el caso de la formación de una molécula; la energía del producto es menor que la de los átomos al inicio de la reacción . El cambio de la energía del sistema que
se produce desde un estado inicial al final producirá una pérdida de energía del sistema.
Por esta razón, . porque el producto final tiene menor energía y, en consecuencia, es más estable, es por lo que los átomos tienden a formar
enlaces covalentes. Si, ahora, se piensa en el proceso inverso, la rotura de este enlace covalente, se comprende que se requiere la misma energía para romperlo que la que se desprendió en su formación.
La energía de enlace es la energía requerida para romper un enlace químico en fragmentos neutros en estado gaseoso.
Esta energía se mide en kcal· mol-' o en kJ ·mor'.
P. ej. para romper un enlace covalente entre O-H se requieren 463 kJ • mol-1 •
Los enlaces más fuertes, es decir, los más estables, tienen energías de enlace altas.
ENERGÍA INTERNA (E o U): Es una función que guarda relación al calor transferido y el trabajo realizado en el sistema. Viene determinada por
la vibración, rotación , translación de las moléculas y su energía de enlace. Es la suma de la energía cinética y potencial de las partículas que
11-·
componen el sistema.
La energía interna de un sistema solo puede modificarse mediante intercambios de calor y trabajo entre el sistema y su entorno. Es la energía
propia de las moléculas, y se mide como el calor y el trabajo que absorbe el sistema o fluye del sistema al entorno.
Si en el sistema no se producen cambios, la energía interna final será igual a energía inicial.
t:,.E = E fin al
-
E inicial
En este caso, la suma del calor transferido y el trabajo realizado
t:,.E= 0---> W= q
Calor (q)
.
Entorno
S1stema .
1
Trabajo (w)
--118
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Cuando se produce una reacción química, y los reactivos son diferentes a los
productos, habrá un cambio de contenido calórico debido a la energía contenida en los enlaces químicos. Las reacciones podrán ser de dos tipos (Fig. 7-3):
• Endotérmicas, que absorben calor del entorno en donde transcurre la reacción (D.H positivo). En este caso, el contenido calórico es menor en los
reactivos que en los productos.
• Exotérmicas, que liberan calor al entorno (D.H negativo) . El contenido calórico es mayor en los reactivos que en los productos.
En cualquier reacción química, la variación de entalpía (D.H) de la reacción,
es igual a la diferencia entre la suma de las entalpías de formación de los productos y la suma de las entalpías de formación de los reactivos.
0
D.H reacción
c:f
Una reacc1on exotérmica desprende calor del sistema al entorno,
mientras que una reacción endotérmica absorbe calor del entorno.
=
L HJ productos - L HJ reactivos
Cuando se miden las funciones de estado en condiciones estándar (es decir,
se fija la presión, la temperatura y la concentración de productos y reactivos), se
representa su símbolo con un superíndice 0 (D.H 0 ). Si, además, se estudia en
condiciones fisiológicas (a pH = 7), se añade una prima 0 ' (D.H 0').
Dado que una reacción puede expresarse como la suma algebraica de otras,
su entalpía de reacción es igual a la suma de las entalpías de reacción:
A---+B---+C
D.H~'_, e = D.H~'_, 8 + D.H~'_, e
Entropía o grado de libertad
La entropía es una función de estado y mide el grado de desorden o de libertad
de un sistema. Los sistemas desordenados tienen, por lo tanto, una entropía elevada. Los sistemas ricos en información son sistemas muy ordenados y tienen
niveles de entropía bajos. Este es el caso, por ejemplo, del DNA, que es una
molécula muy ordenada y, por lo tanto, contiene mucha información.
El objetivo de todo ser vivo es ordenar moléculas que encierren mucha información . Este hecho parece desafiar la 2a ley de la Termodinámica; sin embargo,
hay que tener en cuenta que, para ordenar un sistema (como en la síntesis de
DNA en una célula), el. proceso se realiza a partir de la entrada de materia y
energía a la célula (sistema abierto) y, en el curso de las reacciones -químicas,
parte de la energía será utilizada por la célula para generar esta molécula ordenada (disminución de la entropía del sistema), pero otra parte se disipará en forma
de calor (forma de energía muy desordenada debido a la colisión aleatoria de
moléculas). Este calor se liberará al entorno celular lo que provoca su aumento
(a)
[ PROCESO
i
-~
Q_
EX~TÉRMICO l
(b)
[ PROCESO ENDOTÉRMICO ]
i
I§
e
LU
Figura 7-3. Representación de reacciones químicas según el contenido de calor (entalpía) de los reactivos y' de los productos. (a) Proceso
exotérmico, con liberación de calor del sistema al entorno, y (b) proceso endotérmico donde los reactivos del sistema deben absorber calor del
entorno para convertirse en producto.
119
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
de entropía, de manera que, según estipula la 2a ley de la termodinámica, la entropía total del universo (la célula más su entorno) siempre aumentará.
Las características de la entropía son las siguientes:
• La entropía es una función de estado.
• Mide el grado de desorden o de libertad de un sistema. Los sistemas desordenados tienen una entropía elevada, mientras que los sistemas ordenados
tienen una entropía muy baja.
• En los sistemas abiertos hay que tener en cuenta el intercambio de entropia con el entorno o exterior.
• En las reacciones exotérmicas (donde se produce desprendimiento de calor) aumenta la entropía del entorno.
• En las reacciones endotérmicas (se absorbe calor) disminuye la entropía del
entorno.
• Una reacción es más probable si se da en situaciones de aumento de entropía.
• El incremento de entropía para un sistema y su entorno no varía en procesos reversibles y es positiva en procesos irreversibles.
En una reacción donde se genere orden celular, el aumento de la entropía
del entorno y la disminución que se produce en el sistema, dependerá de la pérdida de calor del sistema y el aumento de calor (desorden) en el entorno. Es
muy importante, por lo tanto, estudiar las reacciones químicas, y conocer sus
cambios en el contenido calórico (energía contenida en los enlaces) de los reactivos y los productos.
En las reacciones exotérmicas aumenta la entropía del entorno, ya que liberan calor al entorno provocando un mayor desorden. Ocurre lo contrario con
las reacciones endotérmicas, puesto que, al absorber calor del entorno, las moléculas del entorno estarán menos libres.
Los seres vivos, durante el proceso de combustión de los alimentos a partir
de la energía química contenida en los nutrientes, liberan calor, y gracias al conjunto de rutas metabólicas, son capaces de aprovechar parte de esta energía al
acoplarla a reacciones que generan orden (Fig. 7 -4). Este nexo entre la producción de calor y el incremento de orden es lo que diferencia el metabolismo de
una célula y el derroche de energía que se produce, por ejemplo, al quemar un
combustible con una llama. En este caso la entropía del universo aumenta, pero
no se genera orden, ni se obtiene información.
U n sistema (A____, B) siempre va a mantener un flujo de calor (q) con el entorno. Entre los tres estados de la materia, el estado gaseoso es el más desordenado (i tlS), mientras que el estado sólido es el más ordenado (flS-l-), al estar sus
moléculas menos libres. Para medir la entropía, es importante tener en cuenta el
número, la naturaleza de las moléculas, y el estado de la materia.
En una reacción química, siempre que haya un aumento del número de moléculas, o bien cuando una sustancia sólida se convierta en productos líquidos o
gaseosos con mayor libertad de movimiento molecular, hay un incremento de
entropía (Fig. 7-5).
J
"~:).-,11111 ~
i
;,
,!:!'!
~ _¡
a_
g
e
~/
/
agua
(líquida)
vapor de agua
(gas)
(desorden)
o
a
r
n
i
e m
d
n
f
o
e
r o
n
Figura 7-4. Conexión entre la producción
de orden en un sistema biológico y liberación de calor al entorno. El universo
(sistema más entorno) tiende al desorden.
02•
Ley de la termodinámica: el
universo tiende siempre a aumentar
el desorden. En todos los procesos
naturales, la entropía del universo
(sistema + entorno) aumenta.
O la principal diferencia entre la
materia viva y la inerte, es que los
seres vivos son capaces de generar y
mantener orden en un universo que
tiende a aumentar el desorden.
.
~-
6.5 >o
LJ.J
Vi
hielo (sólido)
(orden)
Figura 7-5. Proceso de fusión del hielo
por un aumento de la temperatura. Incremento de entropía o desorden debido al aumento de moléculas en estado gaseoso, con
mucho mayor grado de libertad.
120
SECCIÓN 11 • .LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
La energía libre de Gibbs indica si una reacción
es favorable energéticamente
energía libre es la energía
necesaria para producir trabajo a T y
P constantes, y determina la espontaneidad de una reacción.
O la variación de la energía libre
de un sistema es una expresión de
la variación del calor y del grado de
libertad de un sistema con su entorno.
La segunda ley de la termodinámica permite predecir si una reacción es espontánea cuando aumenta la entropía del universo (el sistema más el entorno).
Sin embargo es difícil medir la entropía del entorno, por eso es útil introducir
otro término, la energía libre de Gibbs ( G) , definida como IJ.G = -IJ.S universo, y que se ocupa solo de las variaciones del sistema, sin necesidad de medir el entorno. La energía libre de Gibbs permite predecir la dirección de las
reacciones químicas, su posición exacta en el equilibrio y la cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo, a temperatura y presión constantes. Es una expresión muy útil, y sencilla de medir experimentalmente, puesto que se determina mediante la medida de las concentraciones de reactivos y productos en el
equilibrio.
La relación entre la energía química y el desorden puede explicarse a partir
de la siguiente ecuación, que relaciona la energía libre con la entalpía y la entropía del sistema a temperatura ( T) y presión (P) constantes, mediante:
t:.G=t:.H- Tt:.S
Lo importante es que si se conocen estos valores se podrá saber si lo-s reactivos se van a transformar espontáneamente en productos. Ambos términos son
fundamentales para conocer si una reacción transcurrirá de forma espontánea en
un sentido o en el opuesto. En todos los procesos espontáneos la energía libre
del sistema disminuye, es decir, el valor final de G es menor que el inicial y, por
tanto, t:.G es negativa, y se dice que la reacción es exergónica. Cuando la variación de la energía libre es positiva, entonces la reacción será endergónica, y no
podrá ocurrir espontáneamente.
La disminución de la energía libre (t:.G < O) podrá ser debida a una disminución del contenido energético de la entalpía (t:.H < O) , a un aumento del desorden (t:.S > O) o a ambos términos. El resultado final de ese balance entre energía
y desorden es entonces el responsable de la espontaneidad de la reacción.
• Una reacción exotérmica (t:.H < O) que incremente la entropía (t:.S >O)
ocurre espontáneamente.
• Una reacción endo~érmica ocurrirá espontáneamente (t:.G < O) si el valor
de T · t:.S es mayor que t:.H, aun cuando el proceso sea endotérmico
(t:.H > O).
El curso de la reacción viene determinado por la energía libre almacenada en
sus moléculas y por la concentración de ellas. Por lo tanto existe una forma de
expresar y calcular la energía libre de un sistema en términos de la concentración de sus moléculas o valor energético de las mismas. Es importante resaltar
que hay que distinguir entre dos cantidades diferentes, la variación de la energía
libre, t:.G, y la variación de la energía libre estándar, t:.G 0 •
Según la expresión de t:.G real de una reacción:
o RTl [Productos]
!1 G =11 G +
n----[Reactivos]
Se observa que esta igualdad depende de dos sumandos; uno representado por la
variación de la energía libre estándar (t:.G 0) , que es una cantidad constante para
una reacción determinada, y otro sumando que viene determinado por la relación de las concentraciones de productos y reactivos cuando va a iniciarse la reacción.
¿Qué expresa la variación de la energía libre estándar o I1G 0 ?
Para una reacción como la siguiente:
A+B
C+D
el valor de la energía libre muestra en qué sentido va a transcurrir la reacción y
en qué punto va a alcanzar el equilibrio. Para poder estudiarlo se fijan unas condiciones experimentales (condiciones estándar) a una temperatura determinada:
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
121
P= 1 atm
[Productos]
= [Reactivos] = 1 M,
al inicio de la reacción
pH = 7, solo se fija en reacciones bioquímicas
D.G representa las condiciones estándar del sistema, mientras que D.G 0 ' repre0
senta las condiciones estándar transformadas en los estudios bioquímicos, donde se debe fijar también el pH fisiológico (pH = 7), en este caso muy alejado de
la [H+] =1M.
Si se parte de estas condiciones equimolares de reactivos (A y B) y de productos (C y D), y se espera a que la reacción alcance el equilibrio, se llega al
p unto en que la relación de reactivos y productos ya no varía; es decir, se llegará
a un valor constante, la constante de equilibrio (K;q). Que los reactivos se conviertan en productos o viceversa (que la reacción ocurra hacia la derecha o hacia
la izquierda) en condiciones estándar, donde se ha partido de las mismas concentraciones, solo dependerá del potencial químico o valor energético de las
m oléculas. · Por lo tanto, este valor será constante para una determinada reacción. Como se desprende de la expresión,
,
D. G = D. G 0 +
RTl
[Productos]
[Reactivos]
n -----
si se permite que el sistema alcance el equilibrio, es decir, que no haya variación
de energía libre, D.G =O,
O=
c !La constante de equilibrio
(K~q) se expresa como la relación
entre las concentraciones molares
(mol/l) de reactivos y productos. Su
valor en una reacción química depende de la temperatura, por lo que
ésta siempre debe especificarse.
D.Go' + RTln [Productosl eq
[Reactivos] eq
ya que en el equilibrio
entonces,
K' = [Productosleq
eq
D.G 0 '
[Reactivosleq
=
-RT ln K;q
Según esto la energía libre estándar está relacionada con el valor de la constante de equilibrio de la reacción.
Medir experimentalmente las concentraciones de reactivos y productos de
un sistema que ha alcanzado el equilibrio es bastante sencillo, teniendo en cuenta que se conocen las concentraciones de partida (1M) y se fijan las condiciones
estándar del sistema. Al medir las concentraciones en el equilibrio, se podrá determinar experimentalmente la
del sistema y calcular, mediante la fórmula
descrita, la variación de la energía libre estándar (Recuadro 7-3). Se dispone de
tablas con los valores constantes de K;q y D.G 0 ', de la gran mayoría de las reacciones metabólicas que se dan en la célula (Tabla 7-1).
Si se conoce el valor de D.G 0 ' se puede saber si una reacción tiene tendencia a
producirse espontáneamente, aunque solo si se conocen las concentraciones reales en la célula, o en un determinado experimento, se podrá determinar si se
producirá o no de forma espontanea.
K;
!l.G 0 '
c !si la conversión de reactivos en
productos no produce ningún cambio de energía libre, D.G =O, entonces el sistema está en equilibrio.
= -RT·ln K'eq
Cuando la K;q = 1,
como ln 1 =O
entonces D.G
0
Cuando la K;q < 1,
como ln < 1 <O
entonces D.G
0
'
'
= -RT· O= O
(equilibrio)
= -RT· (-) = (+)
(no favorable)
Cuando la K;q > 1
c !La variación de la energía libre estándar de una reacción es
una forma matemática alternativa de
expresar la constante de equilibrio.
como ln > 1
>O
entonces D.G 0 ' = -RT· (+) = (-)
(favorable)
Las concentraciones reales influyen en la espontaneidad
de una reacción
Ya se ha visto que en condiciones experimentales se puede conocer cómo el valor energético de los reactivos y los productos determina si la reacción va a
transcurrir espontáneamente hacia la formación de productos. Sin embargo, las
condiciones estándar no existen en la célula. Además, algunas reacciones con
-4,0 /J.G
0
' define la diferencia entre el
'-'contenido energético de los reactivos y los productos en condiciones
estándar.
122
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Recuadro 7-3. Constante de equilibrio y energía libre estándar
Determinación de forma experimental de la constante de equilibrio y la /1G 0':
00
00
Glucosa-6-P
1M
+
'
J
(
~
000 . .
00
··'
00
000
''
00
00
Fructosa-6-P
1M
00
o
2. Se permite que la reacción alcance el
equilibrio.
00
Equilibrio
o
[0 ]
0,67 M
K =-=--=05
ep
[0]
1,33 M
'
1
l. Se mezclan concentraciones 1 M de
todos los reactivos y productos en
condiciones estándar.
f'o.G 0' = -RT ln K,q = -1,718 kj ·mol_,
3. Se miden las concentraciones en el
equilibrio de productos y reactivos.
4. Se ca le u la la K,q·
1
5. Cálculo de f'o.G 0' dará un valor > O.
0
valores de !:!.G positivos (no espontáneas) sí llegan a ocurrir en la naturaleza, ya
que se dan en condiciones diferentes a las estándar. En la célula, la temperatura
y la presión son constantes; sin embargo, las concentraciones de los reactivos y
los productos van a variar constantemente, y nunca serán del orden de 1 M .
Si se vuelve a revisar la expresión,
I:!.G = I:!.Go' + RTln [Productos]
[Reactivos]
Tabla 7-1 . Relación entre la constante
de equilibrio y la energía libre estándar de determinadas reacciones químicas (pH 7 y 25 "C)
Ejemplo
K~q
!1G 0' (kj/mol)
10 3
-17,1
10 2
-11,4
10
1
0,0
1o-,
5,7
10-2
11,4
1o-
3
ADP + P;
2 ·10
Glc 6P ~ Glc + P;
270
ATP
~
17,1
5
-30,5
-13,8
Se puede consultar el valor de I:!.G 0' para una reacción dada (ya que es un
valor constante y se dispone de registros) y, en consecuencia, se puede predecir
si la reacción va a ocurrir espontáneamente siempre que se conozcan las concentraciones de los reactivos y los productos en el momento en que va a transcurrir
dicha reacción.
A continuación se va a analizar el cambio de energía libre que tiene lugar en
dos tipos de procesos diferentes que ocurren en la célula; un transporte de una
sustancia a través de una membrana y una reacción química.
Si se observa el transporte de una sustancia (Fig. 7 -6) a través de una membrana desde el exterior de una célula al interior en condiciones estándar (concentraciones 1 M), como las condiciones de partida de la molécula a ambos lados de la membrana son idénticas, se puede entender fácilmente que no se va a
producir cambio, es decir el!:!.G =O. En este caso, al ser la misma sustancia, el
contenido energético de la molécula fuera o dentro de la célula será el mismo,
por lo tanto no hay cambio o variación de energía. Sin embargo, si se modifican
las condiciones estándar, por ejemplo que la concentración de la sustancia en el
exterior de la célula sea superior a la interior, la molécula entrará hasta alcanzar
un equilibrio en que ambas concentraciones, fuera y dentro, sean iguales. La
fuerza impulsora es la diferencia entre la concentración inicial y final (Fig. 7 -6).
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
123
(a)
Inicio del proceso
condiciones de partida
estándar
8 G = 8G 0 + 1RT ln 1 1
~
Fin del proceso
equilibrio
En el equilibrio ~ K,q
8G
= O --1
8G
=1
= - RT ln K,q = O
0
Cuando se alcanza el equilibrio
8G = 8G 0 + RT ln
8G
[~lint
= 8G0 + RT ln 1 = 8G0 + O
18G
8G =O
¡a ¡.,,
8G
0
= -RT ln K,q = -RT ln 1 = O
I 8G
= 8G 0 1
La concentración de la molécula en
el exterior es igual a la del interior
1
=o 1
No ha habido cambio
1
(b)
Inicio
= Mayor concentración
fuera de la célula
8G =
8G 0
+ RT ln [~lnt
Fin del proceso ~ Equilibrio
18G
= O1 - - 1
8G
0
= -RT ln K,q = O
[~] .,,
8G = O + RT ln < 1
~
e
Se produce la entrada de moléculas --""1-~ El proceso transcurre espontáneamente
al interior de la célula
hasta que se alcanza el equilibrio
Cuando se analiza el transporte de moléculas a través de una membrana, solo se
producirá cambio en el sistema si hay un gradiente de concentración; es decir, la
dirección de la molécula dependerá de la concentración a ambos lados de la
membrana, ya 9ue el potencial o contenido químico es el mismo al ser la misma
molécula (t.G 0 =O). Como se verá en el capítulo 9, en moléculas con carga
eléctrica, la diferencia de carga y la diferencia de concentración contribuirán a
m over la sustancia en un sentido u otro.
Sin embargo, si se analiza una reacción química como la vista en el recuadro
7-3, se puede observar que en condiciones estándar se requiere un aporte de
1,718 kJ/mol pára que la glucosa-6-fosfato se convierta espontáneamente en
fructosa-6-fosfato. Al haber una transformación de una molécula en otra, sus
valores energéticos sí son diferentes.
Si la reacción transcurre de forma que la concentración de reactivos sea mayor que la de productos, entonces el cociente [Productos]/[Reactivos] será menor que 1, y el logaritmo neperiano de este valor dará un valor negativo . Por lo
Figura 7-6. Proceso de entrada de una
sustancia a través de una membrana. Se
analiza la variación de energía libre para la
entrada de la sustancia en la célula en dos
situaciones diferentes: (a) La concentración
de la sustancia es igual a ambos lados de la
membrana, y (b) La concentración de la
sustancia es mayor fuera que dentro de la
célula.
O En un transporte de una molécula, donde no hay cambio de t.G 0',
solo se puede dar el proceso espon{~neamente si hay una fuerza impul'sora dependiente de la diferente
concentración de las moléculas a
ambos lados de la membrana.
c:f
0
Un valor positivo de un t.G '
puede ser contrarrestado por un valor negativo, debido a la relación
real de las concentraciones de productos y reactivos.
-----
124
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
tanto, si se consigue que las-concentraciones reales resten o frenen lo suficiente
el valor positivo de la t.G 0', es decir, de las concentraciones estándar, se podrá
conseguir que la reacción, en estas condiciones, transcurra espontáneamente
(t.G negativo) (Fig. 7-7).
Reacciones acopladas y ciclo del ATP
Cuando una reacción tiene un valor positivo de energía libre estándar, se puede
contrarrestar si se aumenta la concentración de los reactivos. Sin embargo, en la
célula eX:iste una limitación en el aumento de las concentraciones de los reactivos. Una'solución es hacer desaparecer el producto, de manera que la concentración de reactivo sea mayor que la de producto y, por lo tanto, el cociente será
menor que J (y su logaritmo neperiano negativo). La célula ha diseñado un sistema de reacciones encadenadas o secuenciales, de manera que una reacción que
tenga un incremento de energía libre estándar positivo se pueda dar, si el producto es arrastrado a convertirse muy espontáneamente en otro compuesto.
En el siguiente ejemplo, la secuencia de reacciones:
A-'1B-'1C
0
el valor t.G ' de la primera reacción t.GÁ--. 8 es +5 kJ/mol, y el de la -segunda
0
t.G~'--.c es -10 kJ/mol. En este caso la suma de las dos t.G ' da un resultado final negativo (-5 kJ/mol), por lo que la reacción A para dar C se dará espontáneamente. Este tipo de reacciones se denominan reacciones secuenciales.
Se puede observar que los valores de t.G 0' para reacciones que están acopladas son también aditivos. El intermediario común en la mayoría de las reacciones no espontáneas que se dan en la célula va a venir determinado por el acoplamiento de esta reacción a la hidrólisis del ATP. Esto es debido a que la reacción
2
de transferencia de un grupo fosforilo (- P03 ) del ATP es termodinámicamente muy favorable en la dirección de hidrólisis del ATP. El ATP va a ser, por lo
tanto, la moneda de intercambio energético entre reacciones favorables y desfavorables. Cuando una reacción no es favorable energéticamente se puede acoplar
a otra muy favorable, como es la hidrólisis del ATP, haciendo que la suma de
ambas libere energía (Recuadro 7-4). Si, por el contrario, se da una reacción
muy favorable, y se acopla a otra reacción desfavorable (como la síntesis de
(a)
En condiciones estándar la Glc-6-P no se convierte en Frc-6-P ya que 1:1G0 =+.y en equilibrio:
Glc-6-P p
Frc-6-P
Keq = 0,5
(b)
Se varía la concentración de partida
/
11
[Glc-6-P] > [Frc-6-P]
(e)
¿Hacia dónde se desplaza la reacción?
1:1G = 1:1G0 + RT ln
-------
~
Glc-6-P
Figura 7-7. Predicción del sentido de una
reacción química según La concentración
real de los reactivos y productos. Se
muestra el· ejefDplo de la reacción de conversión de glucosa-6-P (Glc-6-P) en fructosa6-P (Frc-6-P).
(d)
[Productos]
Q=
[Reactivos]
e
[Productos]
[Reactivos]
----
o
o
Frc-6-P
<1
o
oo
equilibrio
La reacción ocurre de forma espontánea hasta alcanzar el equilibrio, si Q < 1 y ln < 1.
por lo tanto es negativo y tiene un valor superior a 1:1G 0, por lo que
. . ...
1:1G
=
1:1G0
+ RTln Q
~
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
125
Recuadro 7-4. Acoplamiento de reacciones
1
Las reacciones exergónicas de los compuestos de .. alta energía" pueden acoplarse a los procesos endergónicos para conseguir que estos últimos
puedan llevarse a cabo. La explicación termodinámica para el acoplamiento de un proceso exergónico y otro endergónico se basa en la propiedad aditiva de la energía libre. Considerando la siguiente vía de reacción de dos pasos:
(1)
A+B ~ C+D
(2)
D+E ~ F+G
Si ~ G, ~O, la reacción 1 no se producirá de forma espontánea. Sin embargo, si ~G, es lo suficientemente exergónico de modo que ~G, + ~G, <O,
la reacción 1 podría realizarse gracias al acoplamiento de ambas. De esa forma, la vía global:
(1 +2)
donde ~G,
A+B+E
= ~G, + llG, <O. Por lo tanto,
~
C+F+G
la reacción global es exergónica.
Como ejemplo para ilustrar este concepto, puede considerarse el paso inicial en el metabolismo de la glucosa, que consiste en su conversión a
glucosa-6-fosfato. La reacción directa es termodinámicamente desfavorable. No obstante, en las células esta reacción está acoplada a la ruptura
exergónica del ATP, por lo tanto la reacción global resulta termodinámicamente favorable:
Glucosa+ P; ------> Glucosa-6-P
~G 0 ' = + 13,8 kj/mol
ATP
ADP + P;
~G '
Glucosa-6-P + ADP
~G ' =- 16,5 kj/mol
Glucosa+ ATP
------1
0
30,5 kj/mol
0
ATP), la energía liberada se podrá aprovechar para este fin, y no se desperdiciará
solo en forma de calor (energía "inútil") .
El ATP es la molécula que utiliza la célula para transferir energía. Esto es
debido a la capacidad de transferir su grupo fosforilo y a la gran cantidad de
energía que se libera al hidrolizarse (romperse) el enlace fosfoanhídrido. Esta
energía es liberada gracias a que el ATP tiene una gran repulsión de carga en su
molécula, haciendo que sea muy inestable, por lo que se tenderá a liberar esta
tensión. Por otra parte, una molécula con enlaces fosfoanhídrido tiene menor
resonancia que sus productos de hidrólisis. La forma estable resonante (por
ejemplo, del P;) refleja el grado de deslocalización de los electrones en la molécula, y la gran variedad de formas que puede adoptar esta molécula, teniendo
además un alto grado de libertad o entropía, lo que hace este estado más favorable (Fig. 7-8). En la célula, además, la forma resonante del fosfato se acompleja con cationes, lo que provoca aún más un alto grado de estabilización de
las cargas.
o
o
o
11 ('.
11
11
~
-o-P-O-P-O-P-0
Adenina
H
-
9·._/"o1-
1
1
o-
H
o-
l
ATP4 -
Hidrólisis. Se libera la
repulsión por cargas
o
-o-P- OH +
1
1
o
o-
o-
P;
o
11
11
~
HO-P-O-P-0
Adenina
11
1
o-
ADP 2 -
~·
estabilización
por resonanc1a
1
j
,0
8-,
1 '--
] '-
8- o-P-0 8- H+
[
--, 1 ,.-
'o'
8-
o
o
1111
~
W + -o - P-O-P-0
Adenina
. 1
o-
1
O~
ATP 4- + H,O ------1 ADP 3- + p~- + W
~G' 0 = -30,5 kj/mol
ADP'-
Figura 7-8. Proceso de hidrólisis del ATP.
La hidrólisis del enlace fosfoanhídrido libera
la repulsión de las cargas negativas. La molécula de fósforo inorgánico libre es estabilizada por la resonancia de los electrones.
126
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CElULARES
·a
METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA
Las dos grandes vías del metabolismo celular, catabolismo y anabolismo, están
necesariamente conectadas a través de moléculas con funciones muy definidas.
Por un lado las vías se conectarán a través de moléculas transportadoras de energía (ciclo del ATP); pero, además, existe una clara conexión con moléculas encargadas de la transferencia de electrones. En las dos vías metabólicas se producen reacciones de oxidación-reducción: en la vías catabólicas, donde se realizan
reacciones de oxidación, los electrones se irán cediendo a moléculas oxidadas
que, a su vez, se irán reduciendo; y en las vías anabólicas, las moléculas irán captando los electrones de estas moléculas reducidas.
Las moléculas transportadoras almacenan la energía en una forma que sea
fácil de intercambiar. Pueden hacerlo a través de un grupo químico fácil de
transferir, corno el grupo fosforilo; o a través de electrones, con gran actividad
energética. La ventaja de estas moléculas transportadoras es que difunden rápidamente por la célula, de manera que pueden transportar la energía contenida
en sus enlaces desde el lugar en que se han originado al lugar en el que se va a
requerir su acción.
La principal molécula transportadora de energía es el ATP, y las moléculas
transportadoras de electrones serán nucleótidos corno el NADH y el NADHP.
Estas moléculas se conocen corno coenzirnas (véanse capítulos 6 y 8). Existen
muchas coenzirnas encargadas de transportar grupos funcionales corno el acetilo, el metilo, etc.
·'
Moléculas transportadoras de energía
c:fEl proceso global del catabolismo libera energía: es espontáneo
energéticamente. El proceso global
de anabolismo necesita un suministro de energía. Las moléculas transportadoras de energía conectan ambas vías.
/
El reciclaje del ATP es el punto central del metabolismo: los procesos catabólicos liberan la energía potencial de los alimentos y la capturan en el intermediario reactivo, el ATP; los procesos anabólicos utilizan la energía almacenada en el
ATP para realizar un trabajo.
Las reacciones que tienen lugar en las vías catabólicas irán transfiriendo la
energía contenida en sus enlaces hacia una forma química utilizable. Así, mediante reacciones acopladas, si una molécula corno la glucosa se oxida en la vía
catabólica, la energía liberada en este proceso espontáneo se acoplará a una reacción energéticarnente desfavorable. La energía de las vías favorables se utiliza
para impulsar reacciones desfavorables, mediante moléculas que transportan y
almacenan esta energía.
¿Cómo son capaces de almacenar las moléculas transportadoras (ATP) la
energía desprendida de la combustión de los nutrientes? Si se observa de nuevo
la reacción de hidrólisis del ATP (véase Fig. 7-8),
ATP
ADP + P;
0
el valor de t:..G ' de la hidrólisis es de -30,5 kJ/rnol, que corresponde a una reacción muy favorable.
En la reacción opuesta de la síntesis de ATP, la célula necesita mucha energía para poder llevar a cabo esta reacción. Todas las vías catabólicas irán almacenando la energía para transferirla a la vía de síntesis de ATP, y así tener siempre
energía para el momento que se requiera.
La energía almacenada en el ATP podrá ser utilizada para multitud de reacciones. Una reacción muy común en la célula es la biosíntesis de moléculas mediante enlaces de condensación,
A-H + B-OH
A-B + H 2 0
Esta reacción es desfavorable energéticarnente, y mediante el acoplamiento
de una reacción altamente favorable, corno la hidrólisis del ATP, la energía
contenida en el enlace fosfoanhídrido se transfiere a la molécula B que va a
transformarse en B unida al grupo fosforilo . Este compuesto intermediario, es
ahora altamente energético, y al reaccionar con A-H impulsa la siguiente
reacción.
Este mecanismo de acoplamiento de una reacción energéticarnente desfavorable de biosíntesis de moléculas a la hidrólisis de ATP se verá en más detalle en
los capítulos de la sección III (Fig. 7-9).
CAPÍTUL0,-7. BIOENERGÉTICA
G - H + Ho - G
!
Figura 7-9. Reacciones acopladas. (a) A
diferencia de la hidrólisis, las reacciones de
condensación, tan habituales en la célula,
son energéticamente desfavorables. (b) Es
necesaria la activación de uno de los reactivos (molécula B, en este ejemplo) mediante
la transferencia de un fosfato liberado de la
1 hidrólisis del ATP, para que pueda darse espontáneamente. (e) Se muestra la suma de
las dos reacciones acopladas.
H,O
H20
(a)
)o · -·
\
• G - H + Ho - G
CONDENSACIÓN
HIDRÓLISIS
energéticamente
desfavorable
energética mente
127
favo rab le
(b)
H-·
condensación
·-·
O -oH
B-OH + ATP ---t B-O-P0) 2 + ADP
(e)
A-H + B-O-P0)2 ---t A-B + P1
B-OH + ATP +A-H + B-0-PO/ ---t B-0-PO/ + ADP + A-B + P,
Resultado neto:
B-OH +A-H+ ATP ---t A-B + ADP + P1
O, como se expresa comúnmente:
B- OH + A-H
-7""""7""~"\;:----t)
A- B
ADP + P1
ATP
Moléculas transportadoras de electrones
En una ruta catabólica se produce la oxidación de una molécula, como puede ser el caso de la glucosa, que transfiere sus electrones a una molécula final
aceptora de electrones, como el oxígeno. Sin embargo, este paso no es directo, si
no que hasta alcanzar el destino final, los electrones contenidos en los enlaces de
la glucosa irán pasando de una molécula a otra, de forma que los carbonos de la
glucosa perderán todos los electrones posibles hasta llegar a su estado de oxidación final (C0 2) . En el proceso estos electrones serán captados por moléculas
oxidadas que se irán, a su vez, reduciendo. Muchas de las reacciones de oxidación en las vías catabólicas se darán gracias a las coenzimas o moléculas transportado ras de electrones que serán capaces de aceptar electrones de las moléculas
que se oxidan en las vías catabólicas (Fig. 7-10).
(b)
o-/
\NH 2
eoenzimal
( oxidada J
eoen~ima1_ @
( reducida
J
_¿_H~C-H
1
@ -e-H
1
reducido
11
e-H
oxidado
w
~
)o
ero
/j
1
••
1
N
N
(Nlo•)
(N)DH)
oxidado
e
\NH 2
~·
UNIVERSIDAD CES
. Un Compromiso con la Excelencia
BliLlOTECA FUNCACC\RES
reducido
Figura 7-10. Procesos de oxidación-reducción mediante el transporte de electrones
facilitado por coenzimas. (a) Esquema de
paso de electrones de moléculas reducidas a
oxidadas. (b) La coenzima NAD+ se reduce al
aceptar el anillo de nicotinamida un ión hidruro W.
128
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
El proceso global del catabolismo es un proceso de oxidación. El
proceso global de anabolismo es un
proceso de reducción. Las moléculas
transportadoras de electrones conectan ambas vías.
Los principales transportadores de electrones son el NAD+ y el NADP+. Ambos tienen la misma función: actúar de intercambiador de electrones en un sistema de oxidación-reducción. El anillo de nicotinamida de la molécula oxidada
puede aceptar dos electrones y un protón (el equivalente a un ión hidruro H-)
pasando a la forma reducida NADH y liberando un H+ al medio (véase capítulo
6, Fig. 6-17). El NAD+ y el NADP+ realizan el mismo proceso de oxidaciónreducción, sin embargo tienen bien diferenciadas sus funciones como coenzimas: el NAD+ ayuda a catalizar las reacciones implicadas en el catabolismo,
aceptando los electrones de las moléculas que se oxidan, mientras que el NADPH actúa en las reacciones anabólicas donando los electrones ricos en energía
necesarios para las moléculas que se van a sintetizar. En la célula la relación de
NAD+fNADH es muy alta y, por el contrario, la de NADP+/NADPH es baja;
de esta forma está garantizada la disponibilidad de NAD+ para las vías catabólicas y la de NADPH cuando lo requieran las vías anabólicas. Otras coenzimas
que también desempeñan un importante papel en el metabolismo celular son el
FAD (dinucleótido de flavina y adenina) y el FMN (mononucleótido de flavina). La flavina es capaz de reducirse de manéra reversible, aceptando uno o
dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón) desde un sustrato reducido (véase capítulo 6,
Fig. 6-18) .
Transportador de grupo acetilo
O las moléculas transportadoras
juegan un papel central en las reacciones acopladas; transfiriendo grupos fosfatos ricos en energía (ATP),
electrones también ricos en energía
(NADH y NADPH) y grupos acetilo
(acetil CoA).
Existen otras muchas coenzimas especializadas en transferir fácilmente grupos
funcionales de un sustrato a otro. Multitud de enzimas utilizan la colaboración
de estas coenzinias para catalizar sus reacciones específicas. Estas coenzimas necesitan activarse para captar el grupo funcional unido en un enlace rico en energía, de forma que cuando lo libere, se produzca esta cesión de forma favorable.
La coenzima A (CoA) es un transportador primordial para transferir grupos acetilo (HC 3 COO- R) (Fig. 7-11) . En el capítulo 15, dedicado al metabolismo de
los lípidos, se volverá a resaltar su función . Es importante tener en cuenta que la
hidrólisis de ATP es necesaria para activar estos transportadores, ya que la unión
del grupo acetilo a la CoA se realiza mediante enlace tioéster (enlace rico en
energía) y esta unión solo es posible gracias a la hidrólisis del ATP. Por lo tanto,
en ultima instancia, estas moléculas transportadoras de grupos requieren la energía del enlace fosfoanhídrido para ser activadas y poder así transferir un grupo
posteriormente, en una reacción favorable, a otra molécula.
nucleótido
H H
O H H
O H
CH 3 H
O
O
H3C"'1
1
11
1
1
11
1
11
1
11
11
# C- S-C-C-N-C-C-C-N-C-C--C--C-O-P-O-P-0-CH
of' -¡
1
1
1
1
1
1
/
H H
enlace rico
en energía
1
H
H H
H
OH
1
1
CH 3 H
1
o-
1
o-
'
RIBOSA
o
1
-o-P=O
1
0-
Figura 7-11 . Molécula de acetil CoA,
transportadora de grupos acetilos.
~~----------------------------~----------------~----------_J
grupo
acetil
acetil coenzima A (CoA)
CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA
129
CONCEPTOS CLAVE
El estudio termodinámico de un sistema biológico permite determinar si un proceso va a ocurrir de forma espontánea en la célula.
o
o
0
Un sistema biológico debe cumplir las leyes de la Termodinámica
El Primer Principio de la Termodinámica o Principio de Conservación de la Energía dice: la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma.
o
La Segunda Ley de la Termodinámica dice: el universo tiende siempre a alcanzar un mayor grado de libertad. En
todos los procesos naturales la entropía del universo (sistema + entor11o) aumenta.
o
Una reacción exotérmica desprende calor del sistema al entorno, mientras que una reacción endotérmica absorbe
calor del entorno.
o
La principal diferencia entre la materia viva y la inerte, 'es que los seres vivos son capaces de generar y mantener
orden en un universo que tiende a aumentar el desorden.
o
La energía libre es la energía necesaria para producir trabajo, a T y P constantes y determina la espontaneidad de
una reacción.
o
La variación de la energía libre estándar de una reacción es una forma matemática alternativa de expresar la constante de equilibrio.
o
o
1'1G0' define la diferencia entre el contenido energético de los reactivos y los productos en condiciones estándar.
o
Las moléculas transportadoras juegan un papel central en las reacciones acopladas; transfiriendo grupos fosfatos
ricos en energía (ATP), electrones también ricos en energía (NADH y NADPH) y grupos acetilo (acetil CoA) .
o
El proceso global del catabolismo libera energía (es espontaneo); el proceso global de anabolismo necesita un suministro de energía. Las moléculas transportadoras de energía conectan ambas vías.
o
El proceso global del catabolismo es un proceso de oxidación; el proceso global de anabolismo es un proceso de
reducción. Las moléculas transportadoras de electrones conectan ambas vías.
Un valor positivo de un 1'1G0' puede ser contrarrestado por un valor negativo, debido a la relación real de las concentraciones de productos y reactivos.
EJE RCICIOS
a) Calcule el cambio de energía libre estándar de la conversión de glucosa-6-P en fructosa-6-P, sabiendo que en el equilibrio la
[Glc-6-P] = 1,33 M y la [Frc-6-P] = 0,67 M.
b) Indique si la reacción ocurrirá espontáneamente.
e)
¿Ocurriría la reacción en el mismo sentido si en lugar de condiciones estándar la reacción comienza con las siguientes concentraciones de partida [Glc-6-P] = 1,6 M y la [Frc-6-P] = 0,6 M?
SOLUCIÓN
ó.G 0
a) A pa rtir de la expresión:
1
Don de: R: es la constante de los gases: 8,3145 J · K- • molT: temperatura absoluta: 273° + 25
= 298 K
K,q: la constante de equilibrio
= -RT ln
K,q
1
oc
0,67 M
1,33 M
K =--=05
eq
'
ln 0,5 = -0,69
ó.G 0 = - RT ln K,q = -(8,3145 · 10- 3 kj • K- 1 • mol- 1) (298 K) ln 0,5 = 1,718 kj ·mol-'
b) En estas condiciones, la reacción de producción de fructosa-6-P no ocurrirá espontáneamente ya que el incremento de energía estándar es
mayor que cero.
130
SECCIÓN 11. LA ENERG ÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
[Frc-6-P]
_
t.G,., 1 - t.G 0 + RT ln [
e)
Glc-6-P]
0,6 M
t.G,., 1 = 1,718 kJ ·mol- 1 + RT ln - 1,6 M
t.G,., 1 = 1,718 kJ • mol_,+ (8,3145 • 1o- kJ • K_, · mol-1) (298 K) ln 0,33
3
ln 0,33 = -1 ,108
t.G,., 1 = 1,718 kj • mol_, + (8,3145 • 10-3 kj • K-1 • mol- 1) (298 K) (-1 ,108)
= 1,718 kj
· mol_,+ (-2,745 kj • mol-1)
= -1 ,027 kj
• mol_,
La reacción ahora podrá transcurrir espontáneamente para dar fructosa 6-P hasta que alcance el equilibrio.
&JI La siguiente
reacción es catalizada por la enzima alcohol deshi-
drogenasa.
ción alcance el equilibrio, ¿habrá mayor concentración de reactivos, de productos, o será la misma?
CH 3 CHpH + NAD+ ~ CH 3COH + NADH + W
Considerando que la reacción procede de izquierda a derecha
indique:
• ¿Cuál es el agente oxidante?
• ¿Cuál es el agente reductor?
&JI Si la reacción de la formación
de la sacarosa a partir de la glucosa y fructosa tiene un L'.G 0 de +5,5 kcal/mo l, cuando la reac-
0
11111 Considerar la
reacción D +E ~ F + W con una K.q = 1. Si se
cambia el pH de la disolución a un pH de 13, ¿esto haría que el
proceso fuese más exergónico, más endergónico o no se vería
afectado?
lfD Si
un proceso se realiza a O°C y sin variac ión de entalpía, ¿en
qué condiciones el proceso sería exergónico?
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
11111 Si una reacción química tiene un valor de L'.G
0
'
= -15 kj/mol, indicará:
a) Que la K.q es menor que 1.
b) Que la reacción se podrá dar espontáneamente.
e) Que la K.q es mayor que 1.
d) by e son ciertas.
&JI Si en una reacción química se realiza sin variación de entropía:
a)
b)
e)
d)
t.G =!'.H.
t.G = t.S.
t.G =O.
t.G =T • t.S.
&JI Cuando una reacción química alcanza el equilibrio:
La ve locidad de formación de reactivos es igual a la de
formación de productos.
b) La concentración de productos y reactivos es siempre la
misma.
e) La reacción ocurre muy deprisa.
d) El valor de t.G es mayor que cero.
a)
11111 El incremento de la temperatura de una reacción:
a)
b)
e)
d)
Hace más negativo el valor de la t.G.
Hace que la energía de las moléculas aumente.
Facilita la colisión entre las moléculas.
Todas las opciones son correctas.
lfD Una reacción exergónica:
a)
b)
e)
d)
Es siempre espontánea.
Se hace a una gran velocidad.
Es siempre exotérmica.
Todas son correctas.
111!11 Considere que la reacción A+ B pe tiene un t.G
0
' = +30 kj/mol,
señale la opción correcta para que la reacción ocurra en el sentido de dar producto C:
a) La reacción puede ocurrir espontáneamente.
b) La reacción se debería acoplar a una reacción con un valor de L'.G 0' = -15 kj/mol.
e)
La reacción podría ocurrir espontáneamente si se acopla a
la hidrólisis del ATP.
d) La reacción nunca ocurrirá espontáneamente.
&JI La variación de la energía libre estándar de una reacción:
a) Es una forma matemática alternativa de expresar la constante de equilibrio.
b) Es una función de estado.
e) Expresa lo alejado del equilibrio que se encuentra una reacción en condiciones estándar.
d) Todas son correctas.
IEIJI Un valor positivo de un L'.G
0
' puede ser contrarrestado y conseguir que la reacción sea espontánea, si en las condiciones de
inicio de la reacción:
a) La concentración de los productos es superior que la de
los reactivos.
b) La concentración de los reactivos es superior que la de los
productos.
e) Las concentraciones de productos y reactivos son iguales.
d) Las concentraciones no afecta a la variación de energía libre.
&JI Respecto al metabolismo:
a) El catabolismo es en general un proceso endergónico.
b) El proceso global de anabolismo es un proceso de reducción.
e) Las moléculas transportadoras de electrones son independientes de ambas vías.
d) La síntesis de ATP se acopla a las reacciones anabólicas.
lf.II!I Las moléculas transportadoras de electrones:
a) Son moléculas capaces de oxidarse y reducirse.
b) Son coenzimas de naturaleza nucleotídica.
e) Intercambian electrones en reacciones de oxl dación-reducción.
d) Todas son ciertas.
ENZIMAS Y CAl!ÁLISIS
o
CONTENIDOS
o
o
o
Introducción
Las enzimas como
catalizadores biológicos
o
Mecanismo de acción ·de
las enzimas
o
o
Cinética enzimática
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o
Conocer la función de las enzimas y comprender su mecanismo de
acción.
o
o
Comprender el significado de los principales parámetros cinéticos.
Interpretar los datos obtenidos en estudios de cinética de un solo sustrato.
o
Diferenciar los diferentes tipos de inhibición reversible mediante la interpretación de los parámetros cinéticos.
o
Diferenciar los principales mecanismos de regulación enzimática.
Regulación enzimática
r
Una vez comprendidos los principios que rigen la espontaneidad de las reacciones biológicas es necesario establecer otro
aspecto que va a condicionar su eficacia: la velocidad a la que
se producen en la célula.
En este capítulo se describe el mecanismo mediante el cual las
enzimas aceleran las reacciones insistiendo en su relación con la
estructura proteica descrita en el capítulo 5 y con los fundamentos energéticos analizados en el capítulo 7.
A continuación se realiza un análisis~de los datos experimentales
que se obtienen en las cinéticas de· un solo sustrato resaltando
cómo su interpretación puede facilitar la comprensión del mecanismo por el que transcurre la reacción catalizada.
Por último se exponen los principios que rigeri la regulación de
la a.ctividad enzimática necesarios para la coordinación de las
numerosas vías que se desarrollan en la célula y que se estudian
con detalle en los capítulos del metabolismo celular.
132
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
0
INTRODUCCIÓN
En el capítulo anterior se ha descrito cómo los valores de energía libre de los
sustratos y productos determinan que una reacción sea favorable mientras que
otras requieran energía para poder realizarse. Pero el hecho de que una reacción
sea exergónica no implica que se desarrolle a una velocidád eficaz en condiciones fisiológicas (pH, temperatura y entorno iónico). En este capítulo se va a estudiar el papel de las.enzimas, unas moléculas sintetizadas en la célula que aceleran de forma muy selectiva y eficiente las reacciones que se dan en el entorno
celular. La mayor parte son proteínas, aunque existe un pequeño grupo de moléculas de RNA con actividad catalítica: las ribozimas. Como se verá a lo largo
de este capítulo, el mecanismo de actuación de las enzimas implica la necesidad
de mantener su estructura tridimensional y, en aquellas proteínas oligoméricas,
su estructura cuaternaria.
La principal ventaja de las enzimas frente a los catalizadores inorgánicos es
que actúan en condiciones suaves de pH y temperatura, con una gran eficiencia
y, además, de forma muy específica.
Existen numerosas enfermedades relacionadas con la alteración de la actividad de ciertas enzimas. Por ese motivo, las enzimas tienen un gran interés para
las ciencias biomédicas ya que son las principales dianas de un gran número de
fármacos. Por ejemplo, la aspirina, tiene efecto antipirético y antiinflamatorio
porque inhibe a la prostaglandina H 2 sintasa, una de las enzimas implicadas en
la síntesis de prostaglandinas (véase capítulo 3). También- las enzimas que son
vitales para la supervivencia de bacterias y virus constituyen el blanco de algunos
fármacos contra estos organismos infecciosos, como es el caso de la transcriptasa
inversa del virus del SIDA.
El capítu¡o empieza analizando el mecanismo por el que las enzimas consiguen acelerar las reacciones desde un punto de vista energético. A continuación
se muestra cómo los datos obtenidos de los estudios experimentales de cinética
enzimática pueden aportar información para comprender el mecanismo de actuación de las enzimas y los mecanismos de las reacciones químicas que catalizan. Para finalizar el capítulo se exponen los principios mediante los que se re1
gula la actividad de estos catalizadores biológicos.
0
LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES BIOLÓGICOS
Clasificación de las enzimas
Existe un sistema internacional para la nomenclatura y clasificación de las enzimas creado por la Enzyme Commission (EC) de la IUBMB (International Union
of Biochemistry and Molecular Biology) que evita imprecisiones y ambigüedades.
Según este sistema, las enzimas pueden clasificarse en varios grupos, ·según el tipo
de reacciones que catalicen. Como puede verse en la tabla 8-1, existen seis clases
principales, cada una con diferentes subclases. Las reacciones catalizadas por las
diferentes clases de enzimas se explican con más detalle en el recuadro 8-1.
Tabla 8-1. Clasificación de las enzimas según la reacción catalizada
Clase
subclase
1. Oxidorreductasas
Deshidrogenasas, oxidasas, reductasas, peroxidasas, catalasa,
oxigenasas, hidroxilasas
2. Transferasas
Transaldolasas y transcetolasas, fosforiltransferasas, quinasas,
fosfomutasas
3. Hidro lasas
Esterasas, glucosidasas, peptidasas, fosfatasas , tiolasas, fosfolipasas,
amidasas, desaminasas, ribonucleasas
4. Lías as
Descarboxilasas, aldolasas, hidratasas, deshidratasas, sintasas, liasas
S. lsomerasas
Racemasas, epimerasas, isomerasas, mutasas
6. Ligasas
Sintetasas, carboxilasas
-
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
1~3
~ Recuadro 8-1. Reacciones catalizadas por las diferentes clases de enzimas
1. Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidación y reducción. Los electrones que resultan
eliminados de la sustancia que se oxida son aceptados por el agente que causa la oxidación
(agente oxidante), que sufre así un proceso de reducción. El principal agente oxidante es el 0 2
que está implicado en numerosas reacciones de oxidación irreversibles. En los sistemas biológicos, el FAD y NAD+ participan en numerosas reacciones de oxido-reducción.
CH OP0 2-
I
2
3
C=O
1
2. Transferasas: transfieren un grupo químico de una molécula a otra. Las quinasas, muy impor-
OHCH
tantes en muchos procesos biológicos, son un tipo especial de transferasas que catalizan la
transferencia de un grupo fosfato a otra molécula desde un nucleósido trifosfato.
1
HCOH
1
HCOH
3. Hidro lasas: son un tipo especial de transferasas que transfieren un grupo -OH desde el agua a
otro sustrato. Se segregan del anterior grupo de enzimas por su carácter irreversible. El sustrato
típico suele ser un enlace éster (incluyendo el fosfodiéster de los áddos nucleicos) o amida.
4. Liasas: generalmente catalizan la escisión reversible de enlaces carbono-carbono como en el
caso de las aldolasas (véase figura). En algunos casos, como consecuencia de la ruptura del enlace, se generan nuevos dobles enlaces o anillos. Otras enzimas de esta clase forman y rompen
enlaces C- N o liberan C0 2 (descarboxilación). En el caso de formación de enlaces, estas enzimas no requieren energía de nucleósidos trifosfato y se denominan sintasas. Un ejemplo de
sintasa es la citrato intasa, que cataliza la primera etapa del ciclo del ácido cítrico: la condensación del acetil CoA con el oxalacetato para dar citrato.
S. lsomerasas: catalizan reacciones que suponen un movimiento de un grupo o un doble enlace
dentro de la molécula, lo que hace que se obtenga un nuevo isómero (conversión de formas D
a L, epimerasas). Si se cambia la posición de un grupo fosfato la enzima se llama mutasa.
1
CH20POi0 -Fructosa 1,6-bifosfato
t •
eH
oPo321 2
C=O
1
CH 20H
Dihidroxiacetona
fosfato
o-Giiceraldehído-3-fosfato
6. Ligasas: catalizan la formación de enlaces carbono-carbono, pero, a diferencia de las liasas
(grupo 4), requieren energía que obtienen de la hidrólisis de ATP y se denominan sintetasas.
----------------------------------------------~
Para nombrarlas, se puede utilizar el nombre tradicional, que suele obtenerse
añadiendo el sufijo "asa" al nombre del sustrato o al tipo de reacción que catalizan. Pero existe un nombre sistemático que indica más detalles sobre la reacción.
Cada enzima se designa con las letras E.C, con un subíndice de cuatro números
que indican los siguientes aspectos:
• Primer dígito: nombre de la clase de enzimas (del 1 al 6, siguiendo la clasificación de la tabla 8-1).
• Segundo dígito: subclase (normalmente el tipo de sustrato, el donador · de
electrones o el enlace afectado).
• T ercer dígito: aspectos específicos de la reacción (sustrato, grupo funcional
que participa en la reacción, etc.).
.
• El cuarto dígito señala el número concreto que ocupa la enzima dentro de
la subclase.
U n ejemplo determinado sería la lactato deshidrogenasa, cuyo nombre sistemático completo sería L-lactato: NAD+ oxidorreductasa, que indica que el L-lactato actúa como donador de electrones y el NAD+ como aceptor. Mediante el
sistem a de cuatro dígitos esta enzima es la E.Cu .L27 , en la que el primer dígito
indica que pertenece a la clase de las oxidorreductasas, el segundo que el L-lactato
es el donador de electrones y el tercero que el aceptor de electrones es el NAD+.
El cuarto dígito permite diferenciar esta enzima de otras que catalizan la misma
reacción sobre un sustrato diferente. Por ejemplo la E.C l. Ll.l designa a la enzima
alcoh ol deshidrogenasa, que cataliza la oxidación de un alcohol a un aldehído.
Cofactores, coenzimas y el papel de las vitaminas
Los análisis de cristalografía de rayos X y RM (Resonancia Magnética Nuclear)
han demostrado que numerosas enzimas tienen un componente no proteico,
denominado cofactor (cationes metálicos) o coenzima (moléculas orgánicas),
que es necesario para su correcto funcionamiento .
En este tipo de enzimas que requieren un componente adicional, lá porción
proteica se denomina apoenzima y la molécula completa holoenzima (la apoenzima más un cofactor o coenzima) (Fig. 8-1) .
N umerosas enzimas utilizan cationes metálicos como cofactores (Tabla 8-2).
Como se indica en posteriores apartados, estos cationes tienen diferentes funciones dependiendo de la enzima concreta. Por ejemplo, las quinasas no son activas
.
en ausencia de Mg2 + (véase Fig. 8-11) .
134
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Figura 8-1. Holoenzima y apoenzima. Algunas enzimas necesitan una porción no
proteica para desempeñar su función: si es
un catión metálico se denomina cofactor; y
si es una molécula orgánica, coenzima. La
porción proteica se denomina apoenzima, y
la enzima completa, holoenzima.
Tabla 8-2. Ejemplos de cofactores
Cofactor
Cu
1
+
Enzima
Citocromo oxidasa, amino
oxidasa
Fe 1• o Fe 3+
Citocromo oxidasa,
peroxidasa, catalasa
K+
Piruvato quinasa
Mg>•
Hexoquinasa, glucosa 6
fosfatasa, piruvato quinasa
Mn 1+
Arginasa, ribonucleótido
reductasa
Ni 1+
Ureasa
Se
Glutatión peroxidasa
zn>•
Alcohol deshidrogenasa,
Carboxipeptidasas A y B
Recuadro 8-2. Enfermedades asociadas
a alteraciones del reconocimiento
enzima-cofactor
La importancia de la unión correcta de la
coenzima se puede comprobar por la
aparición de patologías debidas a mutaciones que afectan al sitio de unión de la
proteína con el cofactor, como ocurre en
el caso de la cistationuria. Esta rara enfermedad metabólica se produce por una
mutación en el gen que codifica la enzima y-cistationasa, que provoca la disminución de la afinidad de dicha enzima
por su coenzima: el piridoxal fosfato. La
enzima y-cistationasa, que participa en el
metabolismo de los aminoácidos con
azufre, metaboliza la cistationina, producto intermediario de la formación de
cisteína y homoserina, a partir de la metionina y la serina. Estudios in vitro sugieren que la administración de la coenzima
piridoxal fosfato puedan tener un efecto
terapéutico beneficioso en dichos pacientes.
c::fEl sustrato interacciona con el
centro activo de la enzima y se forma un complejo enzima-sustrato.
+
Apoenzima
{porción proteica)
Cofactor o coenzima
{porción no proteica)
Holoenzima
{toda la enzima)
Las coenzimas son necesarias para transportar de forma transitoria grupos
funcionales durante la reacción catalizada por la enzima. Muchas son productos
derivados de vitaminas y su unión a la porción proteica puede ser covalente o
no covalente (Fig. 8-2). Por ejemplo la mayoría de las carboxilasas (enzimas que
catalizan la incorporación de C0 2) requieren biotina, que está unida por un
enlace amida a un residuo de Lys de la enzima, mientras que la tiamina -pirofosfato (que procede de la vitamina B 1 o tiamina) se une por interacciones no cavalentes (Recuadro 8-2).
. Muchas de las reacciones de oxidorreducción que se dan en la célula son catalizadas por deshidrogenasas que utilizan dos coenzimas que son derivados de
la molécula de niacina: el NAD+ y el NADP+ (véase capítulo 6). La alternancia
de estos compuestos entre su forma oxidada y reducida permite que actúen
como aceptares o dadores de electrones según la reacción. En la oxidación de un
sustrato como el malato se produce una pérdida de dos átomos de H (que se
pueden considerar como 2 e- + 2 H+) de la siguiente forma: el ión hidruro
(2 e- + 1 H+) es transferido desde el sustrato directamente a la coenzima mientras que el otro protón es liberado al medio (Fig. 8-3). El NAD+ suele utilizarse
como coenzima en las reacciones de oxidación de las rutas catabólicas, mientras
que el NADP+ participa en las reacciones anabólicas de reducción (véanse capítulos 6 y 7) .
0
MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS
Función de Las enzimas. Principios energéticos
Las enzimas (E) tienen un papel fundamental: acelerar las reacciones biológicas
actuando sobre sustratos (S) específicos que se van a transformar en el producto (P) de la reacción (E+ S~ E+ P). Esta función, esencial para los seres vivos, la consiguen gracias a que poseen una estructura tridimensional característica, el centro activo (Fig. 8-4), con un entorno químico adecuado que permite la interacción entre la enzima y el sustrato mediante la formación de un
complejo binario denominado complejo enzima-sustrato (ES). En las proteínas, las características del centro activo van a estar determinadas por la naturaleza de los aminoácidos que lo forman y su distribución espacial concreta. En
general este proceso de formación del complejo ES se puede considerar un
caso específico de una interacción molecular entre macromoléculas (en este
caso, proteínas) y moléculas de menor peso molecular, denominadas ligandos,
y se realiza mediante la creación de interacciones no covalentes entre ambas·
moléculas.
La reacción enzimática general de transformación de un sustrato específico
en un producto se puede representar con la siguiente ecuación:
E+S
k,
ES ~ E + P
k_,
~~
Unión del
sustrato
Etapa
catalítica
\
(1)
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
UNIÓN DE
LA APOENZIMA
COENZIMA
REACCIÓN CATALIZADA POR
LA HOLOENZIMA
135
PRECURSOR
CHO
HOXJCH,OPO:""'
H3C
1
N
Base de Schiff a un
residuo de Lys
Transam inación descarboxilación
racem ización f
Piridoxina (Vit. B6)
Enlace amida con
residuo de Lys
Carboxilación.
Ej.: Piruvato carboxi lasa
Biotina
Enlace amida con
residuo de Lys
Transferencia de grupos acilo.
Ej.: Piruvato deshidrogenasa
No se requiere en
la· dieta
Unión no covalente
Descarboxilación de 2-oxo-ácidos.
Ej.: Piruvato deshidrogenasa
Tiamina (Vit. B1)
Piridoxal fosfato
H
H_rC ~ c ~ N~
s~c~t~rfHc=o
H
(CH 2) 4 -COOH
1
Biocitina
5-5
1
H2C.,
e
\
_....CH-(C H2)-COOH
H2
Ácido lipoico
?;-
: rCH _+N
N
2
L
A
H3C
s
N
.
o11
o11
(CH) -O-P-O-P-022
1
1
oo-
Tiamina pirofosfato
Figura 8-2. Coenzimas y sus precursores. Se muestra la estructura química de algunas coenzimas. Se indica la forma de unión de la coenzima a
la apoenzima y la reacc ión catalizada. Muchos precursores de las coenzimas soh vitaminas hidrosolubles.
Forma oxidada
coo1
Molécula HOCH
1
reducida
CH 2
1
cooL-Malato
Pierde 2 H
e- + 2 W)
se oxida
H
O
Hn~-+
H
N
)
NAD+.-/
NH2
H
H:- (2 e- + 1 W)
~ '-----v-------Procede del malato
(= 2
0
coo1
Molécula
oxidada
C=O
1
CH 2
Hx~-~--Jl NH ~
J
H
1
coooxaloacetato
2
H
Procede del malato
NAD H
Forma reducida
Figura 8-3. NAO+ y NADP+: coenzimas en
reacciones de oxido-reducción. Reacción
de oxidación del malato en la que el NAD+
actúa como coenzima. El ión hidruro es
transfe rido al NAD+, que se reduce, y el otro
protón es liberado al medio.
~-
Pero hay que tener en cuenta que la transformación del sustrato a producto
no es inmediata. Una vez que el sustrato adecuado interacciona con el centro
activo se van a producir modificaciones que lo convierten en un estado de transición que se transformará en el producto final de la reacción.
. En las reacciones catalizadas por enzimas, este estado de transición, muy
lnestable, resulta estabilizado por los residuos del centro activo con lo que se
consigue acelerar la reacción . Dentro del centro activo hay ciertos aminoácidos
que intervienen en la unión del sustrato a la enzima y se denominan residuos de
unión, mientras que los que participan de forma activa en la transformación
química del sustrato se conocen como residuos catalíticos.
.
. c::fla transformación de sustrato
en producto ocurre a través de un
estado transitorio inestable denominado el estado de transición.
c::flas enzimas catalizan las reacciones mediante la formación de un
complejo enzima-sustrato que estabiliza el estado de transición.
136
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
·Residuos
polares
zona polar
Figura 8-4. Centro activo de una enzima.
Estructura de la enzima con la naturaleza
química necesaria para su interacción con el
sustrato.
---:- --~ ---- -1-
0
8GL,
QJ
-o
~
:§
.
~
~ Estado
QJ
..D
basal
zona apolar
Sustrato
Complejo enzima-sustrato
(detalle)
Cambios energéticos en una reacción exergónica
Estado de Transición (*)
"'
..0
..0
Enzima
Residuos
apolares
l
8G, ~ 5
----- ~ ~ ~ ~- ~ ~f8G'o
p
Estado
basal
Coordenada de reacción
Figura 8-5. Diagrama del curso de una reacción exergónica. Aunque la reacción es
favorable (el sustrato tiene mayor energía libre de Gibbs que el producto), para que se
inicie debe formarse un estado transitorio
inestable de mayor energía libre de Gibbs
que el estado basal en el que se encuentra el
sustrato. Esa barrera energética se denomina
energía de activación.
d
las enzimas no alteran los
equilibrios de reacción pero consiguen que se alcancen de forma más
rápida.
Parq analizar las variaciones energéticas que ocurren en una reacción desde su
estado inicial hasta su estado final (S~ P), se representa en un diagrama del
curso de la reacción la energía libre de Gibbs frente al progreso de la. reacción.
En una reacción química espontánea (exergónica). la energía basal del sustrato
es mayor que la del producto, por lo que el f..G tiene un valor negativo (Fig.
8-5) (véase capítulo 7) . La presencia de una enzima no va a variar esta situación
energética, que seguirá definida por sus parámetros termodinámicos. Si se observa la reacción (1) la enzima aparece en ambos lados de la reacción (siendo, por
lo tanto, un reactivo y un producto), por lo que no se modifica el valor de la
energía libre de Gibbs del sistema; que continúa siendo:
~G 0
= -RTln
[P]
[S]
(2)
siendo [P]/[S], la K de equilibrio (.Kq).
Por tanto, se puede concluir que las enzimas no alteran el equilibrio entre
productos y sustratos pero, al acelerar la velocidad de reacción, consiguen que se
alcance de forma más rápida este equilibrio. De esta forma, si existe suficiente
cantidad de sustrato ([SJ), se podrán conseguir mayores concentraciones de producto ([P]) por unidad de tiempo en presencia de enzima que en su ausencia
(Fig. 8-6) .
la energía de activación y el estado de transición
Como ya se ha indicado, para que se produzca la transformación del sustrato en
producto hay que pasar por una situación intermedia que supone la distorsión
de enlaces y la orientación de grupos funcionales que lleva a la formación de un
estado molecular transitorio: el estado de transición (Recuadro 8-3), que se encuentra en un nivel energético superior al estado del que parte, el sustrato o estado basal (véase Fig. 8-5). Esto implica que, aunque la reacción sea espontánea,
se tiene que superar esta barrera energética (f..G*) que se conoce como energía
de activación.
La catálisis enzimática se consigue rebajando esta barrera mediante la ventaja
energética que supone la creación del complejo enzima-sustrato.
Reacción S ---> P
La velocidad está relacionada con La energía de activación
Sin enzima
Tiempo
Figura 8-6. Curva de progreso de una reacción catalizada y no cat~ lizada. Para un
mismo tiempo, la cantidad de producto obtenido es muy superior en la reacción catalizada.
En el gráfico de coordenada o curso de la reacción en el que se representan las
variaciones .energéticás de la misma reacción en presencia y ausencia de enzima
(Fig. 8-7), se puede ver que el catalizador consigue rebajar la energía de activación, Como ya se ha expuesto en el capítulo de termodinámica, la vía por la que
un sistema pasa de un estado inicial a uno final no altera la espontaneidad de la
reacción (f.. G' es una ft:mción de estado) pero, como veremos a continuación, sí
tiene una gra'n influencia sobre la velocidad a la que se desarrolla.
\
Las enzimas aceleran las reacciones químicas creando vías alternativas de menor energía tle activación y lo hacen fundamentalmente por dos mecanismos:
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
137
Recuadro 8-3. Nivel energético del estado de transición
En una reacción química la molécula de partida (el sustrato) se transforma en otra estructura con
propiedades químicas diferentes (el producto). El estado de transición es una estructura que está
sufriendo una transformación y que no tiene las propiedades del sustrato ni del producto. No se
trata de una molécula estable, sino de un estado breve (suele tener una vida media de 1
s) en el
que se pueden producir fenómenos como la ruptura y formación de enlaces, o la aparición de cargas, y que se caracteriza por tener una elevada energía libre de Gibbs. En una reacción no catalizada, llegar a este estado energético supone la principal barrera de la reacción.
o-n
ó-OH
R', :e / o, R,
Varios
pasos
Productos
1:
0 0Estado de transición
Si se analizan las etapas que se dan en una reacción química y se tienen en cuenta sus aspectos
energéticos, se pueden entender los motivos por los que el paso desde el estado inicial al estado
de transición supone un aumento de energía. Para que se forme una especie molecular ·nueva a
partir de un sustrato, tiene que producirse una distorsión en sus enlaces que supone un consumo
de calor por parte del sistema, por lo que el incremento de entalpía será positivo (f:.H >O). Además, los grupos funcionales que reaccionan se tienen que orientar en el espacio de una forma
concreta para que puedan reaccionar. Esto supone una reducción de la libertad de movimientos, lo
que implica una disminución de la entropía y hace que el f:.S tenga un valor negativo. En los conceptos de termodinámica descritos en el capítulo 7, se describe que la energía libre de Gibbs de un
sistema corresponde a la siguiente fórmula : f:.G = f:.H- T f:.S; de la que se deduce que el valor de
f:.G para la formación del estado de transición tiene un valor positivo. Remontar esta barrera energética (energía de activación) es determinante para que el sustrato llegue a alcanzar este estado de
transición y se convierta en producto.
l. La formación de enlaces covalentes o la transferencia de grupos funcionales entre determinados grupos funcionales de la enzima y del sustrato.
2. La creación de interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato
que van acompañadas de una liberación de energía libre (t..G-), llamada
energía de unión o fijación, que rebaja la energía de activación.
Ambas situaciones se dan gracias a la formación del complejo binario enzima-sustrato que, además, confiere a las enzimas una gran especificidad.
Aunque más adelante se analizarán con detalle estos mecanismos, ahora se va
a considerar qué consecuencias tiene esa disminución de la energía de activación
sobre la velocidad de reacción. En primer lugar, hay que tener en cuenta que la
velocidad de cualquier reacción (S~ P) está determinada por la concentración
de sustrato y una constante, la constante de velocidad (k), con la que se relacionan mediante la expresión matemática:
V= k [S]
(3)
Sin entrar en detalles sobre la deducción de la fórmula, y si se aplica la teoría
del estado de transición, se obtiene una expresión matemática que relaciona la
m agnitud de la constante de velocidad (k) con la energía de activación (t..G*):
t!. G'
k- _kB T_ e-RT
-
h
(4)
D onde k 8 es la constante de Boltzman, h es la constante de Plank, R la constante de los gases nobles y T la temperatura absoluta.
Lo importante de esta ecuación es que refleja cómo la constante de velocidad
(k) está relacionada con la energía de activación de forma inversa y exponencial.
Esto nos indica que un pequeño descenso en la energía de activación supone un
aum ento considerable de la velocidad de la reacción.
Las interacciones en el complejo enzima-sustrato
son óptimas en el estado de transición
Para entender cómo se realizan las interacciones en el complejo ES se han postulado varios modelos. El primero fue el denominado modelo "llave y cerradura" propuesto por Emil Fischer en 1894. En este modelo, las enzimas se consideraban estructuras rígidas complementarias a sus sustratos a los que se acoplaban de igual forma que lo hace una llave a una cerradura. Este modelo explica la
especificidad entre enzima y sustrato, pero no permite explicar cómo se produce
la reacción de una forma eficiente. Para su mejor comprensión se puede recurrir
al ejemplo de la siguiente reacción: la transformación de un sustrato esférico con
cargas eléctricas negativas en su superficie en un producto cúbico sin carga (Fig.
Estado de transición
"'
W
------- -1t.G;'" cat
..0
..0
0
----- -----f
Q)
"O
~
ª"'
.
---- ES -- ~--
--------- -
t.G~,,
-~
Q)
e
LU
Coordenada re reacción
Figura 8-7. Diagrama del curso de una reacción catalizada y sin catalizar. En la reacción catalizada los intermediarios ES y EP
ocupan valores mínimos en el diagrama del
curso de la reacción. Como resultado, la
energía de activación de la reacción catalizada (t.G~,,) es menor que la de la misma reacción sin catalizar
1).
(t.G;;n ca
d una energía de activación menor significa una velocidad de reacción mayor.
cfEl
centro activo de las enzimas
es complementario al estado de
transición y no al sustrato.
138
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
8-8a) . Según el modelo de Fischer, la formación del complejo ES es tan estable
que cualquier transformación posterior haría que se perdieran interacciones
dando lugar a una situación menos estable que el complejo ES y, por tanto, no
tendría lugar la formación del producto (Fig. 8-8b). Sin embargo, si el sitio activo es complementario al estado de transición, en una primera etapa se puede
crear un complejo ES en el que se establecen unas interacciones débiles y esta
etapa puede pasar de forma espontánea a otra más estable de interacción entre la
enzima y el estado de transición en la que se ganan interacciones. La transformación del estado de transición en el producto hace que la enzima pierda su
afinidad por esta nueva molécula, que es liberada del centro activo (Fig. 8-8c).
Fue Linus Pauling en 1946 quien propuso que el verdadero encaje llave-ce. rradura no ocurría entre el sustrato y la enzima, sino entre el estado de transición y la enzima. Posteriormente, Daniel Koshland postuló un mecanismo que
permitía explicar el aumento en la eficiencia de las interacciones no covalentes
que se establecen entre la enzima y el sustrato. El modelo propone que la interacción entre ambas moléculas hace que la proteína sufra un cambio de conformación que permite la formación de interacciones adicionales entre la enzima y
el estado de transición y se conoce como el modelo de encaje inducido (Fig.
8-9). Los estudios sobre la estructura tridimensional de proteínas han confirmado que esta situación ocurre realmente.
(a)
Reacción sin catalizar
*
---1-----------·
b.G¡
Sustrato
Estado de
transición
Producto
----------p
(b)
Modelo de Fischer (llave y cerradura)
*
+
_ r______ _
b.G;,ncat
Sustrato
Complejo
enzima-sustrato
(muy estable)
Enzima con
centro activo
complementario
al sustrato
(e)
Complejo
enzima-estrato
de transición
(se pierden
interacciones)
----
------
ES
Modelo del estado de transición
+ _-
~
Sustrato
Enzima con
centro activo
complementario
al estado
de transición
Complejo
enzima-sustrato
(se crean
interacciones)
Complejo
enzima-estado
de transición
(se ganan
interacciones)
Producto
p
Figura 8-8. Modelos de formación del complejo enzima-sustrato. (a) Reacción sin catalizar en la que el sustrato pasa por la formación de un
estado de transición inestable. (b) En la reacción en la que el centro acti\(O de la enzima es complementario al sustrato se forma un complejo ES
muy estable que no favorece que el sustrato se transforme en el estado de transición, porque se perderían interacciones y sería energéticamente
desfavorable. (e) Si la enzima es complementaria al estado de transición, se forma un primer complejo ES con unas interacciones leves 'que se verían mejoradas cuando el sustrato se transforma al estado de transición. La reacción se ve favorecida y el estado de transición se convierte en
producto; y, al perder las cargas negativas, pierde afinidad por la enzima, de la que se disocia. Se muestra el diagrama del curso de la reacción en
las tres situaciones descritas.
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
139
Las interacciones entre enzima y sustrato son de. naturaleza no covalente, de
forma que una porción polar del sustrato interacciona con una porción polar
del centro activo y una región apolar interacciona con las cadenas laterales de
residuos apolares que se suele denominar "bolsa hidrofóbica" (véase Fig. 8-4).
Mecanismos químicos para la estabilización
del estado de transición
la energía de fijación proporciona especificidad y catálisis
Se ha descrito en apartados anteriores cómo la fijación del sustrato en el centro
activo proporciona un t.G negativo que rebaja la energía de activación. En este
apartado se analizan los principales factores que contribuyen a esta disminución
de la energía de activación.
En primer lugar, la formación del complejo ES mantiene al sustrato en la
orientación correcta y facilita las interacciones entre los grupos funcionales que
van a reaccionar, a diferencia de lo que ocurre en una reacción en disolución en
la que las colisiones se producen al azar.
Por otra parte, las interacciones débiles que se forman entre enzima y sustrato sustituyen las interacciones que existían entre las moléculas y el agua. De esta
forma, si se elimina la capa de solvatación del sustrato, se facilita su transformación en producto. Es importante reseñar que la ausencia de moléculas de agua
en la bolsa hidrofóbica del centro activo aumenta las interacciones no covalentes
entre la enzima y el estado de transición del sustrato. Mediante el "secuestro"
del sustrato en este centro activo, se elimina la barrera energética impuesta por
las interacciones de las moléculas de agua con el propio sustrato, y el incremento de interacciones no covalentes entre enzima y sustrato acelera la reacción.
Por último, las interacciones débiles creadas entre la enzima y el estado de
transición compensan situaciones termodinámicas inestables, como la posible
aparición de cargas debidas a redistribuciones electrónicas durante el proceso de
transformación de sustrato a producto (véanse Recuadro 8-3 y Fig. 8-lüc) .
la presencia de grupos catalíticos específicos permite crear rutas
alternativas de menor energía de activación
Hay numerosas reacciones enzimáticas en las que se producen reacciones transitorias entre la enzima y el sustrato que, junto con la energía de fijación, contribuyen a rebajar la energía de activación acelerando de forma específica las reacciones catalizadas.
Los mecanismos por los que la enzima consigue rebajar la energía de activación mediante la unión covalente con ciertos residuos se pueden clasificar en
cuatro grupos principales:
Catálisis ácido-base general
Una forma de estabilizar las cargas que aparecen en un estado de transición es la
transferencia de protones desde o hacia el sustrato. Como se ha visto en el capítulo 4, existen cadenas laterales de ciertos aminoácidos que pueden actuar como
aceptares o dadores de protones (véase Fig. 4 -8) que son las que participan en
estas reacciones (Fig. 8-lOa y b). Este tipo de reacción se da en muchas proteasas en las que este papel lo desempeña el grupo imidazol de la His.
Este mecanismo se diferencia de la catálisis ácido-base específica, en que la
transferencia de protones en este tipo de catálisis se realiza entre el sustrato y el
agua.
Catálisis cava/ente
En este tipo de reacciones se crea un enlace covalente transitorio entre la enzima
y el sustrato, que produce catálisis siempre que esa nueva vía para alcanzar el
producto final tenga- menor energía de activación que la que se desarrolla en
ausencia de catalizador. Un ejemplo de este mecanismo es la formación de un
enlace éster con el grupo -OH de la Ser en numerosas proteasas (Fig. 8-lüc).
Figura 8-9. Modelo del encaje inducido de
Kohsland. (a) Representación de la hexoquinasa en ausencia de sustrato (PDB 1HKG).
(b) En presencia del sustrato. la enzima sufre
cambios en su conformación que aumentan
las interacciones entre ambas moléculas
(PDB 1GLK).
140
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
(b)
(a)
(e)
(d)
Centro activo de
la proteasa
-o
HN ~N : 111111111 HO
R -N-C-R
2
1
11
HN~N :
('o+
1
o,,
R2 -N-C-R 1
1
H O
H
R2 - NH 2
11
oo-
l-R 1
HO
.Enlace
peptídico
Figura 8-10. Catálisisáeido-base general y eovalente en una proteasa. En algunas proteasas la ruptura del enlace peptídico combina dos mecanismos de.· e~tabilización del estado de transición. Se muestran, de forma simplificada, algunas etapas. (a) El grupo nucleófilo de la Ser pierde un
protón, que es aceptado por el grupo imidazol de una His (catálisis ácido-base general). (b) Como consecuencia, aumenta la reactividad del nucleófilo de la serina (-o-). que ataca al grupo carbonita del enlace peptídico. (e) Se forma un intermediario inestable con una carga negativa que
resulta estabilizada por dos hidrógenos con carga parcial positiva del enlace peptídico de dos residuos del centro activo. El péptido queda unido de
forma transitoria mediante un enlace covalente al residuo de Ser (catálisis covalente). (d) El enlace peptídico se rompe mediante la adición de una
molécula de agua, quedando la enzima en su situación inicial.
En muchas de estas reacciones intervienen reactivos electrófilos y nucleófilos
por lo que conviene recordar estos conceptos (Recuadro 8-4).
Catálisis por iones metálicos
Los iones metálicos ptied~n actuar de diversas formas en la reacción catalizada:
• Orientando el sustrato de la forma adecuada para que reaccione.
• Estabilizando cargas en un estado de transición inestable.
Recuadro 8-4. Reactivos electrófilos y nucleófilos. Nomenclatura
En moléculas con grupos funcionales polares, las reacciones de
ruptura del enlace covalente se suelen producir con un reparto
desigual de los electrones compartidos, que supone la aparición de
especies iónicas. Este tipo de reacción se denomina heterolítica y
se produce como consecuencia de la intervención de dos tipos de
reactivos: nucleófilos y electrófilos. Para entender las características y la forma de actuar de estos reactivos es necesario establecer algunas normas de nomenclatura, como los signos habituales
con los que se representan las principales acciones que se producen en la formación y ru ptura de enlaces:
.. Par de electrones no enlazados (-OH)
(~)
Movimiento de pares de electrones
(~)
Movimiento de un solo electrón
Los reactivos nudeófilos (en azul en la figura) son especies químicas que tienen afinidad por zonas con una baja densidad electrónica. Son grupos funcionales con electrones sin compartir o bien
aniones.
Los reactivos electrófilos (en rojo en la figura) tienen gran avidez
por centros de elevada densidad electrónica. Son especies deficientes en electrones que tienen orbitales vacíos y pueden tener
carga positiva (véase figura) .
La eliminación de un protón de ciertos reactivos nucleófilos puede
hacer que un grupo funcional se vuelva más reactivo. Por ejemplo,
en un grupo hidroxilo (-OH) o sulfhidrilo (-SH) la pérdida del
protón lo transforma en -o- y -s-. que tienen un carácter nucleófilo muy superior al de las formas protonadas neutras.
Nucleófilos
- o-""
Oxígeno cargado negativamente
(como en un ácido carboxílico ionizado)
- S~
Sulfhidrilo cargado negativamente
1,....,..
- el
Carbanión
,....,..
Eleetrófilos
r •R
- c-
g~
Átomo de carbono de un
grupo carbonita
(el oxígeno del grupo carbonita que es más
electronegativo atrae los electrones del
carbono)
r•R
"- c= Ñ/ VI
H
- NI
Grupo imino protonado
Grupo amino no cargado
(activado para el ataque nucleofílico sobre el
carbono por protonacíón de la imina)
?r 'R
0- P=O
IV
lmidazol
H-0~
Ión hidróxido
o
Fósforo de un grupo fostato
r •R
w
/
Protón
--------------~~----------------------------------------~~
141
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
• Facilitando reacciones de oxidorreducción gracias al paso reversible de su estado de oxidación.
• Cambiando la polaridad de ciertos enlaces para hacerlos más
susceptibles a ciertos reactivos.
NH 2
1
N""c'c--N~
1
e,.__
11
e_
1
C-H
O-f)~:~r-0-1-o-:,/d'N:N
Esta última función es necesaria en las reacciones de fosforilación
de ciertos aminoácidos que tienen un grupo hidroxilo. La fosforilación se produce por la transferencia del grupo fosfato desde el ATP o
el GTP (Fig. 8-ll). Los cationes de magnesio hacen que los electrooooH
H
H
H
nes se alejen más del fósforo (reactivo electrófilo) que queda más
susceptible al ataque por el grupo nucleófilo (-OH de Ser, Thr o
Base: H-0
OH OHTyr), con lo que se promueve la hidrólisis del enlace fosfoanhídrido y
(Ser)
se consigue su transferencia desde el ATP a la cadena lateral del aminoácido.
Figura 8-11. Los cationes metálicos como cofactores en las quinasas. La fosforilación de las cadenas
En muchos casos las enzimas utilizan una combinación de estos
laterales de Ser, Thr y Tyr catalizada por las quinasas
mecanismos para conseguir un aumento de la velocidad de la reaccomienza por el ataque del grupo nucleófilo -OH a
ción. Un ejemplo de esta combinación se da en la quimotripsina,
un grupo fosfato de un nucleótido trifosfato. El Mg2•
una proteasa que combina la catálisis covalente con la catálisis ácidoatrae a los electrones del enlace P=O haciendo que
base general gracias a la presencia de dos residuos catalíticos: una Ser
el P tenga una deficiencia de electrones y sea más'
y una His. En esta proteasa, la reacción comienza con la transferencia
susceptible al ataque por el nucleófilo.
de un protón de la Ser a la His (véase Fig. 8-lüa y b). Esto crea en la
Ser un grupo -o- muy nucleófilo que ataca al carbono del grupo
carbonilo que posee una baja densidad electrónica (véase Fig. 8-lüb). A contiO las enzimas
nuación se forma un enlace covalente transitorio que hace que se desplacen dos
mecanismos químicos para disminuir
electrones del doble enlace C= O hacia el oxígeno (más electronegativo) que
la energía de activación y aumentar
adquiere carga negativa (véase Fig. 8-lüc). Esta carga negativa es estabilizada
la velocidad de la reacción.
por interacciones no covalentes con otros aminoácidos del centro activo (los
átomos del enlace peptídico de una Gly y una Ser). El resultado de esta acción
combinada es la hidrólisis del enlace peptídico mediante una ruta con una menor energía de activación.
1
combi~an diferente~
0
CI N ÉTICA ENZIMÁTICA
La ci nética química estudia las velocidades de reacción
Realizar ensayos en el laboratorio en diferentes condiciones experimentales para
estudiar la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas aporta información sobre aspectos como la afinidad de la enzima por el sustrato o la eficiencia
con la que se transforma ese sustrato en el producto de la reacción. También
pueden proporcionar información sobre ciertos detalles del mecanismo químico
por el que transcurre la reacción catalizada. Estos datos ayudan a predecir su
comportamiento en el ambiente celular o su respuesta ante cualquier variación
de las condiciones habituales (Re<.;uadro 8-5).
O los datos cinéticos obtenidos en
el laboratorio permiten conocer aspectos sobre el mecanismo de la reacción enzimática estudiada.
Cinética de las reacciones de un solo sustrato
Los estudios de la velocidad de las reacciones enzimáticas de un solo sustrato se
realizan mezclando una concentración conocida de enzima con una concentración concreta de sustrato, y midiendo la desaparición de sustrato o la aparición
de producto a lo largo del tiempo (Fig. 8-12). El método analítico de medida de
sustrato o de producto dependerá de sus características químicas, pero son habituales los métodos espectroscópicos, de fluorescencia o radiométricos.
Si se realiza una representación gráfica de este tipo de ensayo se obtiene una
curva de progreso como la que se muestra en la figura 8-13.
Como puede apreciarse, en la primera etapa la reacción sigue una cinética de
primer orden hasta que la desaparición de sustrato es suficientemente elevada
(aproximadamente a partir de un 10 %) para que esta relación deje de ser lineal.
Por este motivo las medidas de velocidad se miden, en la primera etapa lineal, se
denominan velocidades iniciales (Va) y se determinan como la pendiente de ·la
curva de progreso al principio de la reacción. Si en el mismo tipo de gráfico representamos ensayos realizados con diferentes concentraciones de sustrato, se
Producto (P)
Sustrato (S)
Tiempo
Figura 8-12. Diagrama de desaparición de
sustrato y aparición de prod!Jcto en uria
reacción catalizada. En la etapa inicial de la
reacción se observa una desaparición progresiva de sustrato y una -aparición de producto hasta llegar al equilibrio. Para una reacción reversible, en el equilibrio no hay
cambio neto en las concentraciones de. s'ustrato y producto.
142
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Recuadro 8-5. Conceptos básicos. Orden de una reacción . Unidades de la constante de velocidad
La cinética química estudia la velocidad de las reacciones y los procesos químicos.
En una reacción S -t P, la velocidad se puede expresar matemáticamente como:
...
desapanc1on de sustrato -t Va
d~
= - dt
. .• d
d
V:
d[P]
apanCIOn e pro ucto -t 0 = - dt
Las unidades de velocidad serán, por tanto, unidades de concentración divididas por unidades de tiempo y se suelen expresar como M· s- 1•
Las reacciones químicas se pueden clasificar, según su comportamiento cinético, en reacciones de primer orden, de segundo orden y de orden
cero. En cada caso, la velocidad es proporcional a una constante de velocidad (k) y a la concentración de uno o más sustratos en unas condiciones determinadas. Como veremos a continuación, k tiene distintas unidades dependiendo del orden de la reacción .
Reacciones de primer orden
Son reacciones del tipo A -t B, en las que la velocidad depende de un solo sustrato:
V=k[A]
En este tipo de reacciones, k se da en unidades de tiempo-'
(s- 1) .
Un valor elevado de k, implica una velocidad elevada.
En el caso de reacciones reversibles A f=1 B:
V A-+B
=k, [A]
y
. VB -+A
=k_, [B]
Como en el equilibrio la velocidad de transformación de reactivos en productos es igual que la de productos en reactivos, igualando las ecuaciones anteriores, y despejando, se obtiene que k 1/k_, = [B]/[A]. La relación entre las constantes de velocidad de la reacción directa y la inversa
(k,fk_,) es el valor de la constante de equilibrio de la reacción: k,q (véase capítulo 1).
Reacciones de segundo orden
Se trata de reacciones en las que intervienen dos sustratos para dar un producto:
2 A-t B
o
A+B-tC
En este tipo de reacciones, la velocidad dependerá de la concentración de los dos sustratos: V= k [A]' o V= k [A][B]. En ambos casos, las unidades de la constante de velocidad serán M-' • s- 1•
Reacciones de orden cero
En este tipo de reacciones la velocidad es independiente de la concentración de sustrato. Puede depender de otros factores como, por ejemplo,
la concentración de catalizador.
Equilibrio
l
Tiempo (s)
Figura 8-13. Curso de una reacción catalizada con una concentración de enzima
constante. La concentración de producto va
aumentando de forma lineal hasta que el
sustrato va desapareciendo en el transcurso
del tiempo, y la reacción alCanza el equilibrio. La velocidad inicial (V0) se determina
como la pendiente de la recta en eLinicio de
la reacción. La velocidad a cualquier tiempo
t se representa como V,.
-
pueden comparar las velocidades iniciales en cada situación (Fig. 8-14). Esta
información se puede llevar a otro tipo de gráfica en la que cada punto representa Va frente a una concentración de sustrato (Fig. 8-15). Para la mayoría de las
reacciones catalizadas por enzimas, los datos experimentales proporcionan gráficas como la mostrada en la figura 8-15 en las que se identifican tres zonas claramente diferenciadas.
• Una primera etapa lineal, a bajas concentraciones de sustrato, en la que la
reacción se comporta como si fuera de primer orden.
• Una segunda etapa curvilínea, a concentraciones de sustrato intermedias,
en la que hay un descenso en la respuesta al aumento de la concentración
de sustrato.
• Una última etapa, a elevadas concentraciones de sustrato en la que la velocidad no varía al aumentar la concentración de sustrato. La reacción sigue
una cinética de orden cero.
Este comportamiento se puede explicar de una forma cualitativa suponiendo
que la reacción enzimática transcurre mediante la reacción que ya se ha visto al
principio del capítulo:
E+S
~
k,
ES
E+
k_,
'------.r---' '------.r---'
Unión del
sustrato
P
reacción (1)
Etapa
catalítica
A bajas concentraciones de sustrato, la velocidad será proporcional ~\ la concentración de sustrato [S]; pero a ·concentraciones elevadas de sustrato, toda 1
enzima estará saturada formando el complejo ES, por lo que la velocidad depen-
CAPÍTULO 8 . ENZIMAS Y CATÁLISIS
derá ·de su concentración y se podrá expresar como v = k2 [ES]. Es decir, depen-.
derá de la velocidad de transformación química de ES a EP y de la liberación de
p roducto y enzima libre. En estas condiciones, la adición de más sustrato no
afecta a la velocidad, por lo que la reacción muestra un comportamiento de orden cero y s.e dice que hay un efecto de saturación de la enzima por el sustrato.
Para expresar este comportamiento mediante una expresión matemática Leonor Michaelis y Maud Menten en 1913, desarrollaron un razonamiento que se
basaba en asumir ciertos supuestos:
d
A elevadas concentraciones de
sustrato la velocidad de la reacción
no aumenta cuando lo hace la concentración de sustrato debido a un
efecto de saturación de la enzima.
l. La primera etapa de la reacción enzimática es la formación rápida del
complejo ES mediante -una reacción reversible. En este supuesto se puede
definir una constate k, (constante de disociación) que es la inversa de k,
(constante de asociación).
k = [Eiibrel [S]
S
(5)
[ES]
donde [Eiibrel = [Ecorall - [ES]. Se utilizan los valores de k, en lugar de los
de k,, porque los primeros tienen unidades de concentración y esto permite comparar su valor con el de la concentración que sustrato. Cuanto más
fuerte sea la unión de la enzima al sustrato .menor será el valor de la k,.
E+S
k,
k_,
ES
Sustituyendo el valor de [Eiibrel en la · ecuacwn (5) por [Eiibrel
= [E,0 ,,1] - [ES] y despejando, obtenemos que:
[ES] _ [Ecorail [S]
- k, + [S]
=
V';, = kcat [ES]
57
56
Ss
...,uo
·S.
::J
'O
e
a..
s3
s,
s,
. Tiempo (s)
Figura 8-14. Curvas de progreso para una
serie de reacciones con diferentes concentraciones iniciales de sustrato. La V0
(pendiente de las rectas) aumenta a medida
que lo hace la [S], 51 a 57.
(6)
2. En una segunda etapa mucho mas lenta (kcar «< k 1) el complejo ES se
transforma en producto y enzima libre en una o varias reacciones. En este
caso, la velocidad depende de la concentración de complejo enzima-sustrato [ES] y de la constante de velocidad de la etapa más lenta, que se
denomina kcar (constante catalítica):
ES ~ E + P
143
(b)
Vmax [S]
V=---
Km +[S]
(7)
Combinando las reacciones (6) y (7), y simplificando, podemos calcular la
velocidad de la reacción
v; _ k [Eiibrel [S]
Ocat k, + [S]
[S] (¡..tM)
que describe la velocidad de reacción como una función hiperbólica en función
de la[S].
Cuando [S] tiende al infinito, toda la enzima se encuentra como complejo
ES , por lo que se puede considerar que
(8)
Combinando esta ecuación con la anterior obtenemos:
v; _ Vmax [S]
0 k, + [S]
(9)
que explica el comportamiento cinético de aquellas reacciones en las que hay
una formación rápida del complejo ES, seguidas de una etapa posterior más
lenta en la que se produce y libera el producto de la reacción.
El modelo del estado estacionario y la ecuación
de Michaelis-Menten
En algunas ocasiones no se cumple que kcar «< kp por lo que Brigs y Haldane
llegaron a una expresión matemática más general, que se puede ajustar a esta situación siempre que se cumpla que la [ES] permanezca constante, por lo que se
denomina cinética del estado estacionario. Este tipo de cinética se obtiene cuando la [S] »» [Eiibrel, lejos de las condiciones celulares pero en unas condiciones
(a)
Figura 8-15. Diagrama de velocidades iniciales de reacción frente a concentración
de sustrato. En este tipo de gráficas cada
velocidad inicial (pendiente de la recta de la
figura anterior) se representa frente a la [S].
La Vmax solo se obtiene como un valor
aproximado. La Km representa la [S] que coin§J.de con la mitad de la Vmax·
>
d
se puede explicar el comportamiento de numerosas reacciones enzimáticas suponiendo que la primera
etapa es rápida y reversible y la velocidad está condicionada por la transformación mucho más lenta del sustrato a producto.
1!
144
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y lAS FUNCIONES CElULARES
•(
muy fáciles de obtener en el laboratorio. En esta situación, la [ES] depende de la
velocidad de formación del complejo ES (controlada por k 1) y de la velocidad de
desaparición del complejo ES, que puede producirse por dos situaciones:
l. Por la disociación del complejo ES para dar Elibre y sustrato, controlada
por k_1•
2. Por la formación de producto y liberación de Elibre' controlada por kcar·
Igualando la velocidad de formación del complejo ES con la velocidad de
desaparición (situación de estado estacionario), y despejando, se obtiene un
nuevo valor para la [ES]:
[ES] = [EiibreJ [SlibreJ
k_¡+ kcat
k¡
En esta ecuación se define una nueva constante que surge de la combinación de
las constantes de velocidad de la reacción que se denomina la constante de Michaelis-Menten y se denomina Km de forma abreviada. La e~uación anterior
puede ahora simplificarse:
[ES]
= [ElibreJ [Slibrel
Km
Teniendo en cuenta que la disminución de sustrato en la fase estacionaria es
prácticamente insignificante, se puede sustituir [Slibrel por la [S] . De igual forma,
sabiendo que [Elibrel = [Erorall - [ES], se llega a la siguiente ecuación:
[ES] = [E,orall [S]
Km+ [S]
O la ecuac1on de Michaelis-Menten explica el comportamiento de las
reacciones en las que la concentración del complejo enzima-sustrato
permanece constante y la concentración de sustrato es muy superior a la
de enzima.
Calculando la velocidad en función de la [ES] y teniendo en cuenta que cuando
la concentración de sustrato tiende a infinito, Vmax = kcar [E], obtenemos:
v; _ Vmax [S]
0
- Km+ [S]
Aunque esta ecuacwn difiere de la obtenida inicialmente por MichaelisMenten, se conoce universalmente como la ecuación de Michaelis-Menten.
Como se muestra en-el recuadro 8-6, esta expresión matemática se ajusta a
los datos experimentales obtenidos para las reacciones de un único sustrato representados en la figura 8-15.
Parámetros enzimáticos característicos de una enzima
Una vez encontrada una expresión matemática que describe los datos experimentales se verá a continuación qué información aportan los dife¡:ehtes parámetros cinéticos de esta expresión. También se examinará cómo la variación de estos valores en distintas condiciones experimentales ayuda a comprender el mecanismo de las reacciones enzimáticas estudiadas.
Significado de
~a
k, permite estimar el grado
de disociación del complejo ES y estimar la afinidad de la enzima por el
sustrato.
Vmax
La velocidad máxima es la tasa máxima teórica que se obtiene en unas condiciones determinadas. El valor exacto no se obtiene experimentalmente: se obtiene
un valor aproximado cuando la velocidad comienza a ser independiente de la
concentración de sustrato ([S] ---1 =). Para alcanzar la Vmax sería necesario que
todas las moléculas de enzima estuvieran estrechamente unidas con el sustrato.
Como se verá más adelante algunas transformaciones matemáticas permiten obtener un valor numéJ:ico de vmax a partir de los datos experimentales.
Significado de k,
Como ya hemos visto, k, = k_¡l kp es una constante de disociación del ¿omplejo
ES derivada de constantes de velocidad. Su valor. puede servir de referencia para
conocer la afinidad de la enzima por el sustrato. Un valor elevado de k, indica
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
145
:: Recuadro 8-6. Relación entre La ecuación de Michaelis-Menten y Las gráficas experimentales
La ecuación de Michaelis-Menten explica el comportamiento que se obtiene a partir de los datos experimentales de laboratorio y que refleja la
gráfica.
1.
Concentraciones de sustrato bajas: Si Km »» [S], entonces podemos despreciar el valor de la [S) en el denominador, por lo que la fórmula de Michaelis-Menten se puede expresar como sigue:
V [S)
V0 = ~ = depende de forma constante de [S)
Km
es decir, se comporta como una reacción de primer orden (etapa lineal de la gráfica).
2.
Concentraciones de sustrato elevadas: En este caso se puede despreciar el valor de Km del denominador con lo que la fórmula se simplifica como sigue:
V
O
=
LS1 = V
J2J'
max
Vmax
Se ajusta a la etapa de saturación de la enzima en la que los datos siguen un comportamiento cinético de orden cero (velocidad independiente de la concentración del sustrato).
3.
La constante de Michaelis: St se iguala el valor de V0 con la mitad de la velocidad máxima, se obtiene:
V _ Vmax _ Vmax [S)
0
2 - Km+ [S)
-
y simplificando,
Km= [S)
De esta relación se deduce que Km es el valor de la concentración de sustrato necesario para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.
____________vw~------------·
1. Km »» [S)
2. [S) »» Km
-o
-o
3. [S)= Km
"'
"ü
o
Qj
>
Km
Concentración de sustrato, [S) (mM)
una baja afinidad y viceversa. Como k_1 es una constante de velocidad de primer
orden (depende de la [ES] con unidades s- 1) y k 1 es una constante de velocidad
de segundo orden (depende de [E] y la [S] con unidades M- 1 ·s- 1), la k, tiene
unidades de concentración (M).
Significado de Km
Según lo descrito en el recuadro 8-6, el valor de Km (también expresada en unidades de concentración) equivale a la concentración de sustrato que se requiere
para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. También se puede expresar esta
equivalencia afirmando que el valor de Km representa la concentración de sustrato a la cual la mitad de los centros activos de las moléculas de enzima del ensayo
están ocupados por moléculas de sustrato (en el estado estacionario).
Aunque no es una verdadera constante de disociación del complejo ES, su
valor se aproxima bastante cuando k car « k_1 ya que, en estas condiciones, el valor de Km será semejante al de k,, la auténtica constante de disociación. Por este
motivo, en la mayoría de las situaciones el valor de Km puede considerarse como
una medida de la afinidad de b. enzima por el sustrato, que será inversamente
proporcional a su afinidad. Un valor bajo de Km se puede relacionar con una
gran estabilidad del complejo ES que indica una elevada afinidad de la enzima
por el sustrato y, también, que necesita menos sustrato para unirse al 50% de la
enzima.
El valor de Km varía considerablemente de una enzima a otra (Tabla 8-3) y
para una misma enzima difiere según los distintos sustratos. Experimentalmente
se ha visto que el valor de Km de una enzima es semejante a la concentración del
sustrato que es habitual para esa enzima en el ambiente celular.
Aunque la Km no es una verda$:dera constante de afinidad, en algu. nas ocasiones su valor puede servir
de referencia para estimar si existe
una buena interacción enzima-sustrato.
146
SECI;:IÓN JI •. LA ~NERGÍA Y LAS· FUNCIONES CElULARES
Tabla 8-3. Km para algunas enzimas y sustratos
Enzima
Sustrato
Km (mM)
25
Cata lasa
Hp,
Hexoquinasa (cerebro)
ATP
o-Glucosa
o-Fructosa
Anhidrasa carbónica
HCO)
Quimotripsina
Gliciltirosinilglicina
N-Benzoiltirosinamida
f:l-Galactosidasa
o-Lactosa
4,0
Treonina deshidratasa
L-Treonina
5,0
0,4
0,05
1,5
26
108
2,5
Un ejemplo de la impo~tancia de la Km en el papel fisiológico de una enzima
se encuentra en las dos enzimas que catalizan la transformación de ~a glucosa en
glucosa-6-P en las células del hígado: la hexoquinasa (Km= 0,1 mM) y la glucoquinasa (Km= 5 mM). En condiciones de ayuno, cuando la concentración de
glucosa en sangre es baja, actúa la hexoquinasa; y después de una comida, cuando aumenta la concentración de glucosa, puede actuar también la glucoquinasa.
Estudiar las variaciones del valor de Km en diferentes enzimas mutantes o en
diferentes condiciones experimentales puede ayudar a conocer las interacciones
que se producen en la formación del complejo ES y los residuos que participan
en la formación de estas interacciones no covalentes. Las variaciones en los valores de Km indican alteraciones en la primera etapa de la reacción, donde se produce la unión de la enzima al sustrato.
Significado de
kcat·
El número de recambio
!(., es la constante de velocidad de la etapa limitante (la, que ocurre más lenta)
de la transformación del sustrato en producto y liberación de enzima libre y
producto, en el caso de que ésta transcurra en más de una etapa.
c:fla k cat es una medida de la actividad catalítica de la enzima.
ES ~ ES' ~ ES" ~ E+ P
Al tratarse de una constante de velocidad de primer orden se expresa en unidades recíprocas de tiempo (min- 1, s- 1) (véase Recuadro 8-5).
Con los datos experimentales se puede calcular su valor, al despejar de la
fórmula (8) , mediante la expresión
k
=
car
v max
[Eroral]
Este valor se conoce como el número de recambio y representa el número. de
moléculas de sustrato que son transformadas en producto en unidad de tiempo
en una sola molécula de enzima cuando la concentración de sustrato es elevada.
Define, por tanto, la Vmax a la que una reacción enzimática puede suceder, a una
concentración de enzima determinada y a una concentración dé sustrato muy
elevada, muy diferente de las condiciones in vivo.
Como esta constante refleja los cambios que se producen en las etapas posteriores a la formación del complejo ES, las alteraciones en el valor de la k,., producidos por mutagénesis, por comparación de diferentes enzimas, o por la modificación de las condiciones experimentales, reflejan perturbaciones en la etapa
final de transformación del sustrato en producto.
La eficiencia catalítica kc./km
La proporción entre las constantes cinéticas k¿, y km se suele utilizar para comparar la eficiencia catalítica de diferentes enzimas o de una misma enzirha sobre
distintos sustratos. Esta proporción tiene untdades de constante de velocidad de
segundo orden (M- 1 ·s-; 1).
•
•
,
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
Un valor elevado de esta proporción supone una elevada capacidad de transfo rmación de sustrato en producto (elevado valor de k,.,) y una elevada afinidad
aparente de la enzima por el sustrato (valor bajo de Km). Cuando se cumplen
estas dos condiciones se obtendrá la mayor eficacia ya que, no solo hay una gran
afinidad de la enzima por el sustrato sino que, además, la enzima muestra un
gran poder de transformación del sustrato en producto.
La mayor o menor eficiencia catalítica de una enzima por un sustrato puede '
verse claramente en el ejemplo de los valores cinéticos de la enzima fumarasa
por dos sustratos distintos: el fumarato y el malato (Tabla 8-4).
Tabla 8-4. Eficiencia enzimática de la enzima fumarasa
Enzima
Substrato
Fumarasa
Fumarato
Malato
s x 1o-6
2,5 X 1 o-s
1,6
3,6
X
X
147
El valor del cociente entre la k,.t
y la Km permite estimar la eficiencia
de una enzima.
-
108
107
2
En el primer caso, la fumarasa tiene un valor de k,., = 8 · 10 s- 1 y un valor de
Km de 5 · 10-6 M . La misma enzima muestra para el malato un mayor valor de
kcac (9 · 10 2 s- 1) y un mayor valor de Km (2;5 · 10-5 M). Al calcular la eficiencia
catalítica de la enzima para los diferentes sustratos se obtiene un valor de
1,6 · 10 8 M- 1s- 1 para el fumarato y un valor de 3,6 · 107 M- 1s- 1 para el malato:
En este ejemplo se observa que el hecho de que la enzima sea más eficaz en la
etapa de transformación del malato en producto (mayor k,.,) no implica que sea,
más eficiente, ya que la afinidad de la enzima es mayor por el fumarato (menor
valor de Km).
En condiciones celulares, el valor de la eficiencia es importante pero también hay que tener en cuenta la concentración de enzima disponible. Como la
velocidad tiene una relación de primer orden con respecto a la concentración
de enzima, unos pocos picomoles de una enzima con una eficiencia de
10 7 M- 1s- 1 pueden resultar menos eficientes que unos nanomoles de una enzima con una eficiencia de 10 5 M- 1s- 1• Como se describirá en el capítulo 11, uno
de los niveles de regulación de las reacciones enzimáticas en el metabolismo se
lleva a cabo por un control de la concentración de enzima, bien por un control
genético en la síntesis de la enzima o por un aumento en la velocidad de degradación .
Análisis lineal de la ecuación de Michaelis-Me_nten:
representación de Lineweaver-Burk
Aunque actualmente existen programas informáticos que permiten obtener datos cinéticos muy precisos a -partir de los datos experimentales representados en
curvas hiperbólicas, en algunas ocasiones resulta útil transformar la ecuación de
Michaelis-Menten en una expresión algebraica que aporte datos numéricos concretos para los parámetros cinéticos (Vmax y Km). Una transformación habitual
consiste .en representar los inversos de Va frente a los inversos de la concentración del sustrato.
H aciendo los inversos en ambos miembros de la ecuación, y reagrupando, se
obtiene:
1
Va
Esta ecuación, conocida como la ecuación· de Lineweaver-Burk se representa m ediante una recta de pendiente Km/Vmax (Fig. 8-16). El punto de corte
de esta recta con el eje X se corresponde con el valor de -11 Km y el punto de
corte con el eje Y con el valor de 1/Vmax· Una vez representados los valores
obtenidos experimentalmente, se puede calcular el valor de v max' que solo se
podía obtener de forma aproximada en la representaeión hiperbólica tradicional. Este tipo de representación sigue siendo iriuy útil para representar el efecto
producido por los inhibidores reversibles, como se verá más adelante.
Figura 8-16. Gráfica de dobles recíprocos
o · de Lineweaver-Burk. La representación
de los datos experimentales mediante la
ecuación de una recta permite obtener un
valor de Vmax y de Km.
148
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Factores externos que alteran la actividad enzimática
Una vez descrito el mecanismo de actuación de las enzimas se analizará por qué la
variación de algunos factores del medio puede afectar a la actividad enzimática.
Concentración de enzima
Las enzimas proteicas se aíslan de sus principales fuentes biológicas (bacterias,
hongos, tejidos animales y vegetales) mediante procesos habituales de aislamiento y purificación de proteínas, por lo que la pureza del preparado no es absoluta.
Esto hace necesario definir dos conceptos: la unidad de actividad enzimática y la
actividad específica.
Figura 8-17. Actividad y actividad específica. En la figura se han representado como
bolas las moléculas de cualquier proteína aislada; y como bolas rojas, las unidades de actividad. En ambos casos el número de unidades
de actividad es el mismo pero el tubo de la
derecha tiene una mayor actividad específica
debido a que las bolas rojas constituye una
mayor fracción del total del preparado.
U ni dad de actividad enzimática (U): es la cantidad de enzima capaz de transformar 1,0 ¡.tmol de sustrato por minuto a 25
en condiciones óptimas.
oc
Actividad específica: es el número de unidades enzimáticas por mg de proteína
purificada. Constituye una medida de la pureza del preparado (Fig. 8-17).
Temperatura
El aumento de la temperatura conduce a un aumento en la velocidad de la reacción, que tiene un límite cuando se sobrepasa la temperatura de desnaturalización de la enzima, lo que conlleva una pérdida de su función (Fig. 8-18). Debido a este fenómeno, la mutación de una enzima que produce una forma termolábil puede tener consecuencias muy graves (Recuadro 8-7).
.8u
=>
"O
20..
(!)
"O
<::
•O
'u
!'O
pH
E
.2
(!)
"O
"O
!'O
"O
·¡:¡
o
-.:;
> L---~------L-----~----~--0
Temperatura (°C)
Figura 8-18. Variación de La actividad enzimática con la temperatura en una enzima típica de mamíferos. A la izquierda del
valor óptimo (unos 45 °(), la velocidad es
pequeña porque la temperatura es demasiado baja para proporcionar la energía cinética
suficiente que supere la- energía de activación. A la derecha del valor óptimo, la enzima se desnaturaliza por efecto de la temperatura, perdiendo su función.
Recuadro 8-7. la anemia hemolitica
En los eritrocitos, la enzima glucosa-6fosfato deshidrogenasa es una enzima
importante para el mantenimiento de la
integridad de la membrana plasmática
(véase capítulo 12, Recuadro 12-3).
Una de las variantes de la anemia
hemolítica se produce por una mutación
que genera una forma termolábil de esta
enzima, incapaz de funcionar a la temperatura corporal habitual. Este problema
afecta especialmente a los eritrocitos, ya
que al ser células enucleadas, no poseen
la capacidad de renovar las enzimas que
se desnaturalizan por el efecto de la temperatura.
Tal y como se ha visto con detalle en el capítulo de proteínas, los cambios en el
pH del medio pueden alterar al estado de ionización de las cadenas laterales de
los aminoácidos ácidos y básicos. Estos cambios pueden afectar a la afinidad de
la enzima por el sustrato, si se ven alteradas las cargas de los aminoácidos que
participan en la formación de interacciones no covalentes entre la enzima y el
sustrato para formar el complejo ES. También se puede alterar la etapa de transformación del sustrato en producto, si se modifican los residuos catalíticos. El
pH al que se producen estas variaciones puede aportar datos sobre qué tipo de
residuo es el que se ve modificado. Por ejemplo, un cambio en la actividad enzimática en un pH próximo a 7 indica que se afecta un residuo de His (con un
pK, próximo a 6). Siempre hay que tener en cuenta que el pK, de un mismo
residuo puede variar ligeramente dependiendo del entorno molecular en el que
se localiza.
Reacciones multisustrato
Hasta ahora se han descrito reacciones en las que se transforma un solo sustrato.
Pero existen numerosas reacciones catalizadas por enzimas en la~ que intervienen dos o más sustratos. En este tipo de reacciones los sustratos pueden unirse a
la enzima de ·forma simultánea o sucesiva. Existen dos mecanismos que explican
este comportamiento:
·
Mecanismo secuencial
En algunas reacciones en las que intervienen dos sustratos se forma en algún
momento un complejo ternario no covalente ES 1S2 (Fig. 8-19a) . Los sustratos
pueden fijarse al azar o hacerlo en un orden específico.
·
Mecanismo de doble desplazamiento o "Ping-pong"
·
e
· smo
· que e1 pnmer
· \ sustraEn estas reacciOnes
no se wrma
un comp1'
eJü ternano,
to se libera como producto antes de la unión del segundo sustrato a la enzima
que ya ha sido modificada en la reacción anterior (Fig. 8-19b). Las quinasas si-
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
(a)
149
Al azar
1
_/'ES
E
' ES2
'
ES152 ~ E + P1 + P2
_/'
52
Ordenada
E+ 5 1 ~ ES1
(b)
_S,__,_
E + P1 + P2
P¡
Ping-Pong
E+ 5 1 ~ ES1
E'P1
_L._
52
E'
~
E'S2 ~E+ P2
guen este tipo de mecanismo. El primer sustrato es el ATP que se une a la enzima que libera ADP como producto y se queda fosforilada. El segundo sustrato
se une a la proteína fosforilada que le transfiere el grupo fosfato.
Las enzimas se pueden inhibir de forma reversible e irreversible
Existen cierto tipo de moléculas, denominadas inhibidores, que ralentizan o
detienen las reacciones enzimáticas. En algunas ocasiones han resultado útiles
para conocer más datos sobre el mecanismo de reacción enzimática pero, sobre
todo, resultan muy eficaces en la búsqueda y elaboración de fármacos (Tabla
8-5). Por ejemplo, un inhibidor puede actuar sobre una enzima que está presente en un organismo patógeno pero no en el organismo huésped. En otras ocasiones actúan sobre enzimas con una actividad alterada y que son la causa de la
patología tratada. En ambos casos, los fármacos más adecuados serán lós que
operen sobre una enzima muy específica para evitar efectos secundarios.
los in hibidores reversibles alteran los parámetros cinéticos
Son moléculas que se unen a la enzima mediante interacciones no covalentes,
más o menos estables, de forma reversible. Para estudiar su efecto sobre la actividad catalítica de la enzima se realizan ensayos, con las mismas condiciones experimentales, en ausencia (E + S) y presencia (E + S +1) de inhibidor. Esto permi-
Tabla 8-5. Ejemplos de medicamentos y su mecanismo de acción
Medicamento
Enzima inhibida
Enfermedad tratada
Amburicin®
Topoisomerasa 2
Cáncer (Quimioterapia)
Antabuse®
Aldehído deshidrogenasa
Alcoholismo
Captopril®
Enzima de la síntesis de angiotensina
Hipertensión
Celebrex®
Ciclo-oxigenasa 2
Artritis
Digoxin®
ATPasa de la bomba K+ Na•
Problemas cardiacos
Hycamtin®
Topoisomerasa 1
Cáncer (quimioterapia)
Lipitor®
3-hidroxo-3-metil-glutaril CoA
Exceso de colesterol
Viagra®
Fosfodiesterasa S
Disfunción eréctil
Figura 8-19. Mecanismos de las -~eaccio­
nes bisustrato. (a) Formación de un complejo ternario ES 152: puede suceder al azar o
de forma ordenada. (b) Reacciones con mecanismo de doble desplazamiento ("pingpong"). El primer sustrato puede transferir
un grupo funcional a la enzima que queda
modificada (E'), y que es transferido a 52 en
una segunda etapa.
150
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
te comparar los parámetros. cinéticos característicos de la reacción (Vmax y Km)
con los obtenidos en presencia de inhibidor (denominados Vmaxi y Kmi o "parámetros cinéticos aparentes"). Los datos se reflejan en una gráfica de LineaweverBurk para una mejor comparación de los resultados.
El inhibidor se puede unir a la enzima en el centro activo formando un complejo El que no da producto o en un lugar específico para el inhibidor. En este
último caso la fijación puede realizarse antes o después de la unión del sustrato y
se forma un complejo ternario ESI. El complejo El o ESl puede ser más o menos estable y está definido por las reacciones:
E+ l
El
(10)
si la enzima se une al inhibidor en el centro activo, impidiendo que se una el
sustrato; o bien
ES+ l
ESl
(11)
en el caso de que el inhibidor se una al complejo ES.
De igual forma que el valor de k, refleja la afinidad de la enzima por el sustrato, la mayor o menor afinidad de la enzima por el inhibidor quedará reflejada
por las constantes de disociación de estos complejos por las fórmulas:
K= [E] [l]
1
(1 2)
[El]
K'= [E] [l]
1
(13)
[ESl]
Dependiendo del tipo de inhibidor se pueden diferenciar tres tipos de inhibición reversible (Fig. 8-20).
Inhibición competitivo
Se caracteriza porque el inhibidor se une al mismo sitio que el sustrato, impidiendo, por tanto, la formación del complejo ES y la formación de producto.
Suele ser una molécula semejante al sustrato de la reacción de forma que los dos
ligandos compiten por unirse al centro activo (Fig. 8-20.1-a), aunque algunos
tienen una estructura diferente (Recuadro 8-8).
Como la unión es .reversible, cuando la concentración de sustrato es elevada
es muy poco probable que el inhibidor se una a la enzima, por lo que la reacción
muestra una Vmax normal (Vmax = VmaxJ Sin, embargo se necesita más sustrato
para alcanzar la mitad de la Vmax por lo que la Kmi tiene un valor mayor. El incremento de este valor está relacionado con la [l] y con la K¡ y se puede calcular
mediante la fórmula:
Recuadro 8-8. El metano!, un inhibidor
competitivo para evitar la ceguera
por intoxicación con etanol
Las intoxicaciones con metano[ pueden
causar ceguera porque este alcohol es
transformado en el hígado por la enzima
alcohol deshidrogenasa en formaldehído, una sustancia que afecta de forma
grave a los tejidos del ojo. Un posible
tratamiento para los pacientes que han
sufrido una intoxicación por metano[ es
la administración de etanol por vía intravenosa. El etanol actúa de forma semejante a un inhibidor competitivo, porque
también es sustrato de la enzima alcohol
deshidrogenasa. La diferencia es que el
etanol da acetaldehído (que no afecta a
los tejidos) como producto de la reacción, evitando que la enzima utilice como
sustrato el metano! y produzca más formaldehído y dando tiempo al organismo
a eliminar el metano[ mediante la acción
de los riñones.
(Fig. 8-20b-c-d)
El factor mediante el que se relacionan los parámeros cinéticos sin inhibidor y
los "aparentes" (1 + [l]/K¡) se denomina a.
Inhibición no competitivo
El inhibidor muestra afinidad tanto por la enzima libre como por el complejo
ES y la unión se realiza en un lugar distinto del centro activo. Por tanto, su efecto no se puede evitar aumentando la concentración de sustrato y produce una
disminución de la Vmax ya que el complejo ternario ESl no genera producto. La
Vmaxi disminuye por el efecto del inhibidor de forma que Vmaxi = Vmja. Al no
unirse en el centro activo la Km no cambia en presencia de inhibidor por lo que
Km= Kmi (Fig. 8-20.2).
.
Inhibición ocompetitivo o incompetitivo
\
Los inhibidores acompetitivos se unen exclusivamente al complejo ES en un lugar diferente al centro activo. El efecto aparente sobre los parámetros cinéticos
151
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
(1) INHIBICIÓN COMPETITIVA
(2) INHIBICIÓN NO COMPETITIVA
(3) INHIBICIÓN ACOMPETITIVA
(a) Reacción
E + S ~ ES -------+ E + P
+
E+ S
1
~
+
+
1
1
1
1~ K;
1~ K;
El~
EI+S~ESI~
1~ K;
•
__l_..._
E+S~ES~ E+ p
ES -------+ E + P
+
1~ K;
ESI~
+ •
+ •
+ •
~ll
~
(b) Representación gráfica
+1
-1
(e) Variación de parámetros cinéticos
Kmi =Km
V
.=
maXI
Vmax
1 + ([1]/K¡)
V
·=
maXI
Vmax
1 + ([1]/K;}
(d) Ecuación de Michaelis-Menten
V = Vmaxi [S]
'
V = Vmaxi [S]
Km+ [S]
'
Km; + [S]
Figura 8-20. Tipos de inhibición reversible: (1) Inhibición competitiva; (2) Inhibición no competitiva; (3) Inhibición acompetitiva. En cada
tipo de inhibición se muestra un esquema de la reacción (a), la representación de la reacción en presencia y ausencia de inhibidor en una gráfic;a
de Lineawever-Burk (b), las fórmulas que relacionan los parámetros cinéticos que cambian en cada caso (e) y la fórmula de Michaelis-Menten para
la reacc ión en presencia de inhibidor (d).
en presencia de inhibidor es la disminución de V~axi y Kmi (Fig. 8-20.3), que se
pueden calcular mediante las siguientes expresiones:
•
V
. = Vmax
maxl
a
y
K . = Km
ml
a
lnhibidores irreversibles
Son moléculas que se suelen unir a la enzima mediante enlaces covalentes con los
residuos imprescindibles para la catálisis, impidiendo su función; aunque también pueden unirse mediante interacciones no covalentes muy estables. Este tipo
de inhibidores no tienen un comportamiento cinético de Michaelis-Menten.
Su principal utilidad es la creación de fármacos, pero también se utilizan
para conocer el mecanismo de reacción de las enzimas inhibidas.
~·
152
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
0
REGULACIÓN ENZIMÁTICA
En la célula existe la necesidad de coordinar la actuación de muchas enzimas en
aquellas vías que se desarrollan de forma secuencial, es decir, donde el producto
de una reacción es el sustrato de la siguiente. En estos sistemas existen una o
varias enzimas que tienen un mayor efecto sobre la velocidad global del proceso
y se denominan enzimas reguladoras. Estas enzimas pueden cambiar su actividad como respuesta a ciertas modificaciones y suelen ser las que catalizan la primera de las reacciones de la secuencia puesto que la regulación de la ruta en las
últimas etapas supondría un gasto innecesario.
Existen varios mecanismos mediante los que se modula su actividad. Las
enzimas alostéricas se unen de forma reversible no covalente a pequeñas moléculas, que regulan su actividad. Otras enzimas sufren modificaciones covalentes, que pueden ser reversibles o irreversibles, produciéndose cambios en su
función.
las enzimas alostéricas están formadas por varias subunidades
La actividad de algunas enzimas se modula mediante la unión de uno o más ligandos denominados moduladores, que se unen en otro lugar diferente al centro activo pero que es específico para cada modulador. Estos ligandos inducen
un cambio de conformación que puede aumentar (moduladores positivos) o
disminuir (moduladores negativos) la afinidad de la enzima por el sustrato. En
aquellos casos en que el mismo sustrato tiene un efecto modulador se denominan interacciones homotrópicas y son casi siempre regulaciones positivas. En las
enzimas homotrópicas, el centro activo y el sitio regulador son el mismo. Cuando el ligando es una sustancia diferente se dice que es una interacción heterotrópica y en este caso pueden ser positivas o negativas.
Aunque existen algunas excepciones, la mayoría de las enzimas alostéricas
son oligoméricas y están formadas por varias subunidades. En este tipo de enzimas la unión del modulador a una de las subunidades produce un cambio de
conformación que se transmite a las otras subunidades con lo que se consigue
un efecto cooperativo (Fig. 8-21). Existen dos modelos que explican este efecto.
El modelo secuencial propone que, cuando el ligando se une a la primera subunidad, se produce un cambio de conformación que se transmite a las otras
subunidades produciendo un aumento o una disminución de la afinidad de la
enzima por el sustrato. El modelo concertado propone que, en ausencia de ligándo, existe un equilibrio entre dos conformaciones de la enzima: una tensa y
una relajada. Los moduladores negativos tienen más afinidad por la forma tensa; y los positivos y el sustrato, por la forma relajada. La presencia del modulador desplaza el equilibrio hacia la forma por la que presenta mayor afinidad,
consiguiendo una modulación negativa o positiva dependiendo del tipo de modulador.
"
En algunas rutas metabólicas, el producto final de la ruta es la molécula
que actúa como modulador negativo de la enzima que cataliza la primera etapa
de la ruta. Este tipo de regulación se denomina retroinhibición (fted-back)
(Fig. 8-22).
El comportamiento cinético de estas enzimas difiere del comportamiento
descrito por Michaelis-Menten, aunque se saturan cuando la concentración de
Figura 8-21. Enzima alostérica. Una enzima
alostérica heterotrópica muestra un sitio de
unión para el modulador diferente del centro activo. La unión del modulador produce
un cambio de conformación que hace que la
enzima tenga mayor afinidad por el sustrato
(modulador positivo). El cambio de conformación de la primera subunidad se transmite
a la segunda, que también presentará mayor
afinidad por el sustrato.
modulador
alostérico
positivo
~ ---+
_ce~tro
act1vo
Sustrato
Enzima alostérica
sin modulador
(poca afinidad por S)
\
Enzima alostérica
con modulador+
(aumenta la afinidad por S)
CAPÍTULO 8. ENZIMAS· Y CATÁLISIS
sustrato es suficientemente elevada. En los moduladores homotrópicos, en los
que la uniÓn de la primera molécula de SUStrato hace que cambie la ConformaeiÓn en todas las subunidades facilitando la incorporación de las siguientes mo1éculas de sustrato, hay un descenso en el valor de la Km (aumento de la afinidad) y el monómero alterado une más fácilmente sustrato y está más saturado
Sin que aumente la concentración de sustrato. Este efecto cooperativo hace que,
al representar la [S] frente a la velocidad inicial, se obtenga una curva sigmoidea,
ya que la Km va cambiando a medida que lo hace la concentración de sustrato
(Fig. 8-23a). En esta curva sigmoidea hay un valor de [S] que coincide con la
mitad de la velocidad máxima y se denomina Ka,5 , pero no tiene el mismo significado que Km. En el caso de los reguladores heterotrópicos, es más difícil predeeir la curva de saturación . El caso más habitual es que se modifique el valor de
Ka.s sin verse alterada la vmax (Fig. 8-23b) .
Numerosas enzimas modulan su actividad mediante
modificaciones covalentes de su estructura
153
Figura 8-22. Retroinhibición o feed-back.
El producto final de la ruta metabólica es el
modulador negativo de la enzima de la primera etapa.
La modificación covalente de una enzima es también un mecanismo habitual
para regular la actividad de numerosas enzimas. La modificación puede ser reV ersible o irreversible.
La fosforilación es la modificación reversible más frecuente
•
Muchas enzimas cambian su actividad como consecuencia de una modificación
eovalente en su estructura. Algunas enzimas sufren reacciones de adición de grupos fosforilo, adenililo, uridililo, metilo, etc. (Fig. 8-24) , siendo las más fre-
(a)
(b)
Vmax
---- --- - --- - ---------- ---·
+--
coope ratividad
[S]
Ko,s
(
[S]
K~s
[S] (mM)
c foependiendo de la enzima, la
fosforilación puede dar lugar a una
forma más activa o a una forma menos activa.
Figura 8-23. Curvas de actividad de enzimas alostéricas en función de la concentración. (a) Curva sigmoidea característica
de una enzima homotrópica positiva. La
unión de las primeras moléculas de sustrato
hace que la velocidad aumente por el efecto
cooperativo. (b) Efectos de un modulador
positivo y uno negativo sobre una enzima
alosté rica heterotrópica. Con línea punteada
a color se señala cómo, para la misma con centración de sustrato, el modulador negativo produce un descenso de la velocidad
(respecto a la situación en ausencia de modulador) mientras que el modulador positivo
provoca un incremento de la veloc idad.
Residuos que aceptan
la modificación covalente
Modificación covalente
ATP ADP
Fosforilación
Enzima
\. j
Tyr, Ser, Thr, His
"" Enzima - ®
Aden ilación
Tyr
NAO nicotinamida
ADP-ribosilación
Enzima
\..
.! ""
Enzima l
_o_ ~ _o_lfJ
o o
Arg, Gln, Cys
1
S-adenosil
metionina
Metilación
Enzima
.....
5-adenosil
homocisteína
---=
'----,----!
""--_,..~
Enzima - CH 3
Glu
Figura 8-24. Diferentes mecanismos de
modificación covalente de las enzimas .
154
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Ser-cadena
lateral
Ser-cadena
lateral '
OH
OH
1
H2C
1
CH 2
"r---.,..---r
Fosforilasa B
(menos activa)
2P;
fosfatasa
2ATP~
quinasa
2 ADP
2 H20
~o
\
~
o
1
CH 2
\~-..,.---'
CH 2
Fosforilasa A
(más activa)
Figura 8-25. Modificación covalente de la
glucógeno fosforilasa. Cambio conformacional producido por la Josforilación de un
residuo de serina de cada subunidad de la
enzima glucógeno fosforilasa, por la acción
de una quinasa específica. La forma fosforitada activa pierde actividaa cuando una enzima fosfatasa elimina los grupos fosfato.
cuentes las primeras. Estas reacciones están catalizadas por sus correspondientes
enzimas específicas que, en el caso de la fosforilación, se denominan quinasas .
Como ya se vio en el capítulo 4, la fosforilación se realiza en las cadenas laterales
de residuos de Ser, Tyr o Thr. La adición de un grupo cargado en la proteína
puede afectar tanto a su conformación como a sus posibles interacciones con el
sustrato (Fig. 8-25) .
La modificación es reversible porque los grupos fosfato pueden eliminarse
por la acción de otras enzimas: las fosfatasas. Este tipo de modificación en la
enzima puede hacer que la enzima se active o se inactive, dependiendo de la
·enzima. Como -se verá en posteriores capítulos, el mecanismo de fosforilacióndesfosforilación· juega un papel decisivo en la regulación de numerosos procesos
biológicos:
La ruptura de un precursor enzimático puede dar lugar
a una forma activa
En algunos casos la forma.activa de una enzima surge tras la escisión de un fragmento de la cadena polipeptídica de un precursor inactivo denominado zimógeno. Uri ejemplo de este tipo de regulación se encuentra en las proteasas del estómago tripsina y quimotripsina, que se sintetizan como sus correspondientes
formas inactivas, tripsinógeno y quimotripsinógeno. La pérdida de un fragmento de la cadena produce cambios conformacionales en estas enzimas que hacen
accesible su centro activo.
Como este tipo de inhibición es irreversible, se necesitan otros mecanismos
para la inactivación de estas enzimas.
CONCEPTOS CLAVE
Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones celulares de forma muy efectiva y específica
en condiciones fisiológicas.
O Su acción se consigue gracias a la formación de un complejo enzima-sustrato que estabiliza el estado de tran-
sición.
o
La unión enzima-sustrato se realiza en una zona de la enzima denominada centro activo que posee la topología y la
naturaleza adecuada para establecer interacciones no covalentes con el sustrato.
o
o
El centro activo es complementario al estado de transición
o
o
o
Desde un punto de vista de la energía, las enzimas aceleran las reacciones porque consiguen rebajar la energía de
activación.
Las enzimas no alteran los equilibrios de reacción pero consiguen que se alcancen de forma más rápida.
La energía de fijación proporciona especificidad y catálisis.
En algunas reacciones se producen enlaces covalentes transitorios entre la enzima y el sustrato.
O La cinética química estudia las velocidades de reacción.
o
Los datos cinéticos obtenidos en el laboratorio nos permiten conocer datos sobre el mecanismo de la reacción
enzimática estudiada.
O A elevadas concentraciones de sustrato, la velocidad de la reacción no aumenta cuando lo hace la concentración
de sustrato debido a un efecto de saturación de la enzima.
o
·,
": ;.
. . . ..
:- ~ "' . ·: ,..
Se puede explicar el comportamiento de numerosas reacciones enzimáticas suponiendo que la primera etapa
es rápida _y- reversible y la velocidad está con~icionada por la transformación mucho más lenta del sustrato a
p.r.od.ucto ..
.
..•·.
,_.
_____
· CAPÍTULO 8. ENZIMAS-Y CATÁLISIS
155
o
La ecuacton de Michaelis-Menten explica el comportamiento de las reacciones en las que la concentración del
complejo enzima-sustrato permanece constante y la concentración de sustrato es muy superior a la de la enzima.
o
Los parámetros cinéticos que definen una reacción son:
- vmax: velocidad máxima, obtenida con concentraciones de sustrato elevadas.
¡
- Km: constante de Michaelis-Menten. Aunque no es una verdadera constante de afinidad, en algunas ocasiones
su valor puede servir de referencia para estimar si existe una buena interacción enzima-sustrato.
- K,.,: representa el número de moléculas de sustrato que resulta transformado en producto en unidad de tiempo con una sola molécula de enzima cuando la concentración de sustrato es elevada.
o
La eficiencia catalítica de una enzima se puede medir mediante el cociente K,./Km. Un valor elevado de esta proporción supone una elevada capacidad de transformación de sustrato en producto y una elevada afinidad aparente
de la enzima por el sustrato.
o
o
Factores externos como la temperatura o el pH pueden alterar la actividad enzimática.
o
o
o
Existen reacciones en las que participa más de un sustrato que pueden transcurrir mediante la formación de un
complejo ternario ES 1 52 o, de forma sucesiva, primero con un sustrato y después con el segundo.
Las enzimas se pueden inhibir de forma reversible o irreversible.
Los inhibidores reversibles pueden ser competitivos, no competitivos o acompetitivos, según su mecanismo de acción y la modificación de los parámetros cinéticos que producen.
En la mayor parte de las rutas metabólicas existen enzimas, denominadas reguladores, que cambian su actividad
como respuesta a ciertas modificaciones. Estas enzimas suelen estar en la primera etapa de la ruta y tienen un mayor efecto sobre la velocidad global del proceso.
Q EJ ERCICIOS
El ibuprofeno es una sustancia que ejerce su acción antipirética y antiinflamatoria por un mecanismo de inhibición competitiva sobre la
enzima ciclooxigenasa. Esta enzima cataliza la primera etapa de conversión del ácido araquidónico en peróxidos cíclicos que darán lugar
a prostaglandinas y tromboxanos, mediadores de estos procesos inflamatorios. Se ha realizado un ensayo para estudiar los parámetros
cinéticos de esta .enzima en presencia y en ausencia de ibuprofeno y se ha obteni1/v
do los datos que se reflejan en la siguiente gráfica:
Responder a las siguientes cuestiones:
a) ¿Podría esta gráfica reflejar los parámetros cinéticos de la ciclooxigenasa en
presencia y ausencia de ibuprofeno?
b) Señalar qué gráfica corresponde a los ensayos en presencia de inhibidor.
e)
Calcular Vmax• Km y Kmi·
d) Calcular la velocidad inicial en presencia de inhibidor para una [S]= 1 M y
para una concentración de sustrato 1 f.JM .
1/[S]
e) Calcular K, para una [1] = 0,25 f.! M.
f)
Calcular la
K,., para
una [E] = 2 • 1o-3 f.! M y la eficiencia.
SOLUCIÓN
a) Si, porque refleja la situación de una inhibición competitiva en la que Vmax = Vmaxi y Km;> Km
b)
e)
-d-- =
max
-+-
~
0,5
~M- 1
= -2 f.JM-
1
•
s
=
=
1
1
Vmax
= 2 ~M
Km = 0,5 f.! M
• S-
1
1
1
m
&~~~~~~
6lii.IQTiGA FUNDAOC'tRES
-156
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
6
d) [S] = 1 M = 1 · 1O ~M
=
Vmax·~
l--J:tM
+~
_
V¡ -
=
1
V; = Vmax
1
Como [S]>» Km, se desprecia el valor de Km en el sumando
[S]= 1 ~M
e)
= Km (1
Km;
=
Eficiencia en ausencia de inhibidor
2 ~M • s- • 1 ~M
V¡=-----1
1
=
+ _!!l_)
~
1
~M+
1
~M
~M = _2_: ~M (1
2
+
0 25
'
~
~M)
=
Eficiencia en presencia de inhibidor
a=2
( [!])
donde a= 1 + ~
1+
0,25 ~M
ID a)
K;
= 2
=
1 K;
= 0,25 ~~ 1
Calcular el valor de K; de un inhibidor competitivo según la
siguiente información: Km= 19,8 X 1o-s M; Vmax (sin inhibidor) = 300 ~moles/litro-min . , y v;= 3 ~moles/litro-m in (en
presencia de [1] = 0,9 X 1o-s M, con [S]= 2 X 1o-s M).
b) Calcular la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para
una concentración de sustrato de 19,8 m M:
e)
Calcular la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para
una concentración de sustrato de 19,8 nM.
liD Para estudiar la actividad enzimática de una enzima se han crea-
Responder a las siguientes cuestiones:
a)
¿De qué tipo de inhibición se trata y por qué?
b) ¿Cuál es la eficiencia catalítica, con y sin inhibidor, considerando que la concentración de .enzima es ,-ñM?
e)
¿Cuál es el la concentración de inhibidor?
d) ¿Cuál es el orden de la reacción, en ausencia de inhibidor,
para una concentración de sustrato 0,5 nM?
e)
¿Cuál es la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para
una concentración de sustrato 2 mM?
do versiones mutantes de dicha enzima y se han medido las
constantes cinéticas.
Enzima
Km (M)
Vmax (M . se,)
ll'l1l Se ha estudiado el comportamiento frente a las variaciones de pH
de una enzima observando los siguientes parámetros cinéticos:
Normal (salvaje)
3,2 X 1o-s
760
MUT1 Val 150 --> Ala
3,2 X 1o-s
750
pH
MUT2.Asn 74--> Leu
6,0 X 1o-s
350
7
3,8 x 1o-6
MUT3 Ser 43 --> Thr
3,4 X 10-s
200
6
1,2 X 10-7
MUT4 Val ·150--> His
4
X 10-4
735
5
0,2 X 10-7
MUT 5 Ser 43 --> Gly
3,6 X 10-s
8
9
0,05
Basándose en los _datos de esta tabla y teniendo en cuenta· la
naturaleza de los aminoácidos en la función de la enzima, conteste con una explicación razonada a las siguientes cuestiones:
a)
¿Qué enzima mutante tiene la mayor afinidad por el sustrato?
b) ¿Qué enzima mutante tiene la mayor actividad catalítica?
e)
¿Qué residuo aminoácido de la enzima de tipo salvaje participa directamente en la conversión del sustrato en producto?
Km
(~M)
X 10-s
lndíque qué aminoácido se encuentra en el centro activo de
esta enzima.
lllll Considerando la gráfica y teniendo en cuenta que A y B son dos
sustancias que interaccionan con una enzima E, ¿qué tipo de
enzima es E?, ¿qué función desempeñan A y B?
&11 Considerando el gráfico y sabiendo que:
K;= 2
~M
[S] (mM)
157
CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS
0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
IJII Un inhibidor no competitivo:
a)
b)
e)
d)
Disminuye la velocidad inicial de la reacción.
Disminuye la velocidad máxima de la reacción.
No afecta el valor de la Km.
Todas las respuestas son correctas.
d) Los valores de Km no dan idea de la afinidad de la enzima
por el sustrato.
llliJI Sin una enzima tiene dos sustratos por los que presenta los siguientes valores: 1
ID El efecto de un inhibidor no competitivo:
a) Se revierte aumentando la concentración de sustrato frente a la inhibidor.
b) No afecta a la [S] que se requiera para que la enzima alcance una V¡ = 1/ 2 Vmax·
e) Disminuye el valor de la Vmax·
d) Es independiente de la [S].
DI Una enzima alostérica:
a)
b)
e)
d)
No presenta estructura cuaternaria.
Es una enzima reguladora.
Presenta una cinética hiperbólica.
Todas las respuestas son correctas.
liD La inhibición por retroalimentación o feedback:
a)
b)
e)
d)
Es una forma de regular las vías metabólicas.
El último producto es el inhibidor de la vía.
Se suele inhibir la primera enzima de la vía metabólica.
Todas son correctas.
1111 Si quiero valorar el efecto que tiene la concentración de la enzima en la velocidad de degradación de un sustrato:
a) A la misma cantidad de sustrato le añadiría diferentes cantidades de enzima y calcularía la velocidad de degradación.
b) A distintas cantidades de sustrato le añadiría diferentes
cantidades de enzima y calcularía la velocidad de degradación.
e) A distintas cantidades de sustrato le añadiría la misma
cantidad de enzima y calcularía la velocidad de degradación.
d) a) y e) son correctas.
ID Sin una enzima tiene dos sustratos por los que presenta los siguientes valores:
kcat
Sustrato S1
Sustrato 52
a)
b)
e)
d)
Sustrato 51
1
Sustrato 52
1
S X 10- 6 M
S X 10-5 M
a) Presenta mayor afinidad por el 51 .
b) Presenta mayor afinidad por el 52.
e) Presenta la misma afinidad por los dos sustratos.
8 x 1o' s-'
8 X 10 3 S
1
La reacción alcanza mayor velocidad máxima con el 51.
La reacción alcanza mayor velocidad máxima con el 52.
Ambas reacciones alcanzarán la misma velocidad máxima.
Los valores de k cat no dan idea de la ve locidad máxima de
la reacción.
1111 Teniendo en cuenta los valores indicados en las preguntas 8-6 y
8-7,
a)
b)
e)
d)
¿con cuál de los dos sustrato la enzima .es más eficiente?
Es más eficiente con 51 .
Es más eficiente con 52.
Es igual de eficiente con los dos.
No se puede averiguar la eficiencia con estos datos.
liD Para estudiar la actividad
enzimática de una enzima se decide
crear versiones mutantes de dicha enzima y medir las constantes cinéticas.
Enzima
Km (M)
Vmax (M • S
Normal (salvaje)
3,S ·10
4
Mut 1 Ser 140 --. Thr
3,2 ·10
4
790
Mut 2 Ser 140 --. Gly
2,2 ·10
4
0,04
1
)
860
a)
El cambio de la Ser por una Gly no afecta la velocidad
máxima.
b) El cambio de una Ser por una Thr disminuye la afinidad
por el sustrato.
e) La enzima Mut 2 disminuye la Vmax de la reacción.
d) La enzima Mut disminuye la Km de la reacción . .
lllll!l Continuando con los valores indicados en la pregunta 8-9:
El cambio de Ser por Gly provoca una gran disminución
de la Vmax debido a la pérdida del grupo OH.
b) El cambio de Ser por Thr afecta mucho a la catálisis debido a la presencia de un grupo OH.
e) La Ser es muy importante para la afinidad de la enzima
normal por el sustrato.
d) La Thr es fundamental para la actividad catalítica de la
enzima normal.
a)
Km
J
J
\
MEMBRANAS BIOLÓGICAS 'l
TRANSPORTE
o
CONTENIDOS
o
o
o
o
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
Introducción
o
Estructura de la membrana
celular
Comprender cómo la estructura de los fosfolípidos determina la formación de bicapas lipídicas en un entorno acuoso.
o
Transporte de solutos a
través de la membrana
Conocer las propiedades de la membrana y comprender los factores
que las condicionan.
o Comprender los principios que rigen el transporte de sustancias a través de las membranas biológicas.
Receptores de membrana
o
Conocer . los principales transportadores de membrana: canales y
carriers.
o
Diferenciar el transporte pasivo del transporte activo (primario y secundario).
o
Comprender el mecanismo de actuación de los receptores de membrana.
r
La membrana plasmática es una estructura compleja que facilita
el intercambio de información y sustancias entre la célula y el
medio extracelular. Este capítulo se sitúa en el libro después de
haber analizado la estructura de los principales componentes de
la membrana; los lípidos revisados en el capítulo 3 y las proteínas descritas en el capítulo 5. De esta forma, se podrá comprender mejor la función de ambos componentes para determinar la
estructura de la membrana y su influencia en sus principales
propiedades. La permeabilidad selectiva de la membrana celular
se deberá a la naturaleza antipática de los lípidos para controlar
el paso de los diferentes solutos, ~ a la necesaria cooperación
de las proteínas para seleccionar qué moléculas podrán atravesar la membrana en determinadas condiciones.
Los procesos de transporte de sustancias a través de la membrana y la función de los receptores de membrana se incluyen
en este tema, antes del estudio de los procesos de señalización
celular (Capítulo 1O) y del análisis de los principales procesos
metabólicos que se detallarán en la siguiente sección.
160
SECCIÓN · II . · LA ENERGÍA Y LAS ' FUNCIONES CElULARES
. 0 INTRODUCCIÓN
Fosfatidiletanolamina
glicerofosfolípido
Las membranas -biológicas son estructuras de gran importancia para las células,
que permiten crear compartimentos independientes al mismo tiempo que facilitan el intercambio selectivo de sustancias. La membrana plasmática aísla a las
células del medio. En las células eucariotas, existen sistemas de membranas internos con características propias que crean estructuras diferenciadas en las. que
se pueden inoependizar ciertas rutas metabólicas. La concentración de sustancias en el interior de un compartimento determinado se puede regular gracias a
la presencia de transportadores selectivos. En la membrana también se sitúan
receptores que reciben estímulos del exterior y transmiten la información al interior de la célula.
Todas la membranas se componen de lípidos y proteínas y comparten una
estructura común, aunque existen algunas variaciones que les proporcionan características individuales.
En este capítulo, se realiza primero una descripción general de la estructura
de la membrana plasmática como modelo de membrana, y se analizan sus características primordiales destacando la importancia de la estructura de los diferentes componentes en la variación de sus propiedades. En un segundo bloque se
examinan las principales funciones de la membrana estudiando con más detalle
los procesos de transporte. Por último, se hace una breve descripción del mecanismo de acción de los receptores de membrana destacando las características
del proceso de unión ligando-receptor.
0 ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CELULAR
Esfingomielina
esfingolípido
Cabeza
) polar
Cadenas
hidrofóbicas
La estructura básica de la membrana plasmática consiste en una lámina de m oléculas de lípidos de naturaleza anfipática. Los fosfolípidos (glicerofosfolípidos y
esfingolípidos que contienen fosfato) son los principales constituyentes de las
membranas y, tal y como ·se ha visto en el capítulo 3, son moléculas que poseen
una zona polar y dos colas apolares, como se esquematiza en la figura 9-1.
Los fosfolípidos de membrana son muy variados dependiendo de los ácidos
grasos de las cadenas de acilo . Sin embargo, esta composición puede variar baj o
diferentes condiciones de nutrición o en condiciones patológicas.
El colesterol, también forma parte de la estructura de algunas membranas,
como se describe más adelante.
Los fosfolípidos de membrana forman bicapas
Fosfolípido
Figura 9-1. Estructura de los fosfolípidos.
Tanto los glicerofosfolípidos como los esfingolípidos son moléculas antipáticas, y se
pueden simplificar como una cabeza polar
con dos colas hidrofóbicas.
La bicapa lipídica aparece de forma espontánea cuando este tipo de moléculas se
sitúa en un medio acuoso, debido a que es la disposición más estable que pueden adquirir desde el punto de vista energético. Como se ha visto en el capítulo
1, las moléculas apolares son incapaces de mantener interacciones favorables con
moléculas de agua, por lo que en un medio acuoso tienden a agruparse de forma
que las interacciones sean mínimas. Este efecto hidrofóbico tiene unas consecuencias diferentes en una molécula totalmente apolar y en una molécula anfipática. En el primer caso la mínima superficie de contacto es una esfera, que es
la estructura creada por este tipo de moléculas (gotas de grasa). En el caso, de las
moléculas anfipáticas es necesario diferenciar dos tipos de moléculas:
• Aquellas que tienen una sola cadena apolar y que presentan una sección
transversal cónica (Fig. 9-2a) .
• Las que tienen dos cadenas apolares y tienen una sección transversal cilíndrica (Fig. 9-2b).
O las moléculas antipáticas con
dos cadenas apolares se disponen
formando bicapas o liposomas cuando se encuentran en un entorno
acuoso.
El primer tipo de moléculas tiende a formar micelas cuando se disponen en
un entorno acuoso (Fig. 9-2a), ya que es la forma de máxima estabilidad termodinámica en la que se minimiza el número de moléculas de agua ordenadas que
se forman en las zonas apolares de las moléculas (Figs. 9.2a y 9.3) qJ e quedan
ocultas en un núcleo hidrofóbico, mientras que las zonas polar~s interaccionan
con las moléculas de agua. Sin embargo, en las moléculas como los fosfolípidos
C:APÍTULO. 9. MEMBRANAS· BIOLÓGICAS Y-TRANSPORTE
(a)
161
(e)
!
!
---
(b)
!
Figura 9-2. Comportamiento de las moléculas antipáticas en un entorno acuoso.
(a) La molécula con una sola cola apolar
forma micelas. (b) Las moléculas con dos
colas apelares forman bicapas lipídicas. En
esta estruclura los extremos todavía presentan zonas con una situación desfavorable.
(e) Cuando las bicapas adquieren suficiente
tamaño forman estructuras selladas, denominadas liposomas, con un núcleo acuoso.
que tienen dos cadenas apolares, el mayor volumen ocupado por estas cadenas
hace que se dispongan formando bicapas lipídicas en las que sólo existe una
zona de interacción desfavorable en los extremos de la lámina (Fig. 9-2b).
C uando la superficie es suficientemente grande, esta situación se evita mediante
la formación de una estructura esférica con una doble capa de lípidos denominada liposoma que tiene en su interior una cavidad acuosa (Fig. 9-2c).
Modelos de membrana biológica
La bicapa lipídica es el elemento estructural básico de las membranas y determina sus propiedades fundamentales. Pero las membranas también presentan un
com ponente proteico que desempeña un papel destacado en su función. Los
primeros modelos de membrana situaban a las proteínas a ambos lados de la bicapa lipídica pero en el modelo actual de membrana, el modelo llamado de mosaico fluido, la bicapa de lípidos presenta proteínas incrustadas que poseen resi-
Figura 9-3. Formación de micelas. Como el agua no pueden establecer interacciones con las zonas apelares de las moléculas antipáticas, la formación de micelas hace que disminuya el número de moléculas de agua en el entorno hidrofóbico.
,-
16:2
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Espacie extracelular
1
Figura 9-4. Modelo del mosaico fluido.
Existen diferentes posibilidades de distribución de las proteínas sobre la bicapa lípídica:
las proteínas integrales pueden atravesar la
membrana. o pueden solo incluir un cierto
porcentaje en el lado citosólico o extracelular. Las proteínas periféricas solo se asocian a
la porción polar de la membrana.
O las proteínas y ,los lípidos se
desplazan lateralmente en zonas restringidas de la membrana.
proteínas periféricas)
1
proteínas integrales
Espacio intracelular
duos apolares que mantienen interacciones hidrofóbicas con las cadenas de los
fosfolípidos y residuos polares en las zonas extracelular y citosólica. Las proteínas integrales se pueden disponer de forma variada. Algunas tienen tres dominios: unp transmembrana, uno citosólico y otro extracelular. Otras solo sobresalen a un lado de la membrana y otras la atraviesan varias veces (Fig. 9-4), pero
todas pueden moverse lateralmente en la capa de lípidos. Sin embargo , existen
sistemas' para restringir el desplazamiento de lípidos y proteínas en determinados dominios.
Propiedades de la membrana
La membrana tiende a recuperar su estructura
Las fuerzas que m antienen la estructura de bicapa lipídica proporcionan a la
membrana su capacidad de autosellado, ya que cualquier exposición de las cadenas hidrofóbicas al medio acuoso sería desfavorable. De esta forma, si se produce un desgarro pequeño en la membrana, la estructura se reorganiza de forma
espontánea. Si el efecto es de mayor magnitud, la membrana se fragmenta pero
se reconstruye formando vesículas aisladas. El tamaño de las vesículas está condicionado por su flexibilidad, la propiedad que le permite curvarse sin perder su
integridad y sin dejar salir su contenido, que se establece en un límite inferior de
25 nm de diámetro .
Las membranas biológicas son fluidas
O las moléculas se pueden desplazar lateralmente en la bicapa pero
los movimientos de una capa a otra
son menos frecuentes.
Aunque las fuerzas hidrofóbicas mantienen unidas las moléculas individuales de
fosfolípidos , éstas pueden desplazarse unas respecto a otras cambiando de posición. Esta posibilidad de movimiento confiere a las membranas su fluidez característica. Los movimientos laterales de las moléculas son más frecú entes y rápidos que los cambios de localización entre la porción externa e interna de la
membrana, movimiento denominado de "flip-flop" que ocurre con muy poca
frecuencia de forma espontánea (Fig. 9-5). Estos movimientos van a variar en
flip-flop
(movimiento muy
lento y raro)
Figura 9-5. Movimientos de los fosfolípidos. Los desplazamientos laterales y los de
rotación y flexión son más frecuentes. Sin
embargo, el movimiento del lado citosólico
al extracelular. o viceversa, es menos frecuente y requiere la acción enzimática.
Movimientos de difusión lateral,
flexión y rotación (frecuente)
--
CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
magnitud dependiendo de factores como la temperatura o la estructura de los
d iferentes fosfolípidos que componen la membrana, tal y como se detalla a continuación.
163
(b)
(a)
Efecto de la temperatura
U n aumento de la temperatura produce una mayor movilidad de las moléculas,
lo que conlleva un incremento en la fluidez de las membranas. Pero en los anim ales homeotermos las posibilidades de modificar la fluidez de la membrana
son limitadas y este control se puede ejercer mediante la variación de otras características.
í
La presencia de insaturaciones aumenta la fluidez de la membrana
T eniendo en cuenta la estructura general de los fosfolípidos descrita en el capítulo 3, hay que destacar que las colas hidrocarbonadas tienen diferente disposición espacial dependiendo de si son saturadas o insaturadas. La presencia de
dobles enlaces tipo cis produce un acodamiento en estas cadenas que va a tener
im portantes consecuencias en las interacciones entre las diferentes moléculas de
la bicapa (Fig. 9-6a). En el caso de las membranas en las que dominan los fosfolípidos con cadenas saturadas, las interacciones enti:e las moléculas serán mayores porque se pueden situar más próximas unas a otras, por lo que la fluidez será
escasa (poca movilidad de sus moléculas) (Fig. 9-6b). Sin embargo, cuando dom inan los fosfolípidos con cadenas con insaturaciones las moléculas están más
separadas y las membranas son más fluidas (Fig. 9-6c).
Figura 9-6. Molécula de fosfolípidos con
una cadena insaturada. (a) La insaturación
produce un acodamiento en la cadena.
(b) En una membrana con fosfolípidos saturados las fuerzas intermoleculares son más
intensas y la fluidez menor. (e) La presencia
de instauraciones hace que disminuya el número de interacciones proporcionando
membranas más fluidas.
La longitud de las cadenas hidrocarbonadas
Las cadenas de los fosfolípidos presentan una longitud que varía entre 14 y 24
átomos de carbono. Las moléculas con cadenas más largas se mantienen unidas
con mayor fuerza ya que el número de interacciones es mayor. Teniendo en
cuenta este razonamiento, las membranas con fosfolípidos con cadenas más cortas son más fluidas debido a la mayor movilidad de sus moléculas.
La fluidez de la membrana no solo permite la difusión de las moléculas de
fosfolípidos sino que también permite el desplazamiento de las proteínas de
m embrana. En la situación real de la célula coexisten zonas de mayor fluidez
con zonas más ordenadas, menos fluidas.
c flas membranas ricas en fosfolípidos que presentan cadenas insaturadas son más fluidas.
c flos fosfolípidos con cadenas hidrocarbonadas más largas disminuyen la fluidez de las membranas.
El colesterol regula la fluidez de la membrana
En las células animales la fluidez de la membrana se regula mediante el efecto
del colesterol, que es más abundante en la membrana plasmática que en los sistemas de membranas internos. Esta molécula, plana y rígida, también es anfipática, por lo que tiende a situarse con su grupo hidroxilo en contacto con las zonas polares de los fosfolípidos y su zona apolar entre las cadenas apolares. Pero
la molécula de colesterol es más corta que las colas-de los fosfolípidos y ocupa
los huecos que se producen entre estas moléculas (Fig. 9-7), creando interacciones con ellos que hacen que la membrana se vuelva menos fluida.
El catión Ca2+ disminuye la fluidez de la membrana
El el+ interacciona, por fuerzas de atracción electrostáticas, con los grupos fosfato con carga negativa de las cabezas polares de los fosfolípidos . Se reducen así
las fuerzas de repulsión que se dan entre estos grupos, lo que incrementa el empaquetamiento de los fosfolípidos. El resultado es una disminución de la fluidez
de la membrana.
l a bicapa de lípidos es asimétrica
Los lípidos de las diferentes membranas son distintos y presentan características
semejantes en las células de los animales de cada especie. Las membranas de los
axones de las neuronas son ricas en esfingolípidos, y en las de orgánulos como el
d El colesterol regula la fluidez
de las membranas de las células
animales.
~- ~
: U El Ca 2+ reduce la fluidez de las
membranas.
164
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA"Y LAS FUNCIONES CELULARES
(a)
(b)
3
Anillo
esteroide
plano y
rígido
2
E
e
Cola
hidrofóbica
Figura 9-7. Efecto del colesterol. (a) Molécula de colesterol. (b) En las células animales
el colesterol disminuye la fluidez de las
membranas porque aumenta las interacciones al situarse en los espacios que aparecen
cuando hay presencia de dobles enlaces en
las colas de los fosfolípidos.
o
retículo endoplásmico abundan los glicerofosfolípidos. La membrana plasmática
es la que presenta mayor variabilidad, porque su contenido en colesterol puede
variar dependiendo del estado nutricional del animal. La constancia en la distribución de lípidos en cada tipo de membrana sugiere que existe una relación directa con sus funciones específicas.
Además, los lípidos no muestran una distribución regular en ambos lados de
la bicapa de las membranas biológicas, como se puede ver estudiando los porcentajes de los diferentes fosfolípidos en las membranas plasmáticas de los eritrocitos humanos (Fig. 9-8). La esfingomielina es más abundante en la capa externa y la fosfatidiletanolamina suele estar en la capa interna. Esta asimetría se
mantiene gracias a la existencia de unas enzimas específicas denominadas flipasas que catalizan el movimiento de determinados fosfolípidos de un lado a otro
de la bicapa.
Las proteínas se asocian o se integran en la membrana
Aunque la estructura básica de las membranas es la bicapa lipídica, muchas de
sus funciones se deben a su componente proteico que supone alrededor de un
50% de la masa total de la membrana. Además de su función como moléculas
de transporte de diferentes solutos, las proteínas de la membrana también tienen otras funciones: receptores de señales, función catalítica y función de anclaje de macromoléculas a ambos lados de la membrana.
Fosfolípidos
de membrana
Porcentaje total
de fosfolípidos
de membrana
Distribución
100
Fosfatidiletanolamina
30
Fosfatidilcolina
27
Esfingomielina
23
Fosfati di lseri na
15
Fosfati di linos itol
Figura 9-8. Porcentajes de fosfolípidos en
la cara externa e interna de eritrocitos
humanos. La fosfatidilcolina y la esfingomielina-son · más. abuFldantes en la .. capa externa.
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Fosfatidilinositol-4-fosfato
Fosfatidilinositol-4-5-bifosfato
Ácido fosfatídico
Capa
interna
o
Capa
externa
100
CAPÍTULO 9 . · MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
Las proteínas de membrana se clasifican en· integrales y periféricas, según sea
su grado de asociación con los lípidos de la bicapa (Fig. 9-9). Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica, por lo que es necesaria la utilización de detergentes o de disolventes orgánicos para su separación del resto de los componentes de la membrana. Estas proteínas establecen interacciones estrechas con los
lípidos de la membrana y pueden tener uno o varios dominios transmembrana
atravesando la bicapa. Algunas están formadas por estructuras oligoméricas más
· ·
complejas.
Las proteínas periféricas se unen mediante interacciones intermoleculares o
covalentes, pero no atraviesan la membrana, lo que hace que su aislamiento del
resto de los componentes sea más fácil. Un cambio de pH o en la concentración
de sales puede alterar las interacciones no covalentes y la acción de enzimas específicas puede romper los enlaces covalentes que las unen a ciertos lípidos sin
alterar la estructura general de la membrana. Muchas proteínas periféricas son
proteínas globulares solubles.
Es importante destacar que todas las proteínas de membrana tienen una
orientación específica necesaria para desempeñar su función.
Las proteínas se pueden desplazar dentro de la bicapa lipídica gracias a la
fluidez de ésta. Sin embargo, se ha comprobado que su movimiento suele estar
lim itado a determinadas regiones, lo que hace que se generen dominios de
m embrana donde se localizan ciertas proteínas que desempeñan funciones específicas. Las células del epitelio intestinal son un claro ejemplo de la necesidad de
esta segregación en dominios específicos, ya que existen transportadores que deben localizarse en la zona apical para la captación de sustancias de la luz intestin al (como el cotransportador de glucosa y Na+ que se describe más adelante) .
165
~as proteínas integrales atravie-
san la bicapa lipídica y las periféricas
se mantienen unidas de forma más
débil a la zona externa o interna de
la membrana.
----
Los carbohidratos forman parte de glucoproteínas y glucolípidos
Los hidratos de carbono se encuentran en la membrana en forma de oligosacáridos unidos covalentemente a lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucopro teínas) . Los monosacáridos que forman estas estructuras pueden ser moléculas sencillas como la glucosa, la galactosa, la manosa o azúcares más
com plejos como el ácido neuramínico, la N-acetilgalactosamina o la N-acetilglucosamina.
PERIFÉRICAS
INTEGRALES
Transmembrana
Unidas a lípidos
Unidas a proteínas
Figura 9-9. Proteínas de membrana. Las proteínas integrales están firmemente uñidas a la membrana y.[as periféricas pue.den estar uñidas a otras
proteínas.
·
·
a~~~~s!~
Dlib101iCA FUN~ADClR ES
166
SECCIÓN 11: LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
membrana plasmática
1
citosol
1
-
-
Figura 9-10. Localización de los hidratos
en el exterior de la membrana plasmática. Como los hidratos de carbono se incorporan en la luz del retículo endoplásmico
(RE) y se modifican en la luz del Golgi, el
proceso de fusión hace que queden en el
lado extracelular.
c fExisten oligosacáridos en el lado
externo de la membrana plasmática
que pueden actuar como receptores
o tener funciones de reconocimiento
y adhesión celular.
cara
citosólica
cara
extra celular
Los hidratos de carbono se encuentran siempre en el lado extracelular de la
membrana plasmática debido .a su proceso de síntesis. Por ejemplo, los que se
asocian a las proteínas transmembrana se incorporan en el retículo endoplásmico (RE) y se modifican en el Golgi. Cuando las vesículas que proceden del Golgi se fusionan a la membrana plasmática, estos hidratos de carbono que estaban
orientados hacia la luz del Golgi quedan localizados en la porción extracelular
de la membrana plasmática (Fig. 9-10).
Estos oligosacáridos tienen funciones como la adhesión y el reconocimiento
celular y también pueden actuar como receptores.
0
TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
Las membranas requieren la presencia de proteínas de transporte
Como se ha descrito en el capítulo 7, la célula es un sistema abierto que intercambia materia y energía con el medio extracelular, lo cual implica que exista
un paso de sustancias a través de la membrana plasmática. Si se tiene en cuenta
la estructura de la membrana y la naturaleza de las moléculas involucradas en el
metabolismo celular, se puede deducir cuáles pueden pasar por simple difusión
a través de la membrana. Los gases como el 0 2 , el C0 2 , las moléculas apolares y
las moléculas polares sin carga y de tamaño pequeño (como el agua o el glicerol)
pueden atravesar la bicapa lipídica (Fig. 9-11) . La velocidad a la que se realice el
transporte dependerá de su naturaleza y su tamaño.
Las moléculas con carga a pH fisiológico son incapaces de atravesar la bicapa
lipídica ya que requieren la existencia de un entorno molecular con el que puedan establecer interacciones. Por tanto, es necesario que existan estructuras que
faciliten el paso de estas moléculas.
~
~ ==
Moléculas polares
grandes
>
[>
____J
Figura 9-11. Paso de las moléculas por
simple ditusión a través de la membrana
plasmática. Sólo las moléculas apolares y
polares pequeñas pasan por simple difusión .
Iones
o o
~
\
CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
Proteínas transportadoras
167
Proteínas canal
Sitio de unión al soluto
-
bicapa
lipídica
Figura 9-12. Tipos de proteínas transportadoras de membrana. Las proteínas transportadoras o carriers establecen interacción
con el soluto y cambian de conformación,
mientras que los canales iónicos seleccionan
por tamaño y carga.
Las proteínas transportadoras pueden ser canales o carriers
Las proteínas transmembrana son las estructuras que permiten el paso de las
sustancias con carga o de mayor tamaño a través de la membrana y pueden
ser de dos tipos : canales o proteínas transportadoras (denominadas carrier)
(Fig. 9-12) .
Los canales son estructuras con un poro hidrofílico que permiten el paso de
iones y son selectivos para un determinado tamaño y carga. Tienen dominios
especializados en la función de control de la apertura del canal que responden a
diferentes estímulos: presencia de ciertos ligandos, variaciones de potencial o
fuerzas de tipo mecánico. Suelen ser estructuras oligoméricas con algunos segm entos con estructura de a hélice aunque en algunas membranas (la mitocondrial externa y bacterias) existen canales con un poro de mayor diámetro que
están formados por una única cadena con numerosos segmentos con estructura
de lámina f3 denominados barriles f3.
Las proteínas tipo carrier se unen de forma selectiva a la molécula que transportan y sufren una serie de cambios conformacionales que permiten su paso de
un lado al otro de la membrana.
El transporte se realiza en las siguientes etapas:
c flos canales iónicos son estructuras proteicas que permiten el paso
selectivo de iones según su tamaño y
su carga.
O las proteínas tipo carrier se
unen de forma específica a la sustancia que transportan y sufren cambios
conformacionales que facilitan el
paso de un lado a otro de la membrana.
l. Reconocimiento y unión de la molécula específica del transportador
2. Cambio conformacional que hace que el soluto quede orientado al otro
lado de la membrana
3. Liberación de la molécula transportada
4. Recuperación de la conformación inicial
Parámetros cinéticos de los transportadores tipo carrier
Si se compara la velocidad de transporte de una molécula por simple difusión
con la velocidad de transporte de la misma molécula facilitada por una proteína
transportadora, se comprueba que se produce un aumento de la velocidad. La
situación es análoga a la de las reacciones catalizadas por enzimas, explicadas en
el capítulo anterior, pero en el transporte, el sustrato es la molécula que se transporta en la situación de partida y el producto es la misma molécula al otro lado
de la membrana. Las proteínas transportadoras disminuyen la energía de activación necesaria para que se produzca el transporte de un soluto polar o iónico
porque proporcionan una ruta alternativa en la que las interacciones creadas con
el transportador son favorables, a diferencia de las interacciones con los fosfolípidos de la bicapa.
En el caso de las proteínas transportadoras se pueden estudiar los parámetros
cinéticos de la misma forma que se hace en las reacciones enzimáticas. Se define
una constante análoga a la Km que se denomina~ que representa la concentración de sustrato a la que el transportador está semisaturado. El transportador
alcanza un estado de saturación a elevadas concentraciones de soluto (Fig. 9-13)
Y puede verse afectado por la presencia de inhibidores.
El transporte de moléculas puede realizarse
por transporte pasivo o activo
El paso de una sustancia sin carga a un lado u otro de la membrana depende de
las concentraciones relativas a las que se encuentre a ambos lados (gradiente
O se pueden estudiar los parámetros cinéticos de los transportadores
tipo carrier.
<lJ
15
~
e
~
+-'
<lJ
'O
-g'hV
"'0
max ----
·¡:;
o
a:;
~
K,
[S] transportado
Figura 9-13. Cinética del transporte por
difusión simple facilitada por un carrier.
En la difusión simple (línea azul) la velocidad
aumenta al hacerlo la concentración de soluto sin que exista saturación. Los transportadores tipo carrier proporcionan curvas semejantes a las obtenidas en la cinética enzimática donde se observa el efecto . de la
saturación (línea rosa).
168
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA-Y LAS FUNCIONES CELULARES
(a)
Figura 9-14. Fuerzas que determinan el
transporte de solutos a través de las
membranas. (a) En una molécula sin carga,
la fuerza conductora es el gradiente de concentración. (b) En una molécula con carga,
el sentido viene marcado por el gradiente
electroquímico. Tanto la fuerza del gradiente
de concentración (flecha verde) como el potencial eléctrico (flecha azul) conducen al
catión al interior de la célula. (e) En este
caso el gradiente de concentración favorece
la entrada pero el potencial eléctrico actúa
en el sentido contrario.
O El transporte a favor de gradiente se denomina pasivo, y el que ocurre en contra de gradiente se llama
activo.
(e)
(b)
+++
+++
o
o
o
o
químico) (Fig. 9-14a). En el caso de una sustancia con carga, el paso viene determinado por la suma del efecto del gradiente químico y de la diferencia de
potencial eléctrico a ambos lados de la membrana (gradiente electroquímico)
(Fig. 9-14b y e).
Cuando las moléculas pasan a favor de gradiente, el desplazamiento se considera pasivo porque no requiere un aporte energético extra. Los canales y algunas
proteínas tipo carrier facilitan procesos de transporte de este tipo . Pero cuando
el transporte se realiza en contra de gradiente, es necesario un aporte energético
y el proceso se denomina transporte activo. Este tipo de transporte sólo se da
mediante proteínas tipo carrier especializadas.
El transporte activo es necesario para mantener la composición iónica intracelular característica y esencial para que la célula realice sus funciones (Tabla
9-1). La fuente de energía utilizada por las proteínas tipo carrier puede ser primaria, como en el caso de los transportadores que usan ATP o luz, o secundaria
cuando el transportador acopla la reacción no favorable (en contra de gradiente)
con una reacción espontánea (a favor de gradiente). Para que exista esa reacción
favorable que se utiliza como fuente de energía, se ha tenido que dar un proceso
de transporte activo primario previo y, por este motivo, se denomina transporte
activo secundario (Fig. 9-15). En la célula eucariota, el Na+ y el H+ son los principales solutos que se utilizan para el transporte activo secundario. En este tipo
de reacciones acopladas, dependiendo del sentido en el que se desplacen los solutos, se pueden diferenciar dos tipos de transporte: el llamado simporte, cuando los dos solutos se transportan en el mismo sentido; y el antiporte, cuando lo
hacen en sentidos opuestos (Fig. 9-16).
Tabla 9-1. Concentraciones de iones en la célula
Iones
Concentración intracelular
(mM)
Concentración extracelular
(mM)
Na•
5-15
145
K+
140
5
Mg'•
0,5
1-2
Ca'•
10-4
1-2
w
7 · 1o-s (pH 7,2)
4 · 1o-s (pH 7,4)
o-
5-15
110
\
CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
•••
•
wn"'wn"'w~~~
169
Tipos de cotransporte J
•
\ 1
~w~~~
IUülllüll!WIIIWllt!ILILWliU!.IlllülllüliWIIW
•••
Transporte activo primario
1\
Transporte activo secundario
si m porte
J
Figura 9-15. Transporte activo primario y secundario. En el transporte activo primario la energía proviene de la hidrólisis del ATP y en el secundario proviene del gradiente de concentración
que se ha generado con el transporte primario.
antiporte
Figura 9-16. Tipos de cotransporte. En el
simporte los dos solutos de transportan en
el mismo sentido y en el antiporte en sentidos opuestos.
El transporte pasivo lo facilitan las proteínas
transportadoras y los canales
Un ejemplo de transporte pasivo facilitado por carrier:
el transportador de glucosa de los hepatocitos
Los hepatocitos tienen en sus membranas receptores pasivos específicos para
o-glucosa en los que su paso se realiza a favor de gradiente de concentración.
Como solo se transporta un soluto, este tipo de transportador se denomina tipo
uniporte. Después de la ingestión de alimento, cuando los niveles de glucosa en
sangre aumentan, el transportador introduce la glucosa al interior de la célula
donde puede utilizarse como fuente de energía o almacenarse en forma de glucógeno (véase capítulo 12). En situación de ayuno, la hormona glucagón estimula la hidrólisis del glucógeno, por lo que aumenta la concentración de glucosa en el interior de la célula. Este aumento hace que el transportador actúe a favor de gradiente sacando la glucosa al exterior. Por tanto, el flujo de glucosa se
da en ambas direcciones dependiendo de las necesidades del organismo gracias a
un transportador pasivo, sin necesidad de gasto energético.
c:fEn
los hepatocitos la glucosa se
transporta gracias a un transportador
pasivo uniporte.
c:flos canales iónicos oscilan de
forma aleatoria entre el estado
abierto y cerrado.
Los canales iónicos como transportadores pasivos
En los canales iónicos, el sentido del transporte viene determinado por el gradiente electroquímico, y su selectividad depende del diámetro del poro y de la naturaleza de los aminoácidos que lo forman. En un canal para el transporte de cationes
los aminoácidos que quedan expuestos al poro tendrán densidad de carga negativa para facilitar su interacción con las sustancias que transporta (Fig. 9-l?a) .
El mecanismo de transporte de las proteínas tipo canal es diferente al de los
transportadores tipo carrier. Los canales oscilan de forma aleatoria entre su estado abierto y cerrado (Fig. 9-l?h) , pero se ven afectados por diferentes estímulos
que hacen que se mantengan abiertos más tiempo. La naturaleza de estos estímulos permite realizar una clasificación de los canales en:
(a)
(b)
• Canales regulados por voltaje, que responden a cambios en el potencial de
membrana
• Canales regulados por ligando, que responden a la presencia de una molé- ~
cula o ligando
Cerrado
Abierto
lnactivado
• Canales regulados por estrés, que responden a estímulos mecánicos
'-----------------'
El transporte activo de solutos requiere un aporte de energía
las células animales bombean Na+ al exterior gracias
a la bomba de sodio-potasio
La bomba de sodio-potasio es uno de los transportadores activos primarios más
conocidos. Se trata de una proteína tipo carrier formada por dos subunidades: a
Figura 9-17. Estructura de los canales iónicos. El interior de los canales debe tener
la naturaleza necesaria para permitir la interacción con la sustancia transportada. (a) En
este caso un catión de Na+ interacciona con
átomos con densidad de carga negativa.
(b) Se muestra las respuestas de un canal a
diferentes señales.
170
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS ·FUNCIONES CELULARES
y 13 que se asocian formando un tetrámero (a 2 ¡32 ). Su función es el transporte, en
contra de gradiente electroquímico, de Na+ al exterior celular y de K+ al citoplasma, que ocurre gracias a la energía que aporta la hidrólisis de ATP. Por cada
· molécula de ATP hidrolizada se transportan 3 Na+ al exterior y se introducen 2
~. Es la propia proteína transportadora la que posee también actividad como
enzima ya que cataliza la hidrólisis del ATP (ATPasa) .
El transporte de estos cationes sigue la siguiente secuencia (Fig. 9-18):
l. En la conformación abierta hacia el interior se produce la fijación de los
c !La bomba de sodio-potasio genera una elevada concentración extracelular de Na+ y una elevada concentración de K+ en el citoplasma.
cationes Na+ en un lugar específico.
2. La unión de estos cationes desencadena la actividad ATPasa, con lo que el
ATP se hidroliza en ADP y un grupo fosfato que se une al transportador.
3. La unión del grupo fosfato produce un cambio de conformación en la
proteína transportadora que hace que el Na+ quede expuesto al lado extracelular. El cambio de conformación también produce una disminución
de afinidad del transportador por el Na+ que es liberado en el exterior de
la célula.
4. En esta conformación, el lugar de fijación del ~ queda expuesto hacia el
lado extracelular. El K+ se une y desencadena la eliminación del grupo
fosfato.
S. La desfosforilación provoca una vuelta a la conformación inicial del
transportador
6. Se produce la liberación del K+ al citosol, y queda de nuevo expuesto el
sitio de unión del Na+ en la cara citosólica.
La acción de esta bomba, presente en las células animales, hace que la concentración de Na+ sea muy elevada en el exterior, tal y como se mostraba en la
tabla 9-1 (Recuadro 9-1).
El gradiente de Na+ como fuente de energía secundaria
Este gradiente de Na+ creado por la actividad de la bomba de sodio-potasio es
utilizado por algunas bombas de transporte activo secundario en las que se acopla
la reacción favorable de entrada del Na+ al interior de la célula con la entrada de
Fluido extracelular
Citoplasma
Figura 9-18. Etapas de actuación de La
bomba de sodio-potasio. Los diferentes
pasos se describen detalladamente en el
texto.
CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE
171
Recuadro 9-1. la ouabaína puede estimular el músculo cardíaco
La ouabaina (que significa "veneno de flecha" en somalí) es un glucósido que se une a la parte externa de la proteína transportadora de la
bomba de sodio-potasio. en el lugar de fijación del K•, impidiendo los cambios de conformación necesarios para que se produzca el transporte.
El bloqueo de la bomba produce un aumento del Na• intracelular, y para recuperar el equilibrio la célula expulsa Na• utilizando la bomba de
sodio-calcio, que transporta el Na• al exterior e introduce Ca 2• (mediante un sistema antiporte). A dosis adecuadas de ouabaína, este aumento
de la concentración de Ca 2• intracelular estimula la contracción muscular.
otro soluto en contra de su gradiente (reacción desfavorable). Un ejemplo de este
tipo de transportadores se encuentra en la zona apical de los enterocitos del epitelio intestinal. Estos transportadores introducen la glucosa en la célula en contra
de gradiente gracias al transporte en el mismo sentido de los cationes de Na+ (Recuadro 9-2).
Recuadro 9-2. El tráfico de glucosa en las células epiteliales del intestino
Las células epiteliales del intestino sirven de ejemplo para ver cómo una combinación específica de transportadores tipo carrier mantiene reguladas las necesidades celulares de un determinado soluto, la glucosa, en diferentes situaciones del organismo. Estas células se encargan de captar glucosa de la luz intestinal y lo hacen mediante un sistema de cotransporte activo secundario unidireccional, tipo simporte, situado en la
zona apical de la célula. Esta proteína introduce glucosa en la célula desde la luz intestinal. aunque la concentración en ésta sea menor que en
el interior celular (por ejemplo, después de una comida con escasa glucosa). gracias a la fuerza impulsora del Na• (a favor de gradiente), que
arrastra a la glucosa al interior de la célula. De esta manera se mantienen de forma continua elevados niveles de glucosa intracelulares que
permiten que sea distribuida a otros tipos celulares a través de la sangre. La glucosa abandona la célula gracias a la presencia de transportadores pasivos en la zona basal de la célula que actúan a favor de gradiente.
Cualquier proceso que colapse la bomba de Na•/K+ repercutirá en la regulación de la concentración de Na•. y por lo tanto, en la captación de
glucosa en las células intestinales. De ahí que la bomba Na•/K+ se considere un transporte primario y el simporte Glucosa/Na+ se denomina secundario.
El potencial de membrana se genera por el flujo
de iones a través de la membrana
Las membranas plasmáticas presentan un potencial de membrana que surge
como consecuencia de la distribución de los iones en el medio extracelular e intracelular y que se genera por la actuación de los diferentes transportadores presentes en la membrana.
Como se ha descrito, la acción de la bomba de sodio-potasio hace que la
concentración intracelular de K+ sea muy elevada por lo que este catión tiende a
salir de la célula a favor de 9radiente. Además, en la membrana plasmática existen numerosos canales de K, denominados canales de fuga de K que, en condiciones de reposo, permanecen abiertos más tiempo que otros canales iónicos.
Esto hace que los cationes K+ salgan de la célula _a favor de gradiente y se genere
un déficit de carga positiva en el interior celular (Fig. 9-19). La fuga de K+ se
detendrá cuando la fuerza del gradiente químico se iguale con la fuerza contraria
creada por el potencial eléctrico negativo que se crea en el interior celular. Esto
ocurre a un valor de potencial de membrana que oscila entre -20 y -200 milivoltios (mV).
(a)
+
+
+
+
+
+
-
(b)
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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-
+
+
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+
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+
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- + -
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+
+
+
+ +
+ +
+ -
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Figura 9-19. Potencial de membrana.
(a) Membrana en reposo . (b) El potencial se
genera por la salida de los K+ por los canales
de fuga , lo que crea una descompensación
de cargas que genera un potencial de membrana negativo en el interior celular.
--172
SECCIÓN 11 . LA ENE_RGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
0
o-L~s
receptores de membrana
son proteínas que se unen a un ligando específico. Esta unión inicia
una respuesta celular.
RECEPTORES DE MEMBRANA
Las células poseen un gran número de proteínas de membrana que actúan como
receptores y que responden ante diferentes estímulos con el inicio de una respuesta celular específica. Los receptores pueden estar en la membrana plasmática o en membranas intracelulares. Las moléculas que desencadenan el estímulo
se denominan ligandos y- pueden ser generadas en la misma célula y actuar en
una membrana de la misma c;élula, o pueden ser generadas por células diferentes. Si los ligandos son moléculas cargadas o de gran tamaño (algunos péptidos)
solo pueden actuar sobre la membrana plasmática, ya que no pueden atravesarla. Sin embargo, moléculas apolares como los esteroides pueden pasar por difusión simple.
La unión del ligando al receptor es muy específica y se puede comparar con
la unión de una enzima a un sustrato, aunque en este caso el ligando no sufre
modificaciones químicas. A medida que aumenta o disminuye la concentración
del ligando en el medio, se produce una asociación o disociación al receptor.
Los receptores de membrana son diferentes en distintos tipos celulares, por
lo que un mismo ligando tiene diferente efecto en tejidos distintos . Un ejemplo
de esta situación es el efecto de la insulina, que activa el metabolismo de la glucosa en el músculo y en el h ígado pero no en otros tejidos .
La función de los receptores se verá con más detalle en el capítulo 10.
CONCEPTOS CLAVE
Las membranas biológicas son estructuras de gran importancia para las células que permiten crear compartimentos
independientes al mismo tiempo que facilitan el intercambio selectivo de sustancias.
o La existencia de receptores de membrana permite la generación de respuestas celulares ante determinados estímulos.
o Los principales constituyentes de las membranas biológicas son los fosfolípidos y las proteínas.
o Los fosfolípidos son molécula antipáticas con dos cadenas apelares que se disponen formando bicapas o liposomas
cuando se encuentran en un entorno acuoso.
o El modelo actual de membrana biológica es el de mosaico fluido: en la bicapa lipídica se integran las proteínas que
pueden establecer un mayor o menor grado de interacción con los fosfolípidos.
o Las moléculas se pueden desplazar lateralmente en la bicapa, pero los movimientos de una capa a otra son menos
frecuentes y necesitan la acción de enzimas específicas denominadas flipasas.
o La fluidez de la membrana está condicionada por varios factores: temperatura, longitud de las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos y presencia de insaturaciones. En las células animales también está condicionada por la
presencia de colesterol.
o La presencia de Ca 2+ reduce la fluidez de las membranas.
o La bicapa de lípidos es asimétrica y presenta diferente composición en el lado externo e interno.
o Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica y las periféricas se mantienen unidas de forma más débil a la
zona externa o interna de la membrana.
o Existen oligosacáridos en el lado externo de la membrana plasmática que pueden actuar como receptores o tener
funciones de reconocimiento y adhesión celular.
o La membrana plasmática es permeable a sustancias apelares y polares pequeñas, y necesita proteínas transportadoras para el paso de moléculas polares grandes y sustancias con carga.
o Los canales iónicos son estructuras proteicas que permiten el paso selectivo de iones según su tamaño y su carga.
o Las proteínas tipo carrier se unen de forma específica a la sustancia que transportan y sufren cambios conformacionales que facilitan el paso de un lado a otro de la membrana.
o Los parámetros cinéticos de los transportadores tipo
gue la cinética de Michaelis-Menten.
1
carrier son análogos a los de una reacción enzimática que si-
CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y. TRANSPORTE
173
o
El paso de una sustancia sin carga a un lado u otro de la membrana depende de las concentraciones relativas a las
que se encuentre a ambos lados (gradiente químico).
o
En el caso de una sustancia con carga, el paso viene determinado por la suma del efecto del gradiente químico y
de la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana (gradiente electroquímico).
o
El transporte a favor de gradiente se denomina pasivo, y el que ocurre en contra de gradiente se llama activo.
o La fuente de energía utilizada por las proteínas tipo carrier puede ser primaria, como en el caso de los transportadores que usan ATP o luz, o secundaria cuando el transportador acopla la reacción no favorable (en contra de
gradiente) con una reacción espontánea (a favor de gradiente).
0
o
Las membranas plasmáticas presentan un potencial de membrana que surge como consecuencia de la distribución
de los iones en el medio extracelular e intracelular y que se genera por la actuación de los diferentes transportadores presentes en la membrana.
o
Las células poseen un gran número de proteínas de membrana que actúan como receptores que responden ante
diferentes estímulos con el inicio de una respuesta celular específica.
EJERCICIOS
Se han analizado los parámetros cinéticos del transportador de glucosa de los eritrocitos para diferentes sustratos y se han obtenido los
siguientes datos:
K, = 1,5 mM para la o-glucosa
K, = 20 mM para la o-manosa
K, = 30 mM para la o-galactosa
Teniendo en cuenta que la concentración habitual de glucosa en sangre es 5 mM , explique el significado de los parámetros cinéticos
obtenidos.
SOLUCIÓN
Los valores de K, para los dos epímeros de la o-glucosa son mucho mayores, lo que indica que el transportador de glucosa muestra una elevada
especificidad por su sustrato, ya que un valor mucho mayor de K, refleja una afinidad mucho menor de este transportador por la manosa y la
galactosa. Para transportar la galactosa y la manosa a la misma velocidad que la glucosa, se requiere una concentración de soluto mucho mayor
(20 ó 30 mM en lugar de 5 mM).
liD Indíquese
algún mecanismo mediante el cual los organismos
procariotas puedan regular la fluidez de su membrana.
DI Indíquese cómo sería la secuencia de aminoácidos de una proteín a transmembrana que atraviesa la membrana c;_on una estructu ra secundaria de a hélice.
DI Una proteína de membrana interacciona con las cabeza s polares
de los gangliósidos. ¿Podría esa misma proteína interaccionar
con la fosfatidiletanolamina ?
~ Indíquese cómo se orienta una proteína transmembrana que se
encuentra N-glucosilada, atraviesa una sola vez la memb rana y
sólo presenta un residuo de Asn en su extremo e-terminal.
0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
111111 Si el paso de una sustancia desde el exterior al interior celular
una I'>.G de -24 kj/ mol.
La sustancia entrará en la célula de forma espontánea.
La su stancia saldrá de la célula de forma espontánea.
La sustancia solo podrá entrar espontáneamente si se
aporta energía.
d) El paso de una sustanci a a través de una membrana es independiente de la variación de energía libre.
tiene
a)
b)
e)
liD Un ión con carga positiva:
a) Podrá pasar a través de la membrana por difusión simple.
b) Podrá atravesar la membrana facilitado por una proteína
transportadora.
e) Al tener naturaleza polar con carga atravesará libremente
la membrana.
d) Todas las opciones son falsas.
DJI Una proteína transmemb ranal:
a) Es una proteína integral de membrana.
b) Tiene al menos una parte hidrofóbica Y. dos partes polares.
1i
e) Se pueden sEtparar de la membrana desestabilizando las
interacciones hidrofóbicas.
d) Todas las opciones son ciertas.
DI Los fosfoglicéridos:
Forman micelas de forma espontánea al poseer un a sola
cola hidrofóbica.
b) Forman liposomas debido a las dos colas hidrofóbicas y la
cabeza polar.
.
e) Son molécula s hidrofóbicas y no pueden formar bicapas.
d) Son moléculas polares que pueden estar libremente en el
citoplasma.
a)
174
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
.O Una membrana rica en ácidos grasos insaturados:
a) Será más rígida que una membrana con ácidos grasos saturados.
b) Será más fluida que una membrana con ácidos grasos saturados.
e) Será más rígida cuanto mayor sea la temperatura a la que
se en·cuentre dicha membrana.
d) La fluidez de la membrana es independiente de la naturaleza de los ácidos grasos.
II!D El colesterol:
Es un componente básico de la membrana de las células
animales.
b) Es una molécula antipática.
e) Regula la fluidez de la membrana al intercalarse entre los
espacios que dejan las colas de los fosfoglicéridos.
d) Todas las opciones son ciertas.
a)
liD Una
proteína tipo carrier presenta un valor K, = S mM para un
soluto A y un valor de 15 mM para un soluto B:
a) Para una concentración de 1O mM, A entra más deprisa
·
que B.
b) Para una concentración de 1O mM, B entra más deprisa
que A.
e) A y B entran a la misma veloCidad .
d) Los valores de K, representan la espontaneidad del sistema
de transporte .
1111 En las células de la mucosa intestinal:
a) La glucosa entra por difusión simple desde la luz del intestino.
b) La glucosa entra desde la luz del intestino por un sistema
simporte facilitado por la entrada de Na•.
e) La glucosa entra desde la luz del intestino facilitado por
un canal Na•.
d) La glucosa sale del intestino a la sangre por un sistema de
transporte activo.
llill El potencial de membrana se genera:
Por la diferente distribución de los iones a ambos lados de
la membrana, gracias a la acción de los diferentes proteínas transportadoras.
b) Por la gran cantidad de cargas negativas de las proteínas
en la cara citosólica.
e) De forma espontánea, sin necesidad de energía.
d) De forma independiente a la bomba de Na+/K+, ya que
cuando se inhibe la bomba, el potencial se mantiene inalterado.
a)
mJI Un receptor insertado en una membrana:
a) Si está glucosilado, el azúcar se orientará en la cara citosólica.
b) . Si está glucosilado, el azúcar se orientará en la cara extracelular.
e) Se unirá a una señal externa por la porción transmembranal.
d) Une cualquier ligando de forma inespecífica.
.·
\
SEÑALIZACIÓN CELULAR
o
CONTENIDOS
o
o
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Comprender los principios fundamentales en los que se basa la comu-
Introducción
nicación entre células.
Conceptos básicos de
señalización celular
o Sistemas de transducción
o
o
Conocer la diversidad de sistemas de señalización celular.
o
Entender el importante papel que juega la señalizacíón celular para el
funcionamiento correcto y coordinado de todo el organismo.
de señales
o
o
Rutas de señalización
Integración de señales
·
Familiarizarse con la enorme variedad de respuestas celulares que
pueden desencadenarse tras la llegada de una molécula señal o ligando y cómo las células pueden ejecutar estas respuestas.
r
Todo organismo vivo debe ser capaz de reconoce r el ambiente
que le rodea y detectar los cambios que se producen para así
responder de una forma adecuada. Los capítulos previos (Capítulos S, 8 y 9) habrán proporcionado los conocimientos necesarios para comprender los mecanismos moleculares que va a experimentar la célula diana al recibir una señal desde el exterior.
En los organismos pluricelulares, la información debe ser transmitida al resto de las células que forman el organismo, por lo
que se hacen necesarios distintos sistemas de comunicación o
señalización celular. Por otro lado, estos sistemas de señalización también han sido adaptados para coordinar en el espacio y
en el tiempo la proliferación celular, la diferenciación y la organización de las células resultantes en tejidos y órganos. En definitiva, son imprescindibles para el 5=orrecto funcionamiento de
todo el organismo.
~,.
~
El conocimiento en los distintos mecanismos de señalización
celular es fundamental para entender los sistemas de control .
del metabolismo y la regulación de la expresión génica que sé'
describirán en las siguientes secciones, dando las claves necesarias para comprender la biología de los organismos vivos, así
como las alteraciones que se producen en distintas situaciones
patológicas.
176
SÉCCIÓN 11. LA ENERGÍA
v· LAS FUNCIONES CELULARES
0
O los receptores de se ñales son
proteínas, generalmente integra les
de membrana, que se unen específicamente a moléculas señales y desencadenan la respuesta celular.
O cada tipo celular responde de
una forma concreta a una determinad a señal. La respuesta celular depende rá del conjunto de proteínas
que exprese dicha célu la. Hay respuestas celula res generales a todos
los tipos celulares (proliferación, dife renciación, supervivencia) y otras
específicas que dependerán de la
fun ción que desempeña cada tipo
celular.
INTRODUCCIÓN
Hace ·3,5 millones de años ya existía la vida en la Tierra como formas unicelulares bastante parecidas a las células p rocariotas que existen actualmente. Estos
microorganismos tuvieron que desarrollar complejos sistemas que les permitieran comprobar y reconocer los cam bios que se producían en su entorno (cambios tales como variaciones de temperatura y pH, presencia de nutrientes o presencia de otros microorganismos) y así responder de una manera adecuada a estos cambios.
Varios millones de años después surgieron los organismos pluricelulares,
que contienen distintos tipos celulares originados a partir de divisiones sucesivas de una única célula. Cada tipo celular se especializó en una función concreta aportando ciertas ventajas evolutivas a los organismos pluricelulares . Para
conseguir esta organización tuvieron que aparecer sistemas que mantuvieran
unid as a las células y, por supuesto, sistemas que permitieran una comunicación entre las diferentes células, para que éstas trabajaran de manera coordinada
consiguiendo un funcionamiento correcto de todo el organismo. Los mismos
mecanismos que empleaban las células para reconocer el ambiente exterior fueron adaptados para la comunicación celular. Estos mecanismos se basan en
proteínas de la membrana plasmática, conocidas como receptores de membrana, que se unen específicamente a moléculas del exterior. Una vez que se produce esta unión, el receptor va a influir en la actividad de distintas proteínas
intracelulares desencadenando la respuesta celular. Este proceso se conoce
como transducción de la señal.
Pero-, ¿cómo llevan a cabo las proteínas la respuesta celular ordenada por la
señal? La llegada de la señal va a tener como consecuencia la activación/inhibición de un amplio conjunto de enzimas. Muchas de estas enzimas son reguladas
por cambios estructurales inducidos por la unión de alguna molécula (unión del
2
ligando a su receptor, unión de Ca + a diversas enzimas, etc.) y otras son reguladas por modificaciones reversibles, como la unión covalente de un fosfato en
algún aminoácido de su secuencia. Por ejemplo, los linfocitos B responden al
reconocimiento de ciertos antígenos (molécula externa que dispara o desencadena la respuesta inmune) sintetizan do grandes cantidades de anticuerpos. Cuando el receptor de membrana de la célula B se une al antígeno, se inicia la activación secuencial de distintas proteínas implicadas en disparar los mecanismos de
síntesis de proteínas. Debe producirse la activació'n de factores de transcripción,
es -decir, proteínas que se unen específicamente a secuencias reguladoras del
DNA e inician la síntesis de RNA mensajeros (transcripción). Dicho RNA
mensajero transporta, hasta el ribosoma, la información necesaria para sintetizar
un tipo de anticuerpo en concreto, aquel capaz de unirse al antígeno detectado
y neutralizarlo.
Existen innumerables ejemplos de posibles respuestas celulares. Cada tipo
celular está especializado en una función, por lo que posee respuestas celulares
específicas, como puede ser la secreción de anticuerpos por los linfocitos B, la
secreción de hormonas por distintas glándulas, la contracción muscular, la
transmisión del impulso nervioso a través de las neuronas, la absorción de nutrien tes por las células epiteliales que recubren la pared del intestino, y así un
largo etcétera. Pero se diferencian cuatro tipos de respuestas gen erales en cualq uier tip o celular:
• Proliferación: Los factores d e crecimiento son señales extracelulares (presentes en el suero sanguíneo) que disparan la progresión del ciclo celular,
es decir, duplicación del DNA y entrada en mitosis.
• Diferenciación: Cada tipo celular presenta unas estructuras y una morfología características y especializadas en una función concreta. Puesto que
toda célula de un organismo se ha originado a partir de divisiones sucesivas
de una única célula, debe sufrir distintos cambios morfológicos que le perm itan llevar a cabo su función. Este proceso se conoce como diferenciación, e implica la síntesis de proteínas que van a constituir las diferentes
estructuras celulares, como p uede ser el axón de un a neuron a, la~ fibras
contráctiles en un célula muscular o los distintos transp ortadores de membrana que presenta una célula del epitelio intestinal.
... ,, - . .
CAPjTULO 10. SEÑALIZACIÓN, CEL_ULAR
• Supervivencia: Se ha comprobado mediante ensayos con células en cultivo.
que la ausencia de factores de creCimiento provoca que la célula entre én
apoptosis (muerte celular programada). Parece ser que toda célula está programada para morir si no recibe señales que le indiquen lo contrario. Así,
los factores de crecimiento regulan tanto la supervivencia como la proliferación celular, representando un complicado mecanismo por el cual el organismo controla el número y tipo de células que lo forman.
• Apoptosis: En ausencia de factores de crecimient0, o ante la llegada de
otras señales, la célula puede iniciar una serie de mecanismos que van a
llevar a su muerte, como son la ruptura del DNA y la degradación de todos los componentes celulares. A diferencia de la necrosis, en la que lacélula muere de forma accidental liberando su contenido celular al exterior,
el cual puede provocar ciertas lesiones y disparar la respuesta inflamatoria,
la apoptosis es una muerte programada y limpia: todos los componentes
celulares acaban encerrados en -vesículas que son eficientemente eliminadas
por los fagocitos. La apoptosis es otro mecanismo imprescindible para controlar el número celular y juega un papel crucial durante el desarrollo del
organismo.
177
•'
En este capítulo se describirán los mecanismos básicos de señalización celular
y el importante papel que juega en multitud de procesos fisiopatológicos, terminando con distintos ejemplos de las rutas de señalización ·mejor caracterizadas.
0
CONCEPTOS BÁSICOS DE SEÑALIZACIÓN CELULAR
Las células emisoras secretan moléculas señal
T odos los mecanismos de señalización comparten un esquema general de funcionamiento: la célula emisora secreta una señal química al exterior celular; esta
señal o ligando puede recorrer una distancia más o menos larga hasta que encuentra una célula receptora o célula diana; entonces se unirá específicamente a
su receptor de membrana iniciando una respuesta celular concreta (Fig. 10-1).
El mecanismo por el cual el receptor transforma una señal extracelular en una
n ueva señal ·intracelular se conoce como transducción de señales.
La mayoría de las señales químicas son de naturaleza polar, por lo que no
p ueden atravesar la membrana celular (señales extracelulares), aunque hay cierto
n úmero de señales hidrofóbicas capaces de introducirse en la célula y allí activar
a su receptor especifico (señales intracelulares) . El oxido nítrico (NO) es un
ej emplo de señal liposoluble que d ifunde desde el interior de la célula que lo
p roduce hasta las células vecinas. No recorre mucha distancia ya que rápida-
c:flas señales pueden ser de muy
distinta naturaleza: señales químicas
extracelulares e intracelulares como
iones, aminoácidos, azucares, lípidos,
nucleótidos, péptidos, hormonas, así
como señales físicas tales como la
luz o tensiones. En todos los casos
una proteína receptora se encarga
de la transducción de la señal.
(a)
Célula emisora
(b)
.,.,..
/
Receptor de
membrana
Transducción
de la señal
Receptor de
membrana
Célula receptora
o célula diana
Molécula
señal o
ligando
............
'
División
Diferenciación
Migración
Supervivencia
-
Figura 10-1. Esquema básico de señalización celular. (a) La célula emisora secreta al
exterior celular moléculas señal que viajarán
por el espacio extracelular o por el torrente
sanguíneo hasta alcanzar una célula diana.
(b) La molécula señal se une específicamente a un receptor de membrana, proteína que
en el interior de la célula va a desencadenar
la respuesta celular al regular la actividad de '
muchas otras proteínas.
17.8
SECCIÓN 11. ~ ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
O En la mayoría de los casos los
receptores nucleares funcionan
como factores de transcripción que
se unen al DNA regulando la expresión de distintos genes celulares y de
esta forma la célula sintetiza las proteínas necesarias para la respuesta
celular.
mente reacciona con el agua y el oxígeno del exterior celular. Las células endoteliales que forman las paredes de los vasos sanguíneos son capaces de generar NO
en respuesta a la llegada de un impulso nervioso . El gas difunde alcanzando a las
células de músculo liso que rodean las paredes del vaso y consigue disminuir la
presión sanguínea al provocar la relajación en estas células. Por eso distintos tratamientos frente a enfermedades cardiovasculares implican el uso de nitratos
que van a generar NO en el organismo y así inducen una vasodilatación y una
disminución de la presión sanguínea. Otro ejemplo de señales liposolubles son
algunas hormonas que van a introducirse en el núcleo celular donde encontrarán a su receptor. El receptor nuclear es, a su vez, un factor de trancripción capaz de regular la expresión de distintos genes una vez que se ha unido a su ligando. De esta forma se sintetizan los RNA mensajeros y a partir de éstos las proteínas específicas necesarias para ejecutar la respuesta celular.
La naturaleza de las señales extracelulares es muy diversa. Se pueden encontrar desde iones, aminoácidos, azucares, nucleótidos y principalmente péptidos
y hormonas (también de naturaleza peptídica pero de mayor tamaño) hasta señales físicas como pueden ser la luz o tensiones mecánicas.
las señales se pueden clasificar en función
de la distancia recorrida
En función de la distancia entre la célula emisora y la célula receptora se
puede clasificar la señalización como:
• Endocrina: La célula emisora es una célula secretora capaz de sintetizar
hormonas y liberarlas al torrente sanguíneo desde donde se distribuirán
por todo el organismo (Fig. 10-2a). Las hormonas son almacenadas en
(a)
....
(b)
Célula emisora
Figura 10-2. Tipos de señales entre células. (a) La señalización endocrina la llevan a
cabo células secretoras que constituyen las
glándulas. especializadas en sintetizar y secretar un tipo de hormona al torrente sanguíneo, desde donde se distribuirán por todos los tejidos. (b) A través de la señalización autocrina/ paracrina las células que
componen un tejido se pueden comunicar
para funcionar de forma coordinada. (e) En
la señalización neuronal, la señal (transmisión del impulso nervioso + neurotransmisores) recorre largas distancias en muy poco
tiempo. (d) En la señalización dependiente
de contacto, tanto la molécula señal como el
receptor se encuentran anclados en la membrana celular.
(e)
(d)
e- ~ -
\
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
vesículas secretoras hasta que la célula recibe la orden de secretadas; esta
orden puede venir dada en forma de impulso nervioso o por otros mecanismos. Un ejemplo de señalización endocrina lo encontramos en las células ~ del páncreas, que responden a concentraciones elevadas de glucosa en
sangre, producida tras la ingesta de alimentos. La entrada de glucosa en
estas células provoca la liberación de la insulina almacenada, que viajará .
hasta las células diana provocando distintas respuestas. En las células de '
hígado y músculo la respuesta a la insulina será bloquear las rutas de degradación de glucógeno y activar las rutas de síntesis para almacenar la
glucosa recién ingerida. Sin embargo, en el tejido adiposo se bloqueará la
lipolisis (degradación de triglicéridos para la obtención de energía). Cada
tipo celular va a actuar de una forma adecuada a la llegada de nutrientes
gracias a la señal de la insulina consiguiendo una respuesta coordinada de
todo el organismo.
• Paracrina: En este caso la célula emisora y las células receptoras se encuentran próximas (Fig. 10-2b). La señal viaja por el medio extracelular sin
llegar muy lejos, ya que queda atrapada en la matriz extracelular y rápidamente es secuestrada por los receptores de las células diana o degradada
por enzimas presentes en la matriz. En la mayoría de los casos la célula
emisora también presenta receptores en su membrana que reconocen a la
molécula secretada; en este caso la señalización es autocrina y la célula responde a las señales que ella misma envía. Este tipo de comunicación (paraerina y autocrina) juega un papel importante durante el desarrollo embrionario, consiguiendo que células idénticas y próximas en el espacio tomen
las mismas decisiones y lo hagan de manera coordinada.
• Neuronal: Tanto en la señalización endocrina como paracrina el tiempo
que tardan las señales en llegar a la célula diana puede ser demasiado largo. Los organismos pluricelulares han necesitado desarrollar un mecanismo de comunicación que recorra grandes· distancias rápidamente, para
poder coordinar los distintos sistemas celulares. Este proceso lo llevan a
cabo las neuronas, capaces de emitir largas prolongaciones de su membrana plasmática (dendritas y axón) y ponerse en ~ontacto con otras células
mediante la sinapsis neuronal. La transmisión del impulso nervioso puede
alcanzar velocidades de hasta 100 m/s. Cuando el impulso (señal eléctrica)
llega al terminal presinaptico provoca la liberación de neurotransmisores
(señal química) en la hendidura sináptica y estos alcanzan a la célula diana
(célula postsináptica) en cuestión de un nanosegundo (Fig. 10-2c). A diferencia de las hormonas y otras señales químicas que son efectivas a bajas
concentraciones [10-8 M] los neurotransmisores tienen muy baja afinidad
por su receptor; esto no es un problema ya que es fácil conseguir altas
concentraciones de neurotransmisor en la diminuta hendidura sináptica
[10-4 M] y de esta forma es más rápida la terminación de la señal, al eliminarse el neurotransmisor por mecanismos de degradación o recaptura (la
neurona presináptica endocita el exceso de neurotransmisor). La célula
diana puede ser otra neurona que va a transmitir un nuevo impulso nervioso en respuesta a la llegada del neurotransmisor. También podría tratarse de una célula muscular, que se va a contraer o relajar, o de una célula
secretora que responde liberando sus vesículas. De esta forma el sistema
nervioso se comunica con el resto del organismos para que lleve a cabo sus
órdenes.
• Dependiente de contacto: Otro tipo de señalización importante durante el
desarrollo y el mantenimiento de los tejidos es la señalización dependiente
de contacto. En este caso la molécula señal está de alguna manera anclada
a la membrana de la célula emisora (Fig. 10-2d). El mensaje que llega a las
células contiguas puede ser el de diferenciarse en otro tipo celular distinto
al de la célula emisora; de esta manera se consigue la diversidad celular que
suele encontrarse dentro de un mismo tejido. También las células del sistema inmune conectan mediante su receptor de membrana con moléculas
de la superficie celular de otras células del organismo. Esta es la base del
reconocimiento celular, a través del cual las células del sistema inmune diferencian entre células propias y células ajenas o invasoras. También son
capaces de reconocer si una célula ha sido infectada por un virus, ya que
179
o -Las células que componen un
organismo pluricelular están continuamente comunicándose entre sí, a
través de los distintos mecanismos
descritos, para conseguir un funcionamiento correcto y coordinado de
todos los sistemas y órganos.
180
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y -LAS FUNCIONES CELULARES
dicha célula presentará unas moléculas específicas en su membrana que así
se lo indicarán.
0
SISTEMAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES
Un sistema de transducción de señales se compone de una molécula señal o ligando, un receptor celular que se va unir específicamente a dicho ligando y un
conjunto de enzimas efectoras intracelulares que, en respuesta a la activación
del receptor, van a generar una nueva señal, pero en este caso la señal es intracelular y regulará distintas proteínas diana que son las encargadas de llevar a cabo
la respuesta celular.
Los receptores son proteínas de membrana que se encargan
de transmitir la señal al interior celular
O la transducción de la señal o
transformación de una señal extracelular en una señal intracelular, se
consigue mediante cambios conformacionales del receptor inducidos
por la unión con su agonista específico.
t JLos receptores acoplados a proteínas G participan en el sentido de
la visión. Las células de la retina presentan en su membrana receptores
acoplados a proteínas G que responden a la llegada de luz. Cuando la luz
incide en el receptor, éste sufre un
cambio conformacional que activa a
la proteína G asociada, iniciándose
una cascada de señales que culmina
con la transmisión del impulso nervioso desde la célula de la retina
hasta el cerebro.
Los receptores son proteínas que atraviesan la membrana plasmática. Su dominio extracelular está especializado en unirse a una molécula con gran afinidad y
de manera específica. Cada receptor reconoce a una sola molécula o a uQas pocas, por lo tanto en el genoma existen cientos de genes que codifican receptores
de membrana. Ligeras diferencias estructurales en los ligandos que se unen al
receptor pueden desencadenar efectos opuestos: los ligandos que al unirse activan al receptor reciben el nombre de agonistas, mientras que los que lo bloquean impidiendo responder a otras señales se llaman antagonistas.
La unión de un agonista a su receptor va a provocar ligeros cambios en su
estructura que se transmitirán hacia el dominio intracelular. En este sentido se
pueden encontrar tres tipos básicos de receptores de membrana que se diferencian en los mecanismos que utilizan para llevar a cabo la transducción de la señal, aunque en los tres casos el fin es regular la actividad de múltiples enzimas
efectoras, que llevarán a cabo la respuesta celular:
Receptores acoplados a proteínas G heterotriméricas (GPCRs). El cambio de
estructura que sufre el receptor activa su dominio intracelular con lo que adquiere la capacidad de unirse y activar a las proteínas G heterotriméricas (Fig.
10-3a). Todos los receptores de esta familia presentan una estructura común
con siete dominios atravesando la membrana, un dominio extracelular N-terminal y un dominio intracelular C-terminal. Las proteínas G están constituidas
por tres subunidades (a, 13 y y) que forman un trímero asociado a la cara citosólica de la membrana, mediante la unión covalente de ácidos grasos. La subunidad Ga tiene actividad GTPasa; esta enzima se mantiene inactiva mientras presenta GDP en su centro activo y se encuentra asociada al dímero ¡3y. Ante la
llegada del agonista y la activación del receptor, éste desencadena la' activación
de la proteína G al inducir la salida de GDP y la entrada de GTP. La entrada de
este nucleótido provoca un cambio de estructura que rompe el trímero y permite que la subunidad Ga por un lado y el dímero ¡3y por otro influyan en la actividad de distintas enzimas efectoras. Al tiempo, la subunidad Ga hidroliza el
GTP que se encuentra en su centro activo con lo que se inactiva y se vuelve a
asociar con el dímero ¡3y. Así, las proteínas con actividad GTPasa funcionan
como interruptores-moleculares, que están programados para apagarse al poco
rato de haberse encendido. Como se detallará más adelante, algunas de las enzimas efectoras que han sido activadas, se encargan de transformar un sustrato
abundante en la célula (lípidos, ATP ... ) en un producto que va a actuar como
un segundo mensaj~ro al regular nuevas actividades enzimáticas. Existen cientos
de receptores acoplados a· proteínas G que participan en procesos tan diversos
como la percepción sensitiva (vista, gusto y olfato), la liberación de ácidos gástricos en la digestión o el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios.
Receptores con actividad enzimática. En este caso el propio dominio intracelular del receptor tiene una actividad enzimática (Fig. 10-3b). La familia de\ receptores de este tipo más numerosa es la de los receptores con actividad tirosina
quinasa. Estas proteínas sólo presentan un dominio transmembrana que es inca-
CAPÍTUL0- 10. SEÑALI.ZACIÓÑ CELULAR
(a)
GDP
(b)
Respuesta celular
(e)
•
••••••
• ••
•• •••
•• •
••
.·
....
'\ .·: .·.
• •e•
Respuesta celular
Despolarización
•
\
Transmisión del
impulso nervioso
p az de transmitir cambios conformacionales desde el exterior hacia el interior tal
y como lo hacen los receptores acoplados a proteínas G. La estrategia adoptada
en este caso es distinta: la unión del ligando con el receptor provoca que éste
p ueda asociarse con otro receptor del mismo tipo. Ahora que los dos receptores
están próximos en el espacio, son capaces de fosforilarse uno al otro en sus dom inios citoplasmáticos y activarse completamente, proceso conocido como
transactivación. Los fosfatos añadidos al receptor áhora sirven de sitios de anclaje para otras proteínas implicadas en señalizacióñ. Estas proteínas presentan un
dominio común, llamado SH2, especializado en unirse a tirosinas fosforiladas.
M uchas de estas proteínas son quinasas que van a ser fosforiladas por el receptor
y, en consecuencia, activadas; ahora estas quinasas van. a regular a otras proteínas iniciando la respuesta celular. Otras, llamadas proteínas andamio, carecen
de actividad enzimática pero juegan un papel clave al servir de plataforma donde se van a unir simultáneamente varias proteínas señalizadoras. La ausencia de
estas proteínas andamio bloquea en gran medida ·la transmisión de la señal.
T ambién pueden reclutarse hacia el receptor a proteínas activadoras de GTPasas monoméricas. Las GTPasas monoméricas son similares a la subunidad Ga
de las proteínas G y también se encuentran asociadas a la membrana. Sólo cuando sus activadores se unen al receptor son capaces de aproximarse a ellas y llevar
a cabo su activación (salida del GDP del centro activo y entrada de GTP). La
m ayoría de receptores de factores de crecimiento tienen actividad tirosina quin asa. En las rutas de señales iniciadas por estos receptores se produce una activación en cadena de las quinasas de la familia MAPK. Entre otras funciones, estas
quinasas desencadena la entrada en mitosis al regular enzimas que controlan la
progresión del ciclo celular. Muchas células tumorales presentan alteraciones en
estas rutas de señales, lo que les permite continuar su-ciclo celular en ausencia
de factores de crecimiento, de ahí su capacidad proliferativa e invasiva.
181
Figura 10-3. Sistemas de transducción de
señales. (a) Receptores acoplados a proteínas G (GPCRs). Estos receptores tienen la capacidad de activar a las proteínas G heterotriméricas una vez que han reconocido a su
señal extracelular específica. Las proteínas G
están constituidas por tres subunidades (a, ~
y y). El receptor desencadena la activación
de la proteína G al inducir la salida de GDP y
la entrada de GTP en la subunidad Ga. La
entrada de este nucleótido provoca un cambio de estructura que rompe elt rímero -y
permite que la subunidad Ga por un lado y
el dímero ~y por otro influyan en la actividad de distintas enzimas efectoras. (b) Receptores con actividad tirosina quinasa. La
unión del ligando a su receptor favorece la
dimerización de éste con otro receptor. Una
vez que están próximos en el espacio, un receptor fosforita y activa al otro (transactivación). Ahora ·cada receptor puede fosforilar y
activar a distintas proteínas celulares,' o servir de punto de anclaje para proteínas que
solamente realizan su función cuando están
cerca de la membrana plasmática. (e) Receptores asociados con canales iónicos. En este
caso el receptor es un canal iónico o está
asociado a uno, de tal forma que la unión
del ligando con el receptor provoca la apertura del canal y el consiguiente movimiento
de iones. Si el canal deja pasar específicamente iones de Na+, tiene lugar la despolarización de la membrana, que dispara la transmisión del impulso nervioso. Otros iones
como el Ca 2+ entran en el citosol donde regularán a distintas proteínas que llevarán a
cabo la respuesta celular.
·
o
..-Q El mecanismo básico de transmisión de la señal, desde el exterior al
interior celular, se basa en cambios
conformacionales que sufre el receptor al unirse físicamente con la
señaL De esta forma el receptor pasa
de un estado inactivo a un estado
activo adquiriendo la capacidad de
influir en la actividad de proteínas
intracelulares.
--182
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Receptores asociados con canales iónicos. También conocidos como canales
iónicos regulados por unión a ligando. En este caso el mecanismo de transmisión de la señal es más sencillo, la unión del ligando provoca la apertura del canal y el consiguiente movimiento de iones (Fig. 10-3c). Las consecuencias de
ese proceso dependerán de la especificidad del canal (es decir, de los iones que
deja pasar) Y. del tipo celular. Por ejemplo, las neuronas presentan canales de
Na+ que responden a la unión del neurotransmisor acetilcolina; la entrada de
Na+ va a provocar una despolarización de la membrana que se propagará por
toda la neurona en forma de impulso nervioso. En cambio, la apertura de canales de
en respuesta a otro neurotransmisor, como el GABA, tiene el efecto
contrario al dificultar la despolarización de la membrana. A diferencia de los receptores acoplados a proteínas G y los receptores con actividad enzimática que
se pueden encontrar en todos los tipos celulares, los canales iónicos están menos
distribuidos, encontrándose principalmente en la membrana plasmática de neuronas y otras células con excitabilidad eléctrica como las fibras musculares .• En
cambio, en la membrana del retículo endoplásmico de todas las células podemos
encontrar canales de Ca2+ que se abren tras la unión · de distintos ligan dos. El
2
retículo endoplásmico es el principal almacen de Ca + celular, mientras que en el
citoplasma la concentración de este ión es muy baja. Tras la llegada de determi2
nadas señales se abren los canales de Ca + del retículo endoplásmico provocando
un rápido incremento en la concentración de Ca2+ citosólica, este Ca2+ se va a
unir a diversas enzimas regulando su actividad y desencadenando distintas respuestas celulares.
cr
c JLas proteínas implicadas en señalización celular se conocen como
interruptores moleculares ya que
pueden encontrarse en un estado
activo (ON) o inactivo (OFF) . El paso
de un estado a otro depende de la
unión de la proteína con pequeñas
moléculas, como segundos mensajeros (AMPc, Ca 2+, inositol-trifosfato) o
de la unión del agonista al receptor.
Otras veces la activación de las proteínas se regula por modificaciones
covalentes reversibles.
Recuadro 10-1. Transmisión de señales
Los mecanismos que utilizan las proteínas
efectoras para transmitir la señal pueden
basarse en:
• Interacciones directas entre proteínas;
éstas pueden ser activadoras, como la
asociación entre Gas y adenilato ciclasa, o inhibidoras, como la asociación
entre PKA y su subunidad reguladora.
• Generación de segundos mensajeros
por proteínas con actividad enzimática, como las adenilato ciclasas o las
fosfolipasas.
• Movimiento de iones que van a afectar a ia actividad de otras proteínas.
• Modificaciones covalentes reversibles
llevadas a cabo por proteínas con actividad enzimática, como las quinasas.
• Modificaciones irreversibles, como
cortes proteolíticos o degradación de
proteínas.
• Cambios en la localización subcelular,
como puede ser la exportación/importación de un factor de transcripción desde el núcleo al citosol.
Segundos mensajeros y proteínas efectoras llevan a cabo
las órdenes de la señal
Una vez que se ha producido la transducción de la señal desde el exterior celular
al interior, gracias a los mecanismos explicados en el anterior apartado, el siguiente paso es la activación secuencial de enzimas efectoras que se van a encargar de amplificar y divergir la señal. El receptor es capaz de activar varias enzimas efectoras que, a su vez, activarán a otras, y éstas a otras, de tal forma que en
cada paso de activación se incrementa el número de enzimas implicadas consiguiendo una rápida amplificación y la activación coordinada de distintas actividades enzimáticas, que finalmente son las ejecutoras de la respuesta celular.
En muchos casos, estas enzimas efectoras generan segundos mensajeros, pequeñas moléculas (AMPc, diacilglicerol, inositol-trifosfato), o provocan la entrada ·de iones como el Ca2+ capaces de moverse con libertad por el citoplasma y así
regular la actividad de varias proteínas encontradas en distintas localizaciones de
la célula, e incluso pasar a las células vecinas a través de uniones comunicantes.
En otros casos es la propia enzima efectora la que se traslada a una localización
subcelular concreta. Algunas guinasas de la familia MAPK, de las que se ha hablado anteriormente, sólo cuando son activadas son capaces de viaja{ al interior
del núcleo y allí iniciar los eventos que van a conducir a la progresión del ciclo
celular (Recuadro 10-1) .
A continuación se describirán los ejemplos más comunes de enzimas efectoras, pero antes es importante señalar que cualquier suceso de activación (por
ejemplo la entrada de GTP en las proteínas G o la fosforilación de quinasas) va
a tener su correspondiente mecanismo de inactivación (la hidrólisis del GTP o
la desfosforilación de las quinasas por enzimas fosfatasas) . Todas las proteínas
implicadas en señalización celular, incluidos los receptores, van a presentar dos
posibles estados, ON y OFF, por lo que muchas veces reciben el nombre de interruptores moleculares (Fig. 10-4). Una vez que el ligando se ha unido al receptor y se han iniciado los distintos mecanismos de activación de una vía de
señalización, paralelamente se van a iniciar los mecanismos de inactivación, permitiendo la terminación de la señal y que cada componente de la vía vuelva a su
estado original y esté preparado ante la posible llegada de una nueva señal.
Se encuentran ampliamente distribuidas por todos los tipos celulares las siguientes enzimas efectoras: _
\
Quinasas: Sin duda alguna las proteínas de señalización que mejor se conocen
son las que .presentan actividad quinasa. La fosforilación fue uno de las primeras
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
1'83
Respuesta celular
Respuesta celular
Figura 10-4. Todas Las proteínas implicadas en señalización funcionan como interruptores moleculares. En ausencia de señal, todas las proteínas de una vía de señalización estarán inactivas (OFF). Una vez que llega la señal se produce la activación secuencial de los distintos component es de la vía (ON) lo que va a llevar a la ejecución de la respuesta celular. EL tiempo que permanecen activos los distintos participantes (receptor +
enzimas efectoras + enzimas diana) dependerá de los mecanismos de inactivación, que son desencadenados por la propia vía de señalización. Los
receptores acoplados a proteínas G son fosforilados e inactivados por quinasas especificas, los receptores con actividad tirosina quinasa son desfosfo rilados e inactivados por fosfatasas específicas, y los canales iónicos suelen estar programados para cerrarse al poco tiempo de abrirse: la concentración de iones retornará a las condiciones iniciales gracias al trabajo de bombas ATPasa. De la misma forma que los receptores vuelven a su estado inactivo, también lo hacen las proteínas efectoras a través de distintos mecanismos. En el caso de las proteínas G, la subunidad Ga transforma
el GTP en GDP, sufriendo de nuevo un cambio conformacional que le impide activar a sus enzimas diana y le obliga a reasociarse al dímero ~y.
m odificaciones postraduccionales de proteínas en identificarse y esto provocó
que la mayoría de científicos del campo de la biología molecular centraran su
atención en el estudio de las quinasas, que son las proteínas que llevan a cabo
dichas fosforilaciones . Se han descrito quinasas implicadas en señalización que
fosforilan específicamente residuos de serina y treonina (PKA, PKC, MAPK,
etc.), de tirosina (receptores con actividad tirosina quinasa, Src, JAK, etc.) y
fosfolípidos (PI3K). Prácticamente en cualquier vía de señalización hay una o
varias quinasas implicadas, por lo que el papel específico que lleva a cabo cada
una se detallará a continuación.
Fosfatasas: Las fosfatasas cortan los enlaces que mantienen unido el fosfato a
distintas proteínas, con lo que revierten los efectos de las quinasas (Fig. 10-5).
Por ejemplo, la proteína fosfatasa 1 se encuentra activada constitutivamente y
desfosforila la mayoría de proteínas fosforiladas por PKA (quinasa que se activa
en respuesta a AMPc, como se verá más adelante). La calcineurina es otra fosfatasa que se activa por unión de Ca2+. Su diana mejor conocida es el factor de
transcripción NFAT, al que solamente cuando es desfosforilado por acción de la
c:f
Muchas proteínas implicadas en
señalización celular (receptores y
enzimas efectoras) se encuentran
distribuidas por todos los tipos celulares pero otras pueden ser específicas ya que llevaran a cabo una función exclusiva del tipo celular que
las exprese.
184
SECCIÓN 11. LA. ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
calcineurina se le permite el paso al núcleo donde activará la expresión de distintos genes.
QUINASAS
-
~
On
Off T
-+-+-+
---~,.
FOSFATASAS
Figura 10-5. Las modificaciones covalentes reversibles regulan la activación/desactivación de proteínas de señalización.
Muchas proteínas implicadas en señalización
son enzimas que van a modificar covalentemente a otras proteínas regulando su función, es decir. definiendo su estado de activación/inactivación. Así podemos encontrar
enzimas que añaden grupos fosfato (quinasas) o que los eliminan (fosfatasas), pero
también enzimas que añaden grupos metilo
(metilasas). grupos acetilo (acetilasas) y muchos otros tipos de modificaciones que van a
influir en la estructura de la proteína y, por
tanto. en su función.
Fosfolipasas: Son enzimas que se encuentran insertadas en la membrana y cortan enlaces dentro de las moléculas de fosfolípidos. Existen varias familias, pero
la única implicada en señalización celular es la fosfolipasa C (PLC). Algunas
proteínas Ga son capaces de activar PLC~ (isotipo dentro de la familia PLC);
entonces éstas comienzan a cortar al fosfolípido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato
(PIP 2), generando dos productos, el diacilglicerol (DAG), que permanece insertado en el lado citosólico de la membrana, y el inositol-1,4,5-trifosfato (IP 3) que
se libera al citosol (véase Fig. 10-11).
Ambas moléculas van a actuar como segundos mensajeros: el IP 3 se une a
2
canales presentes en el retículo endoplasmático provocando la salida de Ca +; y
2
el DAG, con la ayuda del Ca +, activa a las quinasas de la familia PKC, que regulan la actividad de distintas proteínas diana al fosforilar residuos de serina o
treonina. Una consecuencia de la activación de PKC es la activación del factor
de transcripción NFKB que se encuentra atrapado en el citosol por la asociación
de otra proteína inhibidora. La PKC fosforila a esta proteína y su interacción
con NFKB se rompe, con lo ~ue dicho factor de transcripción viaja al núcleo y
activa a sus genes diana. El Ca + es otro segundo mensajero que regula a diversas
proteínas, además de las PKCs, provocando distintas respuestas en función del
tipo celular.
Cuando se inactiva la proteína G, el resultado es que la PLC~ deja de procesar fosfolípidos, el Ca2+ vuelve al retículo por la acción de bombas específicas, el
IP 3 es desfosforilado a IP 2 y, junto al DAG libre, serán aprovechados por la célula para sintetizar nuevos lípidos. De esta manera la señal termina tan rápido
como se inició.
Adenilato ciclasa: Son proteínas de membrana que catalizan la formación de
AMP cíclico (AMPc) a partir de ATP (véase Fig. 10-10). Su activación es inducida por algunas proteínas Ga aunque también puede estar influida por otros
factores como el Ca2+ o los dímeros ~Y- El AMPc es también un segundo mensajero que se moverá libremente por el citosol activando a su principal diana la
quinasa de la familia PKA. Esta quinasa fosforila distintas proteínas en residuos
de serina y treonina, regulando su actividad. Un ejemplo es el factor de ti-anscripción CREB que sólo inicia la expresión génica cuando está fosforilado por
la PKA.
Otra diana del AMPc es un canal iónico que permite el paso de Na+ iniciando el impulso nervioso. Este tipo de canal se encuentra exclusivamente en las
células del epitelio olfativo (véase Fig. 10-1 O) y junto a ellos hay cientos de receptores acoplados a proteínas G, diseñados cada uno para identificar una sola
molécula aromática. La presencia de alguna de estas moléculas aromáticas activará a su correspondiente receptor provocando la apertura del canái y la transmisión del impulso nervioso hasta el cerebro.
También existen guanilato ciclasas, es decir, enzimas capaces de ciclar el
GMP. La rodopsina es un ·receptor acoplado a proteínas G exclusivo de células de la retina (conos y bastones) que no une ningún ligando: responde a la
presencia de luz. Cuando la luz incide sobre el receptor, éste sufre un cambio
en su estructura, con lo que se activa la proteína G asociada y ésta activa a la
guanilato ciclasa. Al igual que ocurría en el epitelio olfativo el segundo mensajero generado (GMPc) se une a canales de Na+ iniciando el impulso nervioso que viajará hasta el cerebro. Para formar una imagen el cerebro interpreta
el conjunto de impulsos que vienen de las distintas células sensoriales de la
retina.
Fosfodiesterasas: son enzimas que se encuentran activadas constitutivamente y
se encargan de transformar nucleótidos cíclicos (AMPc o GMPc) en su correspondiente nucleótido monofosfato (AMPo GMP). De esta forma las fosfodiesterasas regulan negativamente la señalización de estos segundos mensajeros. La
célula puede decidir la localización de sus fosfodiesterasas consiguiendÓ que la
señal del AMPc no sea igual en toda la célula (compartimentalización de la señal) (Fig. 10-6).
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
Fosfodiesterasas
P roteínas con actividad GTPasa: ya se ha descrito que las proteínas con actividad GTPasa actúan como interruptores moleculares, que son encendidos con la
unión de GTP y ellos mismos se apagan al transformar este GTP en GDP (véase Fig. 10-4). Se han identificado dos tipos de GTPasas, las proteínas G heterotrimericas y las proteínas G monoméricas, ambas ancladas a la membrana por la
unión con ácidos grasos. Aparte de la diferencia en el número de subunidades,
las proteínas G monoméricas no son activadas directamente por el receptor sino
por otras proteínas intermedias. La familia Ras es un conjunto de GTPasas que
se activan por receptores de factores de crecimiento y participan en la activación
de la vía MAPK (véase Fig. 10-12), de ahí su importancia en regular procesos de
proliferación. Otra de las respuestas celulares mejor caracterizada donde participan las proteínas G monoméricas es la migración celular. La activación de estas
proteínas en respuesta a distintos receptores provoca la activación de otras que
conjuntamente llevarán a cabo la reorganización del citoesqueleto, necesaria
para el movimiento celular.
Fosfoinositol-3-quinasas (PI3K): Estas quinasas actúan sobre el fosfolípido de
mem brana PIP 2 fosforilando el carbono 3 del inositol, con lo que se genera PIP 3
(Fig. 10-7): ahora muchas proteínas de señalización que presentan un dominio
especifico de unión a PIP 3 (dominio de homología con pleckstrina PH) quedarán enganchadas a la membrana y serán activadas . Un ejemplo es la quinasa
PDK que activará a la quinasa PKB (también conocida como Akt), la cual juega
un papel fundamental en la supervivencia, al frenar los mecanismos de apoptosis y acelerar la síntesis de proteínas (véase Fig. 10-12). El mismo receptor que
activa PI3K inicia rutas paralelas que activan a la fosfatasa PTEN, ésta desfosforila a PIP 3 y la señal terminará apagándose. Los receptores de factores de crecimiento, además de activar la vía de MAPK, también inician la vía P13K/PKD/
PKB contribuyendo a la supervivencia celular. Receptores acoplados a proteínas
G también son capaces de activar estas dos vía participando así en los mecanismos que disparan la división celular.
Quinasas que responden a factores de crecimiento (MAPK): Esta es una familia
de quinasa capaces de fosforilar serinas y treoninas. Ellas mismas tienen que ser
11 85
Figura 10-6. Las fosfodiesterasas regulan
la señal del AMPc. La célula presenta en
distintas localizaciones del citoplasma a fosfodiesterasas constitutivamente activas. Estas
enzimas van a transformar el AMPc en AMP,
con lo que reducen los niveles de segundo
mensajero. De esta forma se restringe el radio de actuación del AMPc y la célula puede
decidir en qué espacio intracelular quiere
que el AMPc tenga efecto distribuyendo sus
fosfodiesterasas de una manera concreta.
Cuando el receptor y la proteína G se inactivan, las fosfodiesterasas son las encargadas
de que los niveles de AMPc vuelvan a la situación inicial.
Domi~
io
On
PH
Off
Figura 10-7. Diversas proteínas dependen
de la presencia de lípidos fosforilados en
membrana para poder llevar a cabo su
función. La llegada de distintas señales puede activar a la enzima fosfoinositol-3-quinasa
(PI3K), la cual fosforita especificamente al
fosfolipido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato
(PIP 2). Durante varios años no se supo qué
sentido práctico tenían estas fosforilaciones
de lípidos de la membrana plasmática. Finalmente se identificó el dominio de homología
con pleckstrina (PH). presente en distintas
p¡¡oteínas de señalización, que está especializado en unirse a 1-fosfatidilinositol-3.4.5-trifosfato (PIP 3). En general. las proteínas que
presentan dominios PH solo son activas
cuando se encuentran ancladas a la membrana, mientras que si no actúa PI3K y no
hay PIP 3 disponible. las proteínas con dominios PH se encontrarán inactivas en el citosol. Las mismas señales que activan a PI3K
activan los mecanismos de regulación negativa y terminación de la señal. En este caso se
activa la fosfatasa PTEN que convierte PIP;
en PIP 2 nuevamente.
186
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
fosforiladas en estos residuos para ser activadas y algunas son capaces de autofosforilarse . Existen varias subfamilias de MAPK que participan en multitud de
procesos, siendo la progresión del ciclo celular uno de los mejor caracterizados.
Cada subfamilia presenta un conjunto de quinasas que se activan en cadena obteniéndose una rápida amplificación de la señal: MAPKKK ~ MAPKK ~
~ MAPK (véanse Figs. 10-11 y 10-12) . Cada quinasa activa a la siguiente de la
cadena, y también activa o inhibe muchas otras proteínas diana. En general la
última quinasa de la vía (MAPK) es capaz de introducirse en el núcleo y activar
la expresión de proteínas necesarias para entrar en mitosis. Estas quinasas se
identificaron como dianas de receptores de factores de crecimiento pero, en la
actualidad, se han descrito multitud de receptores capaces de activarlas y muchos
otros procesos en los que intervienen aparte del ciclo celular y la supervivencia.
Vía JAKISTAT: Las proteínas JAK son quinasas que fosforilan residuos de tirosina y se encuentran permanentemente unidas a los receptores de citoquinas
(moléculas señalizadoras que participan en la respuesta inmune). Estos receptores carecen de actividad enzimática propia pero el mecanismo es similar al descrito anteriormente para los receptores con actividad tirosina quinasa: cuando el
ligando se une a su receptor, éste se asocia con otro del mismo tipo y las quinasas JAK quedan lo suficientemente cerca como para fosforilarse una a-la otra
(transactivación) (Fig. 10-8) . Una vez activadas, las JAK también fosforilan al
receptor creando puntos de unión para los factores de transcripción STAT, que
permanecían inactivos en el citosol. El factor STAT unido al receptor se fosforila por JAK y ahora dos moléculas de STAT fosforiladas son capaces de formar
un dímero que se transporta al núcleo donde activará la expresión génica.
Calmodulina: es una proteína ampliamente distribuida y muy conservada. Se
puede encontrar tanto en células animales como vegetales y su función es la de
actuar como un receptor intracelular de Ca2+. Esta proteína no tiene actividad
enzimática pero es capaz de unirse al Ca2+ lo que dispara un cambio conformacional. Esta nueva estructura permite que la calmodulina se una a distintas proteínas intracelulares y regule su función (véase Fig. 10-11). Existe un conjunto
2
importante de quinasas cuya activación depende de la unión con Ca +/calmodulina; a su vez, estas quinasas fosforilan residuos de serina y treonina, modulando
la función de proteínas dianas. Por tanto, la respuesta celular inducida por el
2
2
Ca + dependerá del conjunto de proteínas diana sensibles a Ca +/calmodulina
presentes en la célula.
En ausencia de señales, la concentración de Ca2+ en el citosol es muy inferior
a la concentración en el exterior celular y en el retículo endoplasmático, de esta
forma se genera un potente gradiente electroquímico. Cuando distintos receptoFigura 10-8. La vía de señalización JAK/
STAT. Distintos receptores, como los de qu imioquinas, se encuentran asociados a las tirosina quinasas JAK. Tras la unión de la señal
con su receptor se produce la dimerización
de receptores y la transactivación de las quinasas JAK: una fosforita a la otra y fosforilan
el dominio citosólico del receptor. Las tirosinas fosforiladas del receptor son reconocidas
por dominios SH2 presentes en los factores
de transcripción STAT. Dichos factores de
trancripción se encuentran inactivos en el
citosol pero, al unirse a las tirosinas fosforitadas del receptor, ellos mismos son fosforitados por JAK. Dos moléculas de STAT fosforiladas pueden formar un dímero que rápidamente es transportado al núcleo , donde
activaran la transcripc ión de diversos genes.
Las quimioquinas estimulan la migración de
los leucocitos, por eso la vía JAK!STAT juega
un papel fundamental en la respuesta inmune e inflamatoria, pero también en muchos
otros procesos fisiológicos.
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
187
2
res activan canales de Ca + el movimiento de los iones es tan rápido que la concentración en el citosol aumenta unas 1.000 veces; esto activa a la calmodulina y
a otras proteínas sensibles a Ci+, como las PKCs, desencadenando la respuesta
celular. Para finalizar la señal la célula dispone de bombas ATPasas en la membrana plasmática y en la del retículo que eliminan el Ca2+ del citosol, con lo que
se recuperan las concentraciones iniciales y se desactivan las proteínas sensibles a
este ión. La activación de estas bombas depende de Ca2 +/calmodulina, por lo
que el Ci+ activa los mecanismos necesarios para la terminación de la señal.
En este apartado se han descrito algunos ejemplos de las enzimas· efectoras
más ampliamente distribuidas en diferentes tipos celulares y, por tanto, mejor
caracterizadas. Existen muchos más ejemplos de proteínas implicadas en señalización y cada vez se descubren nuevos participantes y nuevas funciones que no
estaban descritas. Por otro lado, aunque la fosforilación es el tipo de modificación covalente en las proteínas mejor estudiado, también se han descrito otros
tipos (metilaciones, acetilaciones, ubiquitinaciones, cortes proteolíticos, etc.)
que, al igual que la fosforilación, sirven para regular la actividad de distintas
proteínas, entre otras aquellas implicadas en señalización celular.
Cada vez se dispone de más información sobre las innumerables rutas de señalización que se activan en las células. La diversidad de rutas es enorme, puesto
que cada receptor activa varias simultáneamente al ser capaz de activar distintas
enzimas, y cada enzima efectora también puede ser activada por varios receptores de distinta clase. Por otro lado, dependiendo del tipo celular, un mismo receptor puede desencadenar distintas rutas de señalización, ya que tendrá a su
alcance a distintas enzimas efectoras. La historia se complica puesto que en cada
tipo celular las enzimas efectoras influirán en la actividad de distintas proteínas
diana dando lugar a diversas respuestas celulares (Recuadro 10-2).
t
Recuadro 10-2. Patologías
Numerosas patologías como el cáncer, la
diabetes, enfermedades inflamatorias,
enfermedades cardiovasculares, etc. son
consecuencia de alteraciones en las rutas
de señalización. Estas alteraciones pueden
ser consecuencia de defectos funcionales
del receptor o de las proteínas efectoras
implicadas en la ruta, de cambios en los
niveles de estos participantes o de segundos mensajeros, de fallos en los sistemas
de regulación negativa que se encargan
de terminar la señal, o una mezcla de todos estos motivos.
Ventajas de los sistemas de señalización celular
El sistema que las células han diseñado para comunicarse (transducción de
señales+ enzimas efectoras y/o segundos mensajeros) ha definido ciertas ventajas
o características funcionales:
• Los segundos mensajeros y muchas de las enzimas efectoras son capaces de
moverse libremente por el citosol, con lo que se consigue transportar y
distribuir la señal desde el punto donde se originó (la membrana) hasta
cualquier región de la célula.
• El hecho de que las moléculas implicadas en señalización trabajen en cadena, donde la activación de una va a provocar la activación de la siguiente,
tiene un claro objetivo: la amplificación de la señal. Un único receptor es
capaz de activar varias moléculas de enzima efectora en poco tiempo. Por
ejemplo, un único GPCR puede activar varias proteínas G en el transcurso
de tiempo que se mantiene activo y cada una de estas proteínas G va activar a varias adenilato ciclasas (que generan AMPc) hasta que se inactive.
Por tanto, el número de proteínas implicadas en cada paso crece exponencialmente y se consigue una rápida amplificación de la señal (Fig. 10-9).
Lo mismo ocurre con las cascadas de quinasas como las de MAPK donde
cada quinasa fosforila y activa múltiples moléculas de quinas5t diana.
• Cada segundo mensajero o enzima efectora no tiene una única enzima diana sino varias, con lo que se obtiene una divergencia de la señal (Fig. 10-9)
y, de forma simultánea, se van a iniciar distintos procesos celulares que en
conjunto llevan a la respuesta celular. Algunos ejemplos de estos procesos
ya se han comentado:
- Activación/inhibición de factores de transcripción, con lo que se regula
la expresión de los genes.
- Activación/inhibición de enzimas implicadas en procesos como el metabolismo, la regulación del ciclo celular o el inicio de la apoptosis.
- Activación/inhibición de proteínas que modifican el citoesqueleto, por
lo que son actores principales en procesos como la migración, la contracción, la secreción de vesículas o cambios en la morfología necesarios
para la diferenciación celular (por ejemplo, la extensión de la membrana plasmática para forma el axón de neuronas) .
~~-
1S8
SECCIÓN 11. lA ENERGÍA Y lAS FUNCIONES CELUlARES
Retrocontrol
negativo
....
.. .. ..
. .. .. E. ..
1\
Distribución de la
señal y amplificación
1\ 1\ 1\ 1\ 1\ 1\ 1\
. . Divergencia de la señal
Figura 10-9. Ventajas de los mecanismos de señalización celular. Los distintos mecanismos de transducción de señales descritos hasta ahora
presentan varias características comunes. En primer lugar son sistemas que permiten una rápida amplificación de la señal. Cada receptor activado
en la membrana va a activar en muy poco tiempo a varias enzimas efectora;, y éstas, a su vez, activarán a muchas otras enzimas, directamente o a
través de la generación de segundos mensajeros, consiguiendo la amplificación de la señal. En segundo lugar se obtiene una divergencia de la señal,
ya que cada receptor puede activar a más de un tipo de enzima efectora y éstas a muchos tipos de proteínas diana. Con esta divergencia se consigue activar en paralelo y de forma coordinada todas las proteínas necesarias para la respuesta celular. Por último, todas las vías de señalización
activan distintas rutas encargadas de terminar la señal, es decir, se inician distintos sistemas de regulación negativa que van a inactivar tanto al receptor como a las enzimas encargadas de propagar la señal).
• El diseño en cadena junto con la divergencia de la señal se completa con el
desarrollo de distintos sistemas de regulación negativa (Fig. 10-9). Cada
eslabón de la cadena se encarga de transmitir la señal iniciando los mecanismos que llevan a la respuesta celular pero también aquellos que van a
parar la transmisión de la señal, como una forma de retrocontrol negativo.
Por tanto, la regulación negativa se presenta en todos los niveles dentro de
la ruta de señalización (al nivel del receptor, de las proteínas efectoras y de
las proteínas diana) y la célula es capaz de modular los distintos mecanismos de activación/inhibición obteniendo distintos grados de potencia en
la transmisión de la señal y, en consecuencia, distintas respuesta~. -c
0
RUTAS DE SEÑALIZACIÓN
En los apartados anteriores se ha presentado a los distintos participantes" en la
comunicación celular. A continuación se describirán de forma esqúemática algimos ejemplos de rutas de señalización iniciadas por los receptores de membrana y qué consecuencias tienen en distintos tipos celulares. Se entiende como
ruta de señalización la secuenCia lineal de proteínas que son activadas en respuesta a la señal. Esta secuencia comienza en el receptor y se transmite de unas
proteínas a otras. Las enzimas que se encuentran en el comienzo de la ruta suelen ser comunes a distintos tipos celulares y son las que se denominan enzimas
efectoras, mientras que las enzimas que se encuentran al final de la ruta pueden
ser muy diferentes según el tipo celular y se conocen como enzimas diana. Por
supuesto en una ruta de señalización cada enzima es diana de la enzima ante~:~?us:~ectora sobre la siguiente; por lo tanto, esta clasificación puede ser hl\go
·Rutas de señalización iniciadas por receptores acoplados
a proteínas G
Los receptores acoplados a proteínas G provocan la activación de ésta al ·inducir
el intercambio de GDP por GTP en el centro activo de la subunidad d. Estos
receptores e·s tán implicados en prácticamente cualquier proceso fisiológico por
lo que la diversidad de ligandos que reconocen es enorme. Se han identificado
•
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
moléculas de naturaleza lipídica, péptidos donde se incluyen algunos neurotransmisores, hormonas, iones, etc.
Además de la diversidad de receptores (cerca de 1.000 genes distintos en mam íferos) también existen distintos tipos de subunidades a, ~y y que se combinan para dar lugar a las proteínas G heterotriméricas. Existen cuatro subfamilias
de proteínas G que se diferencian en el tipo de subunidad Ga; esta puede ser
G as, Gai, Gaq y Ga12, y cada una de ellas está especializada en la activación de
unas enzimas efectoras concretas. En la flgura 10.10 se describe cómo las rutas
iniciadas por receptores acoplados a proteínas de la familia Gas activan la prod ucción de AMPc, mientras que los receptores acoplados a Gai tienen el efecto
contrario:
l. La unión del ligando al receptor lo activa y éste activa a las proteínas G.
La subunidad Gas, libre del dímero ~y, se une directamente a la adenilato ciclasa (AC) y la activa incrementando así los niveles de AMPc intracelulares.
2. Solamente en células del epitelio olfativo existe un canal de Na+ regulado
por unión a AMPc que iniciará un impulso nervioso.
3 . La quinasa PKA, cuya distribución es ubicua, está formada por cuatro
subunidades, dos reguladoras y dos catalíticas. En ausencia de AMPc, las
cuatro subunidades forman un complejo inactivo. La unión de AMPc
con la subunidad reguladora rompe el complejo dejando libres a las subunidades catalíticas que van a fosforilar distintos sustratos dependiendo de
la célula.
4. La adrenalina es una hormona secretada por la glándula suprarrenal y algunas neuronas en situaciones de estrés, que media la respuesta "lucha o
huida". Ante alguna sorpresa, el organismo se prepara para responder y lo
primero que hace es incrementar los niveles de glucosa en sangre y la frecuencia cardiaca para que todas las células dispongan de una fuente de
energía necesaria para la lucha o para la huida. En células del hígado o del
músculo, la ruta iniciada por la adrenalina lleva a la activación de la quinasa PKA que va a fosforilar enzimas metabólicas; de esta forma se inhibe
la síntesis de glucógeno a la vez que se activa la degradación. Así, las células hepáticas liberarán glucosa al torrente sanguíneo desde donde se repartirá por todos los tejidos, y las células musculares la tendrán a su disposición por si fuera necesario generar ATP para la contracción muscular.
En cambio, en las células cardiacas la activación de PKA por la adrenalina
va a provocar que esta quinasa fosforile y abra canales de ci+ presentes
en el retículo. El Ca2+ fluye al citosol donde va a desencadenar la contracción de las células cardiacas aumentando el ritmo cardiaco y favoreciendo
la distribución de glucosa y oxigeno. La adrenalina provocará otros efectos como la vasodilatación en el músculo esquelético, la relajación bronquial o la dilatación de la pupila.
5. En distintos tipos celulares la PKA fosforila a la proteína CREB aumentando su actividad transcripcional. Dicha proteína se une a regiones de
DNA conocidas como elementos de respuesta a AMPc (CRE) activando
la expresión de varios genes.
6. La diversidad de respuestas celulares inducida por la adrenalina se debe
tanto a la presencia de distintas proteínas diana para PKA como a la existencia de varios receptores para adrenalina. Algunos de ellos no están
acoplados a subunidades Gas sino a Gai cuyo efecto es totalmente opuesto: inhibe a la adenilato ciclasa reduciendo los niveles de AMPc (en la
célula hay fosfodiesterasas que se encargar de transformar rápidamente el
AMPc en AMP). Esta inhibición la llevan a cabo tanto la subunidad Gai
como los dímeros ~y a los que se asocia. Como se ha explicado, la adrenalina es una hormona que va a provocar incrementos en los niveles de
AMPc al fijarse a receptores acoplados a Gas llamados ~-adrenérgicos.
Existe otro tipo de receptores también activados por adrenalina llamados
a2-adrenérgicos, los cuales están acoplados a Gai. De esta forma la adrenalina puede desencadenar distintas respuestas en diferentes tipos celulares dependiendo del tipo de receptores presentes en la membrana celular.
Incluso en una misma célula los niveles de AMPc se modularán en fun-
f
!~.
189
190
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Células epitelio olfativo
Células musculares
•
Bloquea la
despolarizacion
Células cardiacas
Off . . .
On
--~-· ----+ ¡
On • •
G
quin asa
í\
Proteínas
implicadas eh
contracción
muscular
Gl"'V"'
···¡-·
On . . . .
Glucógeno
sintasa Off
Incremento de
glucosa en sangre
y en músculo
Incremento del ritmo cardiaco
G
1
Distribución de la
glucosa a todo el
organismo
Distintas respuestas celulares en función
de los genes activados por CREB y de
otras dianas activadas por PKA
Figura 10-10. Activación de receptores acoplados a Gas o Gai. (1) La unión del agonista al receptor conduce a la activación de la proteín a Gs
y esta, a su vez, activa a la adenilatociclasa (AC) con lo que rapidamente se incrementa la concentración de AMP cíclico (AMPc). (2) El AMPc provoca la apertura de canales de Na+ en el epitelio olfativo iniciando así la transmisión del impulso nervioso. (3) En varios tipos celulares el AMPc
activa a la quinasa PKA. (4) Dependiendo del tipo celular, la PKA modulará la actividad de distintas proteínas iniciando así una respuesta celular
específica. (S) La PKA tambien actua sobre factores de transcripción regulando así la expresión génica. (6) La activación de proteínas Gi conduce a
que estas proteínas inhiban a la adenilatociclasa regulando la concentración de AMPc. (7) Otro efector de las proteínas Gi son los canales de K+
presentes en células musculares; su apertura en respuesta a distintas señales modula la contracción.
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cwn del tipo y número de receptores adrenérgicos que expresen, obteniéndose distintas respuestas en cada situación.
7 ; Además de su función inhibitoria sobre la producción de AMPc, las
subunidades Gai también son capaces de regular un tipo de canal de K'
presente en células musculares. Estas células presentan receptores de acetilcolina acoplados a proteínas Gi. ·La acetilcolina es un neurotransmisor
capaz de activar distintos .receptores. En células neuronales existen canales
•
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
191
de Na+ dependientes de acetilcolina, y la llegada de este neurotransmisor
provoca la apertura de los canales -con lo que tiene lugar la propagación
del impulso nervioso. Sin embargo .e n células musculares el receptor de
acetilcolina no es un canal, sino un receptor acoplado a proteínas Gi.
Tras su activación la sub unidad Gai es capaz de unirse al canal de K'
provocando su apertura. El objetivo es dificultar la despolarización de la ·
membrana y por este motivo la acetilcolina puede tener efectos relaj_antes r
en células musculares.
Otra sub familia de proteínas G es la conocida como Gaq, en la_figura 1 O.11
se describe cómo estas proteínas a través de la activación de PLC~ desencadena
2
la salida del Ca + almacenado en el retículo endoplásmico.
2
El Ca + actúa como segundo mensajero en una amplia variedad de respuestas
donde destacan la secreción de vesículas, la contracción nerviosa y la proliferación . En los dos primeros procesos, el impulso nervioso llega a la célula y provoca la apertura de canales de Ca2+ sensibles a voltaje. Este ión influye sobre distintas proteínas que trabajan en la maquinaria encargada de la secrecióri o de la
contracción .
Los canales sensibles a voltaje sólo se encuentran en células con e'x:citabilidad nerviosa. Pero existe otro sistema, con una distribución ubicua,' que dispara la entrada de Ca2+ en el citosol: se trata de los receptores acoplados a proteínas Gq.
l. Cuando esta subunidad es activada por el receptor, ella misma va a activar a la fosfolipasa C~ con lo que comienza a generarse DAG e IP 3 .
2. Como se ha comentado en anteriores apartados, el IP 3 se une a canales de
Ca 2+ presentes en la membrana del retículo y provoca su apertura, con lo
que la concentración de Ca2+ en el citosol aumenta considerablemente.
3. El Ca2+, junto con el DAG, llevan a la activación completa de la quinasa
PKC. Ésta fosforila diversos sustratos entre los que se encuentra el factor
de transcripción NFKB y a quinasas de la familia MAPK. Conjuntamente
la activación de estas proteínas va a iniciar procesos de transcripción génica y la progresión del ciclo celular.
4. El Ca2+ también activa a la calmodulina que se unirá a distintas proteínas
modulando su actividad. Un conjunto importante de dianas de la calmo2
dulina son las quinasas dependientes de Ca +/calmodulina (CaM) que
van a fosforilar distintos sustratos desatando la respuesta celular.
5. También la calmodulina se encarga de activar los mecanismos necesarios
para terminar la señal, al unirse y activar a una bomba ATPasa de Ci +
presente en la membrana plasmática de todas las células eucariotas. Junto
con la acción de otras bombas de ci+ del retÍculo los niveles de este ión
vuelven a la situación inicial.
6. Otra proteína sensible a Ca2+ es la fosfatasa calcineurina que, una vez activada por la unión con Ca2+, va a desfosforilar al factor de transcripción
NFAT permitiendo su translocación al núcleo.
Rutas de señalización iniciadas por receptores
con actividad tirosina quinasa
Se han descrito varios tipos de receptores con actividad enzimática, como pueden ser receptores con actividad guanilato ciclasa (producen GMPc) o con actividad fosfatasa, pero los más abundantes y, por tanto, mejor conocidos, son los
receptores con actividad tirosina quinasa. Dentro de este grupo encontramos a
los receptores de factores de crecimiento y a otros como puede ser el receptor de
insulina. En la figura 10.12 se describen algunas de las rutas que pueden ser
iniciadas por el receptor del factor de crecimiento epitelial (EGF):
l. La llegada del agonista (factor de crecimiento epitelial, -EGF) provoca la
dimerización de dos receptores y esto induce que se fosforilen uno a otro
(transactivación).
2 . Varias proteínas señalizadoras son capaces de unirse a tirosinas fosforiladas a través de dominios llamados SH2. Un ejemplo es la proteína Shc,
que carece de actividad enzimática pero_cumple una función . importante
UNIVERSIDAD CES
~ii"'ll~Un Compromiso COil!a &ce/encia
BISLIQTECA FUNDADClRES
192
SECCIÓN 11. L:A ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
On
Distintas enzimas
diana según el tipo
celular
/!\
1! \
1 ! \
u
On
M ~I@$:M
On
Respuesta celular
On
lfJJI
Expresión génica
~___:,_
Off
Núcleo
Figura 10-11. La activación de receptores acoplados a Gq provoca la salida del Ca'• almacenado en el retículo endoplasmático. (1) Las
proteínas de la familia Gq activan a la lipasa PLC~ . PLC~ hidroliza el lípido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato rindiendo diacilglicerol (DAG) e inositol1,4,5-trifosfato (IP 3). (2) IP 3 se mueve libremente por el citoplasma hasta unirse a canales específicos del retículo endoplásmico provocando su
apertura y la salida del Ca' • allí almacenado. (3) El DAG permanece unido a la membrana citoplasmatica donde se unirá y activará a las quinasas de
la familia PKC. Para dicha activación tambien es necesario que el Ca'• se una a estas proteínas. Ahora, la PKC regulará distintas proteínas de señalización como las quinasas MAPK o el factor de transcripción NFKB. (4) El Ca,. libre en el citosol modula la actividad de multiples proteínas como,
por ejemplo, la calmodulina. Esta proteína a su vez presenta diversos efectores como las quinasas dependientes de Ca' •/calmodulina (CaM) . (S) La
propia calmodulina es la encargada de restaurar las bajas concetraciones de Ca'• en el citosol al activar bombas Ca'•/ATPasas presentes en la membrana plasmática. (6) Otra diana celular del Ca' • es la fosfatasa calcineurina, que defosforila distintas proteínas como el factor de transcripción
NFAT; una vez desfosforilado, NFAT es capaz de translocarse al núcleo y regular la expresión de distintos genes.
3.
4.
5.
6.
al unirse al receptor de EGF a través de su dominio SH2, constituyendo
una plataforma donde se van a unir otras proteínas específicas. El receptor fosforila a Shc en tirosinas y a estas tirosinas se unirá la proteína
Grb2, también a través de su dominio SH2.
La proteína Grb2 recluta y activa a una tercera proteína llamada SOS capaz de activar GTPasas monoméricas al inducir la salida del GDP. Ahora
que SOS se encuentra unida al complejo del receptor, fácilmente tendrá
lugar la unión y la activación de la GTPasa monomérica Ras, que se encuentra siempre anclada a la membrana.
La. proteína Ras se encarga de activar a la MAPKKK Rafa través de mecanismos que todavía no se comprenden, pero que parecen implicar una
fosforilación en Raf.
La proteína Raf fosforila y activa a las proteínas MEKl y MEK2 (MAPKK) y cada una fosforila y activa a su MAPK diana, ERKl y ERK2, que
modulan la activación de distintos sustratos citosolicos y además se mueven hacia. el interior del núcleo donde regularán la expresión de varios
genes.
. ·
\
Otra proteína que presenta un dominio SH2 capaz de unirse al receptor
de EGF es la subunidad reguladora de PI3K. La unión va a provocar un
· CAPÍTULO ·1O. SEÑALIZAGIÓN CELULAR
193
Off
Off
•
---
Figura 10-12. La activación de recepetores de factores de transcripción inicia rutas de señalización que promueven supervivencia y/o
proliferación. (1) La unión del agonista con su receptor específico permite la dimerización de dos receptores, lo que conduce a que estos receptores se fosforilen uno al otro (transactivación) . (2) Los residuos fosforilados del receptor sirven de punto de anclaje para distintas proteínas como
la proteína andamio Shc, que a su vez se una a Grb2 y ésta al intercambiador de nucleotidos SOS. (3) SOS induce la salida de GDP y entrada de GTP
en la proteína GTPasa monomérica Ras llevando a su activación. (4) Ras inicia la ruta de las MAPK quinasas al activar a Raf (MAPKKK) que activa a
MEK1 y 2 (MAPKK) y éstas activan a ERK1 y 2 (MAPK). (S) Las MAPK t ienen múltiples efectores como pueden ser factores de transcripción que
in iciarán la expresión de genes necesarios para la progresión del ciclo celular. (6) La quinasa que fosforita PIP 2, llamada · PI 3K, también necesita
un irse a residuos fosforilados en el receptor para que tenga lugar su activación. (7) PIP 2 ·es fosforilado por PI3K generandose PIP 3 que sirve como
punto de anclaje para distintas proteínas de señalización, como la quinasa PDK que ahora fosforita y activa a PKB, quinasa que modula multitud de
proteínas implicadas en promover la síntesis de proteínas y la producción de ATP , así como, inhibir la muerte celular o apoptosis.
cambio conformacional que se transmite a la subunidad catalítica y comienza la fosforilación de lípidos de la membrana.
7 . La quinasa PDK es una de las proteínas que se activa al unirse a lípidos
fosforilados por PI3K, a través de un dominio PH. Ahora.PDK fosforila
y activa a la PKB que, a su vez, va a fosforilar múltiples proteínas diana.
Como resultado se bloquean los mecanismos que disparan la apoptosis
y se inician procesos metabólicos para obtener energía y sintetizar proteínas.
0
INTEGRACIÓN DE SEÑALES
Dentro de un organismo pluricelular cada célula está continuamente expuesta
a m ultitud de señales, disueltas en el líquido extracelular, embebidas en lamatriz o ancladas en la membrana de células vecinas. La respuesta celular es consecuencia de la activación conjunta de diversas rutas de señalización que comienzan en distintos receptores de la membrana. Entendemos como integración de
señales la influencia que van a tener unas vías sobre otras. La potencia y tiempo de activación de una vía de señalización depende de distintas variables que
se comentan a continuación. Si a esto se le suma el hecho de que unas vías van
a regular a otras, se obtiene un enorme número de combinaciones posibles
(Fig. 10-13) .
Los factores que van a determinar la respuesta celular son:
194
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES
Activación de enzimas efectoras
Señal
t
2
3
1+ 2
1+2+3
•
11]
11]
t
t
t
t
Respuesta celular 1
t
t
t
t
t•
Respuesta celular 2
•
Respuesta celular 3
Respuesta celular 4
tt
Respuesta celular S
Figura 10-13. La respuesta celular es consecuencia de la integración de señales. Las células
están recibiendo continuamente cientos de señales a la vez. Cada molécula señal activará un receptor y éste, a su vez, varias vías de señalización intracelular. Como cada vía puede iniciarse a
partir de distintos receptores, el tiempo y potencia de la activación dependerá del número y tipo
de receptores activados. La activación simultanea de varias vías y el entrecruzamiento entre ellas
provocará una diversidad de respuestas celulares enorme. (AC: adenilato ciclasa, PLCP: fosfolipasa
cp, PKA: proteína quinasa A dependiente de AMPc, PKC: Proteína quinasa C dependiente de Ca 2•,
MAPK: quinasas que responden a factores de crecimiento. Las flechas verdes indican activación de
la proteína efectora, las flechas rojas indican inhibición mientras que las flechas amarillas indican
que no hay modulación sobre dicha proteína efectora).
c:fcada respuesta celular es el resultado de múltiples vías de señalización que actúan conjuntamente;
muchas de estas vías se entrecruzan,
influyendo unas sobre otras de tal
forma que el grado de activación de
cada enzima efectora depende del
número de vías activadas en cada situación. La respuesta celular será
distinta en cada caso.
Presencia del receptor en la membrana. Muchas señales no van a tener efecto
alguno sobre ciertas células por el simple hecho de que estas células no tienen el
receptor específico. Por la misma razón una señal puede tener distintos efectos
en una célula dependiendo del número de receptores específicos que dicha célula presente en la membrana.
Concentración de la molécula señal. En anteriores apartados se ha indicado la
posibilidad de que una sola señal pueda activar distintos receptores, como la
adrenalina activa a la familia de receptores adrenérgicos. Cada receptor puede
tener una afinidad distinta por la molécula señal, de tal forma que a bajas concentraciones de señal sólo se activarán los receptores con alta afinidad. Si aumenta la concentración de la señal podrán activarse también los receptores con
menos afinidad. La respuesta celular será distinta en cada caso, pues será el resultado d e la combinación de receptores activados y las vías que estos inicien.
También un único tipo de receptor puede responder de manera distinta ante
distintas concentraciones de ligando, ya que la respuesta depende en gran medida del número de receptores activados.
Tipo celular. Cada tipo celular presenta un conjunto específico de proteínas
efectoras y proteínas diana. De esta forma se consigue que un mismo par señal/
· receptor dispare distintas rutas de señalización en cada tipo celular y así, cada
una de las células que constituyen el organismo va a llevar a cabo su función de
forma coordinada con el resto.
Entrecruzamiento de señales. Muchas de las proteínas efectoras que se han descrito en este capítulo participan en varias rutas de señalización. Por ejemplo, las
quinasas de la familia "MAPK pueden ser activadas tanto por receptores con actividad tirosina quinasa, como por receptores acoplados a proteínas G. Algunos
receptores inician rutas que llevan a la activación de las quinasas mientras que
otros inician rutas de inhibición. Puesto que la célula recibe cientos de señales a
la vez, el grado de activación de las MAPK, como de otras enzimas efectoras,
será el resultado de la integración de las distintas vías que se inician con cada
señal (Fig 10.13).
Todas estas variables complican el estudio de la señalización celular. La mayoría de datos sobre la comunicación entre células se ha conseguido gracias a las
técnicas de cultivos celulares. La posibilidad de trabajar con células aisladas permite reducir el número de variables y así, poco a poco se van desentrañando las
rutas intracelulares que se activan por distintos ligandos. Pero este modelb experimental, aunque ha permitido obtener mucha información, está muy alejado
de la situación real que vive una célula dentro del organismo.
CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR
[( J
(§/
195
CONCEPTOS CLAVE
o La comunicación entre células se basa en un sistema compuesto por una señal o agonista, un receptor de la señal,
las proteínas efectoras y las proteínas diana. Se entiende como célula emisora aquella que produce la señal y como
célula receptora o célula diana aquella que presenta un receptor y, por tanto, es capaz de responder de una determinada forma a la llegada de la señal.
o La respuesta celular es el cambio que va a sufrir la célula diana tras la llegada de la señal. La activación del receptor, provocada por la señal, va a regular la activación de diversas proteínas efectoras que, a su vez, regulan a otras
proteínas diana. Estas proteínas diana serán las ejecutoras finales de la respuesta celular.
o Cada tipo celular tiene una función concreta en el organismo y, para llevarla a cabo, ejecuta distintas respuestas
celulares: absorción de nutrientes por células del intestino, contracción en células musculares, transmisión del impulso nervioso por neuronas y células sensoriales, secreción hormonal por células glandulares, etc. Otros tipos de
respuestas más generales son la proliferación, la supervivencia, la migración y la diferenciación.
o La señalización celular se puede clasificar en función de la distancia recorrida por la señal
y el tiempo requerido
para inducir una respuesta. Así, se puede hablar de señalización endocrina, paracrina/autocrina, neuronal y dependiente de contacto.
o El mecanismo básico de transmisión de la señal, desde el exterior al interior celular, se basa en los cambios conformacionales que sufre el receptor al unirse físicamente con la señal. Con esta unión , el receptor pasa de un estado
inactivo a un estado activo, adquiriendo la capacidad de influir en la actividad de determinadas proteínas intracelulares.
o Hasta la fecha se han descrito tres familias de receptores de membrana: los receptores acoplados a proteínas G, los
receptores con actividad enzimática y los canales iónicos sensibles a ligando.
o Las enzimas efectoras que resultan activadas por el receptor se encargan de amplificar y divergir la señal, bien generando segundos mensajeros o bien modificando covalentemente a las proteínas diana. Ambos mecanismos regulan la actividad de dichas proteínas diana.
o Dependiendo del tipo de enzimas efectoras que presente una célula, su respuesta celular será diferente. De esta
forma se consigue que, ante una misma señal, cada tipo celular responda de una forma específica.
o Cualquier sistema de transducción de señales presenta tres características básicas:
- Amplificación de la señal: en cada paso de la ruta se incrementa el número de proteínas implicadas.
- Divergencia de la señal: un solo receptor activa varias rutas de señalización.
- Retrocontrol negativo: algunas de las proteínas efectoras que son activadas tienen como función terminar la
señal al regular negativamente al receptor y a otras proteínas efectoras.
o Cada célula está expuesta continuamente a multitud de señales que activan de forma simultánea distintas rutas de
señalización; por tanto, la respuesta celular es el resultado de la integración de las distintas señales recibidas.
0 EJERCICIOS
Observe la figura 10-12 ¿Por qué el receptor no activa directamente a ERK1/2? ¿Por qué son necesarias tantas proteínas intermedias
(Shc, Grb2, SOS, ras, raf, MEK1/2)?
SOLUCIÓN
Una ruta de señalización está divid ida en va rias etapas en las que se encuentra una proteína señalizadora implicada. Esto permite que la célula
disponga de varios sitios desde donde puede regular la ruta: la amplificación de la señal. puesto que en cada etapa se incrementa el número de
moléculas activadas, la integración de distintas señales que activan a proteínas efectoras comunes y la propagación de la señal a través de diversas rutas divergentes.
11!11 ¿Qué se entiende por respuesta celular?
IJlll ¿A través de qué mecanismos se
puede apagar una ruta de se-
ñalización intracelular?
liD Describa los 'sistemas de transducción de señales que conozca.
IIlD Los receptores
de membrana son diana de un gran porcentaje
de medicamentos presentes en el mercado. Explique cuál pued e
ser la razón .
·;r
'196
0
SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARfS
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
IIlll La señalización endocrina:
Es aquella en la que la céfula emisora es a su vez la célula
diana.
~
b} Es aquella en la que la célula emisora se encuentra alejada
d.e la célula diana. por lo que la molécula señal tend'rá que
viajar por el torrente sanguíneo,
e} Es aquella en la que la célula emisora se encuentra cerca
de la célula diana por lo que la señal debe difundir por el
medio extracelular.
d} Es aquella en la que la célula emisora y la célula diana están en contacto directo.
b} El AMPc se une a las proteínas G para activarlas.
e} El AMPc es generado por fosfodiesterasas que son activadas por proteínas G (familia Ga s).
d} El AMPc es generado por la adenilato ciclasa que es activada por receptores con actividad quinasa.
a}
llliJ De las siguientes afirmaciones, indique cuál es la incorrecta:
Una misma molécula señal puede activar distintos tipos de
receptores. permitiendo que en cada célula tenga lugar
una respuesta específica que dependerá del número y tipo
de receptores presentes en su membrana.
b} Una misma molécula señal puede disparar distintas respuestas en una célula dependiendo de la concentración a
la que se encuentre.
e} Cada receptor activa una única ruta de señalización. Las señales extracelulares activan distintos receptores simultáneamente por lo que se activan distintas rutas que van a entrecruzarse e influir unas en otras (integración de señales) _
d} El mismo par señal extracelular/ receptor puede origin ar
respuestas celulares diferentes en distintas células ya que
la respuesta dependerá de las proteínas efectoras que se
activen en el interior celular.
a)
lliiJ Se. entiende como transducción de señales:
Los distintos sistemas que emplean las células para comunicarse.
b} Los mecanismos con los que una célula emite una señaL
e} Los mecanisfDOS con los que los receptores transforman
una señal extracelular en una señal intracelular.
d} Todo lo anterior es correcto.
a}
IIlD El enzima fosfoinositol-3-quinasa (PI3K):
a} - Es un ejemplo de receptor con actividad enzimática.
b} Se encarga de degradar el inositol-1.4.5-trifosfato que ha
sido generado por fosfolipasa CB.
Fosforita al lípido de membrana 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP 2) generando 1-fosfatidilinositol-3.4.5-bifosfato
(PIP 3) que sirve como punto de anclaje a distintas proteín~s efectoras.
d} Es una enzima imRlicada en el metabolismo de lípidos de
membrana.
IIiiJI ¿En qué se diferencian un receptor de membrana y un receptor
nuclear?
a) El receptor de membrana permanece siempre en ésta y
desde allí transmite la señal. mientras que el receptor nuclear se traslada desde la membrana al núcleo donde inicia la señaL
b} El receptor de membrana activa a proteínas de la membrana mientras que el receptor nuclear activa a proteínas
del núcleo.
e} Las señales de naturaleza polar se unen a receptores de
membrana ya que no pueden atravesar esta barrera,
mientras que moléculas hidrofóbicas pueden llegar hasta
el núcleo y unirse a los receptores nucleares.
d} Ninguna de las opciones es correcta.
e}
ll!IJ Las proteínas G heterotriméricas:
Su forma inactiva consiste en un heterotrímero formado
por las subunidades a, By y,
b} La subunidad a en su estado inactivo está unida a GDP. El
receptor acoplado intercambia este GDP por GTP y la
subunidad a se separa del dímero BYe} Cuando la subunidad a hidroliza el GTP y lo transforma en
GDP se vuelve a reasocia r con el dímero BYd} Todo lo anterior es correcto.
a}
lliD De las siguientes afirmaciones, indíquese la correcta:
La transactivación es el proceso por el que un ligando
permite la asociación de dos receptores con lo que se activan uno al otro.
b) La calcineurina es un receptor que se activa por la unión
de Ca 2•_
e} Las fosfolipasas fosforilan lípidos que actú an como segundos mensajeros.
d} Las proteínas JAK son factores de transcripción que son
activados en el citosol y viajan al núcleo para activar la
expresión génica.
a}
lllD ¿Qué es un segundo mensajero?
Son moléculas presentes en la terminal presináptica que
permiten la transmisión del impulso nervioso de una neurona a la siguiente.
b} En general son pequeñas moléculas que se generan o se
acumulan en el interior de la célula como respuesta a una
determinada señal extracelular. Su pequeño tamaño les
permite difundir por todo el citoplasma y activar diversas
proteínas señalizadoras.
e} Son iones presentes en el retículo endoplásmico que.participan en distintas rutas de señalización al regular la actividad de enzimas y la transmisión del impulso nervioso.
d} Moléculas capaces de introducirse en el núcleo y activar la
expresión de genes necesarios para ejecutar la respuesta
celular.
a}
1liD De las siguientes afirmaciones. indica cuál es la correcta:
a}
- .
:"'
.~
El AMPc es generado por la adenilato ciclasa que es activada por proteínas G (familia Ga s) _
• • ..¡
IIlii!]
La comun icación celular:
a} Es necesaria para la coordinación de todas las células que
componen los órganos y sistemas de un organismo.
b} El impulso nervioso. la liberación de moléculas señal al
torrente sanguíneo o al espacio extracelular y la señalización por contacto se combinan para llevar a cabo de una
manera coordinada todas las funciones del organismo.
e} Las señales desencadenan respuestas celulares al activar
múltiples rutas de señalización intracelulares.
d} Todo lo anterior es correcto.
..
200
SECCIÓN 111. El METABILISMO CELULAR
0 INTRODUCCIÓN
El conocimiento hasta aquí expuesto sobre la composición y la estructura de las
diferentes biomoléculas, aunque de gran utilidad, no resulta suficiente para
comprender el funcionamiento de una célula, especialmente si se quiere entender cómo se forman estas biomoléculas y cómo se obtiene la energía necesaria
para el desarrollo de las diversas funciones vitales que desempeña una célula o
un organismo vivo. Para poder estudiar estos fenómenos hay que centrarse en el
estudio del metabolismo. El metabolismo se podría definir como el conjunto de
reacciones catalizadas mediante enzimas que tienen lugar en un organismo o ser
vivo, especialmente en una célula. Este conjunto de reacciones tienen distintas
finalidades, entre las cuales se podrían destac~r las siguientes:
OEI
!
!
metabolismo se podría definir
como el conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en un organismo o ser vivo.
J
~~
• Obtención de la energía necesaria para realizar las funciones del organismo
a partir de los nutrientes.
• Obtención de las moléculas precursoras o sillares (monómeros) necesarias
para la formación de las macromoléculas (polímeros) endógenas, a partir
de la degradación de macromoléculas exógenas que se ingieren con los nutrientes.
• Formación o síntesis de las macromoléculas endógenas (polisacáridos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) partiendo de las moléculas precursoras. Este proceso suele requerir energía.
• Síntesis y degradación de biomoléculas con funciones especializadas, como
pueden ser vitaminas u hormonas.
El metabolismo, en general, comprende rutas enzimatlcas aparentemente
muy complejas y diversas. Hay que señalar, sin embargo, que las principales rutas centrales del metabolismo son muy similares, cuando no idénticas, en la
mayoría de las formas de vida. Esta generalidad da idea de la importancia de las
rutas metabólicas, puesto que su estudio y comprensión permite entender el
funcionamiento básico y común a gran parte de los seres vivos. Las rutas metabólicas centrales representan un ejemplo coordinado de estrategias de regulación
y economía celular.
0 ASPECTOS GENERALES
Las estrategias tróficas que siguen los seres vivos
c flos seres vivos pueden clasificarse en función de su fuente de energía y del origen del carbono que requieren como nutriente.
Para vivir, todos los seres vivos necesitan fundamentalmente dos requerimientos: energía y materia, principalmente carbono. Por ello los diferentes organismos pueden clasificarse de acuerdo con dos criterios: la fuente de energía que
utilizan y el origen de la forma química del carbono que requieren como nutriente. En función de la fuente de carbono de la que se sirven, se pueden distinguir los siguientes tipos de organismos: autótrofos, que usan como fuente de
carbono el carbono inorgánico (dióxido de carbono, CO z); y heterótrofos, que
emplean como fuente de carbono el carbono orgánico. En función de la fuente
de energía se pueden diferenciar los siguientes tipos de organismos: fotótrofos,
que obtienen la energía directamente de la luz del sol; y ,quimiótrofos, que consiguen la energía a partir de compuestos químicos. Los quimiótrofos suelen
subdividirse en dos grupos dependiendo de si obtienen la energía de reacciones
químicas orgánicas (quimioorgano-) o inorgánicas (quimiolito-).
Combinando los dos criterios de clasificación se pueden sistematizar con
mayor detalle los diferentes organismos en distintos grupos, tal y como muestra
la tabla 11-1:
• Fotoautótrofos, organismos que obtienen la energía directamente de la luz
solar, y que pueden sintetizar sus compuestos celulares a partir de moléculas simples como el COz y el NH 3 , fuentes de carbono y nitrógeno respectivamente. A este grupo pertenecen principalmente las plantas.
• Fotoheterótrofos: organismos que adquieren la energía de la luz sdlar, si
bien necesitan como fuente de carbono compuestos orgánicos. Este grupo
lo constituyen algunos tipos de procariotas.
...
CAPÍTULO .11 . INTRODUCCIÓN Al METABOLISMO
201
Tabla 11-1. Clasificación de los organismos en función de la fuente de energía y de carbono
TIPOS GENERALES DE NUTRICIÓN
Fuente de energía
luz
(Fotótrofos)
Fotoautótrofo
Inorgánica
(Autótrofo)
Fuente de
Carbono
Bacterias fotosi ntéticas
Cianobacterias
Algas
Plantas
Fotoheterót rofo
Orgánica
(Heterótrofo) -
Bacterias
Algas
Reacciones Químicas
(Quimiótrofos)
Com.puestos Organicos
(Organótrofos)
Compuestos lnorganicos
(Litótrofos)
Quimioorganoautótrofo
Quimiolitoautotrofo
Bacterias qu imioautót rofas
Bacterias qui mioa utótrofas
Quimioorganoheterótrofo
Bacterias heterót rofas
Protistas protozoos
Hongos
Anima les
Quimiolitoheterótrofo
Bacterias heterótrofas
Protistas protozoos
Hongos
• Quimiolitoautótrofos o quimiolitótrofos: organismos que obtienen la
energía de las oxidaciones de compuestos químicos inorgánicos como el
NH 3 , SH 2 o el hierrü;-y--l:l·tilizan como fuente de carbono el dióxido de
carbono. Son, generalmente, bacrer.~como las bacterias nitrificantes.
• Quimioorganoautótrofos: se caracterizan por usar carbono inorgánico
aunque obtienen la energía de reacciones químicas orgánicas. También
forman parte de este grupo algunas bacteria aunque es poco común.
• Quimioorganoheterótrofos u organótrofos: oiganismos que extraen tanto
la energía como los átomos de carbono a partir' de compuestos orgánicos,
por tanto, dependen de los autótrofos para existir. Son, principalmente,
los animales, y también la mayoría de los procariotas.
• Quimiolitoheterótrofos: se caracterizan por usar carbono orgánico aunque
obtienen la energía de reaccion es químicas inorgánicas. Fundamentalmente son bacterias, aunque también pueden formar parte de este grupo algunos hongos .
U n tercer criterio de clasificación tiene en cuenta la relación de los seres vivos con el oxígeno molecular (0 2). Existen determinados organismos que solo
pueden vivir en presencia de oxigeno, los llamados aerobios o aerobios estrictos. Otros deben vivir en ausencia total del mismo, los denominados anaerobios
estrictos. Finalmente, algunos seres vivos son capaces de vivir tanto en ausencia
como en presencia de oxigeno, los llamados anaerobios facultativos . Estas diferencias de requerimientos de 0 2 se deben a que, a excepción de los anaerobios
estrictos, los seres vivos pueden utilizar el oxigeno como agente oxidante en la
degradación de los n utrientes. Se puede hablar así de procesos aerobios y anaerobios, e incluso de metabolismo aerobio y anaerobio.
Catabolismo versus Anabolismo
Como se ha comentado con anterioridad el metabolismo es un conjunto de reacciones que permiten cubrir las necesidades vitales de las células y del organismo. En general, las rutas implicadas en el metabolismo se suelen dividir en dos
fases : las llamadas rutas catabólicas o catabolismo y las denominadas rutas anabólicas o anabolismo. Ambos tipos de rutas ocurren simultáneamente en las células, con una regulación independiente. El conjunto de ambas constituye el
metabolism o .
Las dos fases del metabolismo son opuestas (Fig. 11-1). Así, se puede precisar que el catabolism o es una fase degradativa, que sirve para quemar las moléculas que se ingieren como nutrientes, o bien moléculas propias, con objeto de
d
los seres vivos t ambién se clasifi can en func ión de su re lación con
el oxígeno, pudiendo habla r de organi smos aerobios, anaerobios y anaerobios facultativos.
.;_.,
( JEl catabolismo implica las reacciones del metabolismo que son degradativas y que, generalmente, sirven para producir energía.
~l anabolismo implica las reac-
ciones del metabolismo que son sintetizadoras y que, generalmente, requ ieren energía.
202
SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR
NUTRIENTES
Hidratos de carbono
Lípidos
Proteínas
Catabolismo
PRODUCTOS DE
DEGRADACIÓN
C0 2
H20
NH 3
METABOLITOS
INTERMEDIARIOS
MOLÉCULAS
PRECURSORAS
MACROMOLÉCULAS
Figura 11 -1. Estrategia básica del metabolismo. Papel del ATP, NADP+, NAD+ y FAD en
el metabolismo como transportadores de
energía y electrones.
Proteínas
Hidratos de carbono
Lípidos
Ácidos nucleicos
Anabolismo
Aminoácidos
Monosacáridos
Glicerol
Ácidos grasos
Acetil CoA
Bases nitrogenadas
producir energía química, tanto en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP),
como en forma de moléculas con poder reductor (FADH 2 , NADH y NADPH) ,
originando una serie de productos de desecho (a destacar C0 2 , H 2 0 y NH¡).
De las rutas catabólicas también se obtienen moléculas precursoras o intermediarias a partir de la degradación de macromoléculas. En general, el catabolismo
es convergente; es decir, a partir de moléculas muy dispares, se acaba obteniendo una serie limitada de moléculas intermediarias o precursoras, así como una
serie limitada de moléculas energéticas.
El anabolismo es, en cambio, una etapa biosintetizadora o creadora, en la
cual, a partir de una serie limitada de moléculas sencillas -como por ejemplo,
acetil CoA, piruvato, aminoácidos, ácidos grasos o azucares-, se sintetizan moléculas más complejas -como ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos o lípidos-. Esta fase sintetizadora suele requerir importantes cantidades de energía,
ya sea en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP) o como moléculas con
poder reductor (FADH 2 , NADH y NADPH) que proceden de las rutas catabólicas. El anabolismo también implica una serie de rutas metabólicás que permiten la fijación de energía y carbono desde fuentes que no son compuestos orgánicos. Entre estas rutas destaca la fotosíntesis, un complejo proceso por el que se
fija la energía de la luz y el
en compuestos orgánicos, concretamente azúcares. En general, se puede afirmar que el anabolismo es divergente; a partir de
una serie limitada de moléculas intermediarias o precursoras, se genera una gran
cantidad de macromoléculas y de naturaleza muy dispar: ·
Las rutas catabólicas y anabólicas, aunque opuestas, no son exactamente inversas. De hecho pueden presentar algunos pasos comunes, pero siempre existen
reacciones que las diferencian y que .permiten realizar dichas rutas con la mayor
eficiencia posible. Además estos pasos diferenciales permiten una regulación independiente de cada una de estas rutas, puesto que están controladas enzimáticamente por catalizadores diferentes, y además pueden estar ocurriendo en localizaciones distintas dentro de la célula eucariota.
co2
c flas rutas del catabolismo y del
anabolismo no son exactamente inversas.
Implicaciones termodinámicas
El catabolismo y el anabolismo están estrechamente relacionados, sob\ e todo a .
nivel energético, puesto que el catabolismo es el que aporta la energía necesaria
para las reacCiones ·llevadas a cabo en las rutas anabólicas. Así, por ejemplo,
CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN Al METABOLISMO
cuando una molécula de glucosa se degrada totalmente a dióxido de carbono y
agua, proporciona por cada mol aproximadamente unas 686 kcal. Debido a que
el calor no puede utilizarse por los seres vivos como fuente de energía, la energía
que libera la degradación de la glucosa en una célula se conserva en forma de
energía química inherente a los enlaces covalentes de los grupos fosfato de los
nucleótidos trifosfato. Hay que recordar que el ATP se genera a partir de nucleótidos difosfato y de fosfato inorgánico (PJ mediante reacciones acopladas a
las etapas exergónicas del catabolismo controladas enzimáticamente. El A TP así
formado puede emplearse como moneda de intercambio energético, ya que puede difundir hacia aquellos lugares de la célula en los que se necesita energía,
constituyendo una forma de transporte de la energía libre (véase capítulo 7).
Los electrones constituyen otro vehículo importante para la transferencia de
energía química procedente de las reacciones oxidativas del catabolismo a las
reacciones reductoras del anabolismo que precisan de tal energía. Para la biosíntesis de moléculas muy reducidas -es decir, muy ricas en hidrógeno como, por
ejemplo, los ácidos grasos- se necesitan electrones. Los electrones se transportan desde las reacciones de oxidación del catabolismo, que son las que los liberan, hasta las reacciones que los requieren, reacciones tales como la reducción de
dobles enlaces carbono-carbono a enlaces simples. Este trasiego de electrones se
consigue mediante coenzimas transportadoras de electrones, entre las que se
puede destacar el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADP+), que
actúa como vehículo biológico de electrones (en forma de NADPH) desde las
reacciones catabólicas hasta las reacciones anabólicas que precisan _electrones
(véanse capítulos 6 y 7). También habría que destacar otras coenzimas transportadoras de electrones como el NADH y el FADH 2 , que permiten la síntesis de
ATP en la mitocondria a través de la cadena transportadora de electrones (véase
capítulo 13).
0
203
o -Existe una importante interrelación entre el catabolismo y el anabolismo, ya que el catabolismo aporta
la energía y los elementos que empleará el anabolismo en la síntesis de
macromoléculas.
LAS RUTAS METABÓLICAS ESTÁN INTERCONECTADAS
Todas las reacciones del metabolismo están estrechamente relacionadas e interconectadas de tal manera que la separación entre catabolismo y anabolismo es
una separación, más que nada, formal. En las células, ambas fases se desarrollan
simultáneamente en el tiempo y en el espacio, si bien esa separación formal perm ite una mejor y más sencilla comprensión del metabolismo. Cada ruta catabólica y anabólica está formada por numerosas reacciones enzimáticas consecutivas
que, además, permiten la interconexión con otras rutas distintas. Para facilitar el
estudio y la comprensión de las rutas metabólicas, el metabolismo se divide clásicamente en varias etapas: tres para el catabolismo y tres para el anabolismo
(Fig. 11-2).
Las tres etapas del catabolismo
Las etapas del catabolismo se muestran en la figura 11-3.
Etapa 1: comprende la digestión de las grandes macromoléculas o biopolímeros
a sus moléculas precursoras o sillares químicos. Así, por ejemplo, los polisacáridos se degradan rindiendo monosacáridos, y las proteínas darán los aminoácidos
que la constituyen. En esta etapa se encuentran los procesos digestivos de los
nutrientes que se ingieren, así como otras rutas metabólicas muy importantes.
Por ejemplo, la degradación del glucógeno o glucogenólisis, y el recambio proteico de las proteínas.
Etapa 11: las moléculas sillares o monómeros, es decir, los productos de la etapa
anterior, se convierten en un reducido número de especies metabólicas intermediarias más sencillas. Así, productos como monosacáridos, glicerol y algunos
aminoácidos se degradan hasta dar piruvato, molécula intermediaria· de tres carbonos que, posteriormente, rendirá una especie de dos carbonos: el grupo acetilo del acetil CoA. De igual forma, los ácidos grasos y el resto de aminoácidos se
hidrolizan hasta dar acetil CoA y unos pocos productos finales diferentes. En
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204
SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR
Citoplasma
¡
!
a
Anabolismo
Catabolismo
Flujo de e-
Figura 11-2. Visión general del metabolismo.
esta etapa se pueden destacar varias rutas metabólicas: por un lado, la glucólisis,
ruta por. la cual la glucosa y otras hexosas se degradan a piruvato, y posteriormente a acetil CoA a través de la descarboxilación oxidativa del piruvato; por
otro lado, cabría destacar el proceso de degradación de los ácidos grasos cb múnmente denominado ¡3-oxidaGión, que también acaba rindiendo acetil CoA en las
mitocondrias.
CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
205
Nutrientes
ETAPA 1
Biopolímeros
Glucogenólisis
Lipólisis
Monómeros
ETAPA 11
Tran saminación/
Desaminación
Intermediarios
2-3C
ETAPA 111
Citoplasma
Mitocondria
Etapa 111: en esta última etapa, tanto el grupo acetilo del acetil CoA como los
demás productos de la etapa anterior se canalizan hacia una ruta catabólica final
común, en la que, en último término, pueden ser oxidados, dando dióxido de
carbono y agua. En esta etapa se encuentra el ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos
tricarboxílicos, así como la cadena transportadora de electrones. La cadena
transportadora de electrones sirve para producir grandes cantidades de energía
en forma de ATP, gracias a la oxidación de las coenzimas NADH y FADH 2 ,
que se originan en las rutas del catabolismo, especialmente en la glucólisis,
~-oxidación y ciclo de Krebs. Una de las principales finalidades de esta última
etapa del catabolismo es la producción de energía, mientras que en las etapas
anteriores, aunque también se produce energía, el principal objetivo es la degradación de moléculas complejas en otras más sencillas.
Figura 11 -3. Visión general del metabolismo. Etapas del catabolismo. En la Etapa 1
los polímeros se degradan en monómeros
que son absorbidos por las células y comienzan, en la etapa 11, su degradación a compuesto intermediarios. En la Etapa 111, en la
mitocondria, se produce la oxidación completa de las moléculas y la obtención de
energía.
.....
206
SECCIÓN 111. El METABiliSMO CElUlAR
Las tres etapas del anabolismo
Las etapas del anabolismo se representan en la figura 11-4.
c fEl ciclo de Krebs es una ruta
central anfibólica, es decir, que puede servir tanto para el catabolismo
como para el anabolismo.
-----~'
Etapa 1: esta etapa del anabolis~o implica también al ciclo de Krebs, que constituye un ,nexo de unión entre catabolismo y anabolismo. Por ello, a esta ruta
central comú~ se la designa como anfihólica, lo que quiere decir que puede servir tanto para el catabolismo como para el anabolismo, en función de cómo se
emplee. Así, la ruta puede utilizarse catabólicamente para producir la degradacíón completa de pequeñas moléculas que se derivan de la fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar pequeñas moléculas como precursores para las reacciones biosintéticas. En esta etapa I, también se encuentran
otra serie de rutas metabólicas, sobre todo de organismos autótrofos, que utilizan diferentes fuentes de energía para poder fijar moléculas de co2en moléculas orgánicas. Destaca en este aspecto la ruta llevada a cabo por los organismos
fotoautótrofos, la fotosíntesis, que sirve para aprovechar la energía solar y poder
fijar posteriormente C0 2 en forma de hexosas, a través del ciclo de Calvin.
Etapa 11: supone la transformación de los metabolitos intermediarios obtenidos
en la etapa II en moléculas sillares o monómeros. Pertenecen a esta etapa~a ruta
ETAPA 111
Síntesis de
proteínas
ETAPA 11
ETAPA 1
Figura 11-4. Visión general del metabolismo. Etapas del anabolismo. La Etapa 1 comienza síntesis de compuestos intermediarios, que en la Etapa 11 se transforman en
monómeros que posteriormente en la Etapa
111 polimerizan obteniendo macromoléculas.
CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
207
d e síntesis de ácidos grasos a partir de acetil CoA; la gluconeogénesis o ruta que
sirve para formar glucosa a partir de piruvato; y la síntesis de aminoácidos a partir de intermediarios del ciclo de Krebs.
Etapa 111: esta etapa comprende la biosíntesis de macromoléculas a partir de las
m oléculas sillares o precurs·oras obtenidas en la etapa II del anabolismo o en la
etapa I del catabolismo. Así, por ejemplo, a partir de los aminoácidos se obtienen polipéptidos y proteínas a través de la biosíntesis de proteínas, y se generan
polisacáridos como, por ejemplo, el glucógeno, a partir de la glucosa por la ruta
de la glucogenogénesis.
0
c fEl ciclo de Krebs es una ruta
central anfibólica, es decir, que puede servir tanto para el catabolismo
como para el anabolismo.
CONTROL DEL METABOLISMO
C omo se ha comentado con anterioridad, el princrpw de la máxima eficacia
preside todos los aspectos del metabolismo, sobre todo en el aspecto de minimizar los gastos energéticos. Esta máxima eficacia se consigue ejerciendo un control y una regulación precisa y constante. En realidad, de forma general, se puede simplificar diciendo que el ritmo metabólico se controla por las necesidades
energéticas de la célula. Así, la velocidad del catabolismo viene controlada por
las necesidades de ATP de la célula en cada momento, y no por la concentración de sustratos. Las células sólo consumen su combustible, los nutrientes, para
p roporcionar la energía necesaria con la que cubrir las actividades que se precisan en un instante determinado. De forma similar, la velocidad de biosíntesis de
los componentes celulares se ajusta a las necesidades inmediatas.
Los niveles de regulación y control del metabolismo
Los diferentes mecanismos que controlan la actividad de cualquier ruta metabólica, es decir, la regulación, puede ocurrir a diversos niveles:
• Primer nivel: control de la cantidad de enzima que regulará la velocidad
de reacción de cada una de las reacciones enzimáticas de la ruta. Este control se realiza principalmente a través de dos mecanismos distintos: por un
lado, el control genético de la velocidad de síntesis de la enzima; y, por
otro lado, el control de la velocidad de degradación de la enzima. Las enzimas que están siempre en cantidades casi constantes en una determinada
célula reciben el nombre de enzimas constitutivas, mientras que aquellas
que se sintetizan ,s olamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos
se llaman enzimas inducibles. Un ejemplo de este nivel de control es la
regulación génica sobre la hidroximetilglutaril CoA reductasa, enzima clave en la síntesis del colesterol (véase capítulo l4), sobre la cual se ejerce un
fuerte control genético, tanto sobre la velocidad de síntesis del mRNA,
como sobre la velocidad de traducción del mismo.
• Segundo nivel: control de la actividad de la enzima. Este control puede
llevarse a cabo por mecanismos comunes tales como las concentraciones
intracelulares de sustratos o productos y del cofactor, el pH o la temperatura (véase capítulo 8). O bien puede ocurrir por mecanismos específicos:
como se estudió en el capítulo de enzimología, la actividad puede regularse
de forma muy sensible gracias a las enzimas reguladoras. Muchas enzimas
resultan inhibidas por el producto final de la reacción, mientras que otras
se estimulan o inhiben por algún metabolito o cofactor. También las enzimas pueden sufrir procesos de modificación covalente como respuesta de
otras proteínas reguladoras. Por ejemplo, la hexoquinasa, primera enzima
regulada de la glucólisis (véase capítulo 12), presenta una inhibición por su
producto, la glucosa-6-fosfato, de tal forma que dicho factor de regulación
permite controlar la cantidad de glucosa que se almacena en la célula.
• Tercer nivel: compartimentalización celular. La existencia de diferentes
orgánulos dentro de una célula eucariota permite un control del metabolismo basado en la distribución espacial y en la existencia de barreras físicas
(membranas), que controlan el trasiego y la disponibilidad de sustratos,
cofactores y enzimas en cada momento y lugar. Este fenómeno lleva a la
c fEl control de los procesos metabólicos, puede realizarse sobre la
cantidad de enzima, sobre la actividad de la enzima y sobre la localización de la enzima.
208
SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR·
d El control de los procesos metabólicos puede realizarse sobre la
cantidad de enzima, sobre la actividad de la enzima y sobre la localización de la misma.
especialización de diferentes orgánulos, como, por ejemplo, los cloroplast9s con relación a la fotosíntesis, o la mitocondria con relación a la producción de energía y de procesos principalmente catabólicos: cadéna transport~dora de electr~mes, ciclo de Krebs y ~-oxidación. También se puede
· generalizar esta corripartimentalización a un nivel tisular, de tal manera
· que los diferentes tejidos se especializan y hay determin~dos procesos me. tab9licos que se dan únicamente en algunos tejidos como, por ejemplo, la
gluconeogénesis que ocurre casi exclusivamente en el tejido hepático. Al
hablar de la C01Ilpartimentalizacióri hay que destacar la actuación de las
isoenzimas (Recuadro 11-1).
.• ·cuarto nivel: controÍ hormonal. En organismos inás complejos, normalmente pluricelulares, ~ay que resaltar un último nivel de regulación: el que
ejercen las hormonas, mo~éculas sintetizadas y secretadas por diferentes
glándulas endocrinas, que actúan como mensajeros químicos. Estos compuestos, de distintas naturalezas, se trasladan desde su lugar de origen, por
la sangre, hasta ciertos órganos o tejidos donde estimulan o inhiben de forma 'específica determinadas rutas metabólicas. El mecanismo de regulación
hormonal se produce por su actuación sobre la actividad de enzimas clave
de dichas rutas, normalmente a través de una modificación covalente reversible, siendo la fosforilación-desfosforilación el mecanismo más _habitual.
Así, por ejemplo, el glucagón, una hormona peptídica sintetizada en el páncreas y formada por 29 aminoácidos, controla los niveles de glucosa en
sangre mediante la activación e inhibición de distintas rutas metabólicas de
los hidratos de carbono (véase capítulo 12). Cuando el organismo requiere
más azúcar en la sangre, las células alfa del páncreas elaboran glucagón. Esta
hormona moviliza las reservas de glucosa presentes en el hígado en forma
de glucógeno, al activar la glucogenólisis, y también favorece la síntesis de
nuevas moléculas de glucosa al potenciar igualmente la gluconeogénesis
hepática. El glucagón activa a nivel celular una proteína quinasa dependiente del mensajero AMPc, la cual fosforila varias enzimas, activándolas o inhibiéndolas, y de esta forma favorece una rutas metabólicas y bloquea otras
(véase capítulo lO) . De esta manera, una de las consecuencias de la secreción
de glucagón es la disminución de la fructosa-2,6-bifosfato por fosforilación
de la fosfofructoquinasa-2 o PFK-2/FBPasa-2, enzima cuya forma fosforilada presenta activi~ad quinasa rompiendo la fructosa-2,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato. El descenso de los niveles de fructosa 2,6-bifosfato favorece
la activación de la gluconeogénesis y la inhibición de la glucólisis.
Recuadro 11-1. lsoenzimas. Lactato deshidrogenasa
Las isoenzimas son isoformas (variantes moleculares estrechamente relacionadas) de las enzimas. Normalmente las isoenzimas son enzimas que
difieren entre sí ligeramente en su secuencia de aminoácidos, pero catalizan la misma reacción química.
La lactato deshidrogenasa (LDH. de 140 kDa) cataliza de forma reversible la transformación de piruvato en lactato, reacción típica de la fermentación homoláctica. Dicha enzima esta formada por cuatro subunidades, cada una de unos 35 kDa. Se conocen dos tipos de subunidades: H y M,
que presentan pequeñas diferencias en su secuencia -de aminoácidos. Estas diferencias en la secuencia provocan que la subunidades H se inhiban por piruvato, mientras que las subunidades M no resultan inhibidas por el piruvato. Ambas subunidades pueden asociarse independientemente para formar tetrámeros, dando lugar a cinco isoenzimas (isoformas de· la enzima) , correspondientes a las cinco combinaciones posibles,
cada una de las cuales se encuentra preferentemente en determinados tejidos.
•
•
•
•
•
LDH-1
LDH-2
LDH-3
LDH-'4
LDH-5
(H4): principalmente en el corazón.
(H3M): principalmente en eritrocitos y cerebro:
(H2M2): principalmente en leucocitos y cerebro.
(HM3): principalmente en el páncreas.
(M4): principalmente en el hígado y músculo esquelético.
La asociación de las subunidades para formar tetrámeros es aleatoria, por lo que la composición isoenzimática de un tejido está determinada
esencialmente por el nivel de expresión de· cada uno de los genes que codifican las subunidades H y M. Cada una de las isoenzimas, en función
de la proporción de la subunidad H y M, presenta diferencias en su actuación, sobre todo en cuanto a la inhibición inducida por el piruvato. Así,
la isoenzima LDH-1 es muy sensible a los niveles de piruvato mientras que la isoenzima LDH-5 es insensible. Esta diferencia provoca que, bajo las
mismas condiciones, una de las 'formas pueda ser inactiva mientras que la otra sea muy activa, permitiendo de tal manera un control diferencial
en función del tejido.
La LDH también es útil en el diagnostico de diversas patologías, pues dicha enzima pasa a la sangre tras la destrucción de ciertos tejidos, bien
sea por una causa traumática, infecciosa o neoplásica. De esta forma , su elevación en el suero es un signo inespecífico de organicidad de un
proceso, es decir, de que un órgano o tejido ha sido lesionado. A pesar de la inespecificidad del signo, es de gran utilidad en diversas patologías,
como por ejemplo para el diagnostico de fallos cardíacos, donde el incremento de la LDH-1 se relaciona fácilmente con infartos.
CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
La localización intracelular del metabolismo
209
~n
las células eucariotas, la existencia de diferentes compartimentos
En las células eucariotas, la existencia de diferentes orgánulos y compartimentos
intracelulares, permite la distribución espacial de las diferentes rutas metabólicas, lo cual facilita el desarrollo de un control por compartimentalización tal y
como se ha comentado anteriormente. En la figura 11-5 se representan los principales orgánulos de una célula eucariota arquetípica y se indican las principales
funciones y rutas metabólicas que se originan en cada una de estos orgánulos o
compartimentos. Cabe destacar el citoplasma o citosol, donde se originan la
glucólisis (ruta dedicada a la degradación de monosacáridos con la fi~alidad de
obtener energía), la síntesis de ácidos grasos (ruta básica para la posterior síntesis
de lípidos saponificables) o las fermentaciones (especialménte la fermentación
homoláctica, ruta que, en el caso de los animales y el ser humano, son de utilidad para evitar el bloqueo de la ruta de la glucólisis) . También debe resaltarse la
mitocondria, en cuya matriz se produce el ciclo de Krebs (ruta central del metabolismo, de gran importancia porque en ella confluyen las rutas metabólicas de
las principales biomoléculas tales como los hidratos de carbono, los lípidos y los /
intracelulares (orgánulos) permite la
distribución espacial de las rutas metabólicas entre dichos compartimientos, favoreciendo el control de los
procesos metabólicos.
Centriolos
Mitocondria:
Ciclo de Krebs
Fosforilación oxidativa
Usoso mas
peroxisomas
Retículo endoplásmico liso:
Síntesis de lípidos
Núcleo:
Síntesis de DNA
Síntesis de tRNA y mRNA
Membrama plasmática:
Protección
Transporte de sustancias
~-~~~f-::::::==-
Ribosomas:
Síntesis de proteínas
Citosol:
Glucólisis
Gluconeogénesis
Síntesis ácidos grasos
Fermentaciones
Retículo endoplásmico rugoso:
Síntesis y maduración de proteínas
Nucleolo:
Síntesis de RNA ribosómico
Figura 11-5. Localización de algunas de las rutas metabólicas en una célula arquetípica. Con cortesía de Editorial Hélice.
Recuadro 11-2. Métodos de estudio de las rutas metabólicas
Cuando se estudia el metabolismo se hace necesario conocer los intermediarios metabólicos, las
Hay tres formas clásicas para estudiar el metabolismo:
en~¡mas
implicadas en la ruta y su regulación .
'
• Aislamiento y caracterización de las enzimas y los intermediarios implicados en la ruta. Se utilizan principalmente. técnicas de HPLC o proteómica a través de análisis bidimensionales en geles de electroforesis. También se trabaja con fracciones o subfracciones celulares, principal. mente obtenidas con técnicas de ultracentrifugación.
• Uso de mutantes auxótrofos, es decir, mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir. Su estudio permite
determinar el orden en que se suceden los metabolitos de la ruta. También se emplean mutantes con deficiencias genéticas en alguna de las
enzimas implicadas en la ruta, o enfermos con algún defeeto genético, debido a que los fallos llevan a la acumulación de los intermediarios
metabólicos.
• Uso de precursores isotópicamente marcados (los isótopos son elementos con el mismo número atómico pero con distinta masa atómica).
Por ejemplo, los isótopos radiactivos son fácilmente detectables porque son inestables y emiten partículas subatómicas 2 P, 14C y 3 H). La resonancia magnética nuclear (RMN) detecta isótopos específicos por las caraGterísticas de su espín nuclear CH. 13 C, 31 P). Esto permite realizar
un rastreo y seguimiento de lobteAerompuestos a través de una o varias rutas metabólicas.
e
210
SECCIÓN III: EL METABILISMO CELULAR
compuestos nitrogenados, principalmente aminoácidos) y en cuya membrana
interna se produce la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa (rutas de suma importancia en la producción de energía a nivel celular,
debido a que permiten transformar la energía obtenida en la reacciones rédox
-y fijada en las moléculas de NADH + H+ y FADH 2 - en energía en forma de
ATP, fácilmente utilizable por la célula para todo tipo de reacciones y trabajos
celulares, 'tales como la contracción muscular). El conocimiento de la existencia
y de la importancia de la separación en compartimentos celulares se ha obtenido
gracias a trabajos de investigación que se realizan con distintas fracciones celulares. En el recuadro 11-2 se comentan algunas de las técnicas, métodos y herramientas empleadas para el estudio de las rutas metabólicas y de su localización.
CONCEPTOS CLAVE
El metabolismo es el conjunto de reacciones catalizadas enzimáticamente que tienen lugar en un organismo, con
las finalidades de obtener energía, obtención de moléculas precursoras y sintetizar macromoléculas. Se puede dividir en dos fases: el catabolismo, que es una ruta degradativa y convergente y que, por lo tanto, produce ener~ía; y
el anabolismo, ruta biosintetizadora, divergente y que requiere energía.
o
Etapas del catabolismo:
1: de macromoléculas a moléculas sillares.
11: de moléculas sillares a moléculas intermediarias.
111: degradación de las moléculas intermediarias.
o
Etapas del anabolismo:
1: suministro de moléculas intermediarias y fijación de la energía de los fotones.
11: de moléculas intermediarias a moléculas sillares.
111: de moléculas sillares a macromoléculas.
o
Existen varios niveles de control metabólico para obtener el máximo de eficacia así como un control sobre las distintas rutas metabólicas:
-
0
Control de la cantidad de enzima.
Control de la actividad de la enzima.
Compartimentalización celular. ·
Control ho-rmonal.
EJERCICIOS
1111 Complete el siguiente crucigrama:
VERTICALES:
1.
Fase del metabolismo degradativa, que sirve para quemar las moléculas que ingerimos como nutrientes o bien moléculas propias,
para producir energía química.
3.
Fase del metabolismo biosintetizadora, en la cual a partir de una serie limitada de moléculas sencillas obtenemos moléculas más
complejas.
4.
Enzimas que se sintetizan solamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos.
S.
Organismos que obtienen la energía de la luz solar y pueden sintetizar sus compuestos celulares a partir de moléculas simples
como el C0 2 y el NH 3•
6.
¿Qué es a la vez catabólico y anabólico?
HORIZONTALES:
2.
Tipo de control del metabolismo basado en la existencia de distintas partes (órganos, tejidos, orgánulos) y barreras en el organismo.
7.
Organismos mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir.
8.
Organismos que obtienen la energía y los átomos de carbono de compuestos orgánicos.
9.
Organismos que usan como fuente de carbono el carbono inorgánico.
CAPÍTULO 11 : INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
0
21 J
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
liD Un organismo quimiótrofo es aquel que obtiene:
a)
b)
e)
d)
La energía de la luz del sol.
El carbono de una fuente de carbono inorgánico.
La energía de compuestos químicos.
La energía del sol y el carbono de una fuente de carbono
inorgánico.
1111 Un organismo fotótrofo es aquel que obtiene:
a)
b)
e)
d)
La energía de la luz del sol.
El carbono de una fuente de carbono inorgánico.
El carbono de una fuente de carbono orgánico.
La energía del sol y el carbono de una fuente de carbono
inorgánico.
I I I J interretacionando el catabolismo y el anabolismo, se 'puede(n)
encontrar:
a) Diversas biomotécutas, sobre todo sillares y moléculas intermediarias.
b) Transportadores de electrones, como el NADH + W.
e) Moléculas trifosfato como el ATP ,
d) Todas son verdaderas.
1111 Respecto a las fases del metabolismo:
La fase 11 del anabolismo implica la biosíntesis de las macromotécutas.
b) La fase 111 del anabolismo implica el ciclo de Krebs.
e) La fase 1 del anabolismo implica la fotosíntesis.
d) La fase 111 del anabolismo implica la degradación de tás
macromotécutas.
a)
III:J Respecto a las partes del 1\letabolismo:
a) El ciclo de Krebs es exclusivo del catabolismo.
b) El catabolismo es una fase degradativa del metabolismo
en la que se consume energía.
e) El catabolismo es una fase degradativa del metabolismo
en la que se libera energía.
d) El catabolismo es una fase de síntesis del metabolismo en
la que se libera energía.
111'1 Respecto a la fase 11 del anabolismo:
a) En dicha fase interviene el ciclo de Krebs.
b) Implica la transformación de macromotécutas a moléculas
·
·
sillares.
e) Implica la transformación de moléculas intermediarias a
moléculas sillares.
d) Un ejemplo de esta fase es la gtucogeñogénesis.
,¡>"'
IJD Respecto a las fas~!ÍI del catabolismo:
a) En dicha fase interviene el ciclo de Krebs.
b) Implica la transformación de macromotécutas a moléculas
sillares.
e) Implica la transformación de moléculas sillares a moléculas intermediarias.
d) Un ejemplo de esta fase es la gtucogenólisis.
1111 El carácter anfibólico del ciclo de Krebs hace referencia:
A una serie de reacciones de repuesto de tos intermedia·
rios del ciclo de Krebs.
b) A que el éido· de Krebs sirve para prodücir aminoácidos.
a)
212
SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR
e) _A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía.
d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos
catabólicos como anabólicos.
Suele implicar una modificación covalente por fosforilación-desfosforilación de un enzima.
d) Todas son verdaderas.
lliiiJ La existencia de diversos orgánulos permite un control por:
1011 El control hormonal:
Es típico de organismo complejos. normalmente pluricelulares.
b) Normalmente actúa mediante la modificación de la actividad de una enzima .
a)
.
e)
a)
b)
e)
d)
Actividad de la enzima.
Hormonas.
Factores alostéricos.
Compartimentalización.
•'
~--
'-
\
METABOLISMO DE LOS HIDRATOS
DE CARBONO
o
CONTENIDOS
o Introducción
o Digestión de azúcares de la
dieta
o La glucólisis
o La gluconeogénesis
o Destino del piruvato
o La ruta de las pentosas
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Tener una visión general del metabolismo de los hidratos de carbono.
o Conocer y entender las principales rutas relacionadas con la glucosa,
así como de otros monosacáridos.
o Tener un conocimiento general sobre cómo se obtiene energía y poder reductor a partir de los hidratos de carbono.
o Entender los procesos de regulación de las rutas metabólicas de los
hidratos de carbono y conocer cuáles son los principales factores que
influyen en su activación o inhibición.
fosfato
o El metabolismo del
glucógeno
En este capítulo, que trata del metabolismo de los hidratos de
carbono , se estudian las diferentes rutas que utilizan los organismos y sus células para obtener energía y otras moléculas a
partir de los sacáridos, principalmente a partir de la glucosa. Se
destaca una de las rutas clave de este tipo de biomoléculas: la
ruta de la glucólisis.
Se ha optado por elegirlo como primer capítulo del bloque dedicado a las principales rutas metabólicas, porque los carbohidratos son la principal fuente de energía de la mayoría de las
células, siendo, por tanto, vital el conocimiento de dichas rutas
para una mejor comprensión del metabolismo celular. Además,
se ha querido mantener un orden similar al seguido en la sección 1, donde se empezó igualmente por el estudio de los hidratos de carbono, debido a su menor}"complejidad química.
En este capítulo se explican las rutas metabólicas de los hidratos
de carbono y se resalta, desde un punto de vista fisiológico, su
importancia en el mantenimiento de los niveles de glucosa en
sangre. La regulación de la glucemia es de extrema importancia
para mantener un nivel energético óptimo en el organismo, de
tal forma que todas las células puedan alimentarse adecuadamente y cumplir sus funciones con efectividad .
llil.lQTiQA FYN9AQ~ RES
214
SECCIÓN IIJ . · EL METABOLISMO CElULAR .
0
INTRODUCCIÓN
El ·metabolismo de ·los hidratos de carbono· es una de las principales rutas del
metabolismo· celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para
la célula, destaca uho principalmente, la glucosa que, como ya se ha visto en el
capítulo '2, es la base de muchos polisacáridos. La glucosa desempeñ:a un papel
central en el ·metabolismo de los hidratos de carbono, de tal forma que el presente capítulo se articula en torno al estudio de las rutas metabólicas de esta
hexosa1 aunque también se vinculará con las rútas ·de diferentes azúcares presentes en la dieta y en el organismo.· .
· Las principales rutas metabólicas que se van a estudiar están relacionadas estrechamente con la producción de energía y de poder reductor, ya que la energía
que se utiliza normalmente procede principalmente del metabolismo de los azúcares, sobre todo de la glucosa. En la figura 12-1, se presentan las principales
vías del metabolismo de la glucosa que se irán desarrollando a lo largo de este
capítulo:
• Las rutas relacionadas con el glucógeno, polisacárido de reserva energética
a corto plazo en los animales. Es de gran importancia para mantener un
correcto estatus energético en el organismo, especialmente en músculo e
hígado. La glucogenólisis comprende las reacciones de degra dación,
mientras que la glucogenogénesis incluye las vías de síntesis a partir de la
glucosa.
1 ~
1.
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1
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Polímeros
Glucógeno
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Monómeros
-o-P-0-C - H
~
Citopla~a
~OH
H H
H
vía pentosas
fosfato
H
OH
OH
Ribosa-5-P
¡ ANbolismo
!
CataboUsmo
a flujo de!"
..
.
OH
1
Figura 12-1. Principales rutas metabólicas
de la glucosa.
..
~
lactato
o
O
/j
CH 3 -C-c\
o-
/j
eH 3 -c-e
11
o
\
Piruvato
o-
Intermediarios
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE .LOS HIDRATOS DE CARBONO
215
• Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas la principal ruta
catabólica es la glucólisis, ruta degradativa de la glucosa que sirve para obtener energía de esta molécula y también de otras hexosas y m.o~;wsacári~
dos. La gluconeogénesis e~ la principal ruta a11abólica que sinteti;za glucosa
a partir de intermediarios metabólicos. La ruta de las pentosas fosfa~o es la
principal fuente de obtención de poder reductor en forma de NADPH, ,
aunque también es de gran interés d€:bido a que permite obtener una gran
variedad de monosacáridos.
• Como intermediario metabólico, el piruvato juega un. impqrtante papel
como vía de entrada en las rutas catabólicas de fermentacione$ (láctica y
alcohólica) y la descarboxilación oxidativa del piruvato. Tarp.bién servirá
de sustrato para la síntesis de glucosa.
El análisis de este conjunto de rutas se completará con el estudio del proceso
digestivo de los hidratos de carbono, ya que en el caso de los seres humanos y de
los animales, organismos organótrofos, la ingesta de azúcares, sobre todo"polisacáridos de la dieta, constituye la principal fuente de hidratos de carbono. Aunque estos organismos pueden sintetizar az.úcares. a partir de moléculas intermediarias, principalmente a través de la gluconeogépesis, esta capacidad es relativamente poco importante en comparación con el aporte de azúcares d~ su dieta y,
sobre todo, si se compara con la gran cantidad de azúcares que sintetiza cualquier organismo autótrofo como, por ejemplo, las plantas, a partir de moléculas
sencillas.
0
DIGESTIÓN DE AZÚCARES DE LA -DIETA
Clasificación de los hidratos de carbono según su digestión
En función de su comportamiento durante el proceso de digestión en organismos superiores, los hidratos de carbono se pueden dividir en dos grandes grupos: hidratos de carbono no digeribles e hidratos de carbono digeribles. Los
primeros son los que, comúnmente, se conocen con el nombre de fibra de la
dieta o fibra alimentaria que, en su mayoría, son polisacáridos complejos que
no se pueden digerir porque el organismo no posee las enzimas necesarias para
hidrolizar los enlaces que unen los distintos monosacáridos. Entre estos compuestos podemos destacar la celulosa y otros heteropolisacáridos vegetales como
la inulina (fructano) o compuestos como el agar, derivados de algas marinas.
No obstante, a pesar de que la fibra alimentaria no tiene un papel como nutriente (al no poder ser digerida y asimilada por el organismo), desempeña diversas funciones fisiológicas importantes, como estimular la peristalsis intestinal
y facilitar el correcto tránsito intestinal. Entre otros beneficios, se puede destacar
que la fibra ralentiza el vaciamiento gástrico y aumenta su distensión, prolongando la sensación de saciedad: esto provoca una disminución en la absqrción
de glucosa, lípidos y aminoácidos, que ayuda a regular los niveles glucémicos y
de colesterol.
Dentro de los hidratos de carbono digeribles, hay que destacar el papel del
almidón, principal hidrato de carbono de la dieta: se estima que puede representar hasta un 50% de las calorías consumidas por un organismo. Cabe recordar
que la existencia de dos tipos de estructuras en el almidón, amilosa y amilopectina, implican una mayor complejidad a la hora de poder digerir y asimilar totalmente los monosacáridos del almidón; además, también tienen mucha importancia en la dieta ciertos productos derivados del almidón como pueden ser
las dextrinas. Otros hidratos de carbono que presentan gran importancia en la
dieta son los disacáridos, principalmente la sacarosa y la lactosa, así como otros
polisacáridos como el glucógeno. En general, el proceso digestivo de los hidratos
de carbono implica la transformación del azúcar en sus constituyentes básicos,
es decir, los monosacáridos, a través de enzimas digestivas específicas. Estos monosacáridos posteriormente serán asimilados por la acción de transportadores
específicos a nivel intestinal. Relacionadas con los procesos digestivos de los hidratos de carbono y su absorción, se encuentran diversas patologías conocidas
normalmente como intolerancias alimenticias.
/'
c:Jlos hidratos de carbono de la
dieta se pueden dividir en dos grand"es grupos, hidratos de carbono no
digeribles (fibra) e hidratos de carbono digeribles.
c:!La fibra alimentaria sirve para
estimular los movimientos peristálticos y facilitar el correcto transito intestinal.
c:JEl almidón es el principal hidrato de carbono de la dieta.
/
216
SECCIÓN IIJ. EL METABOLISMO CElULAR
Enzimas digestivas de azúcares y. productos obtenidos
d la amilasa hidroliza el almidón
originando maltosas, maltotriosas y
a-dextrinas, que se hidrolizarán dando moléculas de glucosa por acción
de la maltasa y de la isomaltasa.
~as
alfa glucosidasas son enzimas que degradan enlaces a entre
glucosas, como la maltasa rompe
enlaces al ~4 entre glucosas de disacáridos y trisacáridos, y la isomaltasa, que rompe enlaces al ~6 entre glucosas y libera maltosa y maltotriosas.
(a)
La digestión del almidón, principal hidrato de carbono de la dieta, viene determinada por el'tipo de estructura que esté implicada. Así, la"estructura amilosa,
estructura _lineal cori enlaces (<:1 ~4) va a ser digerida por lá. enzima amilasa.
Esta enzima se secreta ya en la saliva (amilasa salival), iniciándose desde la degluéión el proéeso digestivo del almidón, si bien es la amilasa pancreática secretada en el intestino la que termina de hidrolizar la mayor parte de la amilosa. La
amilasa r~mpé los enlaces· (al ~4) del almidón, aunque no hidrollza enlaces
contiguos, de .tal forma que va rompiendo uno de cada dos o tres enlaces. Como
resultado de esta actividad · se obtienen disacáridos y trisacáridos de glucosa: la
maltosa y la maltotriosa, respectivamente.
Esi:a misma enzima, la amilasa, también ataca parcialmente a la estructura
amilopectina del almidón, estructura ramificada con una estructura central de
moléculas de glucosa con enlaces (al ~4) y puntos de ramificación (c;xl ~6).
Sólo puede hidrolizar enlaces (al ~4) que estén alejados de los enlaces (al ~6),
de tal forma que la actuación de la amilasa sobre la estructura amilopectina del
almidón origina tres productos distintos: la maltosa, la maltotriosa (como la
obtenida a partir de la amilosa) y las llamadas dextrinas límite o a-dextrinas, que
son los fragmentos restantes del almidón que no han podido ser hidrolizados
por la amilasa debido a la presencia del enlace (al ~6). Estas moléculas de dextrina tienen entre 4 y 9 moléculas de glucosa· unidas mediante enlaces (al ~4) y
presentan un punto de ramificación mediante un enlace (al ~6) (Fig. 12-2a) .
Las dextrinas terminan de ser hidrolizadas por acción de la isomaltasa, enzima
que hidroliza el enlace (al~ 6), liberando moléculas de maltosa y maltotriosa, o
bien fragmentos de varias glucosas que serán hidrolizados nuevamente por la
amilasa, originando. moléculas de maltosa y maltotriosa. Finalmente, las moléculas de maltosa y maltotri9sa se digieren por la maltasa, que hidroliza los enlaces (al~ 4) de disacáridos y trisacáridos, liberando moléculas de glucosa, que
serán incorporadas por transportadores específicos de glucosa hacia el interior de
Amilopectina
a1
~
Amilosa
4
~
a1
~
4
-o-o-oMaltotriosa
Dextrinas
(b)
BORDE EN CEPILLO
~ru~
1
Lactosa
1
1
·
Almidón
1
-----------------~~~-~ Galactosa
Amilasa
Maltosa
Maltotriosa
Dextrinas límite
.
1
· 1Sacarosa 1
·
EPITELIO
INTESTINAL
·
1
a -glu cÓsidasas ~
---"'-----~ Glucosa
/
Sacarasa
~
Fructosa
LUMEN INTESTINAL
Digestión
Figura 12-Í. (a) Estructura básica de la amilopectina y ami losa. ··se irtdican los productos de degradación después de la actuación de la ·ami lasa
(flecha) : maltosa, maltotriosa, dextrina límite. (b) Enzimas y productos implicados en la digestion de los hidratos de ·carbono.
·
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
-----------------------------------------------------------------
las células intestinales. Dichos transportadores son el SGLT-1 y el GLUT-2
(Tabla 12-1).
El glucógeno, al poseer una estn,¡ctura similar .a la amilopectina del almidón,
también requiere la presencia de amilasa y de· isomaltasa para hidrolizar los enlaces (al ~4) y (al ~6) respectivamente. Se llberan igu~lmente moléculas de
maltosa y ní.altotriosa que hidrolizadas, por la maltasa rendirár¡. JJ).onómeros de
glucosa, listos para ser asimilados por las células intestinales.
.
La hidrólisis de los disacáridos se produce a través de disacaridasas espec.iflcas que liberarán los monosacárido~ constituyentes del disacárido. Así, sobre _la
sacarosa actuará la sacarasa, que hidroliza el enlace (al--:12) y libera un m(mosacárido de glucosa y de fructosa: la glucosa se asimilará en las células del intt~st:~no
gracias al SGLT-1 o al GLUT-3, y la fructosa a través del GLUT-5 . Sobre la
lactosa intervendrá la lactasa, que hidroliza el enlace (~1 ~4), liberando un monosacárido de glucosa Y. otro de galactosa: la glucosa se absorberá por acdón dc:;l
SGLT-1 o del GLUT-3, y 1!1 galactosa a través del SGLT-1. T?do est.e proceso
de hidrólisis se resume en la figura 12-2b.
·
·
..
Cabe destacar que, relacionados con las enzimas digestivas isomaltasa, lactasa
y sacarasa, se encuentran cie~;tos trastornos alimenticios denominados intolerancias alimenticias que suelen originar cuadros de dolores abdomin¡iles y diarreas,
' · ·
principalmente (Recuadro 12-1).
Los monosacáridos asimilados por las células intestinales se liberan rápidamente al torrente sanguíneo gracias a un transportador, el GLUT-2: Es J..lll
21 7
1
I TExisten diversos transportadores
a nivel intestinal que facilitan la asimilación de los monosacáridos.
Tabla 12-1. Transportadores de monosacáridos
Transportador
Transp.
activo
secundario
Función
Lugar de expresión
SGLT 1
Absorción de GLU
Intestino delgado- riñón
SGLT 2
Absorción de GLU
Túbulos renales
GLUT 1
Captación basal de GLU
GR. encéfalo, riñón, tejidos
GLUT 2 KM 40 mM
Sensor de GLU en cél ~ memb. basolateral intestino y riñón
Cél.
~----------,_-------------------------------------r----Difusión
facilitada
~. intestino, riñón , hígado
GLUT 3
Captación basal de GLU
Encéfalo, riñón, tejidos
GLUT 4 KM 3 mM
Captación de GLU ESTIMULADA POR INSULINA
Músculo esquelético, cardiaco, tejido adiposo
GLUT S
Transporte de fructosa
Yeyuno, esperrT)a
Transportador de glucosa 6-P en retículo endoplásmico
Hígado, tejidos
GLUT 6
GLUT 7
Recuadro 12-1. Intolerancias alimenticias
El déficit de las enzimas digestivas de los disacáridos y de la dextrina límite o su funcionamiento incorrecto, hace que estos hidratos de carbono
no se puedan degradar y se acumulen, lo que provocará que las bacterias se alimenten de ellos, produciendo formación de gases y ácidos. Esto
desencadena:
o
o
Molestias intestinales, hinchazón de la región abdominal y meteorismo
Descenso del pH, que origina daños en la pared intestinal que puede originar trastornos alimenticios y malabsorción, que puede ser muy
grave si afecta a la asimilación de las vitaminas.
La acumulación de los disacáridos provoca también que el bolo alimenticio del intestino se vuel~jl hiperosmótico, por lo que se expulsarán
grandes cantidades de agua por medio de diarreas hídricas. arrastrando el resto de nutrientes y originando el síndrome de malabsorción. Este
trastorno puede ser muy grave en bebés. Las intolerancias alimenticias más típicas son:
Intolerancia a la leche. Aunque no es frecuente, esta intolerancia puede ser hereditaria, al producirse un déficit de lactasa. Más simultáneo es
la intolerancia a la leche adquirida, como consecuencia de dejar de consumirla en la edad adulta y, por tanto, de producir lactasa. Es muy típica
de poblaciones asiáticas y africanas. Los caucásicos, sin embargo, mantienen una buena tolerancia a la leche siendo adultos, como resultado de
los hábitos culturales de seguir alimentándose de leche de vaca. Para tratar esta intolerancia se hace necesario eliminar la leche de la dieta. En
lactantes se sustituía por leche de soja, pero se ha visto que de esta forma se puede producir una deshidratación muy rápida en los bebés.
Deficiencia en sacarasa e isomaltasa. Estas dos enzimas presentan un control genético común, por lo que se suele dar siempre el fallo común
de ambas enzimas. El almidón se tolera mal porque la amilasa pancreática genera alrededor d'el 30% de a -dextrina, que no será hidrolizada por
el fallo de la isomaltasa. También se toleran mal las frutas por su elevado porcentaje de sacarosa. El trastorno puede ser grave y provocar la
ausencia de microvellosielades, si bien la intolerancia mejora con la edad.
·
...
218
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR
transportador de grupo capaz de arrastrar los principales monosacáridos de la
die~a, la glucosa, la fructosa y la galactosa, desde el intestino hasta la sangre, para
su distribución y utilización por todos los tejidos del organismo. Gran cantidad
de la glucosa procedente de la dieta será asimilada por el hígado, órgano encargado de mantener los niveles de glucosa en sangre.
0
LA GLUCÓLISIS
Aspectos generales de La degradación de glucosa
glucólisis, una de las rutas
degradativas más importantes del
organismo ya que procesa la glucosa,
también es útil para hidrolizar otros
monosacáridos.
c JLa glucólisis se produce en el
citoplasma y se suele dividir en dos
fases: la fase preparativa y la fase de
rendimiento energético.
La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética del organismo. Es una de las rutas más importantes del metabolismo, ya
que constituye uno de los primeros pasos en el procesamiento y aprovechamiento de la glucosa para la obtención de energía para la célula. La glucólisis puede
considerarse como el proceso oxidativo de la glucosa, bien mediante su degradación hasta generar piruvato o bien mediante su fermentación para dar ácido
láctico. La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula
y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía de combustión. El tipo de glucólisis más común y más conocida és la vía de EtñbaenMeyerhoff, explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhoff. La
ruta se encuentra estructurada en diez reacciones enzimáticas que permiten la
transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato, mediante un proceso catabólico.
La glucólisis tiene lugar en el citosol o citoplasma de la célula, tanto de células eucariotas como procariotas, si bien en células vegetales algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran también en d ciclo de Calvin (fase de fijación
del co2de la fotosíntesis) que ocurre en los cloroplastos.
Clásicamente la glucólisis se divide en dos fases: la fase preparativa y la fase
de beneficios o de rendimiento energético (Fig. 12-3):
• La fase preparativa: implica la transformación y escisión de la glucosa en
dos triosas fosfato, el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfa~o,
entre las cuales existe un equilibrio. En esta fase se produce un gasto energético: dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La finalidad de
esta fase es la de activar y preparar las moléculas de glucosa, para su posterior procesamiento.
• La fase de beneficios o de rendimiento energético: implica la transformación de la molécula de gliceraldehído-3-fosfato en piruvato, mediante unas
serie de reacciones que liberan energía. Se obtienen cuatro moléculas de
ATP y dos de NADH + H+ por molécula de glucosa, por lo que se libera
más energía quera gastada en la fase preparatoria, lo que da una ganancia
neta de 2 ATP y 2 NADH + H+ por molécula de glucosa. La energía que
se obtiene de la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato la aprovecha la célula para de.s empeñar todo tipo de funciones celulares. Esta fase de rendimiento se produce dos veces por cada molécula de glucosa que se hidroliza,
ya que en cada una de las vueltas se metaboliza una de las dos triosas fosfato en las que se escindió la glucosa.
Las diez reacciones de La glucólisis
La glucólisis implica diez pasos enzimáticos, que est~n representados en la figura
12-3, y que se detallan a continuación:
Fase preparativa
l. Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato: requiere el gasto de una
molécula de ATP ·y, en las condiciones fisiológicas, es una reacción irreversible. Esta reacción está catalizada por la hexoquinasa, si bien en el hí\
gado también la puede realizar la glucoquinasa. . .
2. Conversión de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato: es una reacción
reversible catalizada por la fosfoglucoisomerasa.
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
Fase preparatoria
Fosforilación y conversión de la glucosa en gliceraldehído-3-P
CHPH
Obtención de poder reductor
y fosforilación
o~ / H
1
Glucosa
HO
:-j 1
t
6. Gliceraldehído-3-P
desh idrogenasa
T
H-T-OH
OH
Primera reacción
ATP
,__f_o_sf_o_ri_la_c_
ió_n_ __, ADP _..-
Fase de rendimiento energético
Fosforilación y conversión de la glucosa en gliceraldehído-3-P
OH
Q
Se consumen 2 ATP
o(
CH2-o - 4)
Gliceraldehído-3-P
(
o ,__
o- 4)
"'T /
í ')
P; ( NADH
NAD+
H-T- OH
+W
CH 2- o - 4)
1,3-Bisfosfoglicerato
· Hexoquinasa
7. Fosfoglicerato quinasa
CH 2 0-~H
0
o~
Glucosa-6-P
1
219
HO
c
lF
ADP Fosforilación
a nivel del
ATP
~ustrato
~-----~
/ o-
1
H-C - OH
1
OH
CH2- o -Q
H
3-Fosfoglicerato
2. fO<fogl"co" l<omec•<>
8. fo<foglim.to m"""
G-O-H2~°CH2-0H
HO
OH
H.
Fructosa-6-P
OH
Segunda reacción
ATP ~
_ _f_o_
sf_o_ri_la_c_
ió_n_ __, ADP _
3. Fosfofructoquinasa- 1
t
o
1
o -o-H2v-~H2-o- o
~OH
Fructosa-1,6-bisP
A.
o~
OH
R!'o::t-~ur_a_d~e~u~n-az_ú_c_a_r--P
~
de 6 carbonos a dos ..
azúcares-P de 3
carbonos
-o- t:t.
CH
1
2
"
C=O
1
CH 2- 0H
Dihidroxiacetona-P
1
11
Aldolasa
S. Triosa-Pisomerasa
/ oc
c-o-G
CH 2
____.,
Fosfoenolpiruvato
o~
e
1O. Piruvato quinasa
/H
1::- ~~:
,~o
1
H-C-OH
1
CH2- o- 4)
Gliceraldehído-3-P
o
/j
eH ) - c-e
11
\
o o-
11
R-0-P-OH
1
OH
Piruvato
Figura 12-3. Reacciones y fases de la ruta glucolítica.
3 . Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato: requiere
el gasto de una segunda molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, en una reacción irreversible. Está catalizada por la fosfofructoquinasa-1 .
4. Escisión de la fructosa-1,6-bifosfato en dos triosas fosfato: la dihidroxia7
cetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato: es una reacción reversible catalizada por la aldolasa.
·
5. lnterconversión de las triosas fosfato: es un equilibrio catalizado por la
enzima triosa fosfato isomerasa. Dicho equilibrio se encuentra desplazado
hacia la formación de gliceraldehído-3-fosfato, puesto que es el compuesto que puede ser metabolizado en los siguientes pasos de la glucólisis, en
la fase de beneficios.
1~.
Fosforilación
a nivel de
sustrato
220
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
Fase de rendimiento energético
6. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato_ a 1,3-bifosfoglicerato: en este
paso se oxida el grupo aldehído hasta una forma ácido, lo cual permite
obtener una molécula de NADH + H+, a la vez que se aprovecha para fi. jar un grupo fosfato, que permitirá en la siguiente reacción obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. Esta reacción es reversible y está
catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. Constituye el primer paso de la fase de beneficios, paso que se repetirá posteriormente con la molécula de dihidroxiacetona que, por acción de la
triosa fosfato isomerasa, se convertirá en una nueva molécula de gliceraldehído-3-fosfato.
7. Primera fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la
síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo
fosfato desde el 1,3-bifosfoglicerato hasta un ADP, liberando ATP y
3-fosfoglicerato. La enzima que cataliza es la fosfoglicerato quinasa, y la
reacción es reversible.
8. Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato: por medio de la fosfoglicerato mutasa, es una reacción reversible.
9. Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato: reacción reversible catalizada por la enolasa. Esta reacción permite la creación de un
enlace fosfato de alta energía, que será aprovechado en el siguiente paso
para obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato.
10. Segunda fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la
síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo
fosfato desde el fosfoenolpiruvato hasta un ADP, liberando ATP y piruvato, mediante la enzima piruvato quinasa. Esta reacción es irreversible
en condiciones fisiológicas.
Teniendo en cuenta estos procesos la ecuación global o balance de la glucólisis y de cada una de las fases de la glucólisis seria:
1a Fase:
O bien
Glucosa+ 2 ATP
~
gliceraldehído 3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato+ 2ADP
Glucosa+ 2 ATP ~ 2 gliceraldehído 3-fosfato + 2ADP
2a Fase:
Gliceraldehído 3-fosfato + 2 ADP + NAD+ +Pi ~ Piruvato + 2 ATP + NADH + H+
Global:
Glucosa+ 2ADP + 2NAD+ +2Pj
~
+H 0
2
2 Piruvato + 2ATP + NADH + 2H+ + 2H 2 0
Los tres puntos regulados de la glucólisis
En la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación, correspondientes con los tres pasos irreversibles y que están catalizados, respectivamente, por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa. Estas
enzimas están reguladas principalmente a través de una regulación alostérica que
se esquematiza en la figura 12-4.
La hexoquinasa está regulada alostéricamente por su producto, la glucosa-6fosfato , que inhibe la actuación de la enzima. También se inhibe por ATP, un
indicador de que las necesidades energéticas ·de la célula están satisfechas. Esta
regulación controla la cantidad de glucosa que será aprovechada en la glucólisis.
La fosfofructoquinasa-1 está activada por fructosa-2,6-bifosfato y AMP (un indicador de una baja producción de energía), inhibiéndose por citrato, ATP y
H+. Los protones son un control para prevenir un posible daño por un incremento de la concentración de ácido, ya que el producto final de la glucólisis
puede originar fácilmente ácido láctico, que podría ser causa de una acidosis. La
fructosa-2,6-bifosfato se produce por la acción de la fosfofructoquinasa-2 o
PFK-2/FBPasa-2, que es una enzima controlada por la acción de la insulina y el
glucagón, lo cual permite un control hormonal de la glucólisis. Así, la insulina,
una hormona que indica un· alto nivel de glucosa en sangre, favorece la glucólisis, y el resultado es que disminuye los niveles de glucosa en sangre, mieh tras
que el glucagón actuá de forma opuesta inhibiendo la glucólisis. Los demás factores de regulación de la fosfofructoquinasa-1 informan del nivel energético de
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
221
-rr
---
Fructosa-6-P
•
Fosfofructoquinasa-1
AMP, ADP, Fructosa-2,6-biP
•
ATP, Citrato, W
k:::
t~
ATP
ADP
Fructosa-1,6-bifosfato --- ~
u
(2) Gliceraldehído¡ 3-P
(2) NAO'
(2) NADH + 2 H'
----.tt
..-¡.
(2) 1,3-Bisfosfoglicerato
(2) ADP
------tt
(2) ATP ~ .
Regulación por
modificación covalente
(2) 3-Fosfoglicerato
Glucagón
•
~-------
1
1
1
1
1
(2) 2-Fosfoglicerato
1
'
~
1
ATP
1
1
1
1
1
1
1
-=-:::Jt
(2) ADP
( ) ATP ~
2
p·
·
lrUVat. UI:~:
•
Piruvato quinasa L
activa
y
(2) Fosfoenolpiruvato
· · .. .. · · .. · · · · · · · · · · · .... · · · · · · · · · .. · · · · ·
ATP , Alan ina, Ac CoA
(2) Pi ruvato
ADP
Piruvato quinasa L Q
inactiva
·-> <
Q
H,O
Figura 12-4. Regulación de la glucólisis.
la célula, de tal forma que si la célula tiene un bajo nivel energético, la glucólisis
se incrementa y viceversa.
Finalmente, el último paso regulado en la glucólisis es la fosforilación catalizada por la piruvato quinasa. Esta reacción resulta inhibida cuando hay suficiente ATP o existen ·o tros combustibles como el acetil CoA o la alanina, y está
potenciada por la presencia de AMP y fructosa-1,6-bifosfato. Este último compuesto permite transmitir la información que regula el paso de la fructoquinasa-1. La piruvato quinasa presenta, además, una regulación por -modificación
covalente a través de un mecanismo de fosforilación y desfosforilación controlado hormonalmente por el glucagón. Cuando los niveles de glucagón son altos,
se activa una proteína quinasa A que produce la fosforilación y la consiguiente
inactivación de la piruvato quinasa.
c fEn la ruta de la glucólisis existen
tres pasos importantes de regulación
que se corresponden con las tres reacciones irreversibles.
Entrada de otros monosacáridos en la ruta glucolítica
La ruta de la glucólisis no solo sirve para degradar glucosa, sino que también se
utiliza para catabolizar otra serie de monosacáridos. Entre estos monosacáridos
destacan la fructosa, la manosa y la galactosa. La ruta de entrada de estos azúca~
res se representa en la figura 12-5 .
cframbién se utilizada la ruta de
la glucólisis para degradar otra serie
de monosacáridos, como la fructosa,
la manosa y la galactosa.
\
222
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR
lactosa
Sacarosa
Glucosa
Galactosa
Galact~quinasa 1
ATP
UDP·Glucosa Galactosa-1-P
H~xoquinasa
Fructosa
Uridit transferasa
ATP
Fructoquinasa
1
ATP
1
__..----~ f
UDP
: Fosforilasa
Hexoquinasa
l
Galactosa-1-P
Glucógeno
UDP-galactosa
UDP-Galactosa
ep1merasa
f
1
Glucosa-1-P ...__ _ __._____ UDP-glucosa
ATP
Glucosa-6-P ~
UDP-Glucosa Galactosa-1-P
Uridi! transferasa
Manosa
Fosfoglucomutasa
Fructosa-1-P
1
! Hexoquinasa
f
Fosfomanosa
isomerasa
ATP
Fructosa-6-P ...__ _ _ _ _ _ _ _ Manosa-6-P
Gl"1cera ld e h'd
. t o na-f osf at o
1 o + Dh"d
1 1 rox1ace
ATP
Triosa quinasa
Triosa-fosfato \ _ _
lsomerasa
---------~
, J..,_
1,6-Bifosfato
j
Fosfomanosa
isomerasa
1---<- -
f
Gliceraldehído-3-P
Figura 12-S . Rutas de incorporación de otros monosacáridos a la ruta de la glucólisis.
La manosa va ser activada a través de la hexoquinasa mediante el gasto de
una molécula de ATP, originando manosa-6-fosfato que será isomerizada a
fructosa-6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa, entrando ya de esta forma en la
ruta glucolítica. La fructosa también puede fosforilarse a fructosa-6-fosfato por
acción de la hexoquinasa e incorporarse a la glucólisis. En el hígado la fructosa
entra en la ruta glucolítica mediante fosforilación en posición 1 catalizada por la
fructoquinasa. La acción posterior de una aldolasa escinde la fructosa-1-P en
dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído. El gliceraldehído se fosforila a continuación a gliceraldehído-3-fosfato, obteniéndose de esta forma las dos triosas
fosfato que serán aprovechadas en la ruta glucolítica. Errores en esta ruta alternativa de la glucosa provocan la intolerancia a la fructosa.
La ruta de entrada de la galactosa es algo más compleja, ya que este monosacárido se suele aprovechar para la formación de los oligosacáridos de los glucolípidos, que son de gran importancia en la formación de las membranas celulares,
sobre todo de las células cerebrales. La galactosa se activa, pero esta vez a través
de su unión a UDP y, posteriormente, se transforma en UDP-glucosa, que se
convertirá en glucosa-6-fosfato y entrará en la glucólisis. Las enzimas implicadas
en esta ruta están relacionadas con una serie de patologías conocidas como galactosemias (Recuadro 12-2).
0
LA GLUCONEOGÉNESIS
Aspectos gen.e rales de la 'biosíntesis de la glucosa
La gluconeogénesis es la ruta que utilizan las células de los organismos no autótrofos para sintetizar moléculas de la glucosa. Constituye una ruta muy importante, ya que permite suministrar glucosa a los tejidos .cuando el aporte de la
dieta o los niveles presentes en sangre no son adecuados. Esta ruta comparte una
serie de reacciones con la glucólisis, concretamente los pasos reversibl¿s, pero
presenta tres pasos exclusivos: los tres pasos opuestos a los pasos irreversibles de
la glucólisis. Estos son los que· se van a detallar en este apartado. La gluconeogé-
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
223
Recuadro 12-2. lntplerancias de los monosacáridos
Galactosemias
Existen tres enfermedades relacionadas con el metabolismo de la galactosa, debidas a un déficit de:
• Galactoquinasa: un defecto genético en la síntesis de esta enzima parece que acumula galactosa. que sigue una de las rutas alternativas
como es la conversión en galactitol. azúcar alcohol que se almacena fundamentalmente en el cristalino del ojo. Puede originar el hinchamiento y la pérdida de transparencia del cristalino por escasez de NADPH. que debería usarse para el mantenimiento de dicha transparencia. produciéndose cataratas.
• Galactosa-1-fosfato uridiltransferasa: como resultado de su carencia se acumula galactosa-1-P. generándose problemas hepáticos principalmente. Puede surgir ictericia y fallo hepático. pero también puede producirse daño renal y retraso mental. ya que la galactosa es necesaria
para la formación de cerebrósidos y gangliósidos de gran importanc ia en las membranas de las células cerebrales.
• Galactosa epimerasa. Produce dos formas de galactosemia:
-Benigna: Sólo afecta a eritrocitos y leucocitos. manteniendo tanto el hígado como los fibroblastos una activic;lad normal.
-Grave: Es más generalizada y afecta sobre todo al hígado.
Fructosuria esencial
Debida al déficit de fructoquinasa, constituye un error metabólico congénito benigno.
Intolerancia a la fructosa
Se produce por la deficiencia de aldolasa B (o fructosa-1-fosfato aldolasa) y a la consiguiente acumu lación de fructosa-1-P en el hígado, lo que
desregula su funcionamiento y ocasiona alteraciones hepáticas principalmente. Puede originar hipoglucemia y, además, pérdida de peso. vómitos, hepatomegalia e ictericia.
nesis va a permitir sintetizar glucosa a partir de piruvato, a través de un proceso
anabólico que requiere una importante inversión de energía, en forma de moléculas de ATP y de NADH + H+. La gluconeogénesis también permite la síntesis
de glucosa a partir de diversos precursores no glucídicos, entre los que podemos
encontrar aminoácidos, lactato, glicerol o intermediarios del ciclo de Krebs,
como fuentes de carbono para esta vía metabólica anabólica.
La gluconeogénesis es una ruta que se lleva a cabo únicamente en el hígado y
en la corteza renal. Ocurre principalmente en el citosol o citoplasma de la célula, si bien el primer paso de esta ruta, la formación de oxalacetato a partir de
piruvato, se da en el interior de la mitocondria.
gluconeogénesis es la ruta
que se utiliza para sintetizar moléculas de glucosa. principalmente en las
células hepáticas.
Las reacciones alternativas
Para evitar los pasos irreversibles que se originan en la glucólisis, la gluconeogénesis utiliza una serie de reacciones alternativas catalizadas por enzimas diferentes. En la figura 12-6 se muestra un esquema de la ruta gluconeogénica, enfrentada a la ruta glucolítica. Los tres pasos irreversibles de la glucólisis se solventan
a través de las siguientes reacciones, que son termodinámicarp.ente favorables:
l. Síntesis de fosfoenolpiruvato: la conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato requiere dos reacciones catalizadas po r sendas enzimas: la piruvato
carboxilasa, que cataliza la conversión de piruvato en oxalacetato; y la
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, que cataliza la conversión del oxalacetato en fosfoenolpiruvato . La primera enzima, la piruvato carboxilasa, re-quiere el gasto de una molécula de ATP para fijar un nuevo átomo. de
carbono, procedente del co2para generar oxalacetato, proceso que exige
biotina como cofactor enzimático. La conversión de una molécula de tres
carbonos en otra de cuatro ocurre en la mitocondria. Posteriormente la
hidrólisis del GTP impulsa la transformación del oxalacetato en fosfoenolpiruvato y co2, gracias a la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, enzima que puede actuar tanto en la mitocondria como en el citoplasma
celular dependiendo de la especie. Posteriormente, el fosfoenolpiruvato se
convertirá en fructosa-1,6-bifosfato siguiendo, en sentido contrario, las
reacciones reversibles de la glucólisis, ya descritas.
2 . Conversión de la fructosa-1,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato: ésta es
una reacción hidrolítica por la cual se elimina el grupo fosfato en posición 1 de la fructosa por acción de la enzima fructosa-1,6-bifosfatasa. En
esta reacción no se regenera ATP si no que se obtiene P;. A continuación,
la fructosa-6-fosfato se convertirá en glucosa-6-fosfato por la reacción reversible detallada en el apartado de la glucólisis.
~~·
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR
Gluconeogénesis
Glucóli.sis
Glucosa
~i
Hexoquinasa ATP
ADP
i--- O
Glucosa-6-fosfatasa
['--- H,O
1 Glucosa-6-P 1
t
1 Fructosa-6-P 1
Fosfofructoquinasa ATP
ADP
~i
t--.-0 Glucosa-1,6-bisfosfatasa
['--- H,O
1 Fructosa-1,6-bifosfato 1
GU""ldohfdo-3-P·
J/ ~
NAO'~
NADH + H'
1
-D-ih-id-ro-x-ia-ce-to-n-a--P'I-
'1
1
Glicerol
1
1,3-Bifosfoglicerato
ADP----t
ATP - 1
3-Fosfoglicerato
2-Fosfoglicerato
Fosfoenolpiruvato
t.--f'--- GTP
GDP, C0 2
Piruvato quinasa
ADP
ATP
Oxalacetato 1 i - - - AoP
Figura 12-6. Pasos de la gluconeogénesis,
enfrentados a los de la glucólisis. Se señala en rojo los pasos en los que se diferencian
ambas vías.
O la glucólisis y la gluconeogénesis comparten ciertos pasos y enzimas, pero difieren en aquellos pasos
que son irreversibles.
Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa
f'--- ATP, C0 2
1
Alanina 1
Piruvato carboxilasa
Piruvato
3. Formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato: ésta es una reacción
hidrolítica por la cual se libera el grupo fosfato en posición 6 de la glucosa por acción de la glucosa-6-fosfatasa. La enzima solo se encuentra en el
hígado y en el riñón . Tampoco en esta reacción se regenera ATP, pero se
obtiene P;. La glucosa originada en esta ruta se libera a la sangre para ser
aprovechada por otros tejidos que la necesiten, ayudando de esta manera
a mantener unos niveles estables de glucosa en sangre.
Regulación de La gluconeogénesis
Las enzimas que se han estudiado en la gluconeogénesis están reguladas alostéricamente por una serie de factores que, muchas veces, son los mismos que regulan la enzima opuesta de la glucólisis, aunque el efecto regulador es el contrario.
La regulación de dos enzimas que catalizan pasos opuestos a través de los mismos factores genera lo que se conoce como ciclo de sustrato. Este sistema permite una coordinación muy precisa de ambas rutas, de tal manera que el\mismo
factor que está activando una ruta, a su vez está inhibiendo la ruta opuesta; por
lo tanto, el control de las dos rutas es muy preciso y se minimiza el gasto e.nergé-
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
tico a pesar de que ambas enzimas estén funcionando al mismo tiempo. En la
figura 12-7 se presenta los ciclos de sustratos típicos de la ruta glucolítica y gluconeogénica, as·í como los factores que potencian e inhiben cada enzima.
Hay que destacar que la glucosa-6-fosfatasa es inhibida por la glucosa-6-fosfato; la fructosa 1-6-bifosfatasa se inhibe por la fructosa-2,6-bifosfato y AMP, y
está potenciada por el citrato; mientras que el ADP es un inhibidor de la fos- .
foenolpiruvato carboxiquinasa y de la piruvato carboxilasa.
'
225
O las enzimas reguladas en la gluconeogénesis son la glucosa-6-fosfatasa, la fructosa-1-6-bifosfatasa, la
fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y
de la piruvato carboxilasa.
Sustratos gluconeogénicos
Como se ha comentado anteriormente para la glucólisis, existen varias moléculas distintas que pueden ser precursores de la síntesis de glucosa gracias a la ruta
gluconeogénica. Destacan entre estos sustratos principalmente tres: el ácido láctico, el glicerol y la alanina.
Así, el ácido láctico, que se genera en cantidades importantes en diversas células que no poseen mitocondrias (como, por ejemplo, los eritrocitos) o que
presentan en determinados momentos unas bajas concentraciones de oxígeno
(como puede suceder en el músculo durante un ejercicio intenso), se libera y
transporta por vía sanguínea hasta el hígado. En este órgano se transforma en
piruvato, que servirá para la síntesis de nuevas moléculas de glucosa, _yertidas
después a la sangre para que sean aprovechadas por esas células sin mitocondrias
o con carencias de oxígeno. Este proceso, conocido como ciclo de Cori (Fig.
12-8a), permite compartir el gasto metabólico entre diversos tejidos y el hígado.
El glicerol, que es un producto de la degradación de los lípidos, puede ser
utilizado para formar glucosa gracias a la gluconeogénesis y a la enzima glicerol
quinasa. Esta enzima transforma el glicerol en qihidroxiacetona fosfato a través
de una oxidación que requiere NADH + H+. La dihidroxiacetona fosfato es uno
de los intermediarios de la ruta gluconeogénica que puede fácilmente emplearse
en la síntesis de glucosa.
.
e
1
Hexoqu inasa
Glucosa
~
1)
G-6-P •
'
Glucosa-6-fosfatasa
,.---G-l-u-co_s_a--6---fo-s-fa_t_o---,l
Fructosa-6-fosfato
•• ••
••• •
F-2,6-BP
AMP
Fosfofructoquinasa
Fructosa-1 ,6-bifosfatasa
Citrato
ATP
H+
GLUCÓLISIS
GLUCONEOGÉNESIS
Fructosa-1 ,6-bifosfato
J
Fosfoenolpiruvato
.____________________)
_.
Piruvato
quinasa
~
ADP
.
.
Fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa
.
Oxalacelato
\
:
·
:~~ilCo~ 1Piruvato car~oxi las~
.-------Pi-ru_v_a-to--------,~
7
·
~Figura 12-7. Regulación de la gluconeogénesis, enfrentada a la regulación de la
glucólisis. Ciclos de sustrato. Las flechas rojas indican los pasos regulados de la glucólisis y las azules los de la gluconeogénesis.
226
SECCIÓN 111.. EL METABOLISMO-CELUlAR
(a)
Anabolismo
en el hígado
Catabolismo
en el músculo
~ NADH/NAD+
;~~t~!~:!s
rr
~
Glut! mato Alanina
-...;::- .•
Trans minasa
(b)
Figura 12-8. (a) Ciclo de Cori. (b) Ciclo glucosa-alanina.
c:fEl ácido láctico, el glicerol y la
alanina, junto con el piruvato, son
los principales precursores de la ruta
gluconeogénica.
....
De todos los aminoácidos capaces de convertirse en sustratos gluconeogénicos, seguramente el más importante es la alanina que, gracias a la actividad de
las enzimas aminotransferasas, se convierte fácilmente en piruvato, y éste, a su
vez, en alanina. Este proceso origina un ciclo similar al ciclo de Cori, conocido
como ciclo de la glucosa alanina (Eig. 12-8h), que permite transportar piruvato
desde los tejidos al hígado para que éste sintetice glucosa, a la vez que permite
transportar nitrógeno de forma segura por la sangre, para posteriormente eliminarlo en forma de urea (véase capítulo 15).
0
DESTINOS DEL PIRUVATO
Un metabolito versátil
O las fermentaciones son una serie de rutas metabólicas que permiten el reciclaje del NAD+. Este proceso es fundamental en células que
carecen de mitocondrias, orgánulo
encargado habitualmente de dicha
regeneración.
El piruvato, q.u e se genera principalmente gracias a la ruta de la glucólisis, es un
metabolito intermedio ·que va a ser aprovechado por diversas rutas metabólicas,
tanto catabólicas como anabólicas, con la finalidad de aumentar la producción
de energía o servir para la síntesis ·de diversas moléculas, principalmente aminoácidos. Entre las rutas catabólicas que se resumen en la figura 12-9, destacan
principalmente dos: las fermentaciones (láctica y alcohólica) y la descarboxilación oxidativa del piruváto. Ambas rutas trabajan junto con la glucólisis para
optimizar la utilización de la glucosa. La utilización anabólica del piruvato en la
gluconeogénesis ya se ha estudiado anteriormente.
Las fermentaciones y el reciclaje de NADH +
W
Las fermentaciones constituyen una serie de rutas metabólicas que permiten el
re.ciclaje del NAD+ gastado en la formación NADH + H+ en la ruta glucolítica.
Si no se-pudiera producir dicho reciclaje, la glucólisis se vería bloquea~a por la
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
227
Glucosa
1[
Glucólisis J
Piruvato
descarboxilasa
t----
12 Etanol+2C02 I .......
Fermentación
alcohólica en
levaduras
t
Lactato
deshidrogenasa
2 Piruvato
Aicohol
deshidrogenasa
1
..
1
2. Lactato
1
Piruvato
deshidrogenasa
~ 2C0 2
12 Acetil CoA
1
Animales, plantas y algunos
microorganismos en condiciones aeróbicas
Figura 12-9. Destinos metabólicos del piruvato.
falta de NAD+, y con ella se bloquearía la producción de energía en forma de
ATP que se genera en esta ruta catabólica. En la mayoría de las células eucariotas, la regeneración del NAD+ se produce en la mitocondria gracias a la cadena
transportadora de electrones, dependiente de un aceptor final de electrones que,
en este caso, es el oxigeno (véase capítulo 13). Por ello, en organismos procariotas y en aquellas células eucariotas que carecen de mitocondrias o bien se encuentran en condiciones de reducidos niveles de oxígeno, la regeneración del NAD+ a
través de las fermentaciones es crucial, porque no pueden aprovechar la cadena
transportadora de electrones, y la escasez de NAD+ podría bloquear la glucólisis.
Los dos principales tipos de oxidaciones incompletas, es decir, que no terminan
en la producción de C0 2 , son la fermentación láctica y la alcohólica, ambas con
gran importancia no solo a nivel bioquímico, sino también a nivel industrial.
Ambas fermentaciones se producen en el citoplasma a partir del piruvato.
Fermentación táctica: la reducción del piruvato
Existen diversos tipos de fermentación láctica, si bien la más destacable es la conocida como fermentación homoláctica, por la cual el piruvato se reduce a lactato en presencia de NADH + H+, por acción de la lactato deshidrogenasa:
Piruvato + NADH + H+
Lactato+ NAD+
Esta reacción permite regenerar la cantidad suficiente de NAD+ para que la
glucólisis siga funcionando, al menos durante un período corto de tiempo en
aquellas situaciones en las cuales el suministro de oxígeno se ve reducido, como
en células musculares que se contraen rápidamente y presentan una demanda
energética elevada.
La reducción del pir'u vato a lactato ocurre en las células animales y vegetales
y, especialmente, en muchos microorganismos. La fermentación láctica tiene
una enorme importancia industrial ya que está implicada en la elaboración de
u na gran cantidad de productos derivados principalmente de la leche, como yogures y quesos, con un gran valor comercial.
Fermentación alcohólica: una descarboxilación no oxidativa .c!el piruvato
Este tipo de fermentación se da sobre todo en levaduras y en algunos tipos· de
bacterias y tiene igualmente un interés industrial elevado, ya que está implicada
~
..·
228
SECCIÓN 111: El METABOLISMO CEtULAR
O los principales productos catabólicos del piruvato son el ácido láctico, el etanol y el acetil CoA.
.
~
en la elaboración de bebidas alcohólicas como, por ejemplo la cerveza o el vino,
y también en la fabricación de pan. La fermentación alcohólica realmente consta de 'dos · reacciones consecutivas: la primera implica la descarboxilación del piruvato por la enzima piruvato descarboxilasa, que utiliza como factor el pirofosfato de tiamina y, posteriormente, el producto se reduce a etanol por acción de
la alcohol deshidrogenasa:
Piruvato
C0 2 + acetaldehído + NADH + H+
Etanol + NAD+
La descarboxilación oxidativa del piruvato
El piruvato procedente de la glucólisis es una molécula que todavía retiene bastante energía química, y que puede ser empleada para obtener una cantidad
sustancial de ATP. Para ello, el piruvato debe oxidarse por completo. El primer
paso es una descarboxilación que origina una molécula de acetil CoA, la cual
posteriormente se degradará en el llamado ciclo de Krebs ·produciendo mucha
energía. Este proceso de eliminación de un átomo de carbono se conoce como
descarboxilación oxidativa del piruvato y lo realiza un complejo multienzimático, conocido como piruvato deshidrogenasa, compuesto por cinco coenzimas y
tres enzimas o actividades enzimáticas distintas:
• Piruvato descarboxilasa: produce la eliminación del átomo de carbono del
piruvato. Para actuar requiere pirofosfato de tiamina como cofactor, y origina como producto un acetaldehído, de manera similar a la fermentación
alcohólica.
·
• Dihidrolipoil transacetilasa: emplea dos lipoamidas como cofactores enzimáticos, que utiliza para transferir el acetaldehído a una molécula de coenzima A, a la vez que lo oxida originado el acetil CoA.
• Dihidrolipoil deshidrogenasa: esta última enzima ayuda en la regeneración de las lipoamidas de la dihidrolipoil transacetilasa, para lo cual requie_.r-' re como cofactor FAD, que las oxida. Finalmente los electrones de la oxidación serán cedidos por el FADH 2 a un molécula de NAD+, formando
NADH+H+.
El balance de la reacción del complejo de la piruvato deshidrogenasa sería el
siguiente:
Piruvato + CoA-SH + NAD+
'
O la .-descarboxilación oxidativa
tiene lugar en el interior de la mitocondria.
O la piruvato deshidrogenasa es
una enzima fuertemente regulada.
C0 2 + acetil CoA+ NADH + H+
En la descarboxilación oxidativa, al contrario que en las fermentaciones, no
se gasta NADH + H+ para regenerar NAD+, sino que se consume una nueva
molécula de NAD+ que origina una nueva molécula de NADH + H+. Las moléculas NADH + H+, en condiciones aerobias y en células eucariotas, se van a
aprovechar en la cadena transportadora de electrones para obtener energía en
forma de ATP. Esto, a la larga, produce que la degradación de una molécula de
glucosa por vía aerobia usando la descarboxilación oxidativa, el ciclo de Krebs y
la cadena transportadora rinda mucha más energía (proceso que se suele conocer
como glucólisis aerobia) que si esa misma molécula se utilizara por vía anaerobia
en la glucólisis y luego en alguna fermentación (proceso denominado glucólisis
anaerobia). La descarboxilación oxidativa tiene lugar en la matriz mitocondrial,
con la finalidad de que sus productos sean rápidamente aprovechados por el ciclo de Krebs o la cadena transportadora de electrones. Ambos procesos serán
objeto de estudio en el siguiente capítulo.
El complejo de la piruvato deshidrogenasa se encuentra fuertemente regulado. Presenta una regulación alostérica basada principalmente en la relación
NADH + H+JNAD+ y acetil CoNCoA-SH; de tal manera que si esta relación
es elevada -lo cual indica un nivel energético alto de la célula-, la enzima se
inhibe, y si es baja -lo que indica un bajo nivel energético de la célula-, la
enzima se activa. También presenta un control por fosforilación-desfosforilación (modificación covalente), que afecta a la primera enzima o actividad enzimática (la piruvato descarboxilasa) del complejo multienzimático de la p~ruva­
to deshidrogeriasa, de tal forma que la piruvato deshidrogenasa fosforilada es
inactiva. En la figura 12-10 se muestran los factores que favorecen los procesos de fosforilación y desfosforilación de la enzima. Uno de losJactores que
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE ·CARBONO
Insulina
2
Ca + ~
o
Piruvato
deshidrogenasa
fosfatasa
229
(Act iva)
~
Piruvato
deshidrogenasa
(El)
Acetil CoA
ATP
~ NADH
ATP
Piruvato
deshidrogenasa
quinasa
~ Piruvato
H20
ADP
ADP
Ca 2•
(Inactiva)
Figura 12-10. Factores de control de la
regulación por modificación covalente de
la piruvato deshidrogenasa. selndica con
let ra en roj o los inhibidores de la piruvato
deshidrogenasa y en ve rde los activadores.
permite la forma activa, es decir, la desfosforilada, está favorecido por la presencia d e insulina, que es p arte d el control hormon al sobre el metabolismo de
la glucosa.
0
LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO
Aspectos generales de la ruta
La ruta de las pentosas fosfato es otra ruta catabólica que parte de la glucosa. En
esta ruta la glucosa se oxida, y se obtiene energía pero no en forma de ATP. Entre las finalidades de la ruta de las pentosas fosfato se encuentran:
• La o btención de poder red uctor en el citoplasma, en forma de
NADPH + H+, q ue es un agente reductor necesario para infinidad de reacciones anabólicas, además de ser un antioxidante muy potente de gran
utilidad en células con un elevado riesgo de daño oxidativo como, por
ejemplo, los eritrocitos.
• La obtención de diversos monosacárid os de lon gitud entre 3 y 7 átomos de
carbono. U n o de los más importantes es· la ribosa-5-fosfato, necesaria para
las síntesis de los n ucleótidos -base de los ácidos n ucleicos- , los n ucleótidos trifosfato y gran cantidad d e cofactores enzimáticos. Otro glúcido
imp ortante que se origina en esta ruta es la erit rosa-4-fosfato, esencial para
la síntesis de amin oácidos aromáticos.
O la finalidad de la ruta de las
pentosas fosfato es la obtención de
poder reductor -para utilizar en las
biosíntesis reductoras- y la generación de diversos monosacáridos.
Fases de la ruta de las pentosas fosfato
La ruta de las pentosas fosfato, clásicamente, se divide en dos fases : la fase oxidativa, d onde se produce el NADPH + H+, y la fase no oxidativa, dond e se
generan diversos monosacáridos. Las reacciones tienen lugar en el citoplasma
celular.
La fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato consta de tres reacciones
(Fig. 12- ll a) . En ellas, una molécula de glucosa-6-fosfato va sufrir una oxidación originan do 6-f~ogluconolactona, que será h idrolizada a 6-fosfoglucanato,
el cual sufrirá una descarboxilación oxidativa rindiendo ribulosa- 5-fosfato. En
esta fase es en la que se produce la generación del poder reductor, formándose
dos moléculas de NADPH + H+: una, en el primer p aso catalizado por la glucosa-6-fosfato deshid rogenasa; y otra, en el último catalizado por la 6-fosfoglucon ato deshidrogenasa.
La fase no oxid ativa implica una serie de reorganizaciones moleculares entre
distintos mon osacáridos, caracterizadas principalmente por la transferencia de
fragmentos de dos o tres átomos de carbono de un monosacárido a otro (Fig.
12~ll b). En esta fase p articipan una serie de enzimas tales como isomerasas y
epimerasas, aunque las enzimas encargadas de transferir fragmentos de carbono
son las transcetolasas y tran saldolasas. El azúcar que cede los carbonos es siemp re una cetosa, mientras q ue el azúcar aceptor es siempre una aldosa. Las transcetolasas transfieren dos átomos de carbono, el aldeh ído aceptar se convierte en
un alcoh ol q ue ad quiere configuración L. La reacción requiere pirofosfato de
O En la fase oxidativa de la ruta de
las pentosas fosfato se produce poder reductor en fo rma de NADPH +W.
o -En la fas-e no oxidativa se -t ransforman unos monosacáridos en
otros, destacando la obtención de
ri bosa-5-fosfato y eritrosa-4-fosfato.
1
230
.
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CHULAR
-'•
(a) Fase oxidativa
NADPH + H+
CH,o - o -o
~
0
H
OH
.
Ht
~
CH,-:~
t
___¿___
O
Glucosa
OH
6-fosfato
OH
desh1drogenasa
~
HO-t - H
OH
NADPH + CO,
0·
:~:OH
6-fosfogluconolactonasa
J'---6---fo_fa_f~-t~-~~-~-o_n_o~
1'-_G_Iu_
co
_s_a_-6_-_P__)]
o
1
H,~-OH
t
~
C= O
Fosfo-
•
1
HC- OH
gluconato
HC-OH
Ht-OH desh 1drogenasa Ht-OH
1 ,
1
CH,- 0-o
CH,- o -o
6-fosfoglucon ato
J
1
Ribulo sa-5-P ]
(b) Fase no oxi dativa
o~
" e/
CH,-OH
H
o~
1
1
+
HC-OH
1
1
HC-OH
Ho-CH
1
HC-OH
1
HC-OH
1
HC-OH
1
CH,- 0 -o
1 Gliceraldehído
3-P
H
"e/
Transcetolasa
c =o
Ribulosa-5-fosfato
isomerasa
1
HC-OH
1
H e~
oH
1
CH,-0 -o
1
CH,-o-G
[
Sedoheptulosa
7-P
j
1
Ribosa-5-P
1
~-
H,C- OH
Transaldolasa
1
-~
c= o
)===F=====<
____ __,
Ho- ~H
Ribulosa-5-fosfato
epimerasa
H~ -oH
CH,- 0 -o
1 Xilulosa-5-P 1
CH,- OH
CH,-OH
1
o~
c=o
" e/
1
Ho-CH.
HC-OH
1
HC- OH
1
HC- OH
1
1
1
Fructosa-6-P
Ho-CH
1
HC-OH
1
HC-OH
HC- OH
+
'
Transcetolasa
1
Eritrosa-4-P 1
1
HC-OH
+
1
CH,- 0 -o
1
CH,- o -o
1
o~c /H
c=o
1
CH,- o-G
Figura 12-11. Reacciones de la ruta de la
pentosas fosfato . (a) Fase oxi dat iva .
(b) Fase no oxidativa.
1
H
CH;- 0-o
1
Fructosa-6-P
1
Gliceraldehído
-3-P
~
1:
.E
tiamina, que actúa como transportador intermediario. Las transaldolasas transfieren tres átomos de carbono y el aldehído aceptar se convierte en alcohol, que
adquiere configuración D.
Regulación de la ruta de las pentosas fosfato
O la ruta de las pentosas fosfato
está regulada a nivel de la glucosa-6fosfato deshidrogenasa.
El punto clave de regulación de la ruta de las pentosas fosfato es el primer paso
de la fase oxidativa, que está catalizad o por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.
Esta enzima se inhibe fuertemente por el NADPH + H+, uno de sus prod uctos
finales, y se activa por el GSSG (glutatión oxidado, forma oxidada del glutatión
reducido, GSH, que es un potente agente antioxidante celular). También se activa por la presencia de su propie sustrato: la glucosa-6-fosfato . Además la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es una enzima cuya síntesis se puede inducir, es
decir, aumentar si la d ieta es rica en h idratos de carbono. Esta enzima está relacionada con una serie de trastornos. que suelen cursar con anem ias h erriolíticas,
y también lo está con la resistencia a la malaria (Recuad ro 12-3).
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
231
Recuadro 12-3. Patologías relacionadas con alteraciones glucosa-6-fosfato deshidrogenasa
Anemias hemolíticas
Las alteraciones de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. en general, provocan una pérdida o descenso del NADPH + W. Este descenso es especialmente grave en los eritrocitos. al ser células enucleadas, lo cual limita el número de rutas metabólicas disponibles. La falta de NADPH + W,
que es un potente antioxidante, acaba originando daño oxidativo sobre todo a los lípidos de la membrana de los eritrocitos. Este daño provoca que ésta se vuelva frágil y quebradiza, favoreciendo la ruptura de los glóbulos rojos. lo que origina un cuadro de anemia hemolítica.
Malaria
En ciertas regiones de África donde la malaria es endémica, algunas etnias de raza negra presentan un déficit congénito de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Este fallo enzimático produce una perdida parcial de la actividad de la enzima. pero conlleva una protección contra la
malaria porque el trofozoíto causante de la enfermedad necesita grandes cantidades de NADPH + W para poder entrar y parasitar las células.
De tal forma que, en este caso, el fallo de la enzima protege de la malaria, y es por este motivo por el que dicho fallo metabólico persiste en
la población.
0
EL METABOLISMO DEL ·GLUCÓGENO
Aspectos generales del polisacárido de reserva animal
El glucógeno es un polisacárido de origen animal, formado por una gran cantidad de moléculas de glucosa. Presenta una estructura ramificada, como se comentó en el capítulo 2 dedicado a la estructura de los hidratos de carbono. La
función de este polisacárido es constituir un reservorio de moléculas de glucosa
con la finalidad de cubrir las necesidades a corto plazo de este monosacárido
(que, como ya se ha visto, es una de las principales fuentes de energía); por lo
tanto, el glucógeno sirve como una reserva de energía a corto plazo. Aunque todas las células pueden tener glucógeno, éste principalmente se forma en dos tejidos: el músculo y el hígado. El tejido muscular va a utilizar las reservas de glucógeno para cubrir las necesidades propias de ese tejido, especialmente en los momentos de un ejercicio intenso, mientras que el hígado almacena el glucógeno
con la finalidad de mantener los niveles de glucosa en sangre; en este sentido, el
hígado también se ayuda de la gluconeogénesis para sintetizar glucosa y mantener los niveles en sangre, tal y como se ha comentado anteriormente.
Mantener los niveles de glucosa dentro de unos limites aceptables es importantísimo, ya que es la glucosa disponible en sangre la que utilizan la mayoría de
los tejidos para obtener la energía que necesitan en circunstancias normales. Los.
niveles de glucosa en sangre son cruciales para una serie de células (entre las cuales se encuentran los erítrocitos) que obtienen toda su energía de esta glucosa
circulante, puesto que no pueden aprovechar otras fuentes de energía como pudieran ser los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos. Las células cerebrales también dependen en gran medida de la glucosa en sangre, aunque éstas sí pw:;den
adaptarse y obtener energía de los cuerpos cetónicos (véase capítulo 15).
El metabolismo del glucógeno se suele dividir en dos procesos, a saber: la
glucogenogénesis o síntesis de glucógeno y la glucogenólisis o degradación del
glucógeno. Estos son dos procesos opuestos: el primero es anabólico mientras
que el segundo es catabólico.
O El glucógeno sirve como una
reserva de energía a corto plazo.
O El metabolismo del glucógeno
comprende dos rutas: la de síntesis
conocida como glucogenogénesis y
la ruta degradativa conocida como
glucogenólisis.
Glucogenogénesis
La síntesis de glucógeno se produce normalmente después de la ingestión, sobre
todo si la dieta es rica en carbohidratos, pues en esos momentos habrá una gran
cantidad de glucosa en sangre procedente de la dieta. Esta glucosa será almacenada tanto el tejido muscular como el tejido hepático en forma de glucógeno. El
tejido hepático será el que se encargue de acumular la mayor cantidad de glucosa en forma de glucógeno, debido a la presencia de la glucoquinasa, enzima que
permite almacenar gran cantidad de glucosa en la célula en forma de glucosa-6fosfato. Al contrario que la hexoquinasa presente en los demás tejidos, esta enzima hepática no se inhibe por la glucosa-6-fosfato, lo. cual permite introducir
una mayor cantidad de glucosa dentro de las células.
La glucogenogénesis comienza con la transformación de la glucosa-6-fosfato
en glucosa-1-fosfato por acción de la fosfoglucomutasa, a través de una reacción
reversible. Posteriormente se va a transformar en UDP-glucosa. Como ya se ha
;~.
232
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
visto, la activaci6n de rrionosacáridos con UTP es un mecanismo habitual en las
células~ Esta activación determina que el monosacárido sea aprovechado para la
formación de ósidos, ya que la formación del enlace o-glucosídico es un proceso
endergónico que necesita energía-aportada por la hidrólisis del UDP del monosacárido. Para la síntesis de glucógeno a partir de moléculas de UDP-glucosa, se
necesitan:
c JPara la biosíntesis de glucógeno
se requieren dos enzimas -la glucógeno sintasa y la enzima ramificante-, moléculas de UDP-glucosa
y una cadena preexistente de glucógeno o un cebador.
• Una molécula preexistente de glucógeno o un cebador como la glucogenina (Recuadro 12-4).
• La enzima glucógeno sintasa, cuyo papel será alargar las cadenas lineales
del glucógeno mediante la adición de moléculas de glucosa procedentes de
-la UDP-glucosa, uniéndolas' mediante enlaces O-glucosídicos (cd ~ 4) con
la cadena preexistente de glucógeno.
• La enzima ramiflcante, cuyo papel es crear los puntos de ramificación mediante enlaces (al~ 6). Esta enzima tiene una actividad glucosil transferasa, que transfiere parte de la cadena de moléculas de glucosa con enlaces
al ~4, uniéndola al glucógeno a través de un enlace al ~6 (Fig. 12-12).
Glucogenólisis
La degradación de glucógeno normalmente se produce horas después ele ·las comidas, pues en esos momentos habrán descendido los niveles de glucosa en
sangre. En estos momentos el tejido hepático empezará a degradar el glucógeno
para intentar liberar la mayor cantidad posible de glucosa a la sangre. Mientras,
en el tejido muscular, la degradación del glucógeno tendrá lugar cuando se realice un mayor gasto energético que no pueda ser cubierto con el aporte de glucosa desde la sangre, normalmente cuando se produce un ejercicio intenso.
Para la degradación de glucógeno, se necesitan fundamentalmente dos enzimas:
• La glucógeno fosforilasa, cuyo papel será eliminar las moléculas de glucosa
de los extremos no reductores de tal forma que va recortando las cadenas
lineales del glucógeno. La glucógeno fosforilasa rompe los enlaces (al~ 4),
liberando moléculas de glucosa-1-fosfato.
Recuadro 12-4. Glucogenina
La glucogenina es una proteína que interviene en la biosíntesis de glucógeno. Esta proteína cataliza la unión de una primera molécula de glucosa a un residuo de tirosina de la propia proteína y posteriormente permite la creación de una cadena de moléculas de glucosa por adición de
unidades de glucosa (UDP-glucosa). Esta cadena, que tiene entre tres y siete moléculas de glucosa unidas mediante enlaces (al ~4), actúa
como cebador, permitiendo en este punto que comience la acción de la glucógeno sintasa y de la enzima ramificante, alargando y creando así
las nuevas ramas que acabarán originando una molécula de glucógeno. La molécula de glucogenina permanece unida a la molécula de glucógeno en su único extremo reductor.
Figura 12-12. Mecanismo de actuación de
La enzima ramificante.
CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO
• La enzima desramificante, cuyo papel es el de eliminar los puntos de ramificación. Para ello, esta enzima cuenta con dos actividades: una actividad glucósil transferasa, que transfiere la cadena de moléculas de glucosa
con enlaces (al ~4) a una cadena central de glucógeno mediante un enlace (al~ 4), dejando únicamente la molécula de glucosa que tiene el enlace
(al~ 6); y, por otra parte, una actividad glucosidasa, que eliminará el en- .
lace (al ~6) liberando una molécula de glucosa (Fig. 12-13).
'
233
O Para la degradación de glucógeno se requieren dos enzimas: la glucógeno fosforilasa y la enzima desramificante.
Las moléculas de glucosa-1-fosfato serán transformadas en fructosa-6-fosfato
por la fosfoglucomutasa (véase Fig. 12-5). En el tejido muscular, la glucosa-6fosfato se oxidará en la glucólisis. En el tejido hepático, sin embargo, será transformada en glucosa libre por la glucosa-6-fosfatasa, y posteriormente se liberará
al torrente circulatorio para elevar los niveles de glucosa en sangre.
Figura 12-13. Mecanismo de actuación de
La enzima desramificante.
Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno
La síntesis y degradación del glucógeno e~tán reguladas cuidadosamente para
que la disponibilidad de glucosa, especialmente en el torrente sanguíneo, permita cubrir las necesidades energéticas del organismo. El control de estos procesos
metabólicos se produce principalmente a través de tres hormonas: la insulina, el
glucagón y la adrenalina: Estas hormonas actúan a través de receptores celulares
que regulan normalmente la actividad de una enzima adenilato ciclasa, de modo
que la adrenalina y el glucagón estimulan la síntesis de AMP cíclico (AMPc),
mientras que la insulina inhibe su síntesis. El AMPc es un mensajero secundario
que activa una serie de quinasas encargadas de fo.sforilar a la glucógeno fosforilasa y a la glucógeno sintasa (véase capítulo 10). La· glucógeno fosforilasa fosforilada es la forma activa de la enzima, mientras que la glucógeno sintasa fosforilada
es inactiva, de tal forma que el glucagón y la adrenalina, al favorecer las formas
fosforiladas, impiden la síntesis de glucógeno y favorecen la degradación del
mismo. La insulina, por el contrario, no incrementa los niveles de AMPc y, por
tanto , en su presencia, no se activa la quinasa que fosforilará las enzimas del
metabolismo del glucógeno. Además, la insulina favorece la actividad de unas
enzimas fosfatasas que desfosforilan a la glucógeno fosforilasa y a la glucógeno
sintasa, lo que provoca que pasen a una forma inactiva y activa, respectivamente. Así, la insulina potencia la síntesis de glucógeno e inhibe la degradación del
mismo, al contrario de lo que sucedía con la adrenalina y el glucagón.
Por último, es interesante resaltar que el hígado tiene receptores para las tres
hormonas, mientras que el tej ido muscular principalmente tiene receptores de
adrenalina. De esta manera, la insulina y el glucagón afectan fundamentalmente
al hígado, mientras.que la.adrenalina regula la síntesis y degradación de glucógen0 en el músculo. Este hecho tiene su lógica, pues la insulina y el glucagón informan de los niveles de glucosa en sangre, niveles que se encarga de controlar el
hígado. La adrenalina se sintetiza como respuesta a un estímulo de alerta o un
estrés emocional, de tal forma que, al favorecer la glucogenólisis en el músculo,
facilita una respuesta rápida frente a un estímulo.
O la regulación del metabolismo
del glucógeno a nivel hepático se
realiza principalmente por la insulina
y el glucagón, lo cual permite regular
los niveles de glucosa en sangre.
.)
j
11
~'
\
RUTAS CENTRALES DEL
METABOLISMO INT!ERMEDIARIO
o
CONTENIDOS
o Introducción
o El ciclo de Krebs
o La cadena transportadora
de electrones y la
fosforilación oxidativa
o
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o Tener una visión general del metabolismo intermediario.
o Comprender los procesos oxidativos y de respiración celular que producen energía.
o Entender el papel de interconexión que presenta el ciclo de Krebs entre los distintos metabolismos.
o Lanzaderas de NADH + W
Se estudian en este capítulo una serie de rutas metabólicas; el
ciclo de Krebs, la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, que reciben conjuntamente el nombre de
metabolismo intermediario debido a que intervienen , de forma
confluente compuestos derivados de los distintos tipos de biomoléculas, principalmente, de los hidratos de carbono, de los
lípidos y de los aminoácidos y compuestos nitrogenados.
Este capítulo se sitúa inmediatamente después del capítulo dedicado al metabolismo de los hidratos de carbono, cuyas vías
derivan en la formación de compuestos (acetil CoA, FADH 2 y
NADH + W) que son utilizados por las rutas objeto de estudio
en éste. Así, con la idea de que el estudiante comience a relacionar los conceptos importantes de unas rutas y otras, se ha
intentado seguir de forma lineal el procesamiento de estos
compuestos, y dar una visión más integradora de todo el proceso, para poder entender que las rut~.s actúan en conjunto y no
de una forma aislada. Las rutas del metabolismo intermediario
tienen un papel clave en la interconexión de los distintos metabolismos, por lo que su estudio será de gran utilidad para comprender los procesos que se analizarán en los capítulos posteriores dedicados a las rutas metabólicas de los lípidos (Capítulo
14) y de los compuestos nitrogenados (Capítulo 15). De esta
forma se demuestra que todo el metabolismo está estrechamente relacionado entre sí formando una unidad.
238
SECCIÓN 111.-· El METABOLISMO CELULAR
0
c::fEl ciclo de Krebs se considera
anfibólico y tiene lugar en la matriz
mitocondrial.
INTRODUCCIÓN
Las rutas centrales del metabolismo intermediario, ciclo de Krebs y cadena
transportadora de electrones, están estrechamente relacionadas con el desarrollo
evolutivo desde· los organismos anaerobios a los organismos aerobios. En las
condiciones del caldo de cultivo primigenio, donde surgió la vida, la escasa presencia inicial de oxígeno determinó la aparición de una serie de organismos que
realizaban sus reacciones vitales sin la presencia de este compuesto oxidante. El
incremento de determinados organismos que producían oxígeno como producto de desecho de sus actividades metabólicas, cambió estas condiciones, pasando
a un medio en el cual la presencia del oxígeno fue relativamente importante. En
consecuencia, algunos organismos se adaptaron a la presencia del oxígeno, los
llamados anaerobios facultativos que, posteriormente, evolucionaron dando origen a los organismos aerobios.
El oxígeno es un compuesto altamente oxidante que, de no ser aprovechado
por los· seres vivos adecuadamente, y de no tener éstos los mecanismos antioxidantes apropiados, puede producir la muerte de un organismo o célula con relativa facilidad. Simultáneamente, el hecho de poder utilizar el oxígeno como
aceptor de electrones lleva a la oxidación de las biomoléculas hasta dar dióxido
de carbono y agua, lo que permite producir mucha más energía a partir de cada
átomo de carbono, con un mayor rendimiento energético, confiriendo una ventaja evolutiva importante a aquellas células capaces de aprovechar el oxígeno.
El metabolismo oxidativo de las principales biomoléculas -hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos- habitualmente se divide en tres etapas
(Fig. 13-1):
Citop~sm~
i
MJbolismo
CJtl!bolismo
a flujo eH, e-
·-.
.. . ........
·.
Figura 13-1. Etapas del metabolismo oxidativo.
·...........
\
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO
• En la primera etapa, las macromoléculas son fragmentadas en moléculas
m ás pequeñas, normalmente moléculas sillares que posteriormente, son
degradas a moléculas de acetil CoA, de dos carbonos. En esta fase -se incluyen las vías catabólicas de aminoácidos (desaminación oxidativa), la ~-oxi­
dación de ácidos grasos y la glucólisis en el caso de los monosacáridos.
• En una segunda etapa se encuentra el ciclo de Krebs, que implica la oxidación de los átomos de carbono del acetil CoA hasta moléculas de C0 2 , liberando energía en forma de nucleótidos trifosfato (GTP) y en forma de
poder reductor (FADH 2 y NADH + H +).
• En la tercera etapa se ubica la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, en la cual _el poder reductor generado en el ciclo -de
Krebs se emplea para la síntesis de ATP, moneda de intercambio energético de la célula.
Estas últimas etapas -el ciclo de Krebs, la cadena transportadora de energía
y la fosforilación oxidativa- son las rutas objeto de estudio del present~ tema.
Son rutas muy importantes en la producción de energía dentro de la célula, si
bien, como se verá más adelante, también desempeñan un papel crucial como
conexión entre las distintas rutas metabólicas.
0
239
. c:fEl ciclo de Krebs, la cadena
. transportadora de energía y la fosforilacif;n oxidativa son rutas clave en
la producción de energía dentro de
la célula.
EL CICLO DE KREBS
Aspectos generales del ciclo de los ácidos tricarboxílicos
El ciclo de Krebs, llamado así gracias a su descubridor Hans AdolfKrebs (1937),
tam bién se denomina ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Es una ruta metabólica que forma parte de lo que se conoce como la respiración celular típica de los organismos aeróbicos. El ciclo de Krebs, como se ha
com entado anteriormente, es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación
de las moléculas de acetil CoA proveniente de monosacáridos, ácidos grasos y
aminoácidos hasta producir C0 2 , liberando gran cantidad de energía química,
sobre todo en forma de poder reductor que, gracias a la cadena transportadora
de electrones y de la fosforilación oxidativa, será utilizada en la síntesis de ATP.
El acetil CoA suele venir de la ¡3-oxidación de los ácidos grasos o del piruvato, a
través de la descarboxilación oxidativa. El piruvato suele originarse como producto de la glucólisis, o bien como consecuencia de la actuación de las transaminasas. Aparte de este papel catabólico, el ciclo de Krebs también presenta una
parte anabólica, ya que proporciona precursores para muchas rutas biosintéticas
de diferentes biomoléculas como, por ejemplo, la biosíntesis de aminoácidos,
aunque también suministra intermediarios para la biosíntesis de ácidos grasos o
azúcares. Por ello, se considera como una vía anflbólica, es decir, catabólica y
anabólica al mismo tiempo.
El hecho de que varios intermediarios del ciclo de Krebs sean la base para
formar diversas biomoléculas tiene un papel importantísimo 'a nivel celular, ya
que permite interconectar las principales rutas metabólicas de los hidratos de
carbono, de los lípidos y de los aminoácidos; de tal forma que un tipo de biom olécula puede servir de precursor para otros tipos de biomoléculas, lo cual supone optimizar los recursos disponibles por la célula y depender en menor medida de los aportes exógenos, procedentes principalmente de la dieta.
El ciclo de·Krebs tiene lugar en la _matriz mitocondrial de las células eucariotas. Por ello, determinados tipos celulares carentes de mitocondrias, como pueden ser los glóbulos rojos, no pueden realizar el ciclo de Krebs ni la cadena
transportadora de electrones, y dependen, casi exclusivamente, de la energía form ada en la glucólisis para cubrir sus necesidades energéticas, lo cual implica una
m ayor dependencia de los niveles de glucosa.
Reacciones del ciclo de Krebs
U na visión general del ciclo de Krebs muestra una secuencia de reacciones que
oxidan los dos átomos de carbono de una molécula de acetil CoA hasta rendir
C 0 2 • El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, implica una serie de pasos enzimáticos que están representados detalladamente en la figura 13-2:
c:fEl ciclo de Krebs desempeña un
papel crucial como nexo entre las
distintas rutas metabólicas.
c:fEl ciclo de Krebs, a través de
sus intermediarios, proporciona precursores para muchas rutas biosintéticas.
240
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULA~
Acetil-CoA
o
11
CH,- C-5-CoA
[ 1. Condensación ]
Oxalacetato
CH,-Coo·
Citrato sintasa
O=c-coó·
1
cH,-coo·
Ho-2-coo· Citrato
1
CH,-coo·
- ~H,O
8. Deshidrogenación
Aconitasa
2a. Deshidratación
\\
·coo·
1
cH,-coo·
1
c-coo·
l-Malato HO- ~H
CH,
11
1
( 7. H;d""dóo
l
t¡
Fumarato Hr
1r\/
1
H
oooF"m"'"
H,O~·coo·
1
V
Aconitasa
¡FÁoH
H,O
['-----~
~atación
cH,-coo·
1
H-~-coa·
HO-c-coo·
2 ]
coo·
lsocitrato
1
Succinato
deshidrogenasa
H
3. Descarboxilación
oxidativa
6. Deshidrogenación
CH,-Coo·
Succinato
Cis-Aconiato
c-coo·
cH,-coo·
1
CH,
1:~-~
Sus~~~~~~~:A
~
S. Fosforilación
a nivel de sustrato
CoA-5H
eo,
1
c-coo· a-Cetoglutarato
11
cH,-coo·
1
CH,
o
1
c-5-CoA
GDP
g
(ADP)
+P,
Succinil-CoA
eo,
a-Cetoglutarato
deshidrogenasa
4. Descarboxilación
oxidativa
Figura 13-2. Reacciones del ciclo de Krebs.
l. Condensación entre una molécula de acetil CoA (de dos carbonos) y una
molécula de oxalacetato (de cuatro carbonos). Esta reacción es una condensación aldólica a la que sigue una hidrólisis que libera la coenzima A
libre. Dicha réacción está catalizada por la citrato sintasa, dando como
producto final el citrato (de seis carbonos), uno de los compuestos que da
nombre al ciclo. Es un paso irreversible.
2. Transformación del citrato en isocitrato. Con esta reacción que sucede
en dos pasos, una deshidratación seguida de una hidratación, se pasa de
un sustrato con un alcohol terciario a una molécula con un alcohol secundario que resulta más fácilmente oxidable. Esta reacción se lleva a
cabo por la aconitasa formando un intermediario conocido como cisaconitato.
3. Primera descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del
isocitrato (de seis carbonos) a a -cetoglutarato (de cinco carbonos) reacción que conlleva la reducción de una molécula de NAD+ a NADH + H+
y la eliminación de un átomo de carbono en forma de C0 2 • Esta reacción
la cataliza la isocitrato deshidrogenasa y es la primera etapa en la que se
produce NADH + H+ y también la primera en la que se genera C0 2 • Es
un paso irreversible.
4. Segunda descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del
a -cetoglutarato (de cinco carbonos) a succinil CoA (de cuatro carbonos),
reacción que conlleva igualmente la generación de NADH + H+ y la eliminación de un átomo de carbono. La reacción la efectúa el complejo
multienzimático a-cetoglutarato deshidrogenasa, que es bastante similar
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO
5.
1
6.
7.
8.
en su composición y actuación al complejo enzimático de la piruvato des:
hidrogenasa. Como resultado, se obtiene, además del succinil CoA, la reducción de una segunda molécula de NAD+ a NADH + H+ y la generación de una segunda molécula de COz. Hasta este momento, ya se han
producido dos moléculas de COz, por lo que se ha completado la oxidación neta del grupo acetilo. La reacción es un paso irreversible.
Fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se acopla la ruptura del
enlace de alta energía del succinil CoA con la síntesis de una molécula
GTP, a partir de GDP y P; (en algunos organismos se fosforila el ADP)
liberando succinato y coenzima A libre. Esta reacción la lleva a cabo la
enzima succinil CoA sintetasa.
Oxidación del succinato a fumarato, por acción de la succinato deshidrogenasa. Es una reacción de deshidrogenación, en la cual se produce la
oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de succinato, dando lugar a un doble enlace trans. El hidrógeno eliminado se
acopla a la síntesis de una molécula de FADHz, a partir de FAD.
Hidratación del doble enlace del fumarato, originado una molécula de
L-malato: La enzima que cataliza esta reacción es la fumarasa.
Oxidación del fumarato a oxalacetato, gracias a la enzima malato deshidrogenasa que oxida el grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona. Esta reacción conlleva la reducción de una tercera
molécula de NAD+ a NADH + H+, la tercera que se obtiene en el ciclo.
Con esta ultima reacción de oxidación se regenera el oxalacetato que se
utilizará, junto con el acetil CoA, en la generación del citrato, al principio de un nuevo ciclo.
241
degr~dación
O la
de una molécula
de acetil CoA en el cic;lo de Krebs
origina tres moléculas de NADH + W,
una molécula de FADH 2 y una molécula de GTP.
Las últimas reacciones a partir de la formación del succinato suponen la preparación de otra vuelta del ciclo mediante la regeneración del oxalacetato necesario para la primera reacción. De esta forma se puede oxidar un número ilimitado de grupos acetilo con la mediación de una sola molécula dé oxalacetato, ya
que ésta se regenera en cada vuelta del ciclo (Fig. 13-3). También hay que destacar que, en numerosas enzimas del ciclo de Krebs, la estereoespecifidad juega
un papel clave a la hora de determinar la actuación catalítica de las mismas. Esto
sucede, sobre todo, en las enzimas aconitasa, isocitrato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, fumarasa y malato deshidrogenasa.
La oxidación completa de los grupos acetilo sigue entonces el siguiente
balance:
Acetil CoA+ 3 NAD+ + FAD + GDP + P; + 2 HzO
~
2 COz + 3 NADH + 3 H+ + FADHz + GTP + CoA-SH
Acetil-CoA
0
\
O En el ciclo de Krebs se realiza la
oxidación de las moléculas de acetil
CoA hasta producir C0 2 generando
gran cantidad de energía.
Figura 13-3. Esquema del ciclo de Krebs
según el rendimiento de moléculas de
C0 2, poder reductor y energía. Se hace
referencia al número de carbonos de las moléculas que participan en el ciclo. Los números en azul indican las ocho reacciones enzimáticas.
242
SECCIÓN 111 . EL METABOLISMO CELULAR
El NADH + H+ y el FADH 2 , que son productos clave del ciclo, se van a
reoxidar rápidamente a través de la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa, siendo el aceptor final de los electrones el oxígeno. De esta
forma se completa la degradación de los metabolitos celulares, maximizando la
obtención de energía mediante la síntesis de nuevas moléculas de ATP. El GTP
se puede utilizar como fuente de energía· en determinadas reacciones, o bien se
puede aprovechar para sintetizar ATP a través de la siguiente reacción catalizada
por la nucleósido difosfoquinasa: .
GTP + ADP
GDP + ATP
Regulación del ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs está fuertemente regulado en distintos pasos. Se debe a que,
por un lado debe satisfacer con precisión las necesidades energéticas de la célula,
ya que es la vía final para la degradación de las moléculas energéticas; y, por otro
lado, como se estudiará en el siguiente apartado, el ciclo de Krebs es una fuente
muy importante de precursores de gran cantidad de biomoléculas. La regulación
del ciclo de Krebs sucede principalmente a dos niveles (Fig. 13-4) :
·l
!
J
'
·~
J
,j
XI
~1
c:fEl ciclo de Krebs está fuertemente regulado, principalmente por
el estado energético de la célula (a
través de la relación NADH + W!
NAD+ mitocondrial) y por la disponibilidad de sustrato.
• Disponibilidad de sustrato; esto se debe a que la concentración de acetil
CoA y oxalacetato es baja en la mitocondria con relación a la enzima que
los utiliza, la citrato sintasa. El aumento de la disponibilidad de estos sustratos estimula fuertemente la síntesis de citrato y, por consiguiente, el ciclo de Krebs. La disponibilidad de acetil CoA depende en gran medida de
la actuación de la piruvato deshidrogenasa, mientras que la disponibilidad
de oxalacetato depende sobre todo de la actuación de la piruvato carboxilasa, enzimas ya estudiadas en el capítulo 12. De tal forma que estas enzimas, ajenas al ciclo de Krebs, afectan en gran medida a la regulación del
·mismo al determinar el grado de utilización del piruvato.
• Modulación de enzimas clave. Diversas enzimas clave del ciclo de Krebs
.(principalmente aquellas que catalizan pasos irreversibles) están finamente
reguladas mediante efectores alostéricos. Esta regulación afecta sobre todo
a la citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y a-cetoglurarato deshidrogenasa. La citrato sintasa y la a-cetoglutarato deshidrogenasa se inhiben
principalmente por succinil CoA y NADH + H+, mientra~ que la isocitrato deshidrogenasa se inhibe principalmente por ATP y NADH + H+.
Como se puede observar en la figura 13-4, el NADH + H+ está presente
como regulador alostérico en todas las enzimas reguladas, de tal forma que
Acetil-CoA
~OH, s,cclml-CoA
[~-0-xa-l-ac-e-ta.::...t_o~]
NADH
[
'
lsocitrato
)
[ NADH
]
\
•C\
Malato
Citrato
j
o J•
NADH, ATP
~~ (±) ADP
Fuma rato
Figura 13-4. Regulación del ciclo de
Krebs. La regulación se ejerce principalmente por la disponibilidad de sustratos, la relación.· NADH/ NAD+ mitocondrial y la· regulación alostérica ejercida sobre ·las enzimas citrato sintasa (1), isocitrato deshidrogenasa
(2) y a -cetoglutarato deshidrogenasa (3).
(±)
Succinil-CoA )
•
NADH, ATP, Succinii-CoA
CAPÍTUlO 13. RUTAS CENTRAlES DEl -METABOliSMO -INTERMEDIARIO
la relación NADH + H+/NAD+ mitocondrial, que refleja el estado energético celular del momento, es uno de los principales controladores del ciclo
de Krebs.
En general, se podría decir que, en condiciones normales, las velocidades de
la glucólisis y del ciclo de Krebs están integradas de forma que sólo se metaboliza a piruvato la cantidad de glucosa necesaria para abastecer al ciclo, y de esta
fo rma cubrir las necesidades energéticas de la célula. La velocidad de la glucólisis
se acopla a la del ciclo del ácido cítrico no sólo a través de su inhibición por altos niveles de ATP y NADH, productos del ciclo, sino también por la inhibición por citrato, producto de la primera etapa del ciclo. Diversos compuestos
exógenos pueden bloquear el ciclo de Krebs produciendo graves daños e incluso
la muerte. Uno de esos compuestos es el arsénico, motivo por el cual es un tóxico tan potente (Recuadro 13-1) .
243
7
Reacciones anapleróticas y carácter anfibólico
G ran cantidad de rutas catabólicas convergen en el ciclo de Krebs, como muestra la figura 13-5. Estas reacciones, que tienen su origen en el metabolismo de
los hidratos de carbono, de los lípidos y sobre todo en el metabolismo de los
aminoácidos, tienen gran importancia a la hora de reponer los intermediarios
del ciclo. Las reacciones que generan dichos intermediarios se conocen como
reacciones anapleróticas. La reposición d e un intermediario, teniendo en cuenta
que es un ciclo cerrado, lleva a la larga a la reposición de cualquier intermediario
d las reacciones anapleróticas son
rutas que convergen en el ciclo de
Krebs y permiten reponer los intermediarios del ciclo para que éste
siga funcionando.
' Recuadro 13-1. lnhibidores del ciclo de Krebs
Uno de los más conocidos inhibidores del ciclo de Krebs es el arsénico, cuyo mecanismo tóxico se basa en que su forma trivalente interacciona
con grupos sulfhidrilo (- SH), y su forma pentavalente sustituye a los fosfatos de las enzimas de la mitocondria. El arsénico inhibe la actuación,
entre otras enzimas, de la dihidrolipoil transacetilasa, que utiliza como coenzima la lipoamida (grupos - SH). La dihidrolipoil transacetilasa forma parte de los complejos multienzimáticos piruvato deshidrogenasa y a-cetoglutarato deshidrogenasa, ambos estrechamente relacionados con
el ciclo de Krebs, por lo que la presencia de arsénico bloquea el ciclo, interrumpiendo a su vez la fosforilación oxidativa. En consecuencia, se
bloquea así toda la respiración celular y con ella la generación de energía, lo que desencadena un fallo multiorgánico. El arsénico también inhibe la transformación de la tiamina en acetil CoA y succinil CoA. La ingestión de grandes dosis lleva a problemas gastrointestinales, cardiovasculares, disfunciones del aparato nervioso y, finalmente, a la muerte. Hay que recordar que el arsénico ha sido uno de los venenos más utilizados
en la historia de la humanidad, siendo Napoleón la ~ íctima más famosa . Dosis bajas pero sostenidas pueden llevar aj desarrollo de cánceres.
Otro compuesto que puede interferir con el ciclo de Krebs es el fluoracetato de sodio (FAS). La toxicidad de este compuesto es secundaria a
una serie de transformaciones metabólicas que resultan en la formación de fluorocitrato en el ciclo de Krebs. Dicho sustrato no es reconocido
por la enzima aconitasa, y produce la inhibición de esta enzima y, por consiguiente, la del ciclo completo. Este compuesto fue descubierto y
utilizado, debido a su letalidad, durante la Segunda Guerra Mundial. Dentro de las manifestaciones clínicas asociadas a la intoxicac ión se encuentran: trastornos gastrointestinales, convulsiones, irritabilidad , fallo renal aguda, arritmias cardíacas, hipocalcemia e hipopotasemia.
Glucosa
co 2 ~ Piru¡ato
f
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
carbox1lasa
~
PEP carboxiquinasa~
~------,
(±)
--.--~
[ Acet1I-CoA )
~'--=,.,.,.-----., /
1
(
\
Citrato
(,.--,M~al;-a.,...to---,
Aminoácidos
- ~(t
málica
/
Fumarato
\
)
( lsocitrato )
J
1
( a-Cetoglutarato)
¡ Succinato
Tirosina
Fenilanina
Ácidos grasos
colesterol
\
( Oxalacetato)
[ Transami~
P1ruvato
-
)
~
- ((:!!
Transaminación J
/
........_(Succinii-CoA)
lsoleucina
~~
Metionina
Va tina
"'
Porfirinas
Propionato
.
~
Aminoácidos
Figura 13-5. Diagrama de las reacciones
ailapleroticas y. del carácter anfibólico
del ciclo de Krebs: Las reacciones anapleróticas sirven para reponer intermediarios
del ciclo.
--244
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
que falte. Las reacciones anapleróticas permiten que el ciclo continúe funcionando, a pesar de que diversos intermediarios sean utilizados para la síntesis de
distintas biomoléculas, tal y como se verá posteriormente. Destacan entre estas
reacciones anapleróticas la actuación de la piruvato carboxilasa (Fig. 13-6a) y de
la enzima málica (Fig. 13-6b), que permiten restablecer diversos intermediarios
del ciclo de Krebs (malato y oxalacetato) a partir del piruvato (procedente normalmente de la glucólisis). También cabría destacar la actuación de diversas
transaminasas que reponen el oxalacetato y el a-cetoglutarato a partir de los
aminoácidos.
Es obvio el carácter degradativo del ciclo de Krebs, siendo el ciclo un importante sistema para la fijación de la energía química en la mayoría de organismos,
mediante la oxidación de las moléculas de acetil CoA procedentes principalmente del metabolismo de los ácidos grasos y de los hidratos de carbono. Es interesante realizar unas puntualizaciones sobre la doble naturaleza del ciclo de
Krebs . Esta doble naturaleza, catabólica y anabólica del ciclo, es lo que se conoce como carácter anfibólico del ciclo de Krebs y viene determinada por el hecho
de que algunos de los intermediarios del ciclo intervienen como precursores de
diversas rutas biosintéticas. Esto implica que continuamente tengan que ser repuestos en el ciclo del ácido cítrico para no desabastecer de sustrato aquellas reacciones, reposición que realizan las reacciones anapleróticas estudiadas anteriormente. Entre los distintos intermediarios del ciclo de Krebs (véase Fig. 13-5)
que pueden utilizarse como precursores destacan:
¡
·¡
l
¡•
t
~~,)
j
:a
~1
c flos intermediarios del ciclo de
Krebs intervienen como precursores
de diversas rutas biosintéticas, destacando el citrato, la succinil CoA, el
oxalacetato y el a-cetoglutarato.
• El citrato, que se puede emplear en la biosíntesis de lípidos. Se utiliza para
sacar el acetil CoA que se genera en la mitocondria y que no puede atravesar la membrana mitocondrial interna (Fig. 13-7), ya que la síntesis de
colesterol o de los ácidos grasos (base de los lípidos saponificables) requiere
acetil CoA y dichas síntesis se produce en el citoplasma.
• El a-cetoglutarato, que se utiliza en la biosíntesis de aminoácidos como el
glutamato y sus derivados; algunos de ellos intervienen además en la síntesis de las bases púricas.
• El succinil CoA, que es un precursor de la síntesis de porfirinas de las cuales se obtienen los grupos hemo y los citocromos.
• El oxalacetato, que se emplea en la gluconeogénesis -proceso que ocurre
principalmente en el citosol- y en la síntesis de aminoácidos como el aspartato y sus derivados. Dichos aminoácidos a su vez están relacionados
con la síntesis de bases púricas y pirimidínicas.
(a) Pirivato carboxilasa (PC)-biotina
o
o
e
o-
~/
1
e=O
e
e=O
1
1
~
1
eH 3
~
1 Piruvato 1
1
(b) Enzima málica
= Malato deshidrogenasa
o
o
o-
1
eH 3
Figura 13-6. Reacciones anaRleroticas.
(~) ~eac<;:iqrl ~e · ra , pi rúv~tó ;~ktboxilasa.
(b)' Enzima málicat · :. ·- .. -;,,.· ::, . !
:.
• •
-
.
•• ·.'
.
¡ ••
~- ... :: ' ~ ;.~r,f
:
1
Piruvato 1
dependiente de NADP+
o·
e
1
e
1
Oxalacelato 1
~ /
~/
e=O
o-
~/
eH OH
1
~
~
1
Malato
1
Obtención de NADPH
en la síntesis de ácidos
grasos en citoplasma
\
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO ·INTERMEDIARIO
245
Citoplasma
-1 Acetil-CoA
t
carboxilasa
[ Malonii-CoA)
•• ___., 1 ~cido graso
f
stntasa
[Ácido graso)
Q
Figura 13-7. Transporte de acetil CoA al
citoplasma a través de citrato. Transferencia de acetil CoA desde la mitocondria al
citoplasma y obtención de NADPH para la
síntesis de ácidos grasos.
LA CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES
Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Protones, electrones y oxidación-reducción
Los seres vivos consumen oxígeno y producen dióxido de carbono como parte de su metabolismo celular. Este hecho, que había demostrado Lavoisier,
junto con el desarrollo de la. enzimología a principios del siglo XX que demostró que las oxidaciones biológicas eran catalizadas mediante enzimas intracelulares, permitió descubrir que estas reacciones de transferencia electrónica aprovechan la energía libre producida para obtener energía química en
forma de ATP, siendo estas reacciones la base de la obtención de energía a
nivel celular.
En los sistemas vivos, los electrones involucrados en las oxidaciones celulares no pasan directamente al oxígeno, sino que se transfieren a través de
diversas vías con múltiples etapas. Los electrones de las oxidaCiones se emplean en una primera etapa para reducir el NA.D+ y FAD a NADH + H+ y
FADH 2 , respectivamente. Los electrones fijados en estas coenzimas pasan
entonces a la cadena transportadora de electrones, gracias a la reoxidación
mitocondrial del NADH + H+ y del FADH 2 a NAD+ y FAD respectivamente . Los electrones sufren un proceso de oxidación-reducción secuencial a través de determinados centros rédox (complejos mitocondriales) para finalmente reducir el oxígeno a agua. Este proceso, por el cual se transfieren los
electrones desde las biomoléculas del alimento hasta el oxígeno, suele denominarse respiración aerobia o respiración celular. En este proceso, una serie
de protones se transfieren desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana de la mitocondria, de modo que se crea un gradiente de protones
(gradiente electroquímico). Este gradiente resultante sirve para impulsar la
síntesis de ATP, a partir de ADP y P;, a través de la llamada fosforilación
oxidativa.
La respiración celular (cadena transportadora de electrones) y la fosforilación
oxidativa tienen lugar en las mitocondrias de los eucariotas, cuya membrana interna es impermeable a la mayoría de las pequeñas moléculas e iones, incluyendo los protones. En los procariotas, que carecen de mitocondrias, pueden realizar la respiración celular gracias a las proteínas de la cadena de transporte electrónico que se encuentran en la membrana plasmática.
c JLa respiración aerobia o respiración celular supone la transferencia
de los electrones desde las biomoléculas hasta el oxígeno, proceso que
está implicado en la producción de
energía de la célula.
UNIVERSIDAD CES
Bli&.IQTiCA FUNQAC"RES
J
246
SECCIÓN 111.
EL
METABOLISMO CELUlAR
Complejos y transporte electrónico
La mayoría de los electrones que S€ v:an a t,ttilizar en la cadena transportadora de
electrones provienen de la acción de las deshidrogenasas, que recogen los electrones de los distintos procesos catabólicos y los canalizan hacia los aceptores
univers·ales de electrones (principalmente NAD+ y FAD). Entonces los electrones fijados por estas coenzimas se transfieren a una serie de transportadores asociados a .la membrana interna de la mitocondria conocidos como complejos
(Fig. 13-8). Estos complejos transportadores de electrones son de naturaleza
proteica y poseen diversos grupos prostéticos capaces de aceptar y de donar electrones (Tabla 13-1). En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transferir electrones. La ubiquinona o coenzima Q (una quinona
hidrofóbica) , los citocromos (proteínas que tienen como grupos prostéticos grupos hemo con hierro) y las proteínas con agrupaciones sulfo-férricas (centros
Fe-S)._E tránsito de electrones a través de los complejos se produce en orden
creCiente de afi-nidad electrónica, transfiriendo los electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno, aceptor final de los electrones. Los complejos
implicados en la transferencia de electrones son:
c:fla cadena transportadora de
electrones aprovecha los electrones del NADH + W y del FADHb
para crear un gradiente electroquímico, generando una fuerza protón-motriz.
c:flos electrones . del NADH + W se
transfieren a través de los complejos
1, 111 y IV hasta el oxígeno.
• El complejo 1, también llamado NADH-ubiquinona oxidorreductasa o
NADH deshidrogenasa, que transporta los electrones del NADH a la ubiquinona.
• El complejo 11 es la succinato deshidrogenasa, única enzima del ciclo de
Krebs unida a membrana, que pasa los electrones del FADH 2 a la ubiquinona.
• El complejo 111, también llamado citocromo bc 1 o complejo ubiquinonacitocromo e oxidorreductasa, que acopla la transferencia de electrones
desde la ubiquinona al citocromo c.
• El complejo N, también llamado citocromo e oxidasa, es la última etapa
de la cadena de transporte electrónico de la respiración y conduce a los
electrones desde el citocromo e hasta el último aceptor de los electrones, el
oxígeno, que se reduce a agua.
Los electrones del NADH + H+ se transportan al complejo I, y allí son aceptados por el nucleótido de flavina FMN; posteriormente se transfieren a una serie de centros Fe-S, que, finalmente, trasladan los electrones a la ubiquinona. El
paso de los dos electrones del NADH + H+ por el complejo I permite el tránsito
de un to.tal de cuatro protones al espacio intermembrana. La ubiquinona reducida difunde libremente por la membrana transportando los electrones hasta el
complejo lii; en este complejo los electrones se transfieren de uno en uno a través deun p.roceso complejo de varios pasos. El hecho de que los electrones pasen individualmente hace que se genere ubisemiquinona (molécula de ubiquinona reducida por un solo electrón) que, gracias a los citocromos b del compfejo
II, se reduce nuevamente y cede el segundo electrón. Al final, los dos ,electrones
Complejo 11
Succinato-ubiquinona
reductasa
Complejo 111
Ubiquinona-citocromo
e reductasa
citocromo
Complejo IV
Citocromo e
oxi dasa
e
....
~ATRIZ
Figura 13-8. Transporte de electrones.
..
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO
247
( rabia 13-1. Cofactores de los complejos de la cadena transportadora de electrones
Complejo
Subunida~s~proteicas
Cofactores
~--------------------------4----
NADH-ubiquinona reductasa
16-25
1FMN
22-24 F.e-5 en 5-8 centros
11. Succinato-ubiquinona reductasa
4
1 FAD
8 Fe-S en 3 centros
Citocromó bs•o
111. Ubiquinona-citocromo e reductasa
8
2 centros Fe-S
Citoéromo b5¡¡;
Citocromo b, ••
Citocromo e,
IV. Citocromo e oxidasa
7
Citocromo a
Citocromo a3
2 iones cobre
son cedidos a dos citocromos e (cada citocromo e transporta un electrón): durante este proceso se logran transportar otros cuatro protones al espacio intermembrana. Los citocromos e se encargan de transferir los electrones desde el
complejo III al complejo IV. .Dicho complejo IV es el responsable de reducir
una molécula de oxigeno, a agua, proceso para el cual necesita cuatro electrones
y en el que es importante la presencia de varios citocromos a y de dos átomos de
cobre que colaboran en la reducción de la molécula de oxigeno. El citocromo
IV, al transferir los cuatro electrones al oxígeno, logra transportar cuatro protones hacia el espacio intermembrana; si bien, como el NADH + H+ cedió solo
dos electrones por cada molécula, el complejo IV únicamente transfiere dos protones, lo cual supone un total de diez protones por molécula de NADH + H+
reoxidada a NAD+. La principal fuente de NADH + H+ son los diver~os pasos
del ciclo de Krebs estudiados en el apartado anterior.
Los electrones de las moléculas de FADH 2 entran en la cadena transportadora de electrones a través del complejo 11 (complejo succinato deshidrogenasa del
ciclo de Krebs) que transfiere los electrones a la ubiquinona. Otras enzimas
como la acil CoA deshidrogenasa también transfieren los electrones del FADH 2
a la ubiquinona, aunque estos procesos no logran trasladar ningún protón al espacio intermembrana. Á partir de la ubiquinona, los electrones del FADH 2 siguen el mismo camino que los electrones del NADH + H+, siendo transferidos
al complejo 111, al citocromo e, al complejo IV y, finalmente, cedidos al oxígeno
formándose agua. El trasiego de los electrones procedentes del FADH 2 permite
el paso de un total de seis protones por molécula al espacio intermembrana.
La utilización de la cadena transportadora de electrones y del oxígeno implica una serie de riesgos para la célula; estos riesgos -son consecuencia de la capacidad oxidante del oxígeno y de la formación de radicales libres que pueden originar daño oxidativo a las biomoléculas (Recuadro 13-2).
-
O las electrones del FADH 2 son
transferidos a través de los complejos 11, 111, IV hasta el oxígeno.
O El NADH + W crea un mayor
gradiente electroquímico que el
FADH 2, al utilizar el complejo 1 y no
el complejo 11 (que no transfiere
protones al espacio intermembrana).
La fosforilación oxidativa
La síntesis de ATP a partir de ADP y P; en las mitocondrias está catalizada por
la ATP sintasa (o complejo V). Peter Mitchell propuso en 1961 el mecanismo
conocido como "Teoría quimiosmótica de acoplamiento" que infiere que la síntesis de ATP está acoplada al transporte de electrones mitocondrial (Fig. 13-9).
Este mecanismo se basa en que:
• Los complejos transportadores de electrones logran pasar protones al espacio intermembrana en contra de gradiente, creando así un gradiente
eléctrico y un gradiente de protones a través de la membrana interna. A
este gradiente electroquímico generado por el transporte de los electrones por los diversos complejos mitocondriales se le denomi_na fuerza
protón-motriz.
• El potencial electroquímico de este gradiente o fuerza protón motriz lo
aprovecha la ATP sintasa para sintetizar ATP. La ATP sintasa transporta
O la ATP sintasa aprovecha la
fuerza protón-motriz para sintetizar
ATP a partir de ADP y P¡.
248
- '
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
Recuadro 13-2. Daño oxidativo y defensas antioxidantes
La formación de cierta tasa de radicales libres es un proceso normal e inevitable, ya que son producto de infinidad de reacciones químicas
imprescindibles para la vida celular. Estas especies tan reactivas, no causan daño oxidativo en condiciones normales debido a que la célula está
provista de gran cantidad de mecanismos antioxidantes. El estrés oxidativo se define como una alteración del equilibrio entre las especies prooxidantes y las antioxidantes. Este desequilibrio puede originarse por un exceso de sustancias prooxidantes, una deficiencia de agentes antioxidantes o por ambos factores a la vez. El resultado de este desequilibrio es un daño oxidativo, que puede afectar a diversas moléculas y, de esta
forma , alterar diversas funciones fisiológicas.
Los radicales libres pueden ser de origen endógeno o exógeno. Así, algunos radicales libres de origen endógeno surgen como reacciones secundarias no deseadas entre las biomoléculas; por ejemplo, la formación de anión superóxido como consecuencia de la cadena transportadora de
electrones. Y otros, se generan in vivo con un fin determinado, como en el caso de los fagocitos activados, que producen ·o;, 'OH y H,O,.
El organismo también está expuesto a radicales libres procedentes de fuentes externas: la dieta supone la ingesta de muchos compuestos de
naturaleza prooxidante. Otras fuentes pueden ser el humo del tabaco, la polución ambiental, el ozono, metales, etcétera.
El organismo ha desarrollado una serie de mecanismos de defensa antioxidante enzimática y no enzimática, diseñados para protegerse de la
acción de los radicales libres y de las especies reactivas de oxígeno (ROS) .
Bajo el punto de vista de la fisiología celular, los antioxidantes se clasifican en antioxidantes primarios, secundarios y terciarios.
l . Los antioxidantes primarios previenen la formación de nuevas especies de radicales libres. Actúan destoxificando los radicales libres (o
especies que pueden generarlos) convirtiéndolos en moléculas menos dañinas, o impidiendo su formación. Dentro de este grupo se incluye
a la superóxido dismutasa, la glutatión peroxidasa, la catalasa y las proteínas ligadoras de metales (ferritina y ceruloplasmina).
2. Los antioxidantes secundarios son protectores no enzimáticos que intervienen cuando hay superproducción de radicales libres y los sistemas enzimáticos están desbordados, previniendo así las reacciones en cadena. Se comportan como tal el glutatión, la vitamina E, la vitamina C, el ácido úrico, la bilirrubina y la albúmina.
3. Los antioxidantes terciarios ejercen su defensa mediante la reparación de biomoléculas dañadas por los radicales libres. Entre ellos se
encuentran los sistemas proteolíticos intracelulares, que actúan degradando proteínas dañadas oxidativamente, evitando de este modo su
acumulación. También se pueden destacar las enzimas reparadoras de DNA, la metionina sulfóxido reductasa y la fosfolipasa A2 que escinde los fosfolípidos oxidados de la membrana.
Desde un punto de vista bioquímico, las defensas antioxidantes se clasifican en antioxidantes enzimáticos (por ejemplo, catalasa, superóxido
dismutasa, glutatión reductasa y glutatión peroxidasa) y antioxidantes no enzimáticos (por ejemplo, glutatión, vitamina A, E y C) .
OXIDACIÓN
H+
+++++++++++++++
Figura 13-9. Hipótesis quimiosmótica.
síntesis de ATP (fosforilación oxidativa)
lleva a cabo por la ATP sintasa, utilizando
fuerza protón motriz que se genera en
cadena transportadora de electrones.
La
se
la
la
membrana externa
los protones a la matriz mitocondrial a favor de gradiente y acopla este
proceso a la síntesis de ATP.
Como se ha visto anteriormente~ el transporte electrónico provoca que los
complejos I, III y IV muevan protones a través de la membrana mitocondrial
interna desde la matriz (una región de baja concentración de protones y potencial eléctrico negativo) al espacio intermembrana (una región de elevada concentración de protones y potencial eléctrico positivo). Esto hace que las moléculas de NADH + H + originen una mayor transferencia de protones que las\ moléculas de FADH 2 , y produce que las primeras generen un gradiente mayor, lo
cual permitirá una mayor síntesis de ATP.
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARI0
249
[ ATP sintasa )
Matriz
-
ADP 3 -
Adenosina nucleótido
translocasa
La ATP sintasa es una de las estructuras más complejas de la membrana mitocondrial: contiene dos subestructuras principales (F 0 y F 1), cada una con una
función determinada. La porción F0 es una proteína submembranal insoluble en
agua y que contiene un canal transmembrana para los protones; la denominada
F 1 es una proteína periférica de membrana, soluble en agua, que participa directamente en la síntesis de ATP a partir de ADP y P; (Fig. 13-10). Actualmente se
piensa que la entrada de tres protones desde el espacio intermembrana impulsa
un movimiento rotatorio de la F0 • Este giro es aprovechado por la F 1 para sintetizar una molécula de ATP a partir de ADP y P;. Se necesita otro protón para la
entrada del P; en la matriz mitocondrial, mientras que el ADP se transporta gracias a la salida del ATP. Esto hace que, aproximadamente, la reoxidación de cada
NADH + H+ da lugar a la síntesis de 2,5 ATP, y la de un FADH 2 a 1,5 ATP.
0
LAS LANZADERAS DE NADH
Figura 13-10. Estructura y funcionamiento
de la ATP sintasa o complejo V. El· 'ATP
formado debe salir al citoplasma para ser
utilizado en los procesos anabólicos. El ADP
y el P; generados deben transportarse al interior de la mitocondria para que se produzca de nuevo la síntesis de ATP.
c:fla reoxidación de una molécula
de NADH + W da lugar a la síntesis
de aproximadamente 2,5 moléculas
de ATP, mientras que la reoxidación
de una molécula de FADH 2 a aproximadamente 1,5 moléculas de ATP.
+W
Una vía indirecta al interior de la mitocondria
La membrana interna mitocondrial resulta impermeable no sólo a los protones
sino también a otra gran cantidad de moléculas, entre las que se encuentra el
NADH + H+. Esto significa que el NADH + H+ citosólico no puede entrar libremente en la mitocondria para ser reoxidado, lo cual implicaría a la larga, y
entre otras posibilidades, el bloqueo de la glucólisis (véase capítulo 12). Por ello,
las células eucariotas han generado varios mecanismos que permiten la entrada a
la mitocondria de los electrones fijados en el NADH + H+ citosólico. Estos mecanismos se conocen con el nombre de lanzaderas: las más comunes son la lanzadera glicerol-3-fosfato y la lanzadera malato-aspartato. Una vez dentro de la
mitocondria, los electrones son transferidos a la cadena transportadora de electrones permitiendo así la síntesis de ATP.
c:fla membrana interna mitocondrial es impermeable el NADH + W.
Para que los electrones puedan atravesarla tienen que emplear un mecanismo indirecto denominado lanzaderas.
Lanzadera glicerol-3-fosfato
La lanzadera glicerol-3-fosfato aprovecha un intermediario de la glucólisis, la
dihidroxiacetona fosfato, para reoxidar el NADH + H+ originando glicerol-3fosfato. Esta molécula se transporta al espacio intermembrana donde es oxidado
por la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial que utiliza FADH 2 como
cofactor (Fig. 13-11). El FADH 2 , posteriormente, cederá los electrones a la cadena transportadora de electrones, produciendo, como ya se ha indicado, tan
solo una media de 1,5 moléculas de ATP por molécula de NADH + H+ citosólico. Esta lanzadera se encuentra principalmente en el músculo esquelético y -en
el cerebro.
·
c:fla lanzadera glicerol-3-fosfato transfiere los electrones del
NADH + W citosólico a una molécula
de FADH 2 mitocondriaL
250
SECCIÓN 111. El "METABOLISMO CELULAR
Citosol
glicerol-3-fosfato
1
1
Dihidroxiacetona fosfato
1
Membrana
Externa
glicerol-3-fosfato
1
1
Dihidroxiacetona fosfato
1
Espacio
lntermembrana
Membrana
Interna
Figura 13-11. lanzadera glicerol-fosfato.
Matriz
lanzadera aspartato-malato
lanzadera malato-aspartato transfiere los electrones del
NADH + W citosólico a una molécula
de NADH + W mitocondrial.
La lanzadera aspartato-maláto es algo más compleja que la lanzadera glicerol-3fosfato. Aprovecha el intercambio de aminoácidos e intermediarios del ciclo de
Krebs entre el citoplasma y la mitocondria para introducir los electrones fijadds
en el NADH + H+ durante la glucólisis. El NADH + H+ se utiliza para reducir
el oxalacetato (proveniente del aspartato por transaminación) a malato, que penetra en la mitocondria a través de un cotransporte con cx-cetoglutarato. El
malato, dentro de la mitocondria se oxida por la malato deshidrogenasa, que
utiliza NADH + H+ como cofactor, para generar de nuevo oxalacetato. El oxalacetato se transforma po.r acción de una transaminasa en aspartato, el cual sale de
la mitocondria a través de un cotransporte con glutamato, cerrando el mecanismo (Fig. 13-12) . Como resultado de la actuación de esta lanzadera, el
NADH + H+ citosólico se introduce dentro de la mitocondria originando
NADH + H+ mitocondrial que, posteriormente, cederá los electrones a la cadena transportadora de electrones, produciendo una media total de 2,5 moléculas
de ATP por molécula de NADH + H+ citosólico. Esta lanzadera se encuentra
principalmente en las mitocondrias del hígado y del corazón.
Aunque la lanzadera malato-aspartato es más compleja que la lanzadera glicerol-3-fosfato, es energéticamente más eficaz ya que cada NADH + H+ citosólico produce 2,5 moléculas de ATP frente a los 1,5 ATP de la otra lanzadera. Sin
embargo, la lanzadera glicerol-3-fosfato tiene otras ventajas, como puede ser la
rapidez. De hecho, algunos organismos carecen de lactato deshidrogenasa y dependen completamente de la lanzadera glicerol-3-fosfato para regenerar el
NAD+ citoplasmático.
En condiciones normales, las coenzimas reducidas que se obtienen tanto en
la glucólisis como en el ciclo de Krebs; como consecuencia principalment~ de su
actuáción eh el catabolismo aerobio de la glucosa, son aprovechada? en la cadena · transportadora de electrones para obtener ATP y así cubrir las necesidades
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO
Espacio
lntermembrana
Transportador
malato/a-cetoglutarato
(NAo+)
malato
)
deshidrogenasa
c~OH+H '
1
251
(NAo+)
l
desh~~~~~nasa
J(
~--~/
~---v (NAOH + H ~
1 Oxalacetatoj
Oxalacetatol
Aspartato
aminotransferasa
Aspartato
am inotransferasa
Transportador
glutamato-Aspartato
Matriz
Figura 13-12. Lanzadera malato-aspartato.
energéticas de la célula. En el recuadro 13-3 se calcula el rendimiento energético de la degradación de una molécula de glucosa.
Recuadro 13-3. Rendimiento energético de la glucosa
Como ya se ha descrito, la glucosa se oxida a CO, en primer lugar mediante las reacciones de la glucólisis; posteriormente los productos de ésta
sufren la descarboxilación oxidativa del piruvato y, finalmente, entran en el ciclo de Krebs. De tal manera que la oxidación completa de la glucosa se puede describir como indica la siguiente expresión:
Glucosa + 6
o, -----,) 6 co, + 6 H,O
Sin embargo, esta expresión no es del todo cierta, pues gran cantidad de energía queda englobada en los electrones. Los electrones involucrados en la oxidación de la glucosa no pasan directamente al oxígeno, sino que se transfieren a las coenzimas NAD+ y FAD, formándose las correspondientes formas reducidas, que se utilizarán para obtener energía. Los electrones de las coenzimas reducidas pasan a la cadena transportadora de electrones donde participan (por la reoxidación mitocondrial del NADH + W y el FADH 1) en un proceso de oxidación-reducción secuencial
de determinados centros rédox antes de reducir el oxígeno a agua. En este proceso, los protones son expulsados de la matriz mitocondrial
creando un gradiente electroquímico, conocido como fuerza protón motriz que impulsará la síntesis de ATP , a partir de ADP y P;. a través de la
fosforilación oxidativa. A continuación se va a calcular cuántas moléculas energéticas en forma de ATP, se pueden obtener como consecuencia
de la degradación aerobia de la glucosa.
Ciclo de Krebs:
Glucólisis (citoplasma):
+
+
+
+
+
Fase preparatoria:
-1 ATP (hexoquinasa)
-1 ATP (fosfofructoquinasa-1)
Fase de beneficios:
+ 2 NADH + W (gliceraldehído-3-P deshidrogenasa)
+ 2 ATP (fosfoglicerato quinasa)
+ 2 ATP (piruvato quinasa)
Descarboxilación oxidativa del piruvato (mitocondria):
+ 2 NADH + W (piruvato deshidrogenasa)
'
2 NADH + W (isocitrato deshidrogenasa)
2 NADH + W (a-cetoglutarato deshidrogenasa)
2 GTP (succinil CoA sintetasa)
2 FADH, (succinato deshidrogenasa)
2 NADH + W (malato deshidrogenasa)
Lo cual hace un total de:
+2 ATP
+ 2 GTP"' 2ATP
+2NADH+W citosólicos (x 1,5=3ATP, o x 2,5=5ATP según la lanzadera)
+ 8 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 20 ATP)
+ 2 FADH 2 (x 1,5 = 3 ATP)
Las moléculas de NADH + W mitocondriales originaran 2,5 ATP cada una, las moléculas de FADH, generaran 1,5 ATP cada una y las moléculas
NADH + W citosolicos darán 1,5 ATP, al entrar en la mitocondria por la lanzadera glicerol-3-fosfato, o 2,5 ATP al usar la lanzadera malato-aspartato. El total es de 30 ATP al usar la lanzadera glicerol-3-fosfato, o 32 ATP al intervenir la lanzadera malato-aspartato.
252
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
CONCEPTOS CLAVE
El paso final en la oxidación de muchas moléculas implica al ciclo de Krebs, a partir de la formación de acetil CoA
o de intermediarios de dicho ciclo.
0
o
El acetil CoA reacciona con una molécula de oxalacetato (4C) para formar citrato (6C), mediante una reacción de
condensación.
o
A través de una serie de reacciones, el citrato se convierte de nuevo en oxalacetato. Durante estas reacciones, se
sustraen dos átomos de carbono del citrato (6C) para dar oxalacetato (4C); dichos átomos de carbono se liberan en
forma de C0 2•
o
El ciclo consume netamente una molécula de acetil CoA y produce dos de C0 2• También consume 3 NAD+, 1 FAD y
1 GDP + P¡, produciendo 3 NADH + W, 1 FADH 2 y 1 GTP.
o
El ciclo de Krebs es anfibólico, lo cual se debe a la capacidad de diversos intermediarios del ciclo para participar en
la biosíntesis de otras biomoléculas.
o
o
Las reacciones anapléroticas sirven para reponer los intermediarios del ciclo de Krebs.
Las moléculas de NADH + W y FADH 2 ceden sus electrones a los complejos de la cadena transportadora de electrones. Estos complejos transfieren los electrones al oxígeno a la vez que crean un gradiente electroquímico conocido
como fuerza protón, motriz.
o
La ATP sintasa sintetiza ATP aprovechando el gradiente de protones creado por acción de la cadena transportadora
de electrones.
o
Cada NADH, cuando se oxide en la cadena transportadora de electrones, originará 2,5 moléculas de ATP, mientras
que el FADH 2 dará lugar a 1,5 ATP. Por tanto, por cada acetil CoA que ingresa en el ciclo de Krebs se obtienen
10ATP.
o
Los sistemas de lanzaderas son mecanismos necesarios para introducir en la mitocondria las moléculas de poder
reductor generadas en el citoplasma.
EJERCICIOS
Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de fructosa-1 ,6-bifosfato.
SOLUCIÓN
2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs)
+ 2 GTP (Succinil-CoA sintetasa)
Glucólisis (citoplasma):
Fase preparatoria.
2GTP:::2ATP
Fase de beneficios:
+ 2 NADH + W
(Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa)
2 NADH + W citosólicos
(x 1,5 = 3 ATP o x 2,5 = 3 ATP 5 según la lanzadera) .
+ 2 ATP (Fosfoglicerato quinasa)
+ 2 ATP (Piruvato quinasa)
Descarboxilación Oxidativa del piruvato (mitocondria):
+ 2 NADH + W (Piruvato deshidrogenasa)
2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs)
Ciclo de Krebs:
+ 2 NADH + W (lsocitrato deshidrogenasa)
2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs)
+ 2 NADH + W (a:-cetoglutarato deshidrogenasa)
+ 2 FADH 2 (Succinato deshidrogenasa)
2 FADH 2 (x 1,5 = 3 ATPs)
+ 2 NADH + W (Malato deshidrogenasa)
2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATP)
Glucólisi:l.
7 ATP o 9 ATP según la lanzadera
Descarboxilación Oxidativa del piruvato (mitocondria):
5ATP
Ciclo de Krebs:
20ATP
\
Lo cual da un total de 32 ATP al usar la lanzadera Glicerol
3-fosfato o 34 ATP al usar la lanzadera Malato-aspartato.
r
CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO II')ITERMEDIARIO
liD La adición de pequeñas cantidades de oxaloacetato a una suspensión de células estimula mucho el consumo de oxígeno de la
preparación. La cantidad de oxígeno consumido es muy superior a la cantidad necesaria para la oxidación completa del oxaloacetato (a CO, y H,O).
a) ¿A qué se debe esta estimulación?
253
1111 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de
fosfoenolpiruvato.
liD Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de
manosa.
b) ¿Por qué se incrementaba más de lo esperado la cantidad
de oxígeno consumido?
11111 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de
dihidroxiacetona fosfato.
0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
1111 El carácter anfibólico del ciclo de Krebs hace referencia:
a) A una serie de reacciones de repuesto de los intermediarios del ciclo de Krebs.
b) A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía.
e) A que el ciclo de Krebs sirve para producir intermediarios
metabólicos.
d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos
catabólicos como anabólicos.
liD Las reacciones anapleróticas hacen referencia :
a) A una serie de reacciones de repuesto de los intermediarios del ciclo de Krebs.
b) A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía.
e) A que el ciclo de Krebs sirve para producir intermediarios
metabólicos.
d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos
catabólicos como anabólicos.
11111 El ciclo de Krebs, al degradar una molécula de acetil CoA, genera:
a)
b)
e)
d)
1 ATP y 3 NADH + W.
1 GTP, 3 FADH 2 y 1 NADH + W.
1 ATP y 1 FADH 2•
1 GTP, 1 FADH, y 3 NADH + W.
1111 El ciclo de Krebs esta regulado por:
a)
b)
e)
d)
La relación NADH + W/NAD• mitocondrial.
La succinil-CoA.
La disponibilidad de substratos.
Todas son verdaderas.
liD ¿Cual de las siguientes enzimas no cataliza una reacción anaplerótica del ciclo de Krebs?:
a) Piruvato carboxi lasa.
b) Piruvato descarboxilasa.
e) PEP carboxiquinasa.
d) Enzima málica.
111.1 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de
láctico.
111.1 El receptor de los electrones del NADH es:
a)
b)
e)
d)
Un centro sulfo-férrico del complejo l.
La ubiquinona.
El FMN del complejo l.
El complejo 11.
IIIJ El receptor de los electrones del FADH, es:
a)
b)
e)
d)
Un centro sulfo-férrico del complejo l.
La ubiquinona.
El FMN del complejo l.
El complejo 11.
11111 De las siguientes
afirmaciones de la cadena transportadora de
electrones, ¿cual es verdadera?:
a) Una molécula de FADH, puede generar hasta 2,5 moléculas de ATP.
b) Una molécula de NADH + W puede generar hasta 1,5 moléculas de ATP.
e) Los protones colaboran en el transporte de P; dentro de la
matriz mitocondrial.
d) El complejo 111, utiliza como cofactores átomos de cobre.
liD De
las siguientes afirmaciones de la cadena transportadora de
electrones, ¿cual es falsa?:
a) El citocromo IV usa cobre como cofactor.
b) El ATP se genera gracias a la fuerza protón-motriz.
e) El complejo 11 produce la salida de protones hacia el espacio intermembrana.
d) El citocromo C transporta un único electrón.
liiilJ La lanzadera malato-aspartato:
a) Transporta los electrones del FADH, al interior de la mitocondria.
b) Trabaja con oxalacetato.
e) En el interior de la mitocondria genera FADH,.
d) Todas son falsas.
7
{
\
METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
o
CONTENIDOS
o
o
o
OBjETIVO"S DEL APRENDIZAjE
o
o
Introducción
Digestión y absorción de
lípidos
o Lipoproteínas
Comprender el proceso digestivo de las grasas, principalmente de los
triaci lglicéridos.
o Obtener unas nociones básicas de la composición de las lipoproteínas,
así como entender el papel fis iológico de las mismas en el transporte
de los lípidos por la sangre.
o Metabolismo de ácidos
grasos
o
o Cuerpos cetónicos
o
Obtener una visión general del metabolismo de los lípidos.
Biosíntesis de lípidos
Entender el proceso por el cual los lípidos, especialmente a través de
los ácidos grasos, producen energía que el organismo aprovech a para
sus funciones metabólicas, directamente o vía cuerpos cetónicos.
o Conocer de forma general la síntesis de los lípidos, destacando la biosíntesis del colesterol.
,
En el presente capítulo se estudian las diferentes rutas que utilizan los organismos y las células para obtener los distintos tipos
ae lípidos necesarios para su correcto funcionamiento. También
se estudia cómo estos compuestos altamente energéticos se
_ emplean en la producción de energía útil para la célula, destacando la ruta conocida como ~-o x idación.
Se requieren ciertos conocimientos expuestos en capítulos anteriores, como el dedicado al metabolismo intermediario, ya
que muchos compuestos que van a ir apareciendo en el presente capítulo provienen o van a ir a algunas de esas rutas intermediarias, como el ciclo de Krebs. Para un mejor entendimiento de
las rutas metabólicas de los lípidos, se hace imprescind ible tener una idea muy clara de la estructura de cada una de las distintas moléculas lipídicas.
Dentro de este capítulo se tratarán diversos temas y se describirán varias rutas metabólicas, trat~r;1 do siempre de explicar dichos procesos desde un punto de vi sta fisiológico. Así, se destaca la importancia que tienen ciertas rutas lipídicas para mantener los niveles energéticos de las células, cómo colaboran al
balance energético del organismo y cómo están relacionados
con la homeostasis de la glucosa en sangre. Se resalta la importancia del metabolismo de los lípidos en la salud, describiendo
las diversas patologías relacionadas con el metabolismo de estos
compuestos.
256
. SECCIÓN . Iil.
EL METABOLISMO CELULAR
0
d la oxidación de los ácidos grasos desempeña un destacado papel
como fuente de energía.
¡
1
l
¡'
i
Los lípidos, tal y como se ha estudiado en el capítulo 3, son un grupo muy heterogéneo de sustancias en los cuales la única característica común es la de ser insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. Entre estos compuestos
destacan los triacilglicéridos como fuente y reservorio de energía. Aunque los
carbohidratos son el combustible principal de las células, las grasas también desempeñan un destacado papel como fuente de energía. La oxidación de los ácidos grasos es importante en los animales superiores, que pueden almacenar grasas como sustancias de reserva. El valor calórico es muy elevado; se cifra alrededor de 9 kcal/g y duplica prácticamente al valor calórico de los hidratos de
carbono. Igualmente los lípidos, más concret;¡.mente los fosfolípidos, son fundamentales para la formación de membranas celulares, ya que actúan como constituyentes básicos de las mismas.
Dada la gran diversidad de los lípidos, sería muy extenso tratar el metabolismo de todos ellos, por lo que este capítulo se va a centrar principalmente en el
estudio del metabolismo de los triacilglicéridos y los ácidos grasos, si bien se fijarán unas pequeñas nociones sobre el metabolismo de los demás lípidos (colesterol, esfingolípidos y fosfoacilglicéridos). Primero se estudiará la digestión de
los lípidos, su transporte en sangre y, posteriormente las principales rutas metabólicas de los ácidos grasos, como la ¡3-oxidación y su biosíntesis. Se hará especial hincapié en el aprovechamiento energético de los lípidos, principalmente de
los ácidos grasos; y, desde este punto de vista, se estudiará el metabolismo de los
cuerpos cetónicos.
0
~
INTRODUCCIÓN
DIG.ESTIÓN Y ABSORCIÓN DE LÍPIDOS
La emulsión de las grasas ingeridas
d Previamente a la digestión enzimática debe producirse la emulsión de las grasas a partir de las sales biliares, las cuales facilitan la digestión.
Los triacilglicéridos son el mayor componente energético en la dieta humana
y de los animales superiores en general. Sin embargo, estos lípidos no pueden
atravesar libremente las membranas celulares, lo que se agrava en las células epiteliales del intestino, los enterocitos, por la presencia de una capa de agua inmóvil que rodea las microvellosidades. Para que se produzca la co1recta asimilación
de los lípidos, estos deben ser hidrolizados por distintas enzimas digestivas intestinales hasta formar compuestos anfipáticos, que sí podrán atravesar las membranas celulares, principalmente al nivel del yeyuno. Pero previamente a la digestión enzimática, debe producirse la emulsión de las grasas por acción de las
sales biliares, las cuales facilitan la digestión (Fig. 14-1). Debido a la actividad
detergente de las sales biliares, las grandes gotas lipídicas de ~ dieta se transforman en numerosas gotitas de pequeño tamaño (micelas), consiguiendo aumentar enormemente la superficie; esto facilita la actuación de las enzimas digestivas.
La emulsión de las grasas se ve favorecida por los movimientos peristálticos intestinales. Las sales biliares se sintetizan en el hígado y se almacenan en la vesícula biliar hasta su utilización tras la ingesta de grasas de la dieta.
Enzimas digestivas y productos que generan
d los triacilglicéridos son digeridos
por la lipasa pancreática hasta formar compuestos antipáticos, que
pueden atravesar las membranas del
enterocito.
Sobre los triacilglicéridos actua principalmente la lipasa pancreática, ju.ino con
la colipasa. Estas enzimas hidrolizan los triacilglicéridos de la dieta dando, por
cada molécula inicial, un monoacilglicerol y dos moléculas de ácidos grasos,
aunque pueden liberar glicerol en algunos casos. Dichas sustancias ya son anfipáticas y pueden atravesar con facilidad las membranas celulares, pudiendo ser
asimiladas por las células de la mucosa intestinal (Fig. 14-1). Una vez dentro de
la célula, los lípidos son reconstruidos en triacilglicéridos.
Sobre los fosfolípidos actuá la fosfolipasa A 2 , liberando un ácido graso y un
acil lisofosfolípido; mientras que, sobre los ésteres de colesterol, interviene la
colesterol esterasa rindiendo colesterol y ácidos grasos. Todos estos compuestos
anfipáticos son asimilados por los enterocitos y, de igual manera que se ha descrito con los triacilglicéridos, en su interior, se regeneran los lípidos iniciales.
Para poder ser transportados al resto del organismo, los lípidos no pueden estar
CAPÍT_ULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
257
Grasas ingeridas en la dieta
Vesícula biliar
ITLos lípidos asimilados a nivel
intestinal se empaquetan junto con
proteínas originando los quilomicrones.
1.- En el intestino delgado se produce la
emulsión de las grasas de la dieta por las
sales biliares, mediante la formación de
micelas mixtas
2.- Las lipasas intestinales
degradan los triglicéridos
3.- Los ácidos grasos y otros
productos de ruptura son
absorbidos por la mucosa
intestinal y convertidos en
triglicéridos
Figura 14-1. Digestión y absorción de los
triglicéridos de la dieta.
en forma libre, sino que deben constituir un complejo estable uniéngose a las
apoproteínas para originar las llamadas lipoproteínas. En el intestino se origina,
principalmente, un tipo de lipoproteína denominado quilomicrón. -
0
LIPOPROTEÍNAS
las lipoproteínas viajan por la linfa y la sangre
Las lipoproteínas son unas estructuras complejas que sirven para transportar los
lípidos por el organismo, a nivel sanguíneo y linfático. También colaboran en el
transporte de aminoácidos. En la figura 14-2 se puede apreciar la disposición
típica de una lipoproteína: formada por una capa externa constituida por fosfolípidos, apoproteínas y colesterol libre, de naturaleza anfipática, mientras que en
el interior se acumulan los triacilglicéridos y el colesterol esterificado, compuestos totalmente hidrofóbicos. La principallipoproteína del intestino es el quilomicrón, como se ha comentado anteriormente. Los quilomicrones son vertidos
a la linfa y, vía linfática, son transportados hasta la sangre, de tal forma que lleg~n primero a los tejidos periféricos y posteriormente al hígado. Este orden facilita que las grasas se almacenen en los tejidos periféricos, preferentemente en el
músculo y en el tejido adiposo.
Tipos y función de las lipoproteínas
Existen distintos tipos de lipoproteínas: quilomicrones (QM), VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad), IDL (lipoproteínas de densidad intermedia),
~as
lipoproteínas sirven para
transportar los distintos lípidos por
el organismo, y también colaboran
en el transporte de aminoácidos .
258.
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR
Triacilgliceroles
Ésteres
de colesterol
Figura 14-2. Estructura de una lipoproteína.
c:flas distintas lipoproteínas se caracterizan por su densidad y por la
relación de lípidos y proteínas que
las constituyen.
O los quilomicrones transportan
fundamentalmente los triacilglicéridos exógenos, mientras que las VLDL
transportan los triacilglicéridos endógenos.
Apoproteína
LDL (lipoproteínas de baja densidad) y HDL (lipoproteínas de alta densidad).
Se diferencian principalmente por su densidad y tamaño, de modo que su nombre deriva de esta propiedad. Las diferencias de densidad permiten su aislamiento fácilmente mediante técnicas de ultracentrifugación o de electrofóresis (Fig.
14-3). En la tabla 14-1 se presentan los principales parámetros de las lipoproteínas, tanto físicos como químicos y, además, los de las apoproteínas constituyentes de cada una de ellas. Como se observa en la tabla, a la vez que el porcentaje
de triacilglicéridos disminuye, va aumentando el porcentaje de proteínas y de
colesterol libre o esterificado. Este hecho es uno de los factores que determina
que la densidad de las lipoproteínas vaya en aumento.
Tal y como se ha comentado anteriormente, en el intestino se forman gran
cantidad de quilomicrones, pero también se pueden originar pequeñas cantidades de VLDL. Estas lipoproteínas se vierten a la linfa, que las transporta hasta la
sangre, sin pasar por la circulación enterohepática, de tal forma que llegan primero a los tejidos periféricos (Fig. 14-4). En estos tejidos la enzima lipoproteína lipasa plasmática ataca a los triacilglicéridos, hidrolizándolos en glicerol y
ácidos grasos, que son asimilados por las células tisulares, principal~ente adipocitos y miocitos, gracias a que reconocen a la apo C-II, típica de los quilomicro-
(a)
Figura 14-3. (a) Perfil de las lipoproteínas
tras una ultracentrifugación. (b) Perfil electroforético de las lipoproteínas.
(b)
--------
Quilomicrón
VLDL
Origen-
IDL
Pre-~-
LDL
~-
HDL
a-
VHDL
=
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
259
Características físico-químicas
Electroforesis
Densidad (g/ml)
Diámetro (nm)
Origen
< 0,95
90-100
pre-j3
0,95-1 ,006
30-90
pre~j3 y j3
1,006-1,019
25-30
a
j3
1,019-1,063
20-25
1,063-1,21 o
7-20
20-25
6-10
7-10
35-42
·15-22
<1
40-55
3-4
3-4
12-20
25-35
<1
B-100
A, C, D. E
Componentes (% de peso seco)
Proteínas
Triacilglicéridos
Colesterol libre
Ésteres de colestero l
Fosfolípidos
Ác. grasos libres
5-1 o
50-60
5-10
10-15
15-20
<1
1-2,5
85-90
1-3
3-5
6-9
<1
15-20
30
7-9
22-24
22-26
<1
Composición en apoproteínas
A, B-48, C, E
B-100, C, D. E
B-100, C, D, E
Hígado
Intestino
remanentes
VLDL .
remanentes
(IDL)
Quilomicrones
Ácidos grasos libres
Tejido adiposo, muscular, mamario.
nes y las VLDL. El glicerol y los ácidos grasos entran por difusión simple a las
células de los tejidos periféricos y son utilizados para formar triacilglicéridos y
almacenar así grandes cantidades de energía cuando sea necesaria. De esta forma
se produce el transporte de los triacilglicéridos de la dieta (TG exógenos) hasta
los tejidos. Los restos de los quilomicrones que quedan tras la actuación de la
lipoproteína lipasa plasmática se conocen como quilomicrones remanentes, pobres en triacilglicéridos pero no en fosfolípidos y apoproteínas; estos restos son
retirados por el hígado, suministrándose así fosfolípidos, colesterol, ácidos grasos y aminoácidos al tejido hepático. Con las VLDL ocurre un proceso similar,
aunque estas lipoproteínas suelen ser de origen hepático y transportan los triacilglicéridos propios del organismo, sintetizados a nivel hepático (TG endógenos).
La actuación de la lipoproteína lipasa sobre las VLDL origina igualmente
glicerol y ácidos grasos que serán asimilados por los tejidos. Ade.m ás se generan
las IDL o VLDL remanentes, que son ricas en colesterol; estas lipoproteínas residuales son retiradas igualmente por el hígado, que las usa como fuente de fos-
Figura 14-4. Transporte exógeno y endógeno de los lípidos mediante lipoproteínas.
Las LDL son la fuente de colesterol para los tejidos periféricos, aunque también aportan fosfolípidos y
aminoácidos.
260
SECtiÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR • '
c:Jlas HDL recogen el exceso de
colesterol depositado en los tejidos
periféricos y los retiran al hígado.
folípidos, colesterol y aminoácidos. Estas IDL se pueden enriquecer aún más en
colesterol por acción de la proteína transportadora de colesterol esterificado
(CETP), que actúa a nivel sanguíneo, provocando que las IDL se transformen
en LDL, que son una forma de transporte de colesterol a los tejidos. Las LDL
son retiradas por las células de los tejidos periféricos a través de transportadores
específicos que reconocen la apo B-100, apoproteínas constitutivas de las LQL.
En realidad las .células incorporan la lipoproteína entera por un proceso de endocitosis mediado por receptor dependiente de clatrina; así las LDL suministran
de fosfolípidos, colesterol y aminoácidos a los tejidos.
Por último, a nivel sanguíneo, también aparecen las HDL, que tienen un
origen principalmente hepático y sirven para recoger el exceso de colesterol depositado en los tejidos periféricos y transportarlo al hígado. De la misma manera, esta lipoproteína interviene intercambiando apoproteínas y colesterol esterificado con las demás lipoproteínas; principalmente las LDL. En la tabla 14-2 se
resumen la fúnción y el origen de cada una de las lipoproteínas descritas. Hay
que destacar que las HDL tienen un papel importante en la esterificación del
colesterol catalizada por la enzima lecitina colesterol aciltransferasa (LCAT), que
esterifica el colesterol que las HDL han recogido, con ácidos grasos procedentes
de los fosfolípidos presentes en los quilomicrones y las VLDL principalmente.
Existen varias patologías por defectos en las lipopoproteínas (Recuadro_ 14-1);
en aquellas patologías en las que no hay quilomicrones y VLDL (abetalipoproteinemia), la LCAT puede aprovechar los ácidos grasos de los fosfolípidos de los
eritrocitos en lugar de obtenerlo de los QM, ésto produce que la membrana de
los eritrocitos se vea alterada, originando lo que se conoce como acantocitos.
0
METABOLISMO DE ÁCIDOS GRASOS
lipólisis
r JLa lipólisis es el mecanismo de
movilización de los lípidos almacenados como reservorio de energía.
La lipólisis es el mecanismo de movilización de los lípidos que se encuentran
almacenados como reservorio de energía. Esta movilización sucede cuando hay
una deficiencia del aporte energético o cuando se ayuna. Estos lípidos acumulados en forma de triacilglicéridos se encuentran en forma anhidra, como gotitas
de gr.asa, en el citoplasma de las células adiposas. El primer paso para su catabolismo es la hidrólisis, por medio de la triglicérido lipasa intracelular, que origina
como productos los componentes de los triacilglicéridos: glicerol y tres ácidos
grasos. La enzima triglicérido lipasa actúa bajo una estrecha regulación hormonal: el glucagón y la adrenalina potencian su actividad, favoreciendo la lipólisis
al fosforilar a la triglicérido lipasa a través de la proteína quinasa A dependiente
de AMPc; mientras que la insulina, al potenciar una fosfatasa que desfosforila la
lipoproteína lipasa, bloquea la lipólisis.
Los ácidos grasos salen del adipocito y se unen en sangre a la albúmina.
Esta proteína plasmática (que también se conoce como VHDL, lipoproteínas
de muy alta densidad) transporta típicamente entre dos y cuatro moléculas de
ácidos grasos, si bien puede llegar a transportar hasta seis. Estos ácidos grasos
movilizados llegan, transportados por la albúmina, hasta los tejidos que requieran energía; típicamente, el hígado, el músculo cardiaco y el músculo esqueléti-
Tabla 14-2. Función y origen de las lipoproteínas plasmáticas
QM
VLDL
IDL
LDL
HDL
ORIGEN
Intestino
Hígado (e Intestino)
Circulación (VLDL) e
Hígado
Circulación (VLDL) e
Hígado
Hígado (e Intestino)
FUNCIÓN
Transportan la grasa
(TG exógenos) del
alimento desde el
intestino a los tejidos
periféricos
Transportan los TG
sintetizados en el
hígado (TG endógenos)
a los tejidos periféricos
Proceden de las VLDL.
Tras la hidrólisis de los
TG endógenos en los
capilares son captados
por el hígado.
Precursores de las LDL
Son la principal forma
de transporte del
colesterol a los tejidos
Eliminan el exceso de
colesterol de los
tejidos y lo devuelven
al hígado para s~.
metabolismo o
excreción
'
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
261
co (Fig. 14-5) . En estos tejidos, los ácidos grasos serán oxidados en una vía
metabólica muy importante, denominada ~-oxidación, para producir grandes
cantidades de energía. Otra fuente importante de ácidos grasos son los fosfolíRecuadro 14-1. Dislipemias
Las dislipemias son enfermedades que se caracterizan por el acúmulo o la falta de alguna lipoproteína en plasma. Cuando se produce un acúmulo,
hablamos de hiperlipoproteinemias. Estas patologías suelen tener un marcado carácter genético, si bien ciertos factores como el alcoholismo, el
sedentarismo, la obesidad o dietas hiperi:aloricas muy ricas en grasas pueden contribuir a desencadenar o a agravar estas patologías. En la siguiente tabla se muestran las principales patologías que cursan con un acúmulo de lipoproteínas. El mayor interés en el estudio de estas patologías es
conocer su riesgo aterogénico, es decir, la capacidad de que desencadenen la formación de placas de ateromas, que son depósitos de colesterol
principalmente. Dicho riesgo aterogénico está relacionado con accidentes cardiovasculares graves. Normalmente el tratamiento de estas dislipemias requiere un control dietético y, en los casos con mayor riesgo aterogénico como hipercolesterolemias, un tratamiento farmacológico.
Nombre
Tipo lla
Defecto
Caracterizado por
Déficit LPL familiar
Hipertrigliceridemia
Hiperquilomicronemia
familiar
Fuertemente genética
Hipercolesterolemia familiar
TG
Quilomicrón
Sin riesgo aterogénico
Hipercolesterolemia
LDL
Colesterol
Fuertemente genética
Fallo de la lipólisis,
fallo de la
lipoproteína lipasa
o de la apo C-11
Rara
Fallo del Receptor
LDL
Común
Riesgo aterogénico alto
Tipo llb
Hi perbetaprotei nem ia
familiar
LDL y VLDL
Colesterol
Fallo del Receptor
LDL, además seincrementa la
síntesis de VLDL
Común
B-VLDL
Colesterol
Fallo de la apo E
Poco común
VLDL
TG
Incremento de la
síntesis de VLDL
Común
Hipertrigliceridemia
Quilomicrón
TG
VLDL
Menor actividad de
la lipoproteína
lipasa
Poco común
Relacionada con el
alcoholismo
Hipercolesterolemia
Fuertemente genética
Riesgo aterogénico alto
Tipo 111
Disbetalipoproteinemia
familiar
Enfermedad de eliminación
de LP residuales
Hipercolesterolemia
Fuertemente genética
Riesgo aterogénico alto
Enfermedad beta
Deficiencia en apo E
Tipo IV
Hipertriacilglicerolemia
familiar
Tipo V
Hipertrigliceridemia
Riesgo aterogénico
moderado
Riesgo aterogénico Bajo
Las dislipemias que cursan con descenso o desaparición de alguna lipoproteína se conocen como hipolipoproteinemias. En la siguiente tabla se
muestran las principales patologías.
Aumento de grasa en enterocitos:~-\Tl alabsorción
(falta de vit. E, antioxidante)
·
Abetalipoproteinemia
(acantocitosis, síndrome de
Bassen-Kornzweig)
Ausencia de QM, VLDL y
LDL.
Hipobetalipoproteinemia
familiar
LDL (1 0-20% del normal)
Casi asintomáticos.
Fallo en la síntesis
de la Apo B
Deficiencia de a-lipoproteína
f amiliar
(Analfalipoproteinemia o
Enfermedad de Tangier)
HDL
Acumulación de ésteres de cole.s terol (CE) en
tejidos.
Apo A-1
Fallo en la síntesis
de la Apo B
Alteraciones de la membrana de eritrocitos
(formas extrañas, acantocitos) y neuronas
(alteraciones neurológicas).
Hepatomegalia frecuente
/
262
.
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR -
Receptor
Hígado
Hormona
Adenilato ciclasa
Ácidos grasos
Glicerol
Glicerol
quinasa
/'
~ATP
~ADP
CH 20H
1
HO-C-H
1
O
11
CH-0-P-o2
¡
Glicerol-3-fosfato
deshidrogenasa
1
o-
L-Giicerol-3-fosfato
~NAO+
~NADH
+W
CHpH
1
O=C
O
1
11
CH 2-0- P-o-
·1
Dihidroxiacetona-fosfato
Trio.sa fosfato
1somerasa
o-
Ji
H
•
l
Glucagón, adrenalina
Lipasa
.
Insulina
O
'- e«
1
H-C-OH
1
ciclo de Krebs,
cadena respiratoria
O
11
CH-0-P-o2
1
D-Giiceraldehído-3-fosfato o-
Transporte de ácidos grasos
Figura 14-5. Lipólisis y transporte plasmático de los triglicéridos. Reutilización del glicerol a nivel hepático.
c fla lipólisis está regulada a nivel
hormonal, siendo favorecida por el
glucagón y la adrenalina.
pidos, componentes de la membrana celular. Estos lípidos estructurales están
sometidos a una renovación continua y, por tanto, su degradaci<?p y síntesis
son constantes.
El glicerol también sale a la sangre, pues en el tejido adiposo no puede metabolizarse; de la sangre es retirado por el hígado, donde se transforma en dihidroxiacetona fosfato gracias a la actuación secuencial de la glicerol quinasa, enzima no presente en los adipocitos, y la glicerol-3-P deshidrogenasa (Fig. 14-5) .
La dihidroxiacetona fosfato suele. entrar en la gluconeogénesis a nivel hepático,
aunque también puede seguir la vía glucolítica, sirviendo para la producción de
energía.
Degradación de ácidos grasos
la [3-oxidación
\)
Esta ruta fue postulada por Klloop en 1904 y confirmada por Leloir, Lehninger
y Lynen. En la ~-oxidación se p roducen sucesivas oxidaciones en el carbono ~,
que van separando fragmentos de. dos carbonos en forma de acetil CoA, que se
incorporarán después al ciclo de Krebs . Al tiempo se producen, tanto en la
~-oxidación como en el ciclo de Kiebs, coenzimas reducidas que serán r~oxida­
das en la "cadena respiratoria" ril}.diendo energía en forma de ATP. La ~-oxida­
ción tiene lugar en la· matriz mitocondrial, por lo tanto es necesario que el ácido
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
graso penetre en este orgánulo. Así, se puede dividir la oxidación de los ácidos
grasos en tres fases: la primera fase implica la activación del ácido graso esterificándose con el CoA y a expensas del ATP; la segunda fase supone la entrada en
la mitocondria, gracias a un transporte mediado por carnitina; y la tercera fase
será la ~-oxidación propiamente dicha, degradándose el ácido graso a moléculas
de acetil CoA.
Los ácidos grasos que entran en la célula, rápidamente van a ser transforma- :
dos en su correspondiente éster tiólico con la CoA (Fig. 14-6), con la finalidad
de activar el compuesto y solubilizarlo mejor en el entorno celular. Esta transformación está catalizada por la acil CoA sintetasa: en un primer paso, la enzima produce la adenilación--del icido graso formándo el acil adenilato, que permanece unido a la enzima, y el pirofosfato, que se hidroliza; posteriormente, el
ácido graso se transfiere a la molécula de CoA, formando el acil CoA, con la
consiguiente liberación de AMP. Como se puede apreciar, la formación de un
éster tiólico necesita mucha energía; tanta, que implica la hidrólisis de ATP a
AMP, además de la hidrólisis subsiguiente del pirofosfato. La acil CoA sintetasa
se encuentra localizada en la membrana del RE y en la membrana externa de la
mitocondria. La enzima de la membrana del RE activa los ácidos grasos que se
incorporarán en la biosíntesis de lípidos, mientras que la enzima de la membrana externa de la mitocondria activa los ácidos grasos que entrarán en el interior
de la mitocondria para su degradación en la ~-oxidación. La actuación de esta
última enzima forma las moléculas de acil CoA en el espacio intermembrana de
la mitocondria.
Sin embargo, las largas moléculas de acil CoA no pueden entrar en la mitocon~ria, al no poder atravesar su membrana interna. Logran penetrar ayudadas
por un sistema de lanzadera (Fig. 14-7): el resto de ácido graso se transfiere a un .
transportador denominado carnitina para formar un intermediario acil-carnitina, gracias a la acción de la carnitina acil tránsferasa-1. La acil-carnitina puede
atravesar las membranas mitocondriales debido a la presencia de un transportador especifico: la carnitina acil-carnitina translocasa, que se localiza en la membrana interna mitocondrial. Este transportador, a la vez que introduce la acilcarnitina en el interior mitocondrial, saca carnitina al espacio intermembrana.
Ya en la matriz, el resto de ácido graso es cedido a una molécula de CoA, en
una reacción catalizada por la carnitina acil transferasa-11, quedando la carnitina disponible nuevamente para salir al espacio intermembrana e introducir
nuevos ácidos grasos al interior de la mitocondria. Este mecanismo de transpor-
o
o
11
O la oxidación de los ácidos grasos implica: la activación del ácido
graso, el transporte a la mitocondria
mediado por carnitina y su degradación mediante la ~-oxidación.
c fla activación de los ácidos grasos la realiza la acil CoA sintetasa en
la membrana externa de la mitocondria.
-¡._ • •
O Para entrar en el interior de la
mitocondria el resto de ácido graso
debe ser transferido a la carnitina.
o
11
f\ 11
·o- P-O- P-0- P-0- 1 Adenoslna
1
1 1':1
o·
o·
o·
ATP
263
1
o·1 -
/
R-C~
Ácido graso
o
11
o
~
o
11
1
1
o·
o·
+
/
R-C
(
Plrofosfato
!
11
\ .o - P-O-
11
·o-P-O-P-0"
CoA-SH
.:\G'0 = -19 kj/mol
o·
1
Adenoslna
1
1
~o
Acil-adenilado
(unido a la enzima)
1~Ac il CoA sintetasa
Pirofosfatasa
2P1
: d i CoA •loteto,;
AMP
~o
R-C
Acii-CoA
' S-CoA
~G' 0 = -15 kj/mol
Figura 14-6. Activación de los ácidos grasos.
264
SECCIÓN 111. EL' METABOLISMO CELULAR
Carnitina
aciltransferasa-11
0
R-C1'
" S-CoA
Carni
o
R-C,
CoA-SH
1 Carnitina 1
Figura 14-7. Transporte de ácidos grasos a
la matriz mitocondrial mediado por L-carnitina.
Carnitina
aclltransferasa-1
Matrii
te al in terior mitocondrial tiene como finalidad mantener aisladas las ffioleculas
de CoA de la mitocondria de las del resto de la célula, de tal manera que la relación existente entre CoA libre y la acil CoA o acetil CoA sirve como indicador
del nivel energético de la mitocondria y permiten un mejor control del gasto
metabólico.
Una vez dentro de la matriz mitocondrial, las molé.culas de acil CoA comienzan propiamente el proceso degradativo de la ~-oxidación. Este proceso se
basa en cuatro pasos que se repiten consecutivamente hasta que toda la molécula de acil CoA ha sido degradada en moléculas de acetil CoA, que, finalmente,
entrarán en el ciclo de Krebs produciendo más energía. Los cuatro pasos que se
r~piten en el ciclo son (Fig. 14-8) :
l. Deshidrogenación: gracias a la actuación de la enzima acil CoA deshidrogenasa se introduce un doble enlace trans (entre los carbonos a y ~ del
.
•..
.,.
,,
¡,
,_
(
11
1·
ácido graso) obteniéndose una molécula con poder reductor FADH 2 , y
originando una molé_c ula de enoíl CoA.
2. Hidratación: la molécula de enoíl CoA se transforma en un hidroxiacil
CoA, mediante la incorporación de una molécula de agua por acción de
la 1enoíl CoA hidratasa: el OH del agua en la posición~' y el H en laposición a.
Acil CoA
(ácido graso activado)
'"
H
H
1
1
0
11
R- CH - CH- C- C- C- SCoA
2
1~ 1"
2
~ IAceti!CoA I
H H
0
CH 3-C-SCoA
11
ct
~
r
R- CH2CH 2-C - SCoA
~
\
Tiolasa
Acil CoA
CoASH
(acortado en 2C)
~ FAD
.
Ac1lCoA
deshidrogenasa
•
0
O~H
O
H
O
11
11
1
11
1
R-CH '-- CH':..... c ...:. c .:... C-SCoA
2
2
FADH2
1:!
1"
,H
1
R- CH - CH -C = C-C-SCoA
~-cetoacil CoA
2
e
NADH + W
OH H O
1
1
t
1
~ 1 "1
H
~ 1 , ""------:-- ---.,
1
trans-~ 2 -enofl CoA
1
H20
Enoíl-CoA hidratasa
11
R-CH-CH-CC-C - SCoA
2
2
NAO+
2
~H
1
H
L-~-hidroxiacil CoA
1
\
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
3. Deshidrogenación: gracias a la hidroxiacil CoA deshidrogenasa se oxida
la molécula hasta una molécula de cetoacil CoA, oxidando el grupo hidroxilo a un grupo cero. Esta oxidación sirve para reducir una molécula
de NAD+ a NADH + H+.
4. Ruptura tiólica: catalizada por una tiolasa y con la intervención de una
molécula de CoA libre. Se genera una molécula de acetil CoA y un acil
CoA que tiene dos carbonos menos en su cadena que el original. El acetil
CoA se incorporará al ciclo de Krebs, mientras que el acil CoA acortado
en dos carbonos, inicia una nueva "vuelta" en la ~-oxidación. El ciclo .se
repite tantas veces como sea necesario hasta "cortar" totalmente la cadena
de ácido graso en fragmentos de acetil CoA de dos carbonos.
Al final, todos los productos originados en la ~-oxidación se aprovechan en
la mitocondria para rendir más energía. Por cada vuelta en la ~-oxidación, un
ácido graso rinde una molécula de NADH + H+, una molécula de FADH 2 y
una molécula de acetil CoA. Además, en la última vuelta se genera no una, sino
dos moléculas de acetil CoA. Las moléculas de NADH + H+ y FADH 2 entrarán
en la cadena transportadora de electrones donde se oxidarán para producir energía en forma de ATP; mientras que las moléculas de acetil CoA se degradarán
en el ciclo de Krebs, originando GTP y más moléculas de poder reductor
(NADH + H+ y FADH 2) que también se utilizarán para la síntesis de ATP a
través de la fosforilación oxidativa. Para tener más información sobre la degradación de los ácidos grasos de cadena impar y los ácidos grasos insaturado consúltese el recuadro 14-2.
;. '
265
~-oxidación
c:Jla
se basa en cuatro
pasos cíclicos: una primera deshidrogenación (FADH 2), una hidratación,
una segunda deshidrogenación
(NADH + W) y una ruptura tiólica
(acil CoA y acetil CoA).
J
Recuadro 14-2. Degradación de ácidos grasos insaturados o de cadena impar
Durante la oxidación de los ácidos grasos insaturados, se plantea un problema derivado de la presencia de dobles enlaces. Las insaturaciones no
se suelen encontrar entre los carbonos a. y ~. sino entre el carbono ~y y; además, suele tener configuración cis en vez de la configuración trans
que es la que se genera y procesa en la ~-oxidación. Estos ácidos grados insaturados se oxidan por la vía general pero. al encontrarse con el
doble enlace lo primero que sucede es que no se origina la primera deshidrogenación de la ~-qxidación . Si el o los dobles enlaces están en una
posición o configuración inconveniente, deben intervenir otras dos enzimas para que estos ácidos grasos se oxiden: la enoíl CoA isomerasa y la
2,4-dienoíl CoA reductasa, enzimas que se encargan de colocar el doble enlace en la posición apropiada para que actúe la enoíl CoA hidratasa y
pueda continuar la ~-oxidación.
La oxidación de los ácidos grasos de número impar de átomos de carbono, que raramente se encuentran en la naturaleza, se realiza de forma
natural por la ~-o xidación hasta llegar a la última vuelta, donde, además de formarse una molécula de acetil CoA, se origina un resto terminal
de tres átomos de carbono: el propionil CoA. Éste sufre una carboxilación enzimática gracias a la propionil CoA carboxilasa para convertirse en
o-metilmalonil CoA, proceso que requiere el gasto de una molécula de ATP y el aporte de una molécula de C0 2• Dicho compuesto, por acción
de la metilmalonil CoA epimerasa se convierte en L-metilmalonil CoA, que, en presencia de la succinil CoA mutasa, se transforma en succinil
CoA. El succinil CoA, de cuatro átomos de carbono, es un intermediarjo del ciclo de Krebs y puede incorporarse directamente al ciclo. La enzima metilmalonil CoA mutasa requiere como cofactor la adenosilcobalamina, derivado de la vitamina B12•
Oxidaciones secundarias de los ácidos grasos -
Existen diversas variantes de la ~-oxidación, con la finalidad de cubrir diferentes
necesidades celulares. Por ejemplo, en los peroxisomas se origina una variante
en la que la acil CoA deshidrogenasa transfiere los electrones al oxígeno formando peróxido de hidrógeno, empleado en estos orgánulos como agente oxidante y
para facilitar su actividad degradativa. Esta ~-oxidación presenta especificidad
por ácidos grasos de cadena larga.
Existen otras rutas para degradar ácidos grasos como puede ser la a-oxidación y la m-oxidación. En estas rutas la oxidación va precedida de la hidroxilación de un carbono mediante una oxidasa de función mixta (retículo endoplásmico liso, mitocondria o peroxisomas). Cuando se produce la higroxilación del
carbono a. seguida de oxidación a carbonilo y de la descarboxilación del C-1 en
/ forma de C0 2 , se habla de la a-oxidación. Dicha ruta es importante en la oxidación de ácidos grasos metilados, como el ácido fitánico. El déficit de esta vía
produce la enfermedad de Refsum, trastorno neurológico congénito muy grave,
que origina, entre otras complicaciones, retinitis pigmentosa, sordera, ataxia cerebelosa y neuropatía periférica. Cuando se produce la hidroxilación del último
carbono, seguida de la oxidación secuencial a aldehído y a carboxilo, se habla de
m-oxidación. Por esta ruta se forman ácidos dicarboxílicos que pueden entrar en
la ~-oxidación por ambos lados, degradándose más rápidamente.
~xisten
otras rutas para degradar
ácid os grasos como puede ser la
a-oxidación y la m-oxidación.
ca~~~~~~
llblQTiQA ~UN(:IA~~A~~
266
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
La biosíntesis de ácid9s grasos
c fla glucosa ingerida en exceso se
convierte en ácidos grasos y éstos en
triacilglicéridos.
c fPara proceder a la síntesis de
ácidos grasos se requiere poder reductor (NADPH + H+) y moléculas de
malonil CoA.
Puesto que la capacidad de los animales para almacenar glucosa es bastante limitada, la ru~a biosintética que conduce desde la glucosa a los ácidos grasos es una
vía muy importánte ~ La glucosa ingerida en exceso se convierte en ácidos grasos
y éstos, a su vez,._en triacilglicéridos que pueden almacenarse en grandes cantidades en el tejido adiposo.
Después d el descubrimiento, de la ~-oxidacióp en las mitocondrias y el papel
que desempeña el acetil CoA, se supuso que la biosíntesis de ácidos grasos consistiría en una simple inversión de las mismas etapas enzimáticas. Sin embargo,
se hicieron algunas observaciones que no estaban de acuerdo con este punto de
vista: un hecho importante es que un citoplasma sin mitocondrias es capaz de
sintetizar ácidos grasos, incluso aumenta su capacidad si las mitocondrias no es, tán presentes. Aderriás, se precisa C0 2 que se incorpora al ffiálonil CoA, pero no
se incorpora al ácido graso.· Este' último hallazgo condujo a1 descubrimiento de
que el precursor inmediato de las unidades de dos carbonos que entran en la
síntesis de ácidos grasos es ~1 malonil CoA.
Para proceder a la síntesis de ácidos grasos se requiere disponibilidad de poder reductor, NADPH + H+, que se obtiene de la ruta de las pentosas fosfato
(véase capítulo 12) y de la actuación de la enzima málica (véase capítulo 13).
Además se necesitan s~ficientes moléculas de acetil CoA citoplásmicas, -p ues la
síntesis de los ácidos grasos tiene lugar en el citoplasma, para lo cual las moléculas de acetil CoA tienen que salir de la mitocondria, donde se generan a partir del piruvato. Co¡:no las moléculas de acetil CoA no pueden atravesar las
membranas de la mitocondria, ·recurren a un transporte con citrato y piruvato
como vía de salida, transporte conocido como ciclo del piruvato-citrato (Fig.
14-9) . Las moléculas de acetil CoA se utilizan para sintetizar malonil CoA a
través de la enzima acetil CoA carboxilasa, que emplea como cofactor biotina
en un proceso que requiere energía proceden.te de una molécula de ATP para
poder fijar el átomo de carbono procedente del C0 2 . La formaCión de malonil
CoA es el paso clave de regulación, regulación que principalmente tiene lugar a
nivel hormonal.
En la formación de los nuevos ácidos grasos interviene la ácido graso sintasa, complejo multienzimático (Fig. 14-10) que desempeña todas las funcio-
------1 Glucosa ·1
''
•··....
.
'
1
Piruvato
Piruvato !
carboxilasa
1
OxalacetatQ 1
Citrato
sintasa
1 AcetilCoA
,
+carboxilasa
: 1
Citrato
Malonll CoAI
'- .. _.- 1~cid o graso
+s1ntasa
Figura 14-9. Ciclo del citrato-pi'J"~·
Origen del citrato y actuación e- la acetil
CoA carboxilasa.
1
Ácido graso 1
~o..\M :r ~ eo (::.J-O ~
fl\
d( o\ ,q;,o. o-';)
1,
1
CAPÍTULO 14. METABOI:ISMO DE LOS LÍPIDOS
Q
Acetil CoA-ACP
Transacilasa
CoA-S
SH
E<scH
SH
E...-- e
.___SPH
+
t~
-CO-SCoA }
~
Ac;et1l CoA
i,-
.___ S H
Reductasa
J
NADP+
1a Reducción
1
.
Tioesterasa
CH 3-CH 2-(CH 2-CH 2) 6-CH 2-COOH
/')
E.___
P
H~~;~~~~;o-scoA
~H
~
,
Transferencia
de malonilo
~-cetoacil-ACP
.
...--sc-CO-CH 2-(CH 2-CH 2k CH 2-CH 3
E...--sc-CO-CH3
Malonil CoA-ACP _
Transacilasa
CoA-SH
+l
HO
'
Hidrólisis
1
267
NADPH + H+
1
•
NADPH + H+
Enoíl-ACP
Reductasª
2• Reducción
J
~-hidroxiacil-ACP
Deshidratasa
Figura 14-10. Actuación del complejo multienzimático de la ácido graso sintasa.
nes necesarias para formar un nuevo ácido graso a partir de moléculas de
malonil CoA, NADPH + H+ y una molécula de acetil CoA. La ácido graso
sintasa habitualmente va a sintetizar siempre el mismo ácido graso, el ácido
palmítico, que, posteriormente, se transformará .en los demás ácidos grasos
que necesite la célula, mediante enzimas de tipo elongasas y desaturasas. El
ciclo de la ácido graso sintasa es muy similar a la 13~oxidación, si bien se realiza en sentido contrario y, en vez de usar la CoA como transportador de ácidos grasos, usa una proteína, la denominada proteína portadora de grupos
acilo (ACP).
·
El proceso se inicia con la transferencia del grupo acetilo desde la acetil CoA
al brazo de oscilación de fos,fopanteteína de la ACP (ScH: SH central). El grupo
acetilo se transfiere luego a la fosfopanteteína de la ACP (SpH: SH periférico).
Posteriorment_e, al grupo acetilo se une un nuevo resto acetil~, procedente de
una molécula de malonil CoA que se había dispuesto en el SH central. La- unipn
ocurre mediante una condensación en la cual se produce la descarboxilación del
malonil CoA y deja el residuo de acetil CoA, que se unirá al primer fragmento
de acetil CoA, de modo que se forma un ácido graso de dos átomos de carb0no
más, oxidado en el carbono 13 (forma cero). A continuación, y de forma inversa
a la 13-oxidación, el grupo cero se ·Teduce a un alcoho1, se eli~ina una molécula
de agua formando un doble enlace entre los carbono a y 13, y se sa;gra el doble
enlace mediante otra reducción. Tanto en la primera reducción, como en esta
segunda, el poder reductor que se utiliza lo aporta el·NADPH + H +. Al final del
primer ciclo, se obtiene un ácido graso saturado de cuatro átomos de carbono,.
Este grupo butirilo se transfiere al mismo grupo tiol periférico (SpH) ; es entonces cuando puede iniciarse otro ciclo mediante la transferencia de un nuevo
grupo malonil al brazo de fosfopanteteína (ScH). Tras siete ciclos consecutivos,
se completa la formación del ácido graso palmítico, ·que se libera por acción de
una tioesterasa.'
El balance de la biosíntesis del ácido palmítico, precursor de todos los démás
ácidos grasos, sería el siguiente:
O la ácido graso sintasa es un
complejo multienzimático encargado
de la síntesis de ácidos grasos.
268
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
• Síntesis del malonil CoA:
7 Acetil CoA+ 7 C0 2 + 7 ATP ~ 7 malonil CoA+ 7 ADP + 7 P; + 7 H+
• Actuación de la ácido graso sintasa (siete ciclos):
~
Acetil CoA+ 7 malonil CoA+ 14 NADPH + 14 H+
Palmitato + 7 C0 2 + 8 CoA+ 14 NADP+ + 6 H 2 0
• Balance global:
~
8 Acetil CoA+ 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+
A partir del ácido palmítico, y
empleando diversas desaturasas y
elongasas, se obtienen los distintos
ácidos grasos.
----------~------~
biosíntesis de ácidos grasos
está regulada principalmente a nivel
hormonal, siendo favorecida por la
insulina e inhibida por el glucagón.
Una vez formado el ácido palmítico, distintas desatura:sas del retículo endoplásmico ·liso -enzimas que introducen dobles enlaces de forma específica en
un determinado carbono- y distintas elongasas -enzimas que introducen dos
átomos de carbono en un ácido grafo a partir de acetil CoA, en la mitocondria,
o malonil CoA, en el retículo endoplásmico liso- comienzan la transformación
del ácido palmítico en los demás ácidos grasos que se necesitan tal y como se
muestra en' la figura 14-11. Hay que resaltar el hecho de que las células de mamífero no tienen desaturasas que introduzcan dobles enlaces por encima de la
, , , nueve, es d eClr,
· d esaturasas '-'A 12 y '-'A 15 : esas d esaturasas son t1p1cas
' •
de
pos1c10n
plantas. Este es el motivo por el que los ácidos grasos poliinsaturados se consideren como ácidos grasos esenciales, pues no se pueden introducir dichos dobles
enlaces, tan sólo transformar algunos de esos ácidos grasos poliinsaturados mediante elongasas o introducción de dobles enlaces por debajo del C-9. También
hay que destacar que las elongasas mitocondriales realizan la ruta inversa de la
[3-oxidación consumiendo como poder reductor NADPH + H+, y que las dongasas del retículo endoplásmico liso realizan el mismo mecanismo que la ácido
graso sintasa utilizando la CoA como transportador de acilos en vez de la .ACP.
La biosíntesis de ácidos grasos esta regulada, principalmente, a nivel hormonal mediante fosforilación-desfosforilación. La insulina potencia la actuación de
la acetil CoA carboxilasa favoreciendo una forma desfosforilada que es la forma
activa; mientras que el glucagón provoca la inhibición de la acetil CoA carboxi-
palmltolelco ] 16:1
!J..9 desaturasa
palmitlco
est eá r1co
t:,9
t
16:0
elongasa
[
Palmitato + 8 CoA+ 7 ADP + 7 P; + 14 NADP+ + 6 H 2 0
l
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t
1
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11
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\
(Estearoil CoA desaturasa)
20:2
22:3
t:,7.10,13 Á
4
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22:4
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c:o-3
t:,S.8.11
_ _ _ _ ___:.___,.
------1-----------.,¡· /
Figura 14-11. Formación
de diversos ácidos grasos
a partir de palmitato. Actuación de las desaturasas
(flechas en azul) y las elongasas (flechas en rojo).
desaturasa
Á
1
9
c:o12
t:,8,11
18:3 t:,9.12.1 >-· --~ 18:4
t:,6.9.12.15
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1
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1
1
'- · ..,
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
269
lasa favoreciendo una forma fosforilada que es inactiva. Esta enzima también se
inhibe mediante una regulación alostérica mediada por malonil CoA y palmitoil
CoA, dos factores alostéricos, mientras que la actuación del citrato potencia a la
enzima a través de una regulación alostérica.
0
CUERPOS CETÓNICOS
Los cuerpos cetónicos, acetoacetato, hidroxibutirato y acetona, son sustancias
que se producen a partir de acetil CoA en las mitocondrias del tejido hepático,
cuando la velocidad de la ~-oxidación supera a la velocidad de oxidación del
acetil CoA en el ciclo de Krebs, por ejemplo, en situaciones de ayuno. Estos
compuestos, que se pueden distribuir a través del sistema circulatorio por todos
los tejidos, sirven como fuente de energía para el corazón, el músculo y otros
tejidos. Así, favorecen un ahorro de glucosa, glucosa que es fundamental para
otra serie de tejidos que dependen más estrechamente de este hidrato de carbono para obtener energía como, por ejemplo, el cerebro y los glóbulos rojos. Incluso si se produce un ayuno muy prolongado pueden ser utilizados por el cerebro como fuente de energía alternativa a la glucosa. Estos compuestos se utilizan ya que los animales no pueden transformar de forma neta los ácidos
grasos en hidratos de carbono, al carecer del denominado ciclo del glioxilato
(Recuadro 14-3).
1·
1
--
Recuadro 14-3. Ciclo del glioxilato
El ciclo del glioxilato es una ruta cíclica que se da en plantas y
microorganismos. Esta ruta se localiza en unos orgánulos subcelulares, conocidos como glioxisomas. Es una vía alternativa del
metabolismo de la acetil CoA, que sirve para convertir dos unidades de acetilo (en forma de acetil CoA), en una molécula de
succinato. El succinato es un intermediario del ciclo de Krebs que
puede originar fácilmente oxalacetato, molécula que, por gluconeogénesis, permite formar glucosa. Esta ruta permite fijar de
forma neta los átomos de carbono de los ácidos grasos en azúcares. Los animales, al carecer de este ciclo, no pueden realizar dicha conversión.
Esta vía emplea enzimas del ciclo de Krebs, la citrato sintasa y la
aconitasa, además de dos enzimas exclusivas de este ciclo del
glioxilato: la isocitrato liasa y la malato sintasa (véase figura). En
el ciclo del glioxilato, el oxalacetato se condensa con el acetil
CoA originando citrato. El citrato se transformará en isocitrato,
que se escinde en dos moléculas originando succinato y glioxilato, mediando la isocitrato liasa. El glioxilato se condensará con
otro acetil CoA formando el malato, por acción de la malato sintasa y, finalmente, el malato regenerá el oxalacetato. El suEcinato
formado por la actuación de la isocitrato liasa va a salir del glioxisoma, originando oxalacetato, que puede transformarse en glucosa por la vía de la gluconeogénesis. El ciclo de glioxilato permite la conversión de acetil CoA en glucosa, por lo tanto, permite
la conversión de forma neta de los ácidos grasos en glucosa.
Acetil CoA
sintasa
Oxalacetato
E:
NADH
alato deshidrogenasa
NAD+
coo1
CICLO DEL GLIOXILATO
HO-CH
1
CH 2
1
cooMalato
~~~:~~
Acetil CoA
f'
Glioxilato
Succinato
Cetogénesis
El proceso de la creación de los cuerpos cetónicos se conoce como cetogénesis
(Fig. 14-12). Básicamente consiste en la condensación de dos moléculas de acetil CoA por acción de una tiolasa, formando el acetoacetil CoA. Posteriormente
se fusiona una nueva molécula de acetil CoA, gracias a la acción de la enzima
hidroximetilglutaril CoA sintasa, originando el hidroximetilglutaril CoA. Este
O la cetogénesis es el proceso de
formación de los cuerpos cetónicos.
270
SECCIÓN 111. -El METABOLISMO CELULAR
2 Acetil CoA
Acetoacetil CoA
.
FAcetiiCoA + H2O
HMG CoA s1ntasa
CoA-SH
OH
o~
~o
1
C-CH -C-CH-C
/
-o
2
2
tH
"
S-CoA
3
J'}-Hidroxi-J'}-metilglutaril CoA
(HMG CoA)
compuesto sirve para la síntesis de los cuerpos cetónicos y también se utiliza para la biosíntesis de colesterol (véase más adelante). El hidroximetilglutaril CoA se escinde en acetil CoA y en
acetoacetato, el primer cuerpo cetónico, por acción de la hidroximetilglutaril CoA liasa. El acetoacetato es el precursor de los demás cuerpos cetónicos que existen en el organismo. Así, por reducción, se origina el hidroxibutirato, en una reacción catalizada
por la hidroxibutirato deshidrogenasa. Por descarboxilación del
acetoacetato se forma la acetona; si bien este paso puede ser realizado enzimáticamente, suele ocurrir de forma cinéticamente espontánea y de cierta forma no deseada. La descarboxilación implica la pérdida de un átomo de carbono, de tal manera que la acetona pierde capacidad energética y va a rendir menos ATP que el
hidroxibutirato y el acetoacetato. Posteriormente estos compuestos salen de la 'mitocondria y atraviesan la célula hepática hasta
llegar a la sangre, que se encarga de distribuirlaos por todo el organismo.
Utilización de los cuerpos cetónicos
Los cuerpos cetónicos que son asimilados por los tejidos extrahepáticos se utilizan para producir moléculas de acetil CoA que serán degradadas ·e n el ciclo de Krebs. El hidroxibutirato se oxida a
acetoacetato, originando NADH + H+ que será utilizado para proHMG CoA liasa f. Acetil CoA
ducir ATP mediante la fosforilación oxidativa en la cadena transportadora de electrones. El acetoacetato se unirá a CoA formando,
o
o~
11
gracias
a la enzima cetoacil CoA transferasa, una molécula de aceC-CH 2- C- CH 3
/
toacetil CoA. La escisión del acetoacetil CoA por una tiolasa ren-o
dirá dos moléculas de acetil CoA que se degradarán posteriormenReducción
te en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, generando gran cantidad
de energía (Fig. 14.13a). La acetona, debido a que ha perdido un
Acetoacetato/ c
átomo de carbono, se suele aprovechar transformándose en láctico
descarboxilasa
vía formación de propanodiol (Fig. 14.13b), aunque también se
puede romper originando ácido fórmico y ácido acético (Fig.
co2
14.13c). Cualquiera de estas dos posibilidades aporta menos enerO
OH
~
1
gía que la que aporta la degradación del hidroxibutirato y el aceC-CH 2- CH - CH 3
/
toacetato.
-o
El uso de los cuerpos cetónicos depende de las fluctuaciones de
los niveles de glucosa en sangre. Así, después de las comidas,
D-fl-Hidroxibutirato
Acetona
cuando la cantidad de glucosa es elevada, todos los tejidos, incluidos el músculo liso, usan la glucosa como principal fuente de
Figura 14-12. Formación de cuerpos cetónicos.
energía. En ese momento el hígado aprovecha para almacenar glucosa en forma de glucógeno. Cuando los niveles empiezan a descender; el hígado intenta mantener los niveles de glucosa liberando las reservas que había almacenado en forma de glucógeno, así como generando nuevas moléculas de
glucosa a través de la gluconeogénesis. A su vez, ciertos tejidos como el músculo
O los cuerpos cetónicos son utilicardiaco y esquelético, comienza a usar como principal fuente de energía los
zados por diversos tejidos para pro_, ácidos grasos procedentes de la lipólisis del tejido adiposo, favoreciendo un meducir energía.
nor consumo de glucosa. Estos ácidos grasos también los emplea el hígado para
realizar la ~-oxidación , obtener gran cantidad de moléculas de acetil CoA y con
ellas generar los cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos son enviados a la sangre para que también sirvan de fuente de energía a diversos tejidos, principalmente al tejido muscular. Cuando el proceso de inanición o ayuno es muy prolongado y se agotan las reservas de glucógeno decayendo los niveles de glucosa
en sangre de forma importante, la gran mayoría de los tejidos pasa a alimentarse
de ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Incluso el cerebro puede adaptarse y utilizar los cuerpos cetónicos como fuente de energía, en parte debido a que no
puede aprovechar los ácidos grasos. Esta situación de ayuno lleva a un descenso
importante del consumo de glucosa, que queda reservada casi exclusivamente
c:fla utilización de los cuerpos cepara los glóbulos rojos, los cuales, al carecer de núcleo, sólo pueden realitar la
tónicos como sustituto de la glucosa
glucólisis para obtener energía. Además, el hígado sigue generando pequeñas
favorece un ahorro de glucosa.
cantidades de glucosa a través de la gluconeogénesis; principalmente a partir del
__________________
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS lÍPIDOS
(a)
D-13-Hidroxibutirato
OH
-7
1
' o-
D-j3-Hidroxibutirato
deshidrogenasa
1
O
1
CH 3-C-CH 2-C
H3
271
fk
NAD+
t "'N
""A
~D
,...,..,
H...,+..,...
H ..... -
o
Fosforilación oxidativa
-70
11
CH 3-C-CH¡-C,
r----_,oIAcetoac=cetatol lsouccinil CoAI
P-Cetoacil CoA
transferasa
ooo
. :'
1'
~
-vo
CH -C-CH-C
2
3
lsuccinatol
Ciclo de Krebs
\
'
r:-------::--::-----, S-CoA
1
Acetoacetil CoA 1
,-----::----,
1
Tiolasa
Oxalacetato 1
t
~
·1. Citrato
_'-.......__/'_
l--CoA-SH
--
-~
2 Acetil CoA
1
(b)
F.osforilación oxidativa
CH,- g - CH,
1
Acetona
~
CH,- CHOH-CH,OH
~ CH,~CHOH-:- COOH 1
H20
IPropanodiotl
1
1
Láctico
1
r·~NAo•
~NADH+W
1
Acetil CoA
CH,- CO - COOH
1 -
1
Piruvato
1
NADH/ FADH 2
Fosforilación oxidativa
(e)
o
11
[OH]
CH,- C-CH, 1
Acetona
1
o
11
HO- C- CH, + H- CHOH
1
Acético
1 1
Fórmico
1
Figura 14-13. Utilización de cuerpos cetónicos. (a) Utilización del hidroxibutirato y
del acetoacetato. (b) Utilización de la acetona vía ácido láctico. (e) Utilización de la
acetona vía ácido fórmico.
~-
glicerol procedente de la lipólisis, pero también a partir de la degradación de
aminoácidos o el aprovechamiento del ácido láctico. Así seguirá abasteciendo a
los eritrocitos de la glucosa que necesitan para seguir realizando sus funciones.
Un incremento importante de los niveles de los cuerpos cetónicos en sangre
puede originar lo que se conoce como cetoacidosis, que es un trastorno grave
que puede poner en riesgo la vida y que exige tratamiento inmediato. Algunos
síntomas de este trastorno son náuseas, vómitos, dolor abdominal, respiración
rápida y, en casos, graves, pérdida de conciencia. La. cetoacidosis más conocida es
la cetoacidosis diabética, que es una forma severa y específica de acidosis metabólica. Los trastornos metabólicos que se producen en la cetoacidosis diabética
-272
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR-
son generados por una deficiencia absoluta o relativa de insulina, amplificados
por un incremento en los niveles de las hormonas antiinsulina, principalmente
glucagón y cortisol.
0
BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS
Debido a la gran heterogeneidad estructural que presentan, la biosíntesis de lípidos abarca gran cantidad de rutas y procesos metabólicos. Este apartado se centrará en la síntesis de dos compuestos sumamente importantes: los triacilglicéridos, que son la forma de almacenamiento a largo plazo preferida por los organismos superiores (principalmente mamíferos, entre los que se encuentra el
hombre) y el colesterol, compuesto de gran importancia para las membranas
celulares animales y por su papel como precursor de hormonas esteroideas, ácidos biliares y vitamina D (véase capítulo 3).
La biosíntesis de los acilglicéridos
La síntesis de los triacilglicéridos, que tiene lugar en el retículo endoplásmico
liso (REL) de células adiposas y hepáticas, se origina mediante la esterificación
secuencial de una molécula de glicerol-3-fosfato con tres moléculas de acil CoA
(ácidos grasos activados). Requiere la formación previa de un fosfolípido intermediario, el ácido fosfatídico, compuesto por dos ácidos grasos, glicerol y un
grupo fosfato (véase capítulo 3). El proceso de síntesis del ácido fosfatídico se
· puede dividir en diversas etapas (Fig. 14-14):
c:Jl a síntesis de los triacilglicéridos se origina en el retículo endoplásmico.
c JEl ácido fosfatídi co sirve para la
síntesis de triaci lglicéridos y para la
síntesis de fosfog licéridos.
• Síntesis de glicerol-3-fosfato, a partir de glicerol por la acción de la glicerol quinasa (principalmente en hígado y riñón) o mediante la reducción de
la dihidroxiacetona fosfato a glicerol-3-fosfato por catálisis de la glicerol3-P deshidrogenasa, reacción típica de los adipocitos.
• Activación de los ácidos grasos, por efecto de la acil CoA sintetasa, tal y
como se describió en la activación de los ácidos grasos durante la ~-oxida­
ción (véase Fig. 14-6).
• Transferencia de los ácidos grasos activados para originar el ácido fosfatídico, gracias a la actuación de acil transferasas que transfieren los ácidos
grasos de la moléculas de acil CoA a la posic.i ones 1 y 2 del glicerol-3-P.
El ácido fosfatídico originado no sólo sirve para la síntesis de triacilglicéridos, sino también para la síntesis de fosfoglicéridos (Recuadro 14-4). En la formación de un triacilglicérido, el ácido fosfatídico debe desprenderse del grupo
fosfato presente en la posición 3, proceso que ocurre gracias a la acción de una
fosfatasa. La ácido fosfatídico fosfatasa (Fig. 14-15) deja, tras su acción, un diacilglicerol. El diacilglicerol se transformará en triacilglicerol mediante la acil
transferasa que transferirá un ácido graso procedente de una molécula de acil
CoA a la posición 3. Finalmente, los triacilgliceroles pueden almacenarse en el
citoplasma en grandes gotas, como ocurre en los adipocitos, o incorporarse en
vesículas de secreción: en lipoproteínas, en intestino e hígado, o leche en la
glándula mamaria.
La biosíntesis del colesterol
La síntesis de colesterol tiene lugar en el citoplasma a partir de moléculas de
acetil CoA, y se puede dividir en tres fases (Fig. 14-16):
• Primera etapa: síntesis de los isoprenos activados a partir de acetil CoA.
Esta fase comienza con un mecanismo análogo a la síntesis de cuerpos cetónicos, por la que a partir de tres moléculas de acetil CoA se obtiene·una
molécula de hidroximetilgluraril CoA (HMG CoA, véase Fig. 14-11). Posteriormente el grupo carboxilo del HMG, que está formando un tioéster
con la coenzima A, se reduce a aldehído y después a un alcohol. El
NADPH + H+ es el agente reductor en la dos etapas de la reacción~ originando el mevalonato. La reacción de reducción está . catalizada por la
HMG CoA reductasa y es la etapa limitante de la síntesis del colesterol. La
CAPÍTUlO 14. METABOliSMO DE lOS lÍPIDOS
273
i
Glucosa
l
1,
1
Glucólisis
Glicerol
CH 2 0H
Dihidroxiacetona-3-P
1
C=O
O
1
11
CH 2 0H
1
CHOH
CH 2-0- P-o-
¿;:¿·+H+
1
CH 2 0H
NAO+
Adipootos
Glicerol3-fosfato
deshidrogenasa
CH 20H
ADP _ , ./
1
HO-C-H
Hígado
O
e!ol Riñón
qu1nasa Intestino
X
11
1
CH-O-P-o2
1
Glándula mamaria
ol-Giicerol-3-fosfato
1'0
R'-c
"
Acil transferasa
+ PP¡ '
AMP
CoA-SH
• \
S-CoA
)
R'-coo-
Acil CoA
sintetasa
CoA-SH
+ PP¡ '
AMP
CoA-SH
• \
)
R2 -coo-
Acil CoA
sintetasa
Acil transferasa
CoA-SH
o
.
O
R2 Triacilglicéridos - - - -
11
11
CH 2-O-C- R1
1
e- o- e- H
o
11
1
Fosfoglicéridos
CH-O-P-o'
1
o-
Ácido fosfatídico
enzima está muy regulada y es una diana farmacológicamente importante.
El mevalonato es activado hasta dar los isoprenos activados, isopentil-pirofosfato y dimetilalil-pirofosfato, paso que implica la descarboxilación del
grupo ácido del mevalonato y el gasto de tres moléculas de ATP, dos para
la formación del pirofosfato y una tercera para favorecer la descarboxilación del ácido. Estas unidades de isopreno activadas son la moléculas claves en la biosíntesis de gran número de moléculas, entre ellas el colesterol y
los terpenos.
• Segunda etapa: condensación de seis moléculas de isoprenos activados
para formar escualeno (C 30). A partir de la condensación de una molécula
de isopentil-pirofosfato y otra dimetilalil-pirofosfato se origina el geranilpirofosfato; el cual se condensa, a su vez, con otra molécula de isopentilpirofosfato dando lugar al farnesil-pirofosfato La condensación posterior
de dos moléculas de farnesil-pirofosfato, de tres isoprenos cada una, genera
el escualeno.
• Tercera etapa: ciclación del escualeno a lanosterol (C 30) y conversión final a colesterol (Cd. La formación del núcleo esteroideo a partir del escualeno comienza con la formación del epóxido de escualeno. Este inter-
Figura 14--1 4. Obtención del acido fosfatídico necesario para la síntesis de triacilglicéridos y fosfoglicéridos.
r c:fla síntesis de colesterol se divide en tres fases: síntesis de los isoprenos activados, condensación de
l·os isoprenos para formar escualeno
y conversión del escualeno en colesterol.
274
SECCIÓN IIL EL METABOJ,ISMO CELULAR ·
Recuadro 14-4. Síntesis y degradación de fosfoglicéridos y esfingolipidos
Ácido fosfatídico
SÍNTESIS
La síntesis de estos lípidos tiene lugar en el retículo endoplásmico liso. El ácido fosfatídico es la
base para la síntesis de fosfoglicéridos. Como se estudió en el capítulo 3 dedicado a los lípidos,
la diferencia fundamental entre los distintos fosfoglicéridos es la estructura química de su cabeza polar, por lo que la clave del proceso es la adición de las distintas cabezas polares. Esta
adición se puede realizar sobre el ácido fosfatídico mediante dos mecanismos distintos. El primer mecanismo consiste en la activación del ácido fosfatídico mediante la creación del diacilglicerol activado mediante el nucleótido difosfato CDP (CDP-diacilglicerol); este intermediario
reacciona con un alcohol formando el fosfolípido. En el segundo mecanismo, lo que se activa
mediante CDP ·es el alcohol (CDP-alcohol) y así se une al ácido fosfatídico para originar el fosfolípido. En ambos casos se libera también nucleótido monofosfato CMP. Así, por ejemplo, la
formación de fosfatidilserina sigue el primer mecanismo descrito, formándose a partir de serina y CPD-diacilglicerol; mientras que la fosfátidiletanolamina sigue el segundo mecanismo, generándose a partir del ácido fosfatídico y la CDP-etanolamina.
o
11
cH-o-p-o2
1
oÁcido fosfatídico
fosfatasa
J
Para la formación de esfingolípidos lo primero es la construcción de la larga cadena de la esfingosina, a partir de serina y palmitoil CoA, gracias a la actuación de la serina palmitoil transferasa. Realmente lo que se produce como consecuencia de las reacciones es la cetoesfinganina, que difiere de la esfingosina en que carece del doble enlace y que cuenta con un grupo
ceto en el C-3. Este grupo ceto se reduce a un alcohol originando la esfinganina, todavía sin el
doble enlace de la esfingosina. A la esfinganina se le une un ácido graso a partir de una molécula de acetil CoA, formándose la acil-esfinganina que originará la ceramida al crearse el doble
enlace entre los c;:¡rbonos 4 y 5, típico de la esfingosina. Esta molécula de ceramida es la base
de los demás esfingolípidos. Así los fosfoesfingolípidos, como la esfingomielina, se originan por
transferencia de la cabeza fosfocolina desde la fosfatidilcolina hasta la ceramida, mientras que
los glucoesfingolípidos se originan por transferencia secuencial de diversos monosacáridos, a
través de glucosil transferasas específicas.
1'0
3
R-C
"S-CoA
Acil transferasa
CoA-SH
o
11
CH 2-0-C- R1
1
~
~
CH-0-C- R2
1
CH 2-0-C- R3
1
Triacilglicerol
1
Figura 14-15. Lipogénesis. Síntesis de triglicéridos a partir del ácido fosfatídico.
DEGRADACIÓN
En la degradación de los fosfoacilglicéridos intervienen principalmente cuatro enzimas, que
pueden ser citosólicas o lisosomales: la fosfolipasa A 1, que hidroliza el enlace éster entre el
glicerol y el ácido graso en posición 1; la fosfolipasa A2, que hidroliza el enlace éster entre el
glicerol y el ácido graso en posición 2; la fosfolipasa C, que hidroliza el enlace éster entre el
glicerol y grupo fosfato en posición 3; y, finalmente, la fosfolipasa D, que hidroliza el enlace
éster entre el fosfato y la cabeza polar. Típicamente, en la remodelación de los fosfolípidos, los
ácidos grasos de las posiciones 1 y 2 pueden ser cambiados mediante reacciones de desacilación-acilación, catalizadas por las fosfolipasas A y por acil-CoA: lisofosfolípido aciltransferasas.
En su degradación, primero se eliminan los dos ácidos grasos y posteriormente la cabeza polar
liberando glicerol-3-P, que se recicla.
La degradación de los esfingolípidos se realiza principalmente en los lisosomas por hidrolasas
lisosomales especificas, que suelen ser glucoproteínas integrales de la membrana lisosomal. La
degradación ocurre mediante la hidrólisis secuencial de residuos de azúcar o sulfato, haciendo
que en cada reacción se elimine un único residuo de azúcar y dejando como producto final
una molécula de ceramida. El déficit genético de ciertas enzimas de la ruta produce la acumulación en los lisosomas del sustrato de ese enzima, originando una patología conocida genéricamente como esfingolipidosis, si bien el fallo de cada enzima origina una patología característica . Como estos esfingolípidos forman parte de numerosas membranas celulares, sobre
todo del cerebro, estas patologías cursan con importantes daños a nivel cerebral, produciendo
típicamente retraso mental grave. También producen problemas hepáticos, esplenomegalia,
afectación del sistema inmune, ceguera y, en los casos más graves, pueden conducir a la muerte en los dos o tres primeros años de vida.
mediario se protona para formar un carbocatión que se cicla para formar
una estructura tetracíclica que, a su vez, se reorganiza para formar ellanosterol. Ellanosterol se convierte en colesterol mediante un proceso de múltiples pasos, 19 etapas en total, que comprende la eliminación de tres grupos metilo, la reducción de un doble enlace por el NADPH y la migración
del otro doble enlace. Hay que destacar que algunas de las reacciones están
catalizadas por enzimas de la superfamilia del citocromo P450, enzimas
que son oxidasas de función mixta y que tienen un papel muy importante
en la destoxifkación de fármacos sobre todo de origen esteroideo.
En los vertebrados, la síntesis de colesterol está controlada principalmente
mediante la velocidad a la que el colesterol entra en las células procedente del
torrente sanguíneo. La homeostasis se mantiene mediante un mecanisrrlo que
coordina el consumo de colesterol en el alimento, la síntesis de colesterol endógeno en el hígado (y, en menor grado, en eLintestino) y la tasa de utilización de
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS· LÍPIDOS
3 Acetoacetil
Acetil CoA C2 .
Mevalonato
~oA
1 -
1
Primera etapa
275
CH 3
1
c6
-ooc-. CH 2-CCH1
2 CH2; OH
OH
CH,
1
M•vol: oto O
j
1
lsopentil-pirofosfato [Csl
j
11
11
CH =C-CH- CH -0- P-0-P-ol
2
.' 2
2J
Ó-
Ó-
lsopreno activado
Segunda etapa
1
Farnesil-pirofosfato C15 lineal
1
Farnesil-Pirofosfato
Escualeno C30 lineal
CH 3
CH 3
CH 3
H3 C
~
~
CH 3
f.
~
j
HO
CH 3
J
Escualeno
Lanosterol C30
Colesterol C27
CH 3
u ....... .
Colesterol
colesterol por las células. En este mecanismo interviene el receptor de LDL, que
es la lipoproteína principal encargada del transporte de colesterol en el torrente
sanguíneo.
La HMG CoA reductasa es la enzima clave de la síntesis de colesterol endógeno y se controla de múltiples maneras:
• La velocidad de la síntesis del mRNA de la reductasa está controlada por la
proteína que se une al elemento regulador de esteroides (SREBP, del inglés
S tero id Regulatory Elemente Binding Protein). Este factor de transcripción
se une a una secuencia corta de DNA, denominada elemento regulador de
J
CH 3
Figura 14-16. Principales etapas.
de la biosíntesis del colesterol.
Primera etapa, obtención de los isoprenos activados. Segunda etapa,
condensación de seis isoprenos para
formar una molécula de escualeno.
Tercera etapa, ciclación del escualeno a lanosterol y obtención del colesterol.
276
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
O"La HMG CoA reductasa es la enzima clave de la síntesis de colesterol, esta fuertemente regulada y es
una importante diana farmacológica.
esteroides (SRE). Los niveles bajos de colesterol producen la activación de
SREBP por degradación proteolítica y migración al núcleo, donde se une
al SRE del gen de la HMG CoA reductasa, así como a otros genes de la vía
biosíntética del colesterol para aumentar su transcripción. Cuando aumenta la concentración de colesterol se bloquea la liberación proteolítica de la
SREBP y se degrada la que existe en el núcleo. Estos dos hechos detienen
la transcripción de los genes de la vía biosintética del colesterol.
• La velocidad de la traducción del mRNA de la reductasa se inhibe por metabolitos no estero les· derivados del mevalonato, así como por el colesterol
de la dieta.
• La degradación de la reductasa está controlada de modo riguroso, de tal
manera que la cantidad de enzima se puede regular de una a 200 veces. La
degradación se estimula por colesterol, mevalonato, farnesol y derivados
del colesterol.
• La fosforilación disminuye la actividad de la reductasa. El proceso se regula
a nivel hormonal, de forma que el glucagón favorece la forma fosforilada
inactiva de la HMG CoA reductasa, mientras que la insulina induce la
forma desfosforilada de la HMG CoA reductasa, que es activa.
CONCEPTOS CLAVE
En la degradación de los lípidos a nivel intestinal, gracias a las diferentes enzimas digestivas y a las sales biliares, se
originan compuestos antipáticos de fácil asimilación a nivel intestinal.
0
o
Una vez dentro de los enterocitos, los lípidos son reconstruidos y distribuidos por la sangre junto con diversas apoproteínas en forma de liproteínas.
o
Las lipoproteínas permiten el transporte de los diversos lípidos procedentes de la dieta, así como de los lípidos
endógenos, a los distintos tejidos: principalmente adiposo y .muscular en el caso de los ácidos grasos y triacilglicéridos, y al hígado y a otros tejidos periféricos en el caso del colesterol.
o
o
La ácido graso sintasa, sintetiza el ácido palmítico del que van a derivar todos los ácidos grasos.
Los triacilglicéridos sirven de almacén de energía y se sintetizan a través de la lipogénesis, proceso muy importante
en los adipocitos.
o
La movilización de las grasas se realiza a través de la lipólisis y su transporte por la sangre gracias a la albúmina,
para llegar a los tejidos que usarán los ácidos grasos como fuente de energía, quemándolos por la P-oxidación previa activación y transporte a la mitocondria.
o
La síntesis de cuerpos cetónicos se realiza a partir de moléculas de acetil CoA que se utilizan como sustitutos de los
hidratos de carbono, en los momentos de inanición o ayuno prolongado.
o
El colesterol juega un importante papel como precursor de otras biomoléculas y como función estructural en las
membranas celulares.
EJERCICIOS
Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de ácido palmítico.
SOLUCIÓN
Los ácidos grasos se oxidan a C0 2 mediante las reacciones de la P-oxidación; los productos de ésta posteriormente entran en el ciclo de 1Krebs
y, finalmente, van a la cadena transportadora de electrones, donde producen ATP a través de la fosforilación oxidativa. De tal manera que la
oxidación completa de un ácido graso típico, como es el caso del ácido palmítico, se puede describir como sigue:
CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS
~-oxidación
27'7
(mitocondria):
En cada vuelta se originan:
+ 1 FADH 2 (1' deshidrogenación, acil CoA deshidrogenasa)
+ 1 NADH + W (2' deshidrogenación, hidroxiacil CoA deshidrogenasa)
+ 1 acetil CoA (Ruptura tiólica, tiolasa)
+ 1 acil CoA (Ruptura tiólica, tiolasa) (ácido graso con dos carbonos menos que volverá a entrar a dar otra vuelta de
Como el palmítico tiene 16 carbonos, se necesitarán siete vueltas de ~-oxidación, obteniéndose 7 FADH 2• 7 NADH +
una vuelta más, una octava molécula de acetil CoA (última molécula de acil CoA que tiene dos carbonos)
~-oxidación) .
W, 7 acetil CoA y, por
Ciclo de Krebs (mitocondria):
Cada molécula de acetil CoA rendirá:
+ 3 NADH + W (isocitrato deshidrogenasa, a-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa)
+ 1 GTP (succinil CoA sintetasa)
+ 1 FADH 2 (succinato deshidrogenasa)
Lo que hace un total de:
+8 GTP z 8ATP
+ 31 NADH + W mitocondriales (x 2,S = 77,S)
+ 1S FADH 2 (x 1,S
=22,S)
Como las moléculas de NADH + W mitocondriales originarán 2,S ATP cada una, y las moléculas de FADH, rendirán 1,S ATP cada una, se obtiene
un total de 108 moléculas de ATP generadas. Si se tiene en cuenta que, previamente a la entrada del ácido graso en las vueltas de la ~-oxida­
ción, el ácido palmítico tuvo que activarse a palmitoil CoA y este paso requirió el gasto de un ATP hasta AMP (gasto que puede contabilizarse
como el gasto de dos ATP a ADP) , se obtiene que la degradación total del ácido palmítico, teniendo en cuenta su activación, rinde un total de
106ATP.
La activación se puede describir según la siguiente expresión:
Palmítico +CoA+ ATP ~ Palmitoil CoA+ AMP + 2P;
El balance de la degradación del ácido palmítico activado sería el siguiente:
Palmitoil CoA+ 7 CoA+ 31 NAD+ + 1S FAD + 8 GDP + 8 P; + 23 H20 ~ 16 CO, + 8 CoA+ 31 NADH + 31 W + 1S FADH 2 + 8 GTP
1111 Cálculo
del rendimiento energético aerobio de una molécula
de ácido palmitoleico.
11!11 Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de
ácido oleico.
0
1!11 Cálculo
del rendimiento energético aerobio de una molécula
de ácido araquídico.
eD Suponga que tiene que subsistir con una dieta exclusiva de grasas y sin ningún carbohidrato. ¿Qué será mejor, consumir ácidos
grasos de número par o de número impar?
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
1!11 La
lipoproteína lipasa (LPL) actúa sobre las lipoproteínas que
contienen:
a) Apoproteína A.
b) Apoproteína B.
e) Apoproteína C.
d) Apoproteína E.
1111 En el proceso de internalización celular de la LDL participa la:
a)
b)
e)
d)
Carnitina.
Ornitina.
Clatrina.
Glutatión .
11!11 El colesterol es un compuesto:
a)
De origen endógeno que puede ser malo o bueno según
su estructura.
b) Que, cuando se acumula su parte nociva, produce la placa
de ateroma.
e) Forma parte de la membrana celular y no posee más funciones en lo ~seres humanos.
d) En los diabét1cos se acumula por la falta de insulina.
1!11 La activación de los ácidos grasos se lleva a cabo por:
a)
b)
e)
d)
Acil CoA sintetasa.
Acil CoA transferasas.
Acido graso sintasa.
Acido graso activasa.
eD En el proceso de internalización mitocondrial de los ácidos grasos participa la:
a) Carnitina.
b) Ornitina.
278
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
e) Clatrina.
d) Glutatión.
DD La formación de cuerpos cetónicos:
a) Es la ruta catabólica principal de los ácidos grasos.
b) Se utiliza en el hígado para la obtención de energía cuando falta glucosa.
e) Es una ruta alternativa a la glucólisis que se produce mayoritariamente en el músculo.
d) Se generan en los diabéticos por falta de glucosa y genera
la cetoacidosis diabética.
IIIJ Con
respecto a la acetil l::oA carboxilasa, qué afirmación es
falsa:
a) Sufre una regulación por fosforilación mediada por maloni! CoA.
b) Sufre una regulación por asociación-disociación mediada
por palmitoil CoA y citrato.
e) Su actividad esta inhibida por glucagón.
d) Interviene en la formación de malonil CoA.
liD Las desaturasas son:
a)
b)
e)
d)
Oxidasas de función mixta.
Específicas del carbono donde introducen la insaturación.
Algunas son exclusivas de vegetales.
Todas son verdaderas.
I!D La fosfolipasa C rompe entre:
a)
b)
e)
d)
El
El
El
El
glicerol y el primer ácido graso.
glicerol y el segundo ácido graso.
glicerol y el grupo fosfato.
grupo fosfato y la cabeza polar.
I!IJl] Con
respecto a los fosfolípidos, señale qué afirmación es falsa:
a) Se forman a partir de palmitoil CoA y serina.
b) El producto final de la degradación lisosomal de los fosfolípidos es la ceramida.
e) El grupo sanguíneo se debe a la presencia de fosfolípidos
en los glóbulos rojos.
d) Son importantes en la formación de las membranas celulares.
\
METABOLISMO DE LOS
COMPUESTOS NITROGENADOS
o
CONTENIDOS
o
o
o
o
o Tener una visión general del metabolismo de los compuestos nitroge-
Introducción
nados, principalmente de los aminoácidos.
La degradación de
proteínas
o Conocer el proceso digestivo de las proteínas, así como de su degradación intracelular.
La degradación de
aminoácidos
o
La biosíntesis de
aminoácidos
o
El metabolismo de los
nucleótidos
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o
Entender el proceso de degradación de los aminoácidos: cómo estos
pueden servir para producir energía para el organismo o pueden ser
utilizados para originar cuerpos cetón icos o hidratos de carbono.
o
Adquirir una visión general del metabolismo del nitrógeno en el organismo: f ijación y eliminación.
o
o
Poseer unas nociones básicas de la síntesis de los aminoácidos.
o
Entender la importancia de los aminoácidos, por sus numerosas funciones precursoras, y así valorar su papel f isiológico en el organismo.
Comprender los fundamentos de la síntesis de las bases nitrogenadas y
de los nucleótidos.
r
El presente capítulo está dedicado al metabolismo de los compuestos nitrogenados. Bajo este té rmino se engloban distintos
t ipos de biomoléculas: por un lado, los aminoácidos y las proteínas; por otro lado, las bases nitrogenadas y los nucleótidos. El
nitrógeno, que forma grupos funcionales fundamentales para la
vida, es, simultáneamente, un producto potencialmente tóxico y
peligroso. Parte de este capítulo se orienta al estudio de los distintos mecanismos y rutas bioquímicas por las que los organismos eliminan este compuesto, de la forma más segu ra posible.
Este capítulo , que cierra el bloque de metabolismo celular, expone las rutas de la biosíntesis de las diferentes bases nitrogenadas y de los nucleótidos y desoxflil ucleótidos que van a forma r
parte de los ácidos nucleicos, base de la información genética y
de la transmisión de dicha información, que se describirá en la
siguiente sección .
En este capítulo se destaca la importancia del metabolismo de
los compuestos nitrogenados en la salud, relacionando dichas
rutas metabólicas con diversas patologías, algunas muy frecuentes y que pueden tener graves consecuencias pa ra la salud .
280
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
0
c:f-El met abolismo de los compuestos nitroge nados abarca principalmente el metabolismo de las bases
nit rogenadas, de los nucleótidos, de
las porfirinas y de los aminoácidos.
INTRODUCCIÓN
En primer lugar, es importante indicar que el metabolismo de los compuestos
nitrogenados, no se refiere únicam ente al metabolismo de las proteínas. El metabolismo de los compuestos nitrogenados también incluye al metabolismo de
las bases nitroge~adas, de los ácidos n ucleicos y del grupo de las porfirinas, entre
otros compuestos.
Además, el metabolismo de los compuestos nitrogenados también comprende otros mecanismos importantes. Por un lado, las reacciones d e fijación de nitrógeno molecular del aire, para su posterior utilización en la síntesis de diferentes compuestos orgánicos. Y también aquellas rutas desarrolladas por los distintos organismos para asegu rar u na correcta eliminación del nitrógeno,
especialmente cuando forma parte de compuestos potencialmente tóxicos como,
por ejemplo, el amonio.
0
LA DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS
La degradación de las proteínas debe estudiarse fundamentalmente a dos. niveles
dependiendo de la localización del proceso:
• En el tracto digestivo, donde se procesan las proteínas exógenas o ingeridas
de la dieta; es la denominada digestión de proteínas. Este proceso digestivo -permite obtener los aminoácidos en forma libre, necesarios para sintetizar las proteínas propias, así como otras biomoléculas que se forman a
partir de ellos.
• En el interior de la célula, donde se procesan las proteínas endógenas, lo
que se suele conocer bajo la denominación de recambio proteico. Este recambio proteico es de gran u tilidad para reciclar los aminoácidos de proteínas que ya no son útiles para el organismo y generar n uevas proteínas, u
otras biomoléculas a partir de aminoácidos preexistentes. Además, también
sirve para la eliminación de aminoácidos dañados.
En cualquier organismo existe, en un momento dado, una reserva de aminoácidos corporales que debe mantenerse constante. En el caso del hombre, dicha reserva de aminoácidos corporales disminuye entre 60 y 100 g diariamente
por degradación y eliminación a través de la vía urinaria y fecal, o bien por conversión metabólica de los aminoácidos a otros compuestos. Por este motivo se
hace necesario ingerir una cantidad similar en la dieta para reponer dicha pérdida. Además, diariamente se procesan entre 300 y 400 g de proteínas tisulares
hasta rendir aminoácidos libres, m ientras se genera aproximadamente la misma
cantidad de proteínas a partir de aminoácidos.
Enzimas digestivas de las proteínas
~l
proceso digestivo de las prot eínas se ve favorecido po r la desnaturalización.
La digestión de las proteínas exógenas en el tracto digestivo tiene un papel clave
para generar aminoácidos libres (Fig. 15-1). En el ser humano, existen aminoácidos que solo pueden conseguirse de la dieta, ya que el propio organismo no
logra sintetizarlos por sí mismo: estos aminoácidos se denominan esenciales y
son isoleucina (Ilu), leucina (Leu), lisina (Lys), metionina (Met), fenilalanina
(Phe), treonina (Thr), triptófano (Trp), valina (Val) e histidina (His; solo en
niños). A los restantes aminoácidos, en contraposición, se les llama no esenciales, porque nuestro organismo tiene las enzimas requeridas para su biosíntesis.
El-proceso digestivo de las proteínas de la dieta se ve favorecido por la desnaturalización de las mismas en el estómago, proceso meramente químico en el•
que la. fuerza desnaturalizante procede del pH ácido del estómago debido a la
presencia del ácido clorhídrico (HCl). Este proceso genera cadenas de proteínas
más o menos lineales, mediante la ruptura de los enlaces débiles que establecen
la conformación nativa y de los puentes disulfuro y otras interacciones entre cadenas, lo que facilita la posterior acción de las enzimas digestivas.
\
·
U na vez desnaturalizada la proteína, comienza la hidrólisis proteica, mediante rotura de enlace peptídico. En dicha fase se degradan las proteínas desnatura-
CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
281
Lumen intestinal
tripsinógeno
enteroquinasa~!
<.
)
tripsina
quimotripsina/
~
elastasa
carboxipeptidasas
enteroquinasa
aminopeptidasa endopeptidasa
Figura 1S-1. Digestión de las proteínas: zimógenos. enzimas implicadas y lugar de actuación.
lizadas hasta dar péptidos, dipéptidos y aminoácfdos libres, que .son las únicas
formas que pueden absorber las células epiteliales del intestino. Las enzimas digestivas se sintetizan normalmente en forma de zimógenos o proenzimas, desde
células de la mucosa gástrica, células del páncreas exocrina y enterocitos del intestino. Los zimógenos son enzimas que se secretan de forma inactiva y, generalmente, se activan de manera secuencial. Algunos zimógenos se activan por el
pH y otros por proteólisis parcial. Este último mecanismo de hidrólisis se basa
en que otra enzima activa ~ zimógeno, produciéndose una cascada de activaciones. Cada una de estas formas activas rompe únicamente determinados enlaces
de la proteína a degradar, de tal forma que sólo el conjunto de rodas ellas produce la degradación total de dicha proteína.
El pepsinógeno es un zimógeno que, al entrar en contacto con el pH ácido
del estómago, se convierte en pepsina activa; el péptido que mantenía inactivo al
pepsinógeno se digiere como una proteína más. La pepsina hidroliza parcialmente las proteínas de la dieta. A nivel estomacal también interviene la renina,
proteasa que actúa sobre las caseínas de la leche permitiendo su digestión, por lo
que se hace especialmente importante en el período lactante. Estas enzimas estomacales suelen generar grandes fragmentos peptídicos que pasan al intestino.
En el intestino delgado, se encuentra la enteropeptidasa, que actúa sobre un
primer zimógeno, el tripsinógeno, para generar tripsina. La tripsina tiene capacidad autoproteolítica, es decir, puede actuar sobre su propio zimógeno y, además, también puede atacar a otros zimógenos como proelastasas, procarboxipeptidasas y quimotripsinógenos, originando elastasas, carboxipetidasas y quimotripsinas, respectivamente. La tabla 15-1 recoge el lugar de síntesis del
zimógeno, el activador que produce la forma activa, y el tipo de actividad (enclo
o exopeptidasa, según intervengan, respectivamente, sobre enlaces peptídicos
'interiores o situados en los extremos del sustrato proteico) de cada enzima digestiva junto con el tipo de enlace peptídico que suelen hidrolizar; se indica también el pH óptimo al que actúa cada una. Estas enzimas intestinales degradan
las proteínas y los grandes péptidos procedentes del estómago hasta obtener pequeños fragmentos de péptidos (oligopéptidos de 4 a 6 aminoácidos) y algunos
aminoácidos libres. Los oligopéptidos son hidrolizados en péptidos menores por
la acción proteolítica de la enteroquinasa, las aminopeptidasas y las endopeptidasas. Las carboxipeptidasas rompen las cadenas por el carboxilo terminal,
BIBLIOTECA FUNDADORES
282
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR .
Tabla 15-1. Principales enzimas digestivas de las proteínas. Se indica cuál es el activador del zimógeno y las preferencias de corte ,
es decir, los aminoácidos por los que tiene preferencia para romper enlaces peptídicos vecinos
Enzima
Proenzima
Lugar de síntesis
Activador
Enlace
Pepsina
(pH 1,8-2,0)
Pepsinógeno
M ucosa gástrica
HCl. autoactivación
Endopeptidasa: Trp, Tyr, Phe, Leu
Tripsina
(pH 8-9)
Tripsinógeno
Páncreas
Enteropeptripsina
Endopeptidasa: Arg, Lis (básicos)
Quimotripsina
(pH 8-9)
Quimotripsinógeno
Páncreas
Ent~ropeptidasa
Endopeptidasa: Tyr, Phe, Trp, Met, Leu (sin carga)
Proelastasa
Páncreas
Tripsina
Endopeptidasa: Gly, Ala . Ser
Carboxipeptidasa A
(pH 7,2)
Procarboxipeptidasa A
Páncreas
Tripsina
Exopeptidasa: todos excepto los básicos (extremo
carboxilo terminal)
Carboxipeptidasa B
(pH 8,0)
Procarboxipeptidasa B
Páncreas
Tri psi na
Exopeptidasa: Arg, Lis (extremo carboxilo terminal)
Aminopeptidasa
(pH 7,4)
---------
Mucosa intestinal
---------
Exopeptidasa (extremo amino terminal)
Elastasa
(pH 8-9)
..
c JLa digestión de las proteínas
comienza en el estómago, continúa
de forma importante a nivel intestinal y finaliza dentro del enterocito.
mientras que las aminopeptidasas liberan aminoácidos por el extremo amino
terminal.
.
Finalmente, los dipéptidos, tripéptidos y aminoácidos libres se asimilan por
las células intestinales, normalmente al nivel del yeyuno, mediante transportadores específicos dependientes de Na+, en el proceso conocido como absorción
intestinal. Los péptidos absorbidos se hidrolizan completamente dentro del enterocito gracias a las dipeptidasas y tripeptidasas, que dejan aminoácidos libres
disponibles para ser aprovechados por las células intestinales. Los aminoácidos
pueden pasar a la sangre directamente y, de esta forma, transportarse por todo el
organismo. También pueden emplearse para sintetizar proteínas, normalmente
apoproteínas de las lipopmteínas, así que dichas lipoproteínas sirven igualmente
para el transporte de los aminoácidos por la sangre.
Determinadas patología:s pancreáticas o intestinales pueden producir déficit
de ciertas enzimas digestivas. Un procesamiento incorrecto de las proteínas ingeridas en la dieta provoca que no puedan ser absorbidas ni, por lo tanto, aprovechadas. En estos casos puede recurrirse a la ingestión de hidrolizados de proteínas.
Recambio proteico
c JEl recambio proteico hace referencia a la degradación intracelular
de las proteínas, destacando los mecanismos de proteólisis lisosómica y
del proteosoma.
/
El.recambio proteico o digestión celular hace referencia a la degradación intracelular de las- proteínas, .con la finalidad de reciclar o degradar los aminoácidos
de las mismas. Esta proteólisis puede darse en los lisosomas (orgánulo celular
especializado en la degradación de moléculas) o en el citoplasma.
Proteólisis lisosómica. Ocurre en vesículas intracelulares especializadas, los lisosomas. El interior de estos orgánulos se encuentra a un pH de ·5,5. y contiene
proteasas e hidrolasas, principalmente de la familia de la catepsinas, encargadas
de la digestión de las proteínas. Dicha digestión puede ser:
• Autofágica, si procesa proteínas intracelulares como, por ejemplo, proteínas de membrana, -receptores hormonales o de ribosomas.
• Hetorofágica, si actúa sobre proteínas extracelulares capturadas por endocitosis como, por ejemplo, las procedentes de las lipoproteínas, sobre todo
de las HDL.
Proteólisis citoplásmica o. no lisosómica. Esta degradación de proteína\ tiene
lugar bien a partir de proteasas dependientes de Ca2+ como la calpaína -que
presentan actividad proteolítica a pH neutro-, o bien mediante una estructura
CAPÍTULO 1S. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
283
especializada denominada proteosoma. El proteosoma es un complejo multienzimático con diversas actividades catalíticas; presenta una estructura con aspecto
de barril en el cual solo entran y se digieren las proteínas que han sido previa~
mente marcadas por la unión de pequeñas moléculas de ubiquitina.
0
LA DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS
En el proceso de degradación de los aminoácidos hay dos partes claramente diferenciadas: la primera la determina el grupo amino, que debe ser eliminado de
la estructura del aminoácido y transportado de forma segura hasta su eliminación del organismo; y la segunda implica la eliminación o aprovechamiento del
resto del aminoácido, es decir, el esqueleto carbonado.
La correcta eliminación del grupo amino de los aminoácidos es muy importante, pues es relativamente fácil que dicho compuesto acabe formando amoníaco en el organismo. El amoníaco es un tóxico potencialmente muy peligroso
para el ser vivo, cuando se acumula y origina hiperamonemia. El amoníaco se
hace especialmente tóxico para el cerebro por diferentes motivos:
c fEl proceso de degradación de
los aminoácidos implica dos fases: la
eliminación del nitrógeno y la eliminación del esqueleto carbonado.
• Interfiere con el intercambio iónico a través de las membranas. El ión
amonio presenta carga y es muy pequeño, por lo que actúa interfiriendo
en los potenciales de membrana. Esto causa grandes daños en el cerebro,
ya que las neuronas son células que dependen del potencial de membrana
para su correcto funcionamiento.
• Bloqueo del ciclo de Krebs. El amonio, en presencia de ·a-cetoglutarato,
produce glutamato (Glu), retira dicho intermediario del ciclo de_Kiebs y,
en consecuencia, origina una grave interferencia metabólica.
• El amonio, en presencia del glutamato (generado por el mismo ión amonio), produce glutamina y, su acúmulo, puede producir edema cerebraL
• La glutamina, que ha aumentado por el amonio, a través de determinadas transaminasas, origina a -cetoglutámico, un compuesto tóxico para el
cerebro.
~l
am oníaco es especialmente
tóxico para el cere bro.
Para la separación del grupo amino, todos los aminoácidos sufren una reacción de transaminación, que forma un nuevo aminoácido y un nuevo cetoácido;
finalmente, todos los grupos amino se transfieren al a-cetoglutarato, formando
glutamato que es la única molécula que puede ser ,objeto de una desaminacion
oxidativa rápida. Ambas reacciones, transaminación y desaminación, que se verán a continuación, son esenciales en el metabolismo de los aminoácidos.
Transaminación
Las transaminasas o aminotransferasas son enzimas muy importantes en la degradación y también en la síntesis de aminoácidos. Existe una gran variedad de
transaminasas, prácticamente una por cada aminoácido. Las transaminasas usan
como cofactor el pirodoxal fosfato, derivado de la vitamina B6 , y actúan mediante mecanismo ping-pong (véase capítulo 8). En la degradación de los aminoácidos, estas aminotransferasas intervienen coordinadamente con la enzima
glutamato deshidrogenasa, el ciclo de Krebs y el ciclo de la urea. Transfieren el
grupo amino de un aminoácido a un cetoácido, transformando el cetoácido en
un aminoácido y viceversa (Fig. 15-2) . Las reacciones son reversibles por lo que
también se emplean en el anabolismo.
Existen dos transaminasas de gran importancia: la GOT o glutamato oxalacetato transaminasa (también conocida como AST, aspartato aminotransferasa)
+H
,N
x
-ooc
o
o
+
,... R
1
j Amlnoácldo-1
Aminotransfe rasa
1
+
-ooc ) l R2
-ooc)lR1
Cetoácldo-2
Cet<?~cldo-1
+H
,N
x
-ooc
,.·· · R
1
Amlnoácldo-2
1
Figura 1S-2. Reacción genérica
de una transaminasa.
284
SECCIÓN 111 . EL METABOLISMO CELULAR
y la GPT o glutamato piruvato transaminasa (también denominada ALT, alanina aminotransferasa), que realizan las siguientes transformaciones:
GOT: glutamato (aa) + oxalacetato
GPT: glutamato (aa) + piruvato
I TExisten dos transaminasas de
gran importancia la GOT o AST y la
GPT o AL T; ambas sirven, además, de
indicador de daño hepático.
aspartato (aa) + a-cetoglutarato
alanina (aa) + a-cetoglutarato
Ambas transaminasas juegan un papel clave en el transporte y eliminación de
los grupos ainino, tal Y. como se estudiará más adelante. Su medición en sangre
sir\re de diagnóstico de enfermedades hepáticas.
El aceptor firial, en la mayoría de las transaminaciones de los aminoácidos es
el a-éetoglutarato, por lo que se originará siempre glutamato.
Desaminación
La mayoría de los aminoácidos son desaminados por transaminación, formándose siempre glutamato. La pérdida del grupo amino del glutamato así formado, se produce gracias a la acción de la glutamato deshidrogenasa, enzima muy
importante a nivel hepático que cataliza la siguiente reacción (Fig. 15-3) de desaminación oxidativa:
~
glutamato + rl 2 0 + ~J\I)(P)+ ~
a-cetoglutarato + ~AD(P)ri + rf+ + ~ri¡
Como consecuencia, se libera en forma de amonio el nitrógeno recogido de
todos los grupos amino de todos los aminoácidos. El amonio se genera principalmente en el hígado, y en el hombre se elimina habitualmente a través del ciclo de la urea. Pero existen varias estrategias de eliminación del nitrógeno entre
los animales, que permite clasificarlos en tres grupos:
• Amoniotélicos: animales acuáticos en los que el amoníaco difunde de la
sangre al aparato excretor, como es el caso de los peces teleósteos.
• Uricotélicos: animales que forman una purina oxidada que dará ácido úrico, que precipita excretándose. Ejemplos: gasterópodos, aves, reptiles e insectos.
• Ureotélicos: animales que concentran el nitrógeno en un compuesto menos ácido y altamente soluble: la urea. El tejido donde se produce la transformación del grupo amonio en urea es el hígado; de ahí se transporta a los
riñones para eliminarse en forma de orina. Es el caso de los elasmobranquios, anfibios, quelonios y mamíferos.
La glutamato deshidrogenasa es
la enzima responsable de la desaminación del glutamato.
Aunque la mayoría de aminoácidos se degradan en el hígado, algunos son
desaminados en otros tejidos por transaminación. Una vez que el grupo amino
se encuentra en el glutamato, se transferirá, a través de la GPT/ALT a una molécula de piruyato, procedente de la glucólisis, para formar alanina. Este aminoácido sale a la sangre sirviendo de medio de transporte inocuo .dd grupo
amino, de tal forma que viaj a por el torrente sanguíneo sin que se produzca un
incremento de amonio. La alanina es retirada de la sangre por el hígado, el cual
a través de su GPT/ALT forma glutamato y piruvato. Como ya se ha visto, es
en el hígado donde el glutamato sufrirá la desaminación catalizada por la glutamato deshidrogenasa produciendo amonio, que será neutralizado formando
urea gracias al ciclo de la urea. El piruvato puede ser aprovechado por el hígado
para formar nuevas moléculas de glucosa gracias a la gluconeogénesis. Este proceso se conoce como el ciclo de la glucosa-alanina (véase capítulo 12, Fig.
12-8) y supone un mecanismo indirecto de transporte al hígado del grupo amino de los aminoácidos metabolizados en otros tejidos, para que sea excretado
como urea.
""'
3
+H N\
Figura 15-3. Mecanismo
de actuación de la · glutamato deshidrogenada.
NAO+
(o NADP+)
+==~:: : : =:/==~•
)i
-ooc~coo1
Glutamato
NADH + W
+ W)
(o NADPH
1
~Hr
HO
NW
+=\_)=====·~·
-ooc~coo-
~
-ooc~coo1 a -cetoglutarato 1
CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
La glutamina posee dos áwmos de nitrógeno a diferencia de la mayoría de
los aminoácidos que poseen uno solo (véase capítulo 4). Esta característica convierte .a la glutamina en una molécula ideal para colaborar en el transporte de
nitrógeno a través del cuerpo. La glutamina es, por lo tanto, muy abundante en
la circulación, pues sirve como una forma de transporte inocua del amoníaco,
que es tóxico, hacia el hígado y el riñón (Fig. 15-4). La glutamina y la alanina
transportan más de la mitad del nitrógeno del organismo. La glútamina se encuentra en grandes cantidades en los músculos del cuerpo (casi un 60% del total
de aminoácidos), siendo fundamental para la eliminación del nitrógeno procedente del tejido muscular. Además la glutamina en el riñón ejerce un papel importante en las células del túbulo renal, interviniendo en la síntesis del amoníaco
(NH3), que es empleado por el riñón como un tampón urinario, de tal forma
que colabora en la estabilización del pH urinario y sanguíneo.
285
c fla glutamina y la alanina transportan más de la mitad del nitrógeno del organismo.
El ciclo de la urea
Los seres ureotélicos, como el hombre, eliminan el nitrógeno de los aminoácidos en forma de urea en la orina, de tal modo que el nitrógeno ureico representa el 80% del total de nitrógeno excretado. La molécula de urea presenta dos
átomos de nitrógeno, y se forma por un mecanismo cíclico denominado ciclo
de la urea.
Las reacciones bioquímicas del ciclo se producen en la mitocondria y en el
citosol, siendo la ornitina la molécula que ensambla todo los compuestos para la
posterior eliminación. Los dos grupos amino que formarán la urea se incorporan
al ciclo en dos puntos distintos y proceden de dos vías diferenciadas (Fig. 15-5):
• El primero, procede de la matriz mitocondrial, donde el amonio procedente del glutamato se utiliza, junto con el C0 2 , para formar carbamoíl-P, reProteínas
Músculo esquelético 1
otros tejidos
!
Glutamina sintetasa
[Hígado)
D
Glutaminasa
Glutamato
Glutamato desh1drogenasa
a-cetoglutarato
A.
A
Glutaminasa
~j·
~ ~e
~ ~e
.(
~
Figura 15-4. Transporte de nitrógeno al hígado y al riñón.
Glutamato
Glutamato deshidrogenasa
a-cetoglutarato
A
~ ~e
A
~ ~e
)
286
SECCIÓN· m: H METABOLISMO CELULAR
+
NH 4 + C0 2
~2~
+
~ 2ADP+P;
1
o
NH 3
11
CH 2
H2N-c-o -G
1
Urea
Carbamoil-fosfato
sintetasa
CH 2
Carbamoil-fosfato
1
CH 2
+
Ornitina
transcarbamoilasa
1
H3 N-CH-COOOrnitina
~----P;
o
11
HN -C-NH
2
1
CH 2
1
CH 2
1
CH 2
+
1
H3 N - CH - COO-
Citrulina
MITOCONDRIA
Arginina
Argininosuccinasa
coo-
-o oc
1
"
CH
11
1
HC
+/
H3 N
"cooFumarato
Figura 15-5. Ciclo
de la urea. Se destaca la localización
celular del ciclo de
la urea entre la mitocondria y el citoplasma.
l
1
CH 2
¿H
Hcf " cooMatato
CH
"'-
COO-
.
Glutamato
deshidrogenasa
T0:
0 _ ) a-Cetoglutaratoy NH
coo-
H 0 __....::..,.._ _ _""
2
MITOCONDRIA
CH 2
Argininosuccinato
NADH,H+
)
CH 2
Glutamato
1
e
cf " coo-
4,
NADH, H+
~ H20, NAD+
-
Transam inasa
Oxalacetato
acción en la que se consumen dos ATP y catalizada por la carbamoíl-fosfato sintetasa (carbamoíl-P sintetasa) de la membrana mitocondrial.
• El segundo procede del aspartato, al que ha sido previamente transferido
por transaminación del glutamato y transportado al citosol.
La ornitina se forma en el citosol pero viaja a la mitocondria. Allí, el carbamoíl fosfato se ensambla con la ornitina mediante la ornitina transcarbomoilasa,
produciendo citrulina, que mantiene el carbono y el amino .. La citrulina abandona la mitocondria gracias a un transportador específico ubicado en la membrana interna mitocondrial. En el citosol, la argininosuccinato sintetasa condensa el aspartato al grupo carbonilo de la citrulina utilizando ATP para generar
AMP + PPi. Como resultado se forma el argininosuccinato, un compuesto intermediario del ciclo de la urea en el que están condensados el carbono y los dos
grupos amino . Este compuesto se convierte en arginina gracias a la enzima citosálica argininosuccinasa, liberándose fumarato que servirá para dar malato y re-
CAPÍTULO 1S. METABOLISMO .DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
genera el oxalacetato en la mitocondria a través de varias reacciones del ciclo de
Krebs, necesario para formar una nueva molécula de aspartato.
La a rginina formada a partir del argininosuccinato posee el carbono y los dos
grupos amino necesarios para originar la urea. Por la acción de la enzima arginasa, se produce urea y ornitina, que se introduce en la mitocondria para comenzar un nuevo ciclo. Finalmente, la urea será eliminada del organismo vía renal.
La arginasa es una enzima exclusivamente hepática, por lo que el ciclo de la
urea sólo se da íntegro en el tejido hepático rindiendo urea. En otros tejidos
como riñón, hígado e intestino, este ciclo se puede utilizar, además, para la síntesis del aminoácido arginina. Existen numerosas patologías relacionadas con el
fallo de las enzimas implicadas en el ciclo de la urea (Recuadro 15-1).
El balance del ciclo de la urea es:
287
c:fEl ciclo de la urea sólo se da íntegramente en el tejido hepático.
c:fla arginina se puede biosintetizar gracias a diversos pasos del ciclo
de la urea en distintos tejidos.
C0 2 + NH¡ + 3 ATP + aspartato + H 2 0 -----t
-----t Urea+ 2 ADP + 2 P; + AMP + PP; + fumarato
Recuadro 15-1. Enfermedades relacionadas con el ciclo de la urea
Existen diversas alteraciones relacionadas con el fallo o déficit de diversas enzimas del ciclo de la urea. Las alteraciones se manifiestan por la
elevación del amoni0 plasmático. Cuando el amonio supera los (iO micromoles por litro (hiperamonemia), se puede producir daño cerebral.
Entre las enzimas que pueden fallar se encuentran:
• Ornitina transcarbamoilasa: su deficiencia acumula amoníaco y aminoácidos en sangre. Es la más frecuente y causa retraso mental y muerte.
• Arginina succinato sintetasa: su falta ocasiona el aumento de citrulina en sangre y consecuente excreción en orina (citrulinemia). Es benigna y se trata con un suplemento de arginina.
• Arginasa: su déficit conduce a una enfermedad muy rara que provoca deficiencias en el sistema nervioso central. Se trata con aminoácidos
esenciales pero sin arginina.
• Carbamoíl-fosfato sintetasa: se observa hiperamonemia en niños con esta deficiencia, que conduce al retraso mental.
--~--------------~
El destino del esqueleto carbonado
Una vez eliminado el grupo amino, el siguiente paso en la degradación de los
aminoácidos es hidrolizar el resto del esqueleto carbonado. Según el compuesto
que se obtenga al fraccionar el esqueleto carbonado (Fig. 15-6) , los aminoácidos
se clasifica en:
Leucina
Lisina
Fenilalanina
Triptófano
Tirosina
!
lsoleucina
Leucina
Triptófano
y---......
,.-------,
Glutamato 1
Cetogénesis~
lsocitrato
f
Alanina
Cisteína
Glicocola
Serina
Triptófano
c:flos aminoácidos, atendiendo al
producto final del la degradación de
su esqueleto carbonado, se pueden
clasificar en glucogénicos y cetogénicos.
Arginina
Glutamina
Histidina
Prolina
_
-a---Ce_t::...o_g_lu-t-ar-a-to---,1
'1
Ciclo
de
Asparagina
Aspartato
lsoleucina
Metionina
Treonina
Valina
l!
~!i
Figura 15-6. Destino del esqueleto carbonado de los aminoácidos. En azul los cetogénicos, y en rosa los gluconeogénicos.
--288
SECCIÓN· III. El METABOliSMO <;:ELULAR
· • · Glucogéni¿os: los · á.ininoácidns que;· al degradarse, producen piruvato o
· compuestos intermediarios del·cido de Krebs. Todos los compuestos inter·mediários dd. ciclo de: Krebs pueden ·ser: transformados ·a ·oxalacetato, y derivados a la síntesis de glucosa a través de la gluconeogénesis.
• Cetogénic.os: los aminoácidos que se convierten en acetil CoA o acetoaceto. Pueden desviarse fácilmente a la for'maci6n de cuerpos cetónicos. También pueden ser utilizados ·_ paia la síntesis de lípidos o bien se liberan al
torrente sanguíneo para su eliminación.
c flos aminoácidos glucogénicos
originan en su degradación compuestos (piruvato, oxalacetato ... )
que fácilmente se transforman en
glucosa.
Los aminoácidos cetogénicos
originan en su degradación compuestos (acetil CoA) que fácilmente se
transforman en cuerpos cetónicos.
·y
La leucina la lisina ·son aminoáCidos claramente cetogénicos, mientras que
el aspártico, asparagina, meüonina, treonina, valina, arginina, glutamina, histiaina y prolina son gluconeogénicos. Sin embargo, diversos aminoácidos pueden
ser· degradados de ambas formas : alanina, glicocola, cisteína, serina, triptofano,
fenilalanina, tirosina· e isoleucina.
0
LA BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
Antes de comenzar a hablar sobre la biosíntesis de aminoácidos hay que recordar que algunos de ellos, los conocidos como los aminoácidos esenciales, solo
pueden ser sintetizados por un número pequeño de organismos, principalmente
las bacterias y las plantas. Por ello, la síntesis de estos aminoácidos que más adelante se ·detalla, se-refiere a la· que -realizan dichos organismos.
En la biosíntesis de los aminoácidos y de otros compuestos ·nitrogenados, la
principal dificultad que hay que superar es la fijación de los átomos de nitrógeno atmosférico (N 2) en estructuras orgánicas. El nitrógeno, que constituye el
80% de la composición del aire, no puede ser utilizado por la mayoría de los
organismos, porque es demasiado estable y, por tanto, inerte para su utilización
en la mayoría de procesos biológicos.
Solo ciertas bacterias, las llamadas nitrificantes, son capaces de asimilar el N 2
del aire, mediante un proceso biológico denominado nitrificación: consiste en la
reducción del nitrógeno atmosférico a compuestos nitrogenados, es decir, se
combina el nitró'geno gaseoso con hidrógeno para formar principalmente amoníac o: Existen tres tipos de bacterias nitrificantes. Las cianobacterias son las
principales fijadoras ·en los océanos e incorporan nitrógeno a la cadena alimentaria m·arina. Las simbiontes; como el género Rhizobium, se asocian a las raíces de
las leguminosas, estableciendo una interacción específica: la bacteria reduce el
N 2 , que la planta utiliza, y a cambio la planta le proporciona a· la bacteria fuente
de carbono pata' el crecimiento del microorganismo. Otras bacterias no se encuentran asociadas a plantas y su fu~nte de nitrógeno la constituyen los nitratos
y nitritos del suelo, como ocurre con las bacterias Gram negativas del género
Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una oacteria purpúrea. Existen ' bacterias desnitrificantes que realizan el paso contrario, 'és decir, de
amoníaco a nitróge!'lo a~mosférico, paso necesario para mantener el equilibrio
del hitrógeno -en el planeta. ·
· Para romper el enlace· entre los dos átomos de nitrógeno (N 2) se necesita un
complejo enzimático conocida como nitrogenasa. Utiliza como cofactores Fe,
Mo, y enrejados Fe-S, y que es capaz de transformar el nitrógeno en amoníaco
mediante la siguiente ecuación:
.··. N; +se-+8H++16ÁTP+l6H 2 0. ~
~ 2 NH 3 + H 2 + l6 ADP ~ 16 Pi + 16 H+
La fijación det ·nitrógeno
La mayorÍ?- de lQ~ organismos, incli.üdos los animales, . aprovechan el nitrógeno
en for~a de NH3 o NH~, procedente . de la actuaci.ó n de los organismos nitrificantes .o d~_ la eliminación de gruP.os amino fijados ya en estructuras orgánicas.
Las f~rmas de in~egración de dicho nitrógeno en los compuestos orgánicos son
princip.a!mente: . . · .
·. . . . . . .
_
.· .
:· \
• La formación de carbamoíl-fosfato; como' ya se ha visto, · catalizada por la
carbamoíl-P sintetasa. En animales hay dos formas de esta enzima:· una
CAPÍTULO 15. METABOLISMO D.E LOS COMPlJ_ESTQS NITROGENADOS
289
mitocondrial (I), que emplea amoníaco y sirve para el ciclo de la urea y la
síntesis de arginina, y otra citosólica (II) que utiliza glutamina y participa
en la síntesis de pirimidinas. La carbamoíl-P sintetasa cataliza las siguientes
reacciones:
NH4 + C0 2 + 2 ATP ----t Carbamoíl-P + 2 ADP + P;
glutamina + C0 2 + 2 ATP + H 2 0 ----t
Carbamoíl-P + 2 ADP + P; + glutamato
-----1
• La formación de glutamato, que ocurre a partir de dos posibles reacciones:
por la acción de la glutamato deshidrogenasa (GDH), que fija nitrógeno
procedente del NH4; o por la acción de la glutamato sintasa (GS), que
transfiere el grupo amino de la glutamina para dárselQ al a-cetoglutarato.
GDH:
GS:
a-cetoglutarato + NH4 + NAD(P)H + 2 H+ -'-------'
----t glutamato + H 2 0 + NAD(P)+
a-cetoglutarato + glutamina + NADPH + H+ ----t
----t 2 glutamato + NAD(P)+
• La formación de glutamina; este proceso lo realiza la glutamina sintetasa,
según la siguiente reacción:
glutamato + NH; + ATP ----t glutamina + ADP + P;
• La formación de asparagina; mediante la asparagina sintetasa, que cataliza
la fijación de nitrógeno al aspartato originando la correspondiente amida,
media la reacción:
O la mayoría de los organismos
aprovechan el nitrógeno en forma
de NH 3 o NH 4 •
aspartato + ATP + NH 3 ----t asparagina + ADP + PP;
\
1
1
Familias de aminoácidos
A lo largo del presente capítulo se ha descrito la biosíntesis de diversos aminoácidos como, por ejemplo, la arginina (a partir del ciclo de la urea), la asparagina
(por la asparagina sintetasa), la glutamina (por la glutamina sintetasa), la alanina
(ALT), el aspártico (AST) y el glutámico (glutamato deshidrogenada) . A continuación, a modo de resumen, se comentan las rutas de_síntesis de otros aminoácidos haciendo especial hincapié en sus precursor~s. Por ello es de gran utilidad
hablar de las familias de aminoácidos, que son aminoácidos agrupad_os según
compartan un origen o precursores comunes (Fig. 15-7).. Existen numerosas
patologías relacionadas con la síntesis y la degradación de -aminoácidos, algunas
de las más importantes se pueden observar en el recuadro 15-2.
Familia del glutamato (a-cetoglutarato). Esta familia de aminoácidos está estrechamente relacionada con el ciclo de Krebs, pues proceden de uno <;le sus intermediarios, el a-cetoglutarato, que sirve para la síntesis de glutamato (véase la
actuación de la glutamato deshidrogenada y de la GOT/AST y GPT/ALT, en el
apartado de transaminación y desaminación de aminoácidos). El gh1tamato resultante es precursor para la síntesis de otros aminoácidos como la ornitina, citrulina y arginina, gracias al ciclo de la urea. Pero también se utiliza para la síntesis de prolina (y a partir de éste, se origina su derivado hidroxilado, la hidroxiprolina) y de la glutamina a través de la glutamina sintetasa. La glutamina es, a
su vez, el punto de inicio para la síntesis de los aminoácidos histidina y triptófano, de los aminoazúcares, nucleótidos y glucoproteínas.
Familia del aspartato (oxalacetato). Esta familia está relacionada con el oxalacetato, también perteneciente al ciclo de Krebs, y que origina aspartato por
transaminación con el glutamato (AST/GOT). A partir del aspartato se sintetizan muchos otros aminoácidos, como la asparagina por acción de la asparagina
sintetasa, y la arginina a través del ciclo de la urea. El aspartato también es el
punto de inicio de la síntesis de la lisina, así como de aminoácidos que poseen
azufre, ya que se transforma en homoserina, que se utiliza para la síntesis de
metionina y treonina, además de originar homocisteína. La treoniiJ.a, a su vez,
genera isoleucina.
c:fExisten numerosas patologías
relacionadas con la síntesis y la degradación de aminoácidos.
290
,,
SECCIÓN 1)1. El METABOLISMO CELULAR ·
o
.
~
•
'
o
BIOSÍÑTESIS DE AMINOÁCIDOS
o
,._.'
'
'
-
a-cet.oglutarato· -
_,_- Glutamina
Glutamato Prolina
-......... .Arginina
Oxalacetato
.........-::::: Asparagina
, . :::::--- Lisina
FAMILIA DEL
Aspartlco :::::----- Metionina
ASPÁRTICO
-.......:::::: T
.
reonma -lsoleucina
-
·¡
FAMILIA DEL
GLUTAMATO
l
~
-
• ·Glicocola
- Cisteina
3-fosfoglicerato -serina
FAMILIA DE
LA SERINA
..
- - - - Alanina
Piruvato - - _
Leucina
Valina
FAMILIA DEL
PIRUVATO
ll
""""'=
Fotoenolpiruvaro + Eritrosa-4-P
Ribosa•S-fosfato -
- - - - Fenilalanina
-Tirosina
- - - - Triptófano
Histidina
Figura 15-7. Familias de aminoácidos y
precursores de Las mismas.
FAMILIA DE LOS
AROMÁTICOS
FAMILIA DE
LA HISTIDINA
1
li 1¡'
1
Recuadro 15-2. Enfermedades del metabolismo de aminoácidos
Existe un gran número de enfermedades relacionadas con el metabolismo de los aminoácidos, entre ellas cabe destacar:
• Homocistinuria: deficiencia en la cistationina sintasa o en la metionina sintasa, que induce aumento de homocisteina y metionina. Por la
falta de enlaces disulfuro entre las proteínas se producen alteraciones esqueléticas: osteoporosis, tórax en quilla, tórax excavado. También
origina tromboembolia, dislocación del cristalino y miopía. Cuando es severa conduce al retraso mental. Puede ser causa de aterogénesis y
complicar los depósitos de ateromas en las arterias.
• Fenilcetonuria: es un déficit hereditario de la fenilalanina hidroxilasa. La fenilalanina se acumula en concentraciones muy elevadas, por el
bloqueo de la conversión en tirosina, y sus productos de excreción (fenilacetato y ácido fenilpirúvico) dan un olor peculiar en la orina. Gran
parte de esa fenilalanina se metaboliza a través de rutas que normalmente son po.co utilizadas. Si no se detecta y, por tanto, no se trata, la
fenilcetonuria da lugar a un retraso mental prefundo; pero, si se detecta de forma precoz, se puede evitar este retraso mediante una alimentación con bajo contenido en fenilalanina y rica en tirosina, con objeto de permitir el desarrollo normal del sistema nervioso. Puede haber
pérdida de pigmentación por inhibición de la tirosinasa, lo que origina eczemas y lesiones cutáneas.
• Albinismo: es una alteración genética que ocasiona defecto en la producción del pigmento melanina o en su distribución. Normalmente
ocurre por déficit de tirosinasa, de tal manera que no se transforma la tirosina en melanina. La falta de melanina se puede presentar de dos
formas: ocular, con falta de pigmento en la retina; y oculocutánea, más severa. Afecta al cabello, a la piel y al iris, que aparece blanco o rosado. Los albinos presentan fotosensibilidad y alteraciones visuales.
• Enfermedad de Harnutp: alteración en el transporte de aminoácidos neutros. Sintomatología causada por la pérdida de triptófano: picores,
fotosensibilidad, pelagra, déficit del NAo• y formación de indicán, que tiñe las heces de azul ("síndrome del pañal azul"). Normalmente se
encuentran concentraciones muy elevadas de triptófano y alanina en la orina.
• Enfermedad del jarabe de arce: los pacientes excretan cetoácidos e hidroxiácidos ramificados, dando un característico olor dulzón a la
orina. Producen acidosis y cetoacidosis en neonatos y niños; en gran porcentaje acaban en retraso mental y muerte en pocos años de vida.
También produce problemas musculares. En algunos casos responden al tratamiento con tiamina en alta concentración.
..·
Familia de la serina (3-fosfoglicerato). El 3-fosfoglicerato es un intermediario
de la glucólisis que aporta el esqueleto carbonado para la síntesis de la serina,
que obtiene el grupo amino por transaminación con el glutamato. La serina origina la glicocola o glicina por efecto de la serina hidroximetiltransferasa, enzima
que requiere pirodoxal fosfato y tetrahidrofolato como cofactores. La serina y la
glicocola son precursores de diversos compuestos como la etap.olamina o la colina, grupo polar necesario para la síntesis de fosfoglicéridos . La serina también
intér"Viene' en la síntesis de cistdna para la cual se requieren dos enzimas, \¡a acetiltransferasa y la o-acetilserina sulfhidrolasa, que se encarga de introducir el
átomo ge azufre.
CAPÍTUL<;> 15. MET~~OLISMO · DE LOS COMP~ESTO~ NITROGENADO,S
·291
Familia del piruvato (afanina). Muchos aminoácidos pueden reaccionar con
el piruvato a través de distintas transaminasas originando alanina, pero, sobre
todo, se origina a través de la GPT/ALT. Además el piruvato es el precursor de
la valina y 1~ leucina, a través de un intermediario común que es el a-cetoisovalerato.
Familia de los aromáticos (fos{oenolpiruvato y eritrosa-4-P). Los aminoáci- :
dos aromáticos, fenilalanina, tirosina y triptófano, se forman a partir del fosfoenolpiruvato (intermediario de la glucólisis) y de la eritr"osa-4-fosfato (un intermediario de la ruta de las pentosas fosfato). Dicha ruta de síntesis conduce a
la formación de un compuesto intermediario, el corismato, ·del cual derivan los
tres aminoácidos aromáticos, si bien la síntesis de fenilalanina y a la tirosina todavía comparte otro compuesto común: el prefenato.
Familia de la histidina (ribosa-5-P). La biosíntesis de histidina es una ruta
compleja que se . caracteriza por estar formada por once pasos metabólicos no
ramificados, en la cual se parte de la ribosa-5-P (intermediario de la ruta de las
pentosas fosfato).
Función precursora de los aminoácidos
Los aminoácidos, además de tener un papel muy destacado como ·base para la
síntesis de proteínas, son precursores de varias biomoléculas muy importantes
(Fig. 15-8). Entre ellas destacan las síntesis de nucleótidos (que se estudiará al
final del capítulo) y la formación de neurotransmisores u hormonas. Algunos
aminoácidos como la serina colaboran en la síntesis de lípidos, por ejemplo, en
la formación de esfingosina, tal y como se describió en el capítulo de metabolismo de lípidos (véase Recuadro 14-3). A continuación se detallan _a lgunas de las
principales funciones precursoras de los aminoácidos.
O
los aminoácidos tienen un papel
muy importante como base para la
síntesis de proteínas, si bien tienen
otras muchas utilidades y funciones.
..
.
Síntesis de porfirinas (grupo hemo). La vía de síntesis de porfirinas y del grupo hemo parte de aminoácidos diferentes según se trate de animales o bacterias
y plantas. Las bacterias y las plantas utilizan el gfutamato para sintetizar sus
porfirinas. En el caso de los animales, la glicina es el punto de partida, y reacciona con succinil CoA mediando la correspondiente sintasa, para originar el
8-aminolevulinato (8-AIA). Para formar el anillo pirrólico se tienen que condensar dos moléculas de 8-ALA, y gracias a una eÚzima deshidratasa se forma el
porfibilinogeno. Cuatro porfobilinógenos reaccionan en una desaminación mediante la porfobilinógeno desaminasa dando un tetrapirrollineal, que se va ciclando para generar el uroporfirinógeno III. El uroporfirinógeno III se convierte en protoporfirina IX mediante sucesivas transformaciones: se producé la
modificación de las cadenas laterales del tetrapirrol para hasta dar origen a la
secuencia MVMVMPPM (M= metil, V= vinil, P = propionico) y, además,
SÍNTESIS
DE PORFIRINAS
~-
SÍNTESIS DE AMINAS
BIOLÓGICAMENTE ACTIVAS
(Neurotransmisores)
""
1
FUNCIÓN PRECURSORA
AMINOÁCIDOS
SÍNTESIS DE
HISTAMINA
/
SÍNTESIS DE CREATINA
Y CREATININA
HORMONAS
TIROIDEAS
/
SÍNTESIS DE
MELANINAS
r
SÍNTESIS DE
PROTEINAS
Figura 15-8. Papel precur~or de los aminoácidos.
292
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR
una deshidrogenasa produce conjugaciones de alternancia de dobles enlaces,
originando la ·modiflcación de los dobles enlaces de los anillos pirrólicos. Finalmente-, se origiqa el grupo hemo;por-unión .de un átomo de hierro, mediante la
ferr_oquelatasa. - . . .
- .
,
. _Las porfirin.as son coloreadas y absorben luz en el UV visible. Son estructuras comunes tanto a la síntesis de clorofila en las plantas, como a la síntesis
de la vitamina B 12 y de la hemoglobina en animales. Alteraciones en la sínt.esis del gn.~po hemo producen las patologías conocidas como porfirias (Recuadro 15.-3) .
Sí~tesis de creatina y ~reatinina . .La creatina es un nutriente esencial para los
músculos, form.a do a partir de glicina y arginina en el hígado.-Es la fuente directa e. inmedi<!-ta para regenerar ATP en las células musculares de los vertebrados y de algunos invertebrados, donde se almacena como reserva en forma de
fosfocreatina o creatina fosfato. Esta reserva.es necesaria para d~sarrollar energía
muscular rápida¡.nente, en. caso de demanda de ·. energía muscular anaeróbica
urgente.
La creatinina es un compuesto orgánico_ generado en la degradación de la
creatina. Es un producto de desecho del metabolismo normal de los músculos
que usualmente es producido en el cuerpo en una tasa muy constante (dependiendo de la masa 'de los músculos) y, normalmente, filtrado por los riñones y
excretado en la orina. La medición de la creatinina es la manera más simple de
monitorizar la correcta función de los riñones.
Derivados de aminoácidos. A partir de los aminoácidos se obtienen multitud
de pequeñas moléculas de gran importancia para el funcionamiento correcto de
los organismos:
• Derivados del triptófano: la serotonina, que regula el peristaltismo intestinal, actúa como vasoconstrictor, regula el SNC y ayuda a regular el sueño
y la vigilia; y la melatonina, que también regula el sueño y la vigilia.
• Derivados del glutámico: GABA o ácido y-aminobutírico, que interviene
en la transmisión del impulso nervioso, es el principal neurotransmisor inhibitorio cerebral.
• Derivados de la tirosina:
- Catecolaminas: como Dopa, dopamina, noradrehalina y ~drenalina,
implicadas en la transmisión del impulso nervioso.
-:- Melaninas rojas y negras.
-Hormonas tiroideas: triyodotironina (T3) y tiroxina (T4).
-• A partir de serina y glicina se forman compuestos muy activos metabólicamente,-, tales como bases nitrogenadas,- glutatión, esfingosina, y además,
grupos polares como la etanolamina, serina y colina, necesarios para la síntesis de los fosfoglicéridos de las membranas biológicas.
Por último, se destaca que muchos aminoácidos (entre ellos los aminoácidos
aromáticos) son origen de compuestos con gran interés medico o farmacéutico
como, por ejemplo, los alcaloides (morfina y opiáceos).
Recuadro 15-3. Enfermedades relacionadas con el grupo hemo
• Porfiria intermitente aguda: se produce por un déficit de uroporfirinógeno
que están afectados el hígado y el bazo.
1
sintasa. Causa dolores abdominales agudos e intermitentes ya
• Porfiria eritripoyética congénita: está afectada la cosintasa de uroporfirinógeno 111. Algunos de sus síntomas son: orina rojiza, piel fotosensible con pocas defensas contra los rayos UV, y anemia por la destrucción de los eritrocitos. Los pacientes necesitan, por tanto, someterse a
transfusiones continuamente.
• Ictericias: por acúmulo de bilirrubina, los glóbulos rojos están cargados de grupos hemo. El grupo hemo procedente de la hemoglobina de los
glóbulos rojos se degrada, y sufre la apertura de su anillo mediante hidrogenación, formando la biliverdina. Su reducción genera la bilirrubina,
que será transportada en sangre, junto con albúmina sérica, hasta el hígado. Cuando llega a este órgano, se conjuga con dos azúcares (UDPglucuronato) para dar lugar al diglucurónido de bilirrubina, que podrá ser excretado vía urinaria o vía fecal. Este compuesto sufre una serie de
transformaciones formando otros compuestos que dan el color característico a las heces y a la orina (urobilinogenos y coprobilinogenos).
Cuando hay un fallo hepático, la persona presenta un color amarillento debido a la excesiva presencia de bilirrubina en la piel y otros órganos,
como los globos oc~:~lares. Esto es frecuente en niños prematuros cuya función hepática es incompleta.
~APÍTULO 1S. METABOLISMO" DE LOS COMPUE~TOS_NITRQGEN_ADOS
0
293
EL METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS · ·
Los nucleótidos, tal y como se ha visto en ·el capítulo 6, ·son compuestos formados por un grupo fosfato, un azúcar y una base nitrogenada. Estos compuestos
son de gran importancia como sillares· para·la formaCión de los ácidos nucleicos,
moléculas imprescindibles· para el almacenamiento y transmisión de la informa- .
ción genética de un organismo. Pero los nucleótidos, además, desempeñan otros ·
muchos papeles vitales para las -células: como m·ensajeros secundarios {AMPc),
como transportadores de energía (ATP), como transportadores de ácidos grasos
(coenzima A) y como coenzimas (FAD).
En la formación de las-bases nitrogenadas que componen los nucleótidós intervienen de forma relevante distintos aminoácidos. En la figura 15-9 se ·muestra la procedencia de los átomos de carbono y nitrógeno que forman· parte de las
estructuras químicas de las bases púricas y pirimidínicas. Debido a la gran com~
plejidad de 'las rutas del metabolismo de los nucleótidos, este capítulo se limitará
a esbozar una serie de nociones claves para entender el metabolismo de estos
compuestos.
Tanto para la síntesis de los desoxirribonucleótidos como para -los ribonucleótidos existen dos vías complementarias de síntesis:
·
~n la formación de las bases nitrogenadas intervienen de forma relevante distintos aminoácidos.
• Rut~s de salvamento: constituyen la fuent~ fundamental dé ~~deótiqos en
organismos superiores. Están ligadas a las vías de degradación. d~ nucl~óti­
dos, de las que utilizan productos intermedios para la síntesis d~. nuevos
nucleótidos. Su importancia se debe a la gran cantidad de nucleótidos que
producen y al hecho de que se pueden reproducir artificialmente para el
diseño de fármacos antimicrobianos y aritibacterianos. . .
.
• Síntesis de novo: ruta que requiere la ribosa-5-P, que, junto c<;m . la reacción de las nuevas bases nitrogenadas proporcionará los diferentes ribonucleótidos. La reducción del carbono-2' de los ribonucleótidos dará como
resultados los desoxirribonucleótidos. Esta ruta es común desde las bacterias hasta los seres humanos.
O Existen dos mecanismos para
obtener nucleótidos: la síntesis de
novo y las rutas de salvamento.
La degradación de los nucleótidos
La mayoría de los alimentos contiene ácidos nucleicos que -se degradan en el
duodeno dando nucleótidos, por acción dé las nucleasas pan"creáticas y ·las fosfodiesterasas intestinales. Una gran variedad de enzimas.hidrolizan"los nucleótidos
a nucleósidos para que puedan ser absorbidos por la mucosa intestinal. Se degradan a bases nitrogenadas libres y ribosa, o ribosa-l : fosfato por la-acción de varias nudeosidasas y fosforilasas. Muy pocas de las·· bases ingeridas serán incorporadas a nucleótidos; la mayoría se degradan. a ácido úrico y se excretan a la orina.
El resto de purinas de la dieta son metabolizadas por la flora intestinal.
(a)
[ Glicocola
/
""- N0 c >-- e__.
1
,----,~
Formiato
]
11
N~ .
C-
e~ . . .-: e-....N;
N
,....·- - - - - - ,
[ Formiato
o -.
R-e~ .
,..
~'
..
' o-
O·
H-e~
'o-
(b)
Figura ··,s: 9. Pr~cedencia de los<carbonos
y 'nitrógenos-'de las bases nitrogenadas
pú"rica~ (a): y pi.rimidínica~ (b) ~qué formarán los nucleótidos. ·
--294
SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR
En cuanto. a la -~egradación .metab~lica, sobre los ácidos nucleicos actúan
endonucleasas y exonucleasas para generar nucléotidos.
Los nucleótidos de purina sufren una eliminación secuencial que produce
ácido úrko cómo producto final del catabólismo en humanos (Fig. 15~10). La
adenosina-5-rrionofosfaro (AMP) presenta dos vías distintas de degradación dependiendo del :tejido:
·
,. Ruta general, que ocurre en la· mayoría de tejidos: una nucleotidasa libera
el grÜpo ·fosfato y se· forma un riucleósido <;le adenosiria que sufrirá una
d ésaminación, mediante- la adenosina desaminasa, transformándose en
-- inosina . .
• En el tejido muscular, se realiza primero la desaminación, pasando a inos~na monofosfato (IMP), que sufrirá una desfosforilación para obtener
· inosina.
úric~
c:fEl ácido
es el compuesto
final de la· degradación de las bases
púricas en el hombre.
La inosina, punto de confluencia de ambas vías, perderá el azúcar fosfato (la
ribosa) pasando a ·hipoxantina (purina oxidada libre) que, tras una oxidación
originará xantina, y tras una segunda oxidación dará ácido úrico.
· La guanqsina monofosfato (GMP), mediante una serie de reacciones catalizadas por distintos enzimas, se desfosforila pasando a guanosina; ésta pierde el
azúcar, y -da guanina que se desamina originando xantina. La xantina es un punto común en la degradación del AMP y GMP y, como se ha descrito, se oxidará
formando ácido úrico. En muchos animales este ácido úrico es el compuesto final que se eliminará por vía urinaria, como ocurre en el hombre y en el resto de
primates. Sin embargo, en otros animales, el ácido úrico pasa a alantoína, posteriormente a alantoico y, finalmente, a urea e incluso a amoníaco. Cada uno de
estos compuestos es el producto final de degradación· en ciertos animales; como
en los peces teleósteos, que suelen eliminar alantoico; mientras que los peces
cartilaginosos eliminan urea al igual que los anfibios. El acido úrico es el causante de la gota (Recuadro 15-4).
La degradación de los nucleótidos de pirimidina es más sencilla: origina dihidrouracilo que, por una ·serie de reacciones, se transformará en . ~-alanina, producto que se emplea como precursor en la biosíntesis de la Coenzima A.
Excretado por.
Primates,
Aves,
Reptiles,
Insectos
NH 3
--/-;;1"------1 AMP 1
Nucleotidasa
H,o
p.
\...
v- H,O
Nucleotidasa
~P¡
1 Adenosina 1
Adenosina desaminasa
,} ,
1
F=
H,o
1
Guanina
desaminasa
Ribosa-1 -G
2 2
H
11
_O_\;::....-)::;...H-0
-·
}
Xantina
oxidasa
HC~ .,.....c-..N
N
H
Alopurinol
Hipoxantina
(forma enol)
1
Mayoría de
H,o
los mamlferos
~P;
Guanosina
P;
N.rc'c-c\\
1
v-
1
1
Peces
telósteos
F=
y
1 Guanina 1·
OH
1
1
Nucleósido
de purina
fosforilasa
~NH 3
lnosina
Nucleósido
de purina
fosforilasa
1
v-
GMP
1
Hipoxantina .l
.
1
cartilaginosos
Invertebrados
marinos
4NH¡
NH 3
"N~N).'
Xantina
Anfibios,
Peces
Urea
..~ 2C0 1
H,O
.
OÁNJ___
H
H.
1
~::~t~::o
o,
H,o,
\)
Xantina
oxidasa
1
Ácido úrico
o
Figura 15-10. Degradación de nucleótidos de purina.
1
\
CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
295.
Recuadro 15-4. Enfermedades asociadas a los nucleótidos
• Gota o artritis gotosa: La enfermedad de la gota está motivada por múltiples eausas, pero siempre es la consecuencia del acúmulo de ácido
úrico. Las concentraciones séricas normales de ácido úrico están en tor[lo a los 3-4 mg/dl. La concentración elevada en sangre de urato monosódico se conoce como hiperuri<:emia. La sobresaturación en los líquidos extracelulares produce depósitos de urato monosódico y cristales
de ácido úrico cuando se supera el límite teórico de solubilidad (alrededor de los 6,5 mg/dL). Estos depósitos constituyen el evento fisiopatológico de la gota, que causa artritis, tofos (agregación de cristales) y urolitiasis (cálculos renales).
La gota afecta predominantemente a hombres de mediana edad y está asociada a múltiples deficiencias aún no bien caracterizadas. Se ha relacionado con un exceso de purinas en la alimentación, pero también con un incremento de la síntesis de novo, con la afectación del aclaramiento renal del ácido úrico (también llamado excreción fraccionada de ácido úrico -Feur-, parámetro que, en condiciones normales, está
en torno a un 8%, mientras que los enfermos disminuye al 5%) e incluso con alteraciones genéticas que ocasionan el déficit de HPRT (hipoxantina fosforribosiltransferasa) o la hiperactividad de la PRPS (fosforribosilpirofosfato sintetasa). La gota se trata con alopurinol, un inhibidor
competitivo de la xantina oxidasa.
• Síndrome de Lesch-Nyhan: Se origina por un déficit completo de la hipoxantina fosforribosiltransferasa (HPRT). Es un trastorno hereditario
muy grave que afecta al gen de la HPRT, que produce una hiperuricemia aguda razón por la que los pacientes no suelen superar los 20 años
de edad. Provoca una degeneración neuronal y lleva a un retraso mental muy severo y conducta agresiva y autolesiva. También produce gota,
anemia macrocítica y problemas psicomotores. Hoy en día no tiene cura y su única solución podría proporcionarla, algún día, la terapia génica.
Los paeientes suelen mor-ir por una insuficiencia renal generada por urato sódico.
• Aciduria orótica: Se debe al déficit de la UMP sintasa (una enzima bifuncional: OPRT, ácido orótico fosforribosiltransferasa; y ODC, orotidina5'-monofosfato descarboxilasa). El fallo de la enzima lleva a la acumulación de ácido orótico, originando los siguientes síntomas: anemia megaloblástica, retraso del desarrollo y del crecimiento, malformaciones cardiacas, estrabismo bilateral y debilidad músculo esquelética. El cuadro clínico está relacionado con trastornos de CDP y UDP, neGesarios para la síntesis de lípidos, glucógeno y la utilización de galactosa.
Rutas de salvamento
Cuando un ácido nucleico se degrada por endonucleasas, ya sean ribonucleasas
o desoxirribonucleasas, se obtienen oligonucleótidos (fragmentos de pocos nucleótidos). Sobre estos oligonucleótidos actuarán las exonucleasas, que liberan
nucleótidos. Los nucleótidos libres sufren un proceso de hidrólisis por el que se
elimina el fosfato, quedando como nucleósidos sencillos.
Las ruta de salvamento o de rescate vuelven a añadir a estos nucleósidos un
grupo fosfato por efecto de la nucleósido-quinasa dependiente de ATP. Así, se
generan nuevos nucleótidos trifosfato que serán· utilizados -en la síntesis de ácidos nucleicos.
Como ya se ha estudiado, los nucleósidos pueden romperse en un azúcar
más una base nitrogenada mediante enzimas nucleósidos fosforilasas. Estas bases
nitrogenadas pueden transformarse en otros compuestos, como ácido úrico, o
ser utilizadas para volver a formar un nucleótido. La reacción que transforma el
mononucleótido en base nitrogenada está controlada por la enzima fosforribosil
transferasa y es una reacción reversible. Para el proceso de transformación de
base a nucleótido, se requiere la utilización del fosforribosilpirofosfato (PRPP),
un azúcar fundamental para las rutas de salvamento, que se ha sintetizado gracias a la fosforribosilpirofosfato sintetasa (Fig. 1 ~ -lla) a partir de ribosa-5'-fosfato y de ATP. El PRPP se encarga de regenerar los nucleótidos monofosfato, ya
que es esencial para la transferencia de la base al C-1 del azúcar, activando el
compuesto y liberando el PP; para así obtener energía. La enzima más habitual
es la hipoxantina fosforribosiltransferasa, que transfiere la hipoxantina o la guanina a la fosforribosa, originando la inosina-5'-monofosfato (IMP o ácido inosínico) o la guanosina-5'-monofosfato (GMP) (Fig. 15-llb) .
Síntesis de novo
La síntesis de nuevos nucleótidos de purina, que son el AMP y el GMP, consta
de dos partes:
• Una parte común donde, a partir del PRPP, se forma el ribonucleótido
intermediario IMP.
• Una parte ramificada, a partir de IMP, en la que se obtienen los nucleótidos de AMPo GMP, por pasos distintos.
En la parte común, el proceso se inicia en presencia del azúcar de cinco _carbonos, PRPP, y los aminoácidos glicina, glutamina y aspartato, necesarios para
construir el núcleo de purina. En la ruta hay distintos puntos en los que ocurren
sucesivas transaminaciones y transferencias de glicina. También se necesitan
O las rutas de salvamento permiten reciclar bases nitrogenadas que
iban a ser degradadas y sintetizar
nucleótidos.
f;.. _¡>
U
En la síntesis de novo de nucleótidos se requiere energía y diversos
aminoácidos.
-c:fEn la síntesis de los nucleótidos de purina se origina un primer
- nucleótido que es el IMP. del que
derivan los demás nucleótidos de
purina.
296
SECCIÓN 111. EL METABOLISMO' CELULAR
,.
-
"
"
s~. fosforribosilpirofosfato
sintetasa
-. -(a)·
. PRPP._.. ....Sinteta·
.
.
.... .
~
'
1· Ribosa-5-P + ATP
11 ·.
-o-r~o-~
o .
. •.
.
..
H ,
·H
·
H
HO
·oH
ATP
Hipoxantina
1
O
H
.H
H
--
.
HO
.
1
o
o
~_)
'"dx)
"Ó:)
o
PP,
PRPP
~
11
11
O-P-O-P-01
1
ooOH
lnosina monofosfato (IMP)
1
.
'.
..
-
.,
OH
·(b) HPRT, hipoxantina fosforribosiltransferasa
1
-o-r"oc'Ol' oo
AMP
'\_ ' _)
.
.
1
Fosforribosilpirofosfato (PRPP) + AMP
o
11
-
·-
\'•
l
··-.
1
o ·.
•
ld -
-o-Í-o
11
H
o-
o
H H
.
H H
OH
HO
..
Guanina
1
1
1
Guanina monofosfato (GMP)
1
CtN
o
o
Figura 15-11. (a) Mecanismo de actuación
de la fosforribosilpirofosfato sintetasa.
(b) mecanismo de actuación de la hipoxantina fosforribosiltransferasa.
PRPP
:6=>
H¡
PP,
\_ _)
H
O
.
'
)
-o-~-oid
o-
H H
H H
HO
OH
'
-·
·•
..
H~N
H
-
otros átomos de carbono que son aportados por el N 10-formil H 4 folato. En esta
compleja ruta, que consta de diez pasos, van interviniendo todos los compuestos
necesarios para la síntesis de purina, hasta llegar al último compuesto de esta
parte de la síntesis, el FAlCAR (N-formilamino-imidazol-4-carboxamida ribonucleótido) que, .ciclándose, forma el anillo de purina, dando el primer nucleótido de purina: el IMP (Fig. 15-12). Una diferencia importante con la síntesis
Azúcares-
Ribosa- -P
5
_t
Aminoacidos
Fosforibosilpirofosfato
fosforrlbosilpirofosfato
PRPP
sintetasa
a Gln, Gly, Aspl
2 Formtato
lnositato
IMP
co,
Oroto fosforribosi\transferasa
-
Acido Orótico
(base nitrogenada)
Aspartato (aa)
Figura · 15-12. ·siosíntesis · de inositato y
uridinilato.
· · ~
Gli.Jtamina (aa)
~1
~
Carbomon fosfato
Orodinilato
OMP
Oroto
descarboxitasa
co,
Uridinilato
UMP
\
CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUE_STOS NITROGENADOS
de pirimidinas es que, en las purinas, el anillo -de ·la base ni'trogenadá se ·forma
sobre el azúcar (ribosa-P) ya unido, originándose el nucleóti<~o directamente;
mientras que, en la síntesis de pirimidinas, se forma primero la base nitrogenada
y posteriormente se une al azúcar fosforilado dando el nucleótido. El punto de
regulación más importante es el primero de la ruta, catalizado por la PRPP amidotransferasa. Los nucleótidos finales (AMP y GMP), cuando· están -en elevadasconcentraciones, inhiben alostéricamente esta primera enzima de la vía.
Al sintetizarse el IMP, la ruta se bifurca para acabar en los dos nucleótidos·
derivados de purina típicos de los ácidos nucleicos, AMP y GMP, pasando respectivamente en cada caso por compuestos intermedios: adenilosuccinato y
xantilato. Una vez obtenidos el AMP y GMP se pueden sintetizar el resto de los
nucleótidos de purina, incluidos los desbxirriboriicleótidos, por acción de la ribonucleótido reductasa (Fig. 15-13).
La síntesis de los nuevos nucleótidos de pirimidina difiere de la síntesis de
los nucleótidos de purinas en que lo que se sintetiza primero es la base nitrogenada conocida como ácido erótico u orotato, a partir de aspartato y carbamoíl-P.
El carbamoíl-P se sintetiza habitualmente en mamíferos por la acción de lacarbamoíl-P sintetasa 11 citosólica, a partir de C0 2 y el grupo amino de la glutamina. Una vez formado el ácido erótico, éste se une al fosforribosilpirofosfato para
sintetizar un primer nucleótido: la orotidina-5' -monofosfato o orotidilato
(OMP) , el cual, por descarboxilación, forma el primero de los nucleótidos de
pirimidina: la uridina-5'-monofosfato (UMP) (véase Fig. 15-12) . La acumulación de ácido erótico produce la aciduria erótica (véase Recuadro 15-4).
A partir del UMP, y mediante enzimas específicas, se obtienen los demás
nucleótidos como la citosina-5' -monofosfato (CMP), y los desoxirribonucleótidos como, por ejemplo, la desoxitimidina-5'-monofosfato (TMP) (Fig. 15-14).
297
O En la síntesis de los nucleótidos
de pirimidina se forma primero una
base nitrogenada (el ácido erótico)
que originara un nucleótido, el OMP,
del que derivan los demás nucleótidos de pirimidina.
---~----
Biosíntesis de desoxirribonucleótidos
En cualquier célula se encuentran entre 5 y 1O veces más cantidad de RNA que
de DNA, ya que los nucleótidos que componen el primero son las bases para la
síntesis del segundo, que se forman a partir de los .nucleótidos difosfato, es decir, ADP, GDP (de purina), CDP y UDP (de pirimidina) (véanse Figs. 15-13
y 15-14) .
A partir de ellos, y mediante la NDP reductasa (rNDP; enzima común para
todos los nucleótidos), se transforma la ~-ribofuranosa de los ribonucleótidos en
~-desoxirribofuranosa de los desoxirribonucleótidos, con pérdida de un hidroxilo (-OH). Esta enzima necesita para su actuación la colaboración de una pequeña proteína, conocida como tiorredoxina, que actúa como transportador de
O los desoxirribonucleótidos se
forman habitualmente a partir de los
nucleótidos difosfato mediante la
actuación de la NDP reductasa.
Fumarato
1
Adenilosuccinato
\,_
•1
AMP
Adenilosuccinasa
1
Quinasa
IADP I
~
Quinasa
Aspartlto
·
GTP
Ribo; ucleótido
reductasa
j
Adenilosuccinato
sintasa
1 dADP
\
\
~~hidrogenasa
Glutamina
l'x_a_n-to-s-in_a_s-m
__o_n_of_o_sfa_to'l
~~
Quonasa
1 dATP 1
Glutamato
\J.¡
GMP
sintetasa
GMP
1
Quinasa
~
Quinasa
@D
¡~~
1
dGDP
~~ ~
Qwnasa
dGTP
·
1
Figura 15-13. Biosíntesis ~e los nucleótidos de purina.
· - ·
298
SECCIÓN 111. El METABOLISMO. CELULAR ·,
UMP. I .
1
1
QUinasa
~
Ribonucleótido
~
reductag
~UDPasa
~
~
~
iTP
Glutamato
i
desammasa
~
·
1k1 dTMP ~~ 1dTIP
/
sintaQ
1
Quinag
/
1 dCMP 1
~DPag
CTPag
~
Metil
(Tetrahidrofolato)
1 dUMP
Desoxicitidilato
CTP sintetasa
.
~
P,
1
ldUDPI
~Qui~ag
Glutamina
dUTP
~nag
(§_l
-l .
Ribonucleótido
reductasa
1 dCDP 1
~;·~~
Figura 15-14. Biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina.
1
dCTP
1
hidrógenos procedentes del NADPH + H+. Posteriormente, reciben un fosfato y
se transforman en dNTP. Solo h ay una excepción : los desoxirribonucleótidos de
timina, q ue se originan a partir del dU MP, dando dT MP.
CONCEPTOS CLAVE
El metabolismo de los compuestos nitrogenados abarca todas las rutas en que están implicados compuestos como
las proteínas, aminoácidos, nucleótidos, porfir-inas, neurotransmisores, hormonas, fosfocreatina y muchos más.
o
La digestión de las proteínas comienza en el estómago, continúa de forma importante a nivel intestinal y finaliza
dentro del enterocito.
o El recambio proteico hace referencia a la degradación intracelular de las proteínas, destacando los mecan ismos de
proteólisis lisosómica y del proteosoma.
·
o
El proceso de degradación de los aminoácidos implica dos fases: la eliminación del nitrógeno y la eliminación del
esqueleto carbonado.
o
Las transaminasas o aminotransferasas son enzimas muy importantes en la degradación y también en la síntesis de
aminoácidos.
o
La mayoría de los aminoácidos son desaminados por transaminación , formándose siempre glutamato. La glutamato
deshidrogenasa es la enzima responsable de la desaminación del glutamato.
o
Los seres ureotélicos, como el hombre, eliminan el nitrógeno de los aminoácidos en forma de urea en la orina. El
amoníaco es especialmente tóxico para el cerebro.
o
La molécula de urea presenta dos átomos de nitrógeno, y se forma por un mecanismo cíclico denominado ciclo de
la urea, que solo se da íntegramente en el tejido hepático.
o
Una vez eliminado el grupo am ino, el sigu iente paso en la degradación de los aminoácidos es hidrolizar el resto del
esqueleto ca rbonado. Los aminoácidos se pueden clasificar en glucogénicos y cetogénicos atendiendo al producto
final de la degradación de su esqueleto carbonado.
o
o
Existen numerosas patologías relacionadas con la síntesis y la degradación de aminoácidos.
En la formación de las bases nitrogenadas intervienen de forma relevante disti ntos aminoácidos.
o El ácido úrico es el compuesto final de la degradación de las bases pú ri cas en el hombre.
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CAPÍTULO 15. METABOLISMO. DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
0
299
EJERCICIOS
Realice el balance total del ciclo de la urea.
SOLUCIÓN .
Según se tenga o no en cuenta la reacción de la carbamoíl fosfato sintetasa 1:
NH; + CO, + 3 ATP + Asp + 2 H20 ----. Urea+ 2 ADP + 2 P; + AMP + PP; + Fumarat<;¡
2 NH; + C0 2 + 3 ATP + 3 H,O ----. Urea+ 2 ADP + A MP + 4 P;
1m Rellene las cuestiones:
S)
1)
Las proteínas pueden ser marcadas para su degradación
por unión covalente de - - - ' - - - - - -·
2)
La mayoría de los aminoácidos son desaminados por una
reacción de _ _ _ _ __
3)
El fumarato formado en el ciclo de la urea se tranforma
en malato y después en _ _ _ _ _, para su incorporación a la gluconeogénesis.
4)
Los aa cetogénicos son degradados hasta acetoacetato o
0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
lliJ ¿Cuál de las siguientes enzimas no degradan proteínas en el in-
IIIJ Si su dieta es rica en alanina pero deficiente en aspartato ¿presentará signos de deficiencia en aspartato ?
1m Si
su dieta es rica en tirosina pero deficiente en fenilalanina
¿presentará signos de deficiencia en fenilalan ina? ¿y si fuera al
revés?
11:11 ¿Cuál de los siguientes
mecanismos sirve para el transporté de
nitrógeno por la sangre?:
a) Ciclo de Cori.
b) Ciclo de la glucosa-alanina.
e) Ciclo de la urea.
d) Ciclo citrato-piruvato.
testino?:
a) Tripsina.
b) Elastasa.
e) Pepsina.
d) Quimiotripsina.
1m) La fijación
de nitrógeno inorgánico puede llevarse a cabo por':
a) Glutamato sintasa.
b) Glutamato deshidrogenada.
e) Aspartato sintetasa.
d) Glutamina deshidrogenasa.
IIIJ El oxalacetato es el precursor de los siguientes aminoácidos:
a)
b)
e)
d)
Aspártico y serina.
Aspártico y lisina.
Asparagina y histidina.
Fenilalanina y triptofano.
1m Los aminoácidos son precursores de:
a)
b)
e)
d)
Proteínas.
Hormonas.
Neurotransmisores.
Todas son verdaderas.
IJil1 El ciclo de la urea se da:
a)
b)
e)
d)
En
En
En
En
todo s los tej idos.
el intestino, riñón e hígado.
los hepatocitos.
el riñón .
Los neurotransmisores DOPA, dopamina, adrenalina, y noradrenalina son sintetizados a partir de la _ _ _ __
I]¡IJ ¿Cuál
de los siguientes compuestos es el principal producto de
degradación de las bases púricas en los primates y en el ser humano?:
a) Acido orótico.
b) Urea.
e) Acido úrico.
d) Amonio.
mlJ ¿De dónde proceden los carbonos de las bases pirimidínicas?:
a)
b)
e)
d)
~
Glicocola, form iato y co, CHCO)).
Aspartato y co, (HCOj').
Glicocola, aspartato, formiato y co, (HCOj').
Glicocola, aspartato, glutamina, formiato y co, (HCO)).
ll1iJI ¿De dónde proceden los nitrógenos de las bases púricas?:
Glicocola y form iato.
b) Aspartato y glicocola.
e) Glicocola, aspartato, formiato.
d) Glicocola, aspartato y glutamina.
a)
DII!]
La síntesis de l
a) dNTPs.
b) dNDP ~ .
e) NTPs.
d) NDPs.
DNÁ'~se realiza
a partir de:
QRN~~~~~
DliLIQTiCA FUNDACCIIU5
\
\
.1
/
\
GENES Y GENOMAS
o
CONTENIDOS
o
o
o
OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE
La información genética
o
La estructura de los
cromosomas eucariotas
o Analizar los diferentes tipos de secuencias presentes en el DNA euca-
Conocer y comprender la complejidad de los genomas procariotas,
eucariotas y virales.
riota.
o
o
Conocer la estructura de los cromosomas.
o
Valorar la importancia de la relación entre el estado de empaquetamiento de los cromosomas y la fase del ciclo celular.
Comprender los diferentes estados del empaquetamiento cromosómico.
,
Este es el primer capítulo de la sección IV y última del libro.
Esta sección centra en el flujo de la información genética. Una
vei estudiadas las biomoléculas que forman parte de los seres
vivos, sus funciones celulares y su papel en el metabolismo,
esta sección se ocupa del estudio de los genes y genomas, y
de cómo se expresa y regula la información genética contenida en éstos.
En este capítulo se analizan los genomas de los distintos tipos
de organismos, tanto procariotas como eucariotas y virales.
Una vez conocida su complejidad, el texto ocupa del estudio
del DNA eucariota, analizando su estructura y niveles de empaquetamiento en la célula. El conodmiento de estos aspectos
permite comprender mejor la replicación y reparación del DNA
(Capítulo 17), así como la expresión y regulación génica (Capítulo 18).
La correcta expresión de la información genética contenida en
los seres vivos hace posible el adecuado desarrollo de todas las
funciones celulares, y el mantenimiento de la vida.
304
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
0
LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Genes y genomas
O Un gen es un segmento de DNA
que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o
de un RNA.
O El material genético de las células eucariotas está distribuido en
cromosomas. Cada uno de ellos
está formado por una única molécula de DNA.
Un gen es un segmento de DNA que codifica la secuencia primaria de un producto -final, sea una proteína o un RNA, con función estructural o catalítica. El
DNA contiene también otros segmentos o secuencias con función puramente
reguladora. Las secuencias reguladoras actúan como señales que permiten identificar el principio y el final de los genes, influir en su transcripción o funcionar
como puntos de inicio de la replicación o la recombinación.
El material genético de un organismo constituye su genoma. Se trata de un
conJunto único y completo de información genética. Prácticamente todas las
células de un organismo multicelular contienen el mismo material genético. La
figura 16-1 muestra la organización general de los genomas de eucariotas, procariotas y virus.
En las células eucariotas, el material genético está distribuido en unidades
denominadas cromosomas. El conjunto de cromosomas presentes en organismos de la misma especie posee un número cromosómico y una· apariencia característicos. Cada uno de los cromosomas de una célula eucariota contiene una
única molécula de DNA muy larga. Además, cada cromosoma eucariótico contiene un conjunto característico de genes.
Muchos animales y plantas son diploides, es decir, contienen dos juegos
completos de cromosomas, agrupados por parejas. El número de cromosomas
del conjunto genómico básico se denomina número haploide (se designa
como n).
La naturaleza de los cromosomas varía en procariotas y eucariotas. En procariotas, casi siempre el cromosoma contiene únicamente una copia de cada
gen, y los genes y sus secuencias reguladoras ocupan gran parte del DNA. El
cromosoma de E. coli, uno de los genomas procariotas completamente secuen-
CÉLULA EUCARIOTA
Hongos
Animales
Cromosoma
mitocondrial
Protistas
Plantas
Cromosoma
cloroplástico
/
Cromatina
\
~
DNA
.ivvuvvvuvvvU\.
DNA
DNA
.ivuuvuvvvuuVl
·· ..
JUvvvvuvuvvU\
CÉLULA PROCARIOTA
Bacterias
Cromosoma
bacteriano
Figura 16-1. Comparación estructural de
los genomas de eucariotas, procariotas y
virus. Los genomas de eucariotas, procariotas y virus presentan diferencias. Los cromosomas de los procariotas son circulares,
mientras que los de los virus y los de los
eucariotas son lineales. Las mitocondrias y
los cloroplastos contienen cromosomas circulares.
Virus
Plásmido
@
DNA
··..
.íVuuvuvuuvuU\
/
DNA
Nuvvuvuvuvu\.
. DNA··.
-~
.·'
ciados, es una molécula de DNA circl!lar de alrededor de. 4,6 millones de pares
de bases, que codifican unos 4.300 genes de proteínas y unos 115 genes estables
de RNA.
En los eucariotas, el genorna humano, de unos 3.20.0 millones .de pares .de
bases, contiene entre 30,000 y 35.000 gel!es repartidos en 23 cr~mosomas. diferentes.
Las células procariotas y eucariotas poseen una cantidad de .DNA por célula
considerablemente diferent~, y_esta cantidad se denomina valor C .de un organismo (Tabla 16-1). Por lo general las células eucariotas c_o!J-tienen _más DNA.
que las procariotas, pero la variabilidad de los valores · entre diferentes organismos eucariotas es enorme. Las células humanas contienen una can.t idad . de
DNA más de 10 veces mayor que la hallada ~n las células de Drosophila1 mi~n­
tras que las células de la salamandra poseen una cantidad de DNA 20 veces
mayor que la cantidad presente en las células humanas. Estas diferencias no pueden explicarse únicamente a través de la diversidad en. la complejidad de los organismos. No se conoce para qué sirv:e todo er DNA excedent_e que aparece en
las células eucariotas, si bien está claro que las secueqci¡1s de DNA de estas células presentan una complejidad que no se observa en el DNA de las células procariaras.
CAPÍTULO: 16. :GENES y · GE'NOMAS
305
c:fEl genoma de un organismo se
compone de un conjunto de cromosomas con un número y tamaño característicos.
~al~r ~
~antidad
O El
es la
de DNA
presente en el genoma de un organismo.
Tabla 16-1. Tamaño de los genomas de distintos organismos
Organismo
k (bacteriófago)
Escherichia coli (bacteria)
Saccharomyces cerevisiae (levadura)
Tamaño aproximado del genoma
(pares de bases, pb)
50.000
4.640.000
12.000.000
Arabidopsis thaliana (vegetal)
125.000.000
Drosophila melanogaster (insecto)
170.000.000
Horno sapiens (ser humano)
3.200.000.000
Zea mays (maíz)
4.500.000.000
Amphiuma (salamandra)
765.000.000.000
La organización de los genes en el DNA eucariótico es mucho más compleja
que en el caso de los procariotas. La mayor parte de los genes eucarióticos tienen
una estructura característica: sus secuencias de nucleótidos contienen uno o más
segmentos intercalados de DNA que no codifican la secuencia de aminoácidos
del producto polipeptídico. Estas inserciones interrumpen la relación colineal
entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos del polipéptido. Esros segmentos de DNA no traducido se denominan· secuencias intercaladas o intrones, y los segmentos codifipntes de denominan exones (véase
capítulo 18).
En los eucariotas superiores, los genes tienen en general más secuencias eri
los intrones que en los exones. La función de los intrones no está clara en la
mayoría de los casos. En total, solo el 1,5% del DNA humano es "codificante" o exónico, es decir, con información para productos proteicos o RNA. Si
se consideran los intrones, los genes representan hasta el 30% del genoma
humano.
c:flos genes eucariotas contienen
secuencias no codificantes (intrones)
y secuencias cod ificantes (exones).
l.
,;!•
Los genomas y su variabilidad
Genomas procariotas
La mayor parte de lps genomas procariotas están compuestos por una sola mo- ·
lécula de DNA circular, aunque en algunas especies se han hallado moléculas
de DNA lineales. En los cromosomas bacterianos circulares-el DNA no se presenta-en forma de círculo abierto y relajado, porque los 3 a 4 millones de pares
·'-
306
SECCIÓN IV. El' FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Figura 16-2. Representación de una célula
procariota típica. En el interior se aprecia
una acu.mulación de material genético bien
definida: el nucleoide. Con cortesía de Editorial Hélice ..
cJ
~romos·o~a
Un
bacteriano típico .
está constituido por una molécula
de DNA circular formada por una
serie de bucles enrollados, y se encuentra en una zona definida del
citoplasma, denominada nucleoide.
c JLos genes de las bacterias suelen
encontrarse agrupados en operones,
que son grupos de genes relacionados desde un punto de vista funcional, y sus secuencias reguladoras.
c JLos plásmidos son pequeñas
moléculas de DNA extracromosómico que aportan funciones no esenciales a las bacterias.
de bases presentes en un genorha bacteriano típico serían demasiado grandes
para caber en una célula procariota. El DNA ·bacteriano no está unido a proteínas histonas como en el caso del DNA eucariota. Pero sí que forma complejos con gran cantidad de proteínas no histonas, que ayudan a mantener su estado compacto.
Cuando se observa una célula procariota con el microscopio electrónico, su
DNA suele aparecer como una acumulación bien definida, denominada nucleoide, que ocupa una región específica del citoplasma, y que puede representar
gran parte del volumen celular (Fig. 16-2). El DNA del cromosoma bacteriano
está superenrollado negativamente y plegado en una extensa serie de bucles, que
por término medio tienen una longitud de 20.000 pb. Debido a que los dos
extremos de cada bucle están anclados a los componentes estructurales que se
encuentran en el nucleoide, el supereiuollamiento de los bucles individuales se
puede alterar sin influir en el superenrollamiento de bucles adyacentes.
Se piensa que los bucles se mantienen en su sitio por el RNA y las moléculas
proteicas. Cuando se trata el DNA con ribonucleasa2 una enzima que degrada el
RNA, se liberan alguno de los bucles, aunque no se relaja el superenrollamiento.
El DNA superenrollado que forma cada bucle se organiza en paquetes de cuentas que contienen pequeñas moléculas proteicas básicas análogas a las histonas
de las células eucariotas.
El cromosoma bacteriano es una estructura relativamente dinámica, lo que
refleja la necesidad de un acceso más rápido a la información genética que contiene. El ciclo celular es mucho más corto que el de las células eucarióticas. Además, una fracción mucho mayor del DNA procariótico codifica proteínas o
RNA, y las elevadas tasas del metabolismo celular de las bacterias indican que,
en un determinado momento, se está transcribiendo o replicando una mayor
proporción de DNA que en la mayor[a de las células eucarióticas.
Muchos genes que se encuentran adyacentes en el genoma de procariotas se
expresan como una unidad y están funcionalmente relacionados. Constituyen lo
que se conoce como operón. Los más conocidos y estudiados son el operón de
la lactosa y el del triptófano. La bacteria Escherichia coli puede utilizan la lactosa
como úriica fuente de carbono gracias a la enzima 13-galactosidasa, que hidroliza
la lactosa a galactosa y glucosa. Junt6 con la 13-galactosidasa se sintetizan en la
bacteria la enzima galactósido permeasa (necesaria para ti:ansportar la lactosa a
través de la membrana bacteriana) y la tiogalactósido transacetilasa. En ausencia
de lactosa, un represor evita la transcripción de estos tres genes, mientras que,
en presencia de un inductor, el sistema se desreprime y los genes de estas tres
enzimas se transcriben y traducen para que la célula pueda emplear la lactosa del
medio. En la figura 16-3 se muestra un esquema con el proceso de degradación
de la lactosa, y la figura 16-4 presenta un modelo simplificado del operón lac.
Además de su cromosoma, una célula bacteriana puede contener uno o más
plásmidos. Los plásmidos son pequeñas moléculas de DNA circular que portan
genes necesarios tanto para su propia replicación, como para una o más ' funciones celulares (normalmente funciones no esenciales). La mayoría de los plásmidos están superenrollados, dándoles una forma compacta, condensada. Aunque
los plásmidos se replican de forma autónoma, la replicación está sincronizada
con la del cromosoma bacteriano, de forma que se produce un número de plásmidos más o menos comparable de una generación a la siguiente. En las células
de E. coli, se reconocen tres clases de plásmidos. Los factores F están implicados
en los procesos de conjugación. Los factores R portan genes que confieren a las
bacterias resistencia a fármacos. Por último, los factores col permiten a las bacterias secretar colicinas, compuestos que matan a otras bacterias a las que les
falta el factor col.
Genomas virales
La naturaleza del material genético de los virus es extraordinariamente flexible.
Presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos: DNA monocatenario,
DNA bicatenario, RNA monocatenario y RNA bicatenario. Los cuatro tipos se
encuentran en los virus de animales. Los virus de plantas suelen tener genorhas
de RNA monocatenario. Los virus bacterianos suelen contener DNA bicatenario, aunque también pueden tener DNA monocatenario o RNA monocatenario.
CAPÍTULO. 16: GENES Y GENOMAS
307
1
Lactosa extracelular
b.rb.
Permeasa
Membrana celular ·
~-Galactosidasa
Figura 16-3. Entrada a La célula y degradación de La Lactosa en E. coli. La permea-
Galactosa ·
Glucosa
~-Galactosidasa
sa transporta la lactosa al interior de la céll:lla. donde la enzima ~-galactosidasa la degrada a galactosa y glucosa . Esta enzima
también convierte lactosa en el compuesto
relacionado alolactosa, degradándola también a galactosa y glucosa.
El tamaño del material genético viral varía mucho. Los genomas más pequeños (los de los virus MS2 y Qf3) tienen alrededor de 1 X 10 6 Da, longitud suficiente para codificar tres o cuatro proteínas. Algunos virus incluso ahorran espacio utilizando genes solapados. En el otro extremo, los bacteriófagos T-par, el
8
virus herpético y el virus vaccinia tienen geno mas desde 1 a 1,6 X 10 Da y pueden ser capaces de codificar más de 100 proteínas.
Los virus DNA muy pequeños, como el bacteriófago M13 o· los parvovirus,
poseen genomas de DNA monocatenario (ssDNA, del inglés s~ngle-stranded
DNA). Algunos de estos virus tienen fragmentos lineales de DNA, mientras que
otros presentan un único círculo cerrado.
La mayoría de los virus DNA utilizan DNA bicatenario (dsDNA, del inglés
double-stranded DNA) como material genético. El dsDNA 'lineal, con diferentes
p
o
z
y
A
- - --'---" DNA
-
mRNA
l
Represión de la transcripción
1
/
.,
0---------//
Represor activo
o
z
A
-~·
-~---~--­
........ ~-~---
_ _ __o
-~
L ~~
y
Represor inactivo
t
.!
~
•
~-gal
Inductor
~-
••
~
mRNA
Proteínas ·
~
Permeasa Transacetilasa
DNA
Figura 16-4. Modelo simplificado del operón lac. Los tres genes Z, Y y A se expresan
coordinadamente bajo el control negativo
del producto del gen /, el represor. Cuando
el inductor se une al represor, se expresa al
máximo nivel.
1
308
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
O El material genético viral puede
ser DNA monocaten ario, DNA bicatenario, RNA monocatenario (de polaridad positiva o negativa) o RNA
bicatenario.
conformaciones, se encuentra en numerosos virus; otros tienen dsDNA circular.
El fago lambda tiene dsDNA lineal con extremos cohesivos, que permiten que
se circularice cuando las bases se complementan.
Además de los nucleótidos.normales que se encuentran en el DNA, muchos
v:irus DNA contienen bases no habituales. Por ejemplo, los fagos T-par de E.
coli tienen 5-hidroximetilcitosina en lugar de citosina. ·
La mayoría de los virus RNA utilizan RNA monocatenario (ssRNA) como
material genético. La secuencia de- bases de RNA puede ser idéntica a la del
mRNA viral, en cuyo caso la cadena de RNA recibe el nombre de cadena positiva, (por convenio, todo mRNA es de polaridad positiva). No obstante, también puede ocurrir que el genoma de RNA viral sea complementario al mRNA
viral, en cuyo caso se denomina cadena negativa. Los virus de la polio y del mosaico del tabaco son virus RNA de cadena positiva; los virus de la rabia, el sarampión y la gripe son virus RNA de cadena negativa. Muchos de estos genomas de RNA son genomas segmentados, es decir, están divididos en partes separadas. Algunos genomas de virus pueden estar compuestos de hasta 10 a 12
segmentos. En la figura 16-5 se m uestran las estructuras de distintos virus con
diferente material genético.
U nos pocos virus tienen geno mas de RNA bicatenario (dsRNA). Todos parecen estar segmentados; algunos, como los reovirus, tienen de 10 a 12 segmentos . Se sabe que estos virus dsRNA infectan plantas, hongos e incluso una especie bacteriana.
Los genomas ·víricos pequeños có:O.tienen, en general, pocos genes codificantes. Estos genes codifican proteínas estructurales de la envoltura viral y proteínas
implicadas en la replicación viral; además, pueden codificar proteínas que interfieren con la estructura y función de la célula huésped. Los retrovirus codifican,
además, una enzima, la transcriptasa inversa, que copia el RNA del genoma viral a DNA; que así puede insertarse en el genoma de la célula huésped.
dsDNA
~ ·~
z<
o
Asfarviridae
(peste porcina)
dsDNA (RT)
o
Hepadnaviridae
(hepatiti s B)
ssDNA
*
Poxviridae
(viruela)
Adenoviridae
(enf. resp iratorias)
®
~
Herpesviridae
(varicela, herpes)
ssRNA (RT)
~
Figura 16-5. Estructuras y tamaños relativos de algunos virus. Los virus se han agrupado en función de su ácido nucleico: DNA
de cadena doble, DNA de· cadena sencilla,
RNA de cade.na doble, o RNA de cadena
sencilla. Con cortesía de Editorial Hélice.
Reoviridae
(diarrea)
1-----i
100 nm
Parvoviridae
(eritem a infeccioso)
Papillomaviridae
(papilomas)
dsRNA
<
z~
@
~
~
....,11\\'-
Orthomyxoviridae
(gripe)
Coronaviridae
(S~RS)
Paramyxoviridae
(sa rampión, paperas)
• -
Togaviridae
(rubeola)
Flaviviridae
(hepatitis C)
Retroviridae
(SIDA)
ssRNA (+)
@
Picornavirid~e
(hepatitis A)'
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
309
Viroides y priones
Los viroides son pequeñas moléculas circularc;s de RNA de cadena sencilla_no
codificante, de un tamaño entre 300 y 400 nucleótidos, que presenta apareamientos intracatenarios para estabilizarse. Son patógenos, no presentan cápside,
y se replican dependiendo enteramente de la maquinaria de la célula huésped.
Estas moléculas tienen capacidad para infectar-plantas como la patata, el pepino, el tomate o el crisantemo cuando las paredes de las células_implicadas están
dañadas.
Los priones, por otro lado, son partículas infecciosas de naturaleza proteica
asociadas a enfermedades como las encefalopatías espongiformes transmisibles
que en el hombre causan, entre otras, la enfermedad de Creutzfeldt-Jako~ o
el Kuru, y en animales, la enfermedad conocida como de las vacas locas, o el
scrapie de las ovejas. Como características, los priones tienen un largo período
de incubación, no provocan respuesta inmunológica por parte del huésped y, en
todos los casos, producen enfermedades fatales. El único componente del prión
es la proteína PrP, que deriva de una proteína normal que está codificada por
un gen que se encuentra en muchos eucariotas, entre ellos los seres humanos. La
PrP normal (PrPc) está plegada en forma de hélice, pero la proteína también
puede plegarse en forma de una hoja j3 aplanada, que causa la enfermedad
(PrPsc). Cuando la PrPsc está presente, interactúa con la PrPc y provoca su plegamiento hacia la forma de la proteína que causa la enfermedad; así, la infección
convierte la proteína normal de un individuo en la proteína anormal que forma
priones (Fig. 16-6). La acumulación de PrPsc en.el cerebro parece ser la causante
de la degeneración neurológica asociada con las enfermedades provocadas por
los priones.
Genomas eucariotas
El DNA eucariota presenta diferentes tipos de secuencias ·
Como ya se ha comentado en el primer apartado de este capítulo, cada uno de
los cromosomas eucarióticos contienen una enorme cantidad de DNA, formando una sola molécula muy larga.
'
El DNA de las células eucariotas contiene diversos tipos de secuencias ausentes en el DNA de las células procariotas. Está compuesto por al menos tres tipos
de secuencias: secuenciás de DNA únicas, DNA moderadamente repetitivo y
DNA altamente repetitivo. Las secuencias de DNA Únicas están compuestas
por grupos de nucleótidos que solo se repiten una vez o, como máximo, unas
pocas veces en el genoma. Este DNA incluye secuencias que codifican proteínas
(genes) y una gran cantidad de DNA cuya función se desconoce. Estos genes
representan entre el 25 y el 50% del total de genes que codifican proteínas en la
mayoría de los organismos eucariotas pluricelulares. En las secuencias de DNA
únicas existen otros genes en forma de copias muy similares, aunque no idénticas, que surgieron de la duplicación de un gen preexistente, y se denominan familias génicas. La mayoría de estas familias solo cuenta con unos pocos genes
miembros, pero algunas, como por ejemplo las que codifican las inmunoglobulinas en los vertebrados, contienen cientos de miembros.
Hay otras secuencias que se presentan muchas veces y se denominan DNA
repetitivo. El DNA moderadamente repetitivo típico está compuesto por secuencias de entre 150 y 300 pb, repetidas varios miles de veces. Algunas de estas
secuencias cumplen funciones importantes en las células; por ejemplo, los genes
que codifican los rRNA y los tRNA forman parte de este tipo de DNA. El
DNA moderadamente repetitivo puede caracterizarse por dos tipos de repeticiones: las secuencias repetidas en tándem aparecen- una después de otra y tienden
a agruparse en unos pocos sitios del cromosoma; las secuencias repetidas y dispersas están diseminadas por todo el genoma.
Otra clase importante de DNA repetitivo es el DNA altamente repetitivo.
Con frecuencia estas secuencias tienen menos de 1O pb, están repetidas de cientos de miles a millones de veces en tándem y se encuentran agrupadas en regiones específicas del cromosoma, sobre todo en los ·centrómeros y en los telómeros.
A menudo el DNA altamente repetitivo se denomina DNA satélite y debe su
nombre a que los porcentajes de las cuatro bases -son diferentes de-los observados
c !Los viroides y los priones son
partículas infecciosas que no- contienen DNA en su composición.
Gen PrP
~
DNA
~~====:s~
Prión anormal
proteína (PrPsc)
Prión normal
proteína (PrPc)
\
~
~
B.
\.
@
~~
Figura 16-6. Proceso de replicación de los
priones y desarrollo de la enfermedad. En
el huésped, un gen produce una copia celular normal de la proteína priónica (PrPc) que
se pliega de forma helicoidaL En presencia
de una proteína priónica anormal (PrP 5' ), la
PrPc se pliega de forma anómala, convirtién~dose en PrP 5' . Así se desencadena una casca'ila de conversión de PrPc en PrP 5' , ocasionando que la proteína celular se pliegue de
manera errónea.
la~ célul~s
C::fEl DNA de
eucariotas
se clasifica en: ·secuencias de DNA
únicas, DNA moderadamente repetí- .
tivo y DNA altamente repetitivo.
310
SECCIÓÑ IV. EL FLUJO DE LA iNFORMACIÓN G_!:NÉTICA
en otras secuencias de DNA, lo que hace que migre como bandas "satélite", separadas del resto del DNA, cuand9 se centrifugan muestras de DNA celular
fragmentadó en gradientes de densiaad de cloruro de cesio. Este DNA rara vez se
transcribe a }\NA. La mayor parte no tiene una función conocida, aunque parece
que puede tener importancia funcional en el ·m etabolismo celular humano.
RNA interferentes pequeños y rrlicro RNA
c:flos siRNA y miRNA participan
en el mecanismo de interferencia
por RNA, proceso que silencia la expresión de ciertos genes, tanto celulares como virales.
Estudios realizados a finales del siglo pasado con el nematodo Caenorhabditis
elegans condujeron al descubrimiento de una clase de RNA muy pequeños y
abundantes denominados RNA interferentes pequeños (siRNA) y microRNA
(miRNA), según su origen. En la actualidad se sabe que los siRNA y los miRNA
existen en los eucariotas y son responsables del "apagado" de la expresión genética, mediante un proceso llamado interferencia por RNA. Los RNA interferentes
pequeños y los micro RNA han sido involucrados además en diversos procesos.
La interferencia por RNA (RNAi) es un mecanismo preciso por el cual las
células eucariotas limitan la invasión de genes extraños (virus y transposones) y
silencian la expresión de los genes propios.
Los ·R NA interferentes pequeños y los micro RNA comparten varias características, aunque también muestran diferencias. Ambos tienen una longitud típica entre 21 y 22 nucleótidos, si bien los siRNA surgen del corte de moléculas de
RNA, transposones de RNA y virus de RNA, mientras que los miRNA habitualmente se escinden de moléculas de RNA transcritas de secuencias que son
diferentes de las de otros genes.
Los siRNA y los micro RNA participan en una variedad de procesos, entre
ellos la degradación del mRNA, la inhibición de la traducción, la metilación del
DNA y el remodelamiento de la cromatina (véase capítulo 18).
Elementos transponibles y variabilidad genética
c:flos elementos transponibles son
secuencias de DNA móviles que con
frecuencia producen mutaciones.
Elemento transponible ·
Figura 16-7. Características generales de
los elementos transponibles. Lá mayoría
de los elementos transponibles _generan repeticiones ·directas flanqueantes a cada lado
del punto de inserCión en el DNA. Además,
muchos poseen también repeticiones terminales invertidas.
· ·
Los elemento"s transponibles son secuencias de DNA móviles que aparecen en
los genomas de todos los organismos. En muchos genomas son bastante abundantes: por ejemplo, representan al menos el 50% del DNA humano. La mayoría de los elementos transponibles pueden insertarse en muchos sitios diferentes,
a través de mecanismos distintos de los asociados con la recombinación homóloga de los cromosomas. Con frecuencia estos elementos producen mutaciones,
ya sea por medio de la inserción en otro gen o de su ruptura o de la inducción
de reórdenamientos en la secuencia de DNA (deleciones, duplicaciones e inversiones) (véase capítulo 17).
Existen muchos tipos diferentes de elementos transponibles: algunos tienen
estructuras simples y solo cuentan con las secuencias necesarias para su propia
transposición (movimiento), mientras que otros poseen estructuras complejas y
codifican diversas funciones que no se relacionan con la transposición de manera directa.
Las repeticiones directas flanqueantes cortas, que miden entre 3 y 12 pb,
pueden hallarse a ambos lados de la mayoría de los elementos transponibles.
Estas secuencias no forman parte del -elemento transponible y no se mueven con
él. En cambio, se producen durante el proceso de transposición en el sitio en el
que se inserta el elemento. Las sec,u encias de estas repeticiones son variables,
pero su longitud es constante para cada tipo de elemento transponible.
En los extremos de muchos elementos transponibles hay repeticiones terminales invertidas, que son secuencias que miden entre 9 y 40 pb de longitud y se
complementan entre sí en forma invertida. Por ejemplo, las siguientes secuencias son repeticiones invertidas:
5'-ACAGTTCAG ... CTGAACTGT-3'
3'-TGTCAAGTC. .. GACTTGACA-5'
Las enzimas que catalizan la transposición reconocen las repeticiones terminales invertidas y estas secuencias son necesarias para que se produzca la \ ransposición. Eh la figura 16-7 se resumen las características generales de los elemelitos tralisponibles.
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
DNA mitocondrial
Aunque la mayor parte del DNA en cashodos los eucariotas se encueñti:-a. eñ el
núcleo, las mitocondrias de animales, plantas ·y hongos, y los cloroplastos de las
plantas, contienen DNA. Estos orginulos son los principales sitios de formación
de ATP durante la fosforilación oxidativa en la rtiitocondria y la fotosíntesis ·en
los cloroplastos. Parece claro que ambos orgánulos evolucionaron de bacterias
que fueron endocitadas en células ancestrales que contenían un núcleo eucariota, formando endosimbiontes. A lo largo del desarrollo evolutivo, la mayoría de
los genes bacterianos fueron transferidos al núcleo. ~in embargo, la mitocondria
y los cloroplastos en los eucariotas actuales conservan DNA que codifica pro~~­
nas esenciales para el funcionamiento del orgánulo, así como los RNA ribosómicos y de transferencia que se requieren para su traducción.
El DNA mitocondrial (mtDNA) se encuentra en la matriz mitocondrial.
Cada mitocondria contiene múltiples moléculas de mtDNA. En la mayoría de
los organismos, el mtDNA se replica durante la interfase. En la mitosis, cada
célula hija recibe aproximadamente el mismo número de mitocondrias, aunque
el reparto no es exacto. Por lo tanto, la cantidad total de mtDNA en una célula
depende del número de mitocondrias, el tamaño del mtDNA y el número de
moléculas de mtDNA por mitocondria. Estos parámetros varían mucho entre
diferentes tipos de células.
.
Las mitocondrias presentan herencia citoplasmática, por lo que deben contener su propio sistema genético. En los mamíferos y en la mayoría de los organismos multicelulares, el espermatozoide contribuye con poco citoplasma al cigoto,
y casi todas las mitocondrias del embrión derivan de las del óvulo. Los estudios
en ratones han demostrado que el 99,99% del mtDNA se hereda de la madre.
En las plantas superiores, el mtDNA se hereda exclusivamente de manera uniparental a través del progenitor femenino (huevo), no del masculino (polen).
El clonaje y secuenciación del genoma mitocondrial completo de numerosos
organismos diferentes ha permitido descubrir que los mtDNA codifican rRNA,
tRNA y proteínas mitocondriales esenciales. Todas las proteínas codificadas por
el mtDNA son sintetizadas por los ribosomas mitocondriales. La mayoría de las
proteínas localizadas en las mitocondrias, como las RNA y DNA polimerasas, son
sintetizadas por los orgánulos citosólicos y transportadas al interior del orgánulo.
El tamaño del mtDNA, el número y la naturaleza de las proteínas que codifica, e incluso el código genético mitocondrial, presentan notables variaciones
en los distintos organismos. El mtDNA humano es una molécula circular con
16.569 pb. Codifica los dos rRNA encontrados en los ribosomas mitocondriales
y los 22 tRNA utilizados para traducir los mRNA mitocondriales. En la figura
16-8 se muestra una representación del genoma mitocondrial humano. A diferencia del DNA nuclear, el mtDNA de los mamíferos carece de intrones y contiene secuencias cortas no codificantes.
El mtDNA de la mayoría de los animales multicelulares es aproximadamente
del mismo tamaño que el mtDNA humano y codifica productos genéticos similares. En contraste con los otros eucariotas, que ·contienen un tipo simple de
mtDNA, las plantas contienen varios tipos. Los mtDNA de las plantas son mucho más largos y variables en tamaño.
_
Las mutaciones en el mtDNA pueden ocasionar enfermedades, cuya severidad depende de la naturaleza de la mutación y de la proporción de mtDNA
mutante. Aunque todas las células tienen . mitocondrias, las mutaciones del
mtDNA solo afectan a algunos tejidos, especialmente aquellos que tienen altos
requerimientos del ATP producido por fosforilación oxidativa y los tejidos que
requieren la mayoría o todo el mtDNA de la célula para sintetizar cantidades
suficientes de proteínas mitocondriales funcionales. En el recuadro 16_-1 se presentan ejemplos de enfermedades asociadas a mutaciones en el mtDNA.
0
LA ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS EUCARIOTAS
Se denomina "cromosoma" a la molécula de -ácido nucleico que actúa cgmo depositaria de la información genética en una célula eucariota y pr:ocariota, l.ln-vi-
311
d las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron de bacterias que
formaron una relación simbiótica
con células ancestrales que contenían núcleos eucariotas. La mayoría
de los genes que originalmente estaban dentro de estos orgánulos se
desplazaron hasta el genoma nuclear, dejando diferentes conjuntos
de genes en los DNA mitocondriales
de distintos organismos.
c:foebido a que la mayoría del
mtDNA se hereda de los óvulos más
que del espermatozoide, las mutaciones en el mtDNA exhiben un patrón de herencia citoplasmática
materno.
O los mtDNA codifican rRNA,
tRNA y algunas de las proteínas involucradas en el transporte de electrones mitocondrial.
O Algunas mutaciones en los genomas mitocondriales pueden producir enfermedades.
125 rRNA
Cadena H
-
tRNA
-
Proteínas
-
rRNA,·
Figura- 16-8. Genoma mitocondrial huma_no. El círculo _externo representa_la cadena
pesada (H) y el círculo interno la cadena ligera (L). Los orígenes de .replicación de las
cadenas H y. L son .ori H y ,ori L,_ respectiva.mente. Los genes NO son -los . que codifican
las subunidades de la NADH deshidrogenasa.
312
SECCIÓN IV. EL FLUJO- DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Recuadro 16-1. Mutaciones en el genoma mitocondrial
Una característica exclusiva de la herencia mitocondrial es la variación entre células individuales, y entre un organismo y otro, en los efectos de
una mutación en el mtDNA. Una célula contiene cientos de mitocondrias, cada una con su propia copia del genoma. Si en una hembra se produce una lesión en el genoma mitocondrial de una célula germinal, el oocito resultante contendrá una mitocondria con un gen mutante. Durante la maduración del oocito, a medida que esta célula germinal y sus descendientes se dividen, la mitocondria defectuosa se replica y su progenie, todas ellas defectuosas, se distribuyen al azar en las células hijas. Cuando se fertiliza una célula huevo y experimenta divisiones mitóticas
durante el desarrollo embrionario, las células somáticas contienen mitocondrias mutantes en diversa proporción. Esta heteroplasmia (en contraposición con la homoplasmia, en la que cada genoma mitocondrial es el mismo en todas las células) da lugar a fenotipos mutantes con diversos grados de gravedad (véase figura) . las células y tejidos que contienen principalmente mitocondrias sin el gen mutado son "normales".
Otras tendrán fenotipos intermedios, algunas casi normales, otras anormales (con una elevada proporción de mitocondrias mutantes). Si el fenotipo está asociado con una enfermedad, los individuos con la misma mutación del mtDNA pueden tener síntomas de gravedad diferente , según el número y distribución de las mitocondrias afectadas.
Mitocondrias
.
Se divide
el contenido
Mitocondrias
de tipo salvaje
1\
Heteroplasmia en los genomas mitocondriales. Cuando se fertiliza un óvulo
maduro, todas las mitocondrias de la célula diploide resultante son de origen materno. Si parte de las mitocondrias maternas tienen un gen mutante, la distribución
al azar de las mitocondrias durante las divisiones celulares posteriores producen
células hijas con diferente número de mitocondrias mutantes; es decir, con diversos grados de heteroplasmia.
las células se duplican
y se dividen
1\
Principalmente
mutan te
Heteroplasmia
~.ill
Existe un grupo de enfermedades genéticas, conocidas como encefalomiopatías mitocondriales, que afectan principalmente al cerebro y al
músculo esquelético. Estas enfermedades se heredan de la madre, ya que, como se ha comentado en el presente capítulo, todas las mitocondrias del embrión en desarrollo provienen de la célula germinal femenina. La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) afecta al sistema nervioso central, incluido el nervio óptico, causando su degeneración, acompañada por ceguera progresiva. Está causada por una mutación
sin sentido del mtDNA que codifica la subunidad 4 de la NADH-CoQ reductasa.
la enfermedad de la epilepsia mioclónica y de la fibra roja rota (MERRF) está producida por una mutación en el gen mitocondrial que
codifica un tRNA específico para lisina. Esta enfermedad, que se caracteriza por sacudidas muscu lares incontrolables, es el resultado de la producción defectuosa de varias de las proteínas sintetizadas utilizando tRNA mitocondriales.
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
313
rus o un orgánulo. También se refiere a los cuerpos densamente coloreados que
pueden observarse con el microscopio óptico en los núcleos de las células eucae
rióticas teñidas con colorantes.
Los nudeosomas son las unidades básicas de la cromatina
Un núcleo eucariota contiene múltipies moléculas de DNA. Los núcleos tienen generalmente de 3 a 25 ¡..tm de diámetro. Este pequeño volumen debe dar
cabida a moléculas de DNA genómico enormemente largas (el DNA de una
dotación haploide de una célula humana nüde alrededor de un inetro). Las
moléculas de DNA están organizadas en cromosomas. Los cromosomas contienen DNA y proteínas. El complejo de DNA cromosómico y proteína se denomina cromatina. La parte proteica está constituida fundamentalmente por las
histonas. En todas las células eucarióticas hay cinco tipos (Hl, H2A, H2B,
H3 y H4).
Las histonas son proteínas pequeñas con una gran proporción de aminoácidos cargados positivamente (lisina y arginina). Estas cargas positivas ayudan a
las histonas a unirse al esqueleto de azúcar-fosfato del DNA cargado negativamente, independientemente de su secuencia de nucleótidos. La masa total de las
histonas en la cromatina iguala a la del DNA. Las histonas que forman parte de
la cromatina son de las proteínas eucariotas más conservadas, lo que refleja el
papel estructural crítico que desempeñan en la formación de la cromatina.
La fibra de cromatina contiene también muchas proteínas no histonas, algunas de las cuales tienen funciones biológicas en la transcripción y en la replicación del DNA, y papeles estructurales en el armazón del cromosoma. Entre
ellas, las proteínas de ensamblaje del cromosoma aparecen cuando se trata la
cromatina con una solución salina concentrada que elimina las histonas y lamayor parte de las otras proteínas cromosómicas y deja un "esqueleto" cromosómico proteico al que se une el DNA. Estas proteínas de ensamblaje pueden ayudar
a plegar y empaquetar el cromosoma.
Existen otros tipos de proteínas cromosómicas no histonas que cumplen funciones en procesos genéticos y forman parte de la maquinaria replicativa (DNA
polimerasas, helicasas, primasas) (véase capítulo 17).
La cromatina tiene una estructura muy compleja, con varios niveles de organización. El nivel más simple es la estructura de doble hélice del DNA comentada en el capítulo 6. En un nivel más complejo, la molécula de DNA se asocia
con las proteínas comentadas anteriormente y se pliega para producir un cromosoma.
Cuando se aísla la cromatina del núcleo de una célula y se la observa con un
microscopio electrónico, suele tener el aspecto de un "collar de cuentas" (Fig.
16-9). Si se coloca una pequeña cantidad de nucleasa (enzima que degrada ácidos nucleicos) en esta estructura, la enzima digiere la "cuerda" entre las "cuentas" y deja cuentas individuales de unos 200 pb de DNA. Esto demuestra que la
cromatina no es una asociación aleatoria de proteínas y DNA, sino que tiene
una estructura básica repetitiva.
El núcleo de proteínas y DNA repetitivo que se obtuvo tras la digestión de la
cromatina con nucleasas representa el nivel más simple de estructura cromatínica, es decir, el nucleosoma (Fig. 16-9).
Cada nucleosoma consta de un fragmento de DNA de alrededor de 200 pb
y un octámero de dos unidades de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y
H4. Las histonas forman una estructura central con 146 pb del DNA enrollados
en dos vueltas alrededor formando una hélice levógira. La forma que adopta es
bastante similar a.la de un hilo que forma un ovillo alrededor de un carrete.
Cada histona de la partíct.tla central del nucleosoma posee una "cola" flexible
que contiene entre 11 y 37 aminoácidos y se extiende fuera del nucleosoma. Los
aminoácidos con carga positiva presentes en las colas de las histonas interactúan
con las cargas negativas· de los fosfatos del DNA y las colas de un nucleosoma
pueden relacionarse con los nucleosomas vecinos.
El quinto tipo de histona, Hl, no forma parte de la partícula central pero
desempeña un papel importante en la estructura del nucleosoma. La H-1 se une
al DNA en los sitios en los que éste entra y sale del núcleo proteico central, cerrando dos vueltas completas de DNA alrededor del octámero de histonas.
O la cromatina, que está compuesta por complejos de DNA y proteínas, es el material que forma los
cromosomas en los organismos eucariotas.
3·14
SECCIÓN IV. EL: FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Octámero de histonas
nm
\ __ .-... ..
(
-- '
Núcleo de histonas
de un nucleosoma
........
Figura 16-9. Esquema de la estructura de
cuenta de collar de la cromatina, a partir
de una micrografía electrónica. Se muestra
el nucleosoma formado por el octámero de
histonas y el DNA espaciador. La histona Hl
se une al DNA. El octámero de histonas está
representado por la esfera central verde.
O El nucleosoma constituye la unidad estructural de la cromatina. Está
compuesto por una partícula central
formada por ocho histonas y DNA.
Las "cuentas de collar" forman la cromatina
Los nucleosomas están conectados entre sí por un DNA de unión o espaciador, que en la mayoría de las células posee entre 40 y 50 pb. Las proteínas cromosómicas no histonas pueden asociarse con este unión y algunas también
parecen adherirse a la partícula central de forma directa.
El núcleo eucariótico presenta diferentes estadios
según el ciclo celular
El ciclo celular incluye las actividades celulares de crecimiento y división. Es el
período que va desde el principio de una división hasta el inicio de la siguiente
(Fig. 16-10). El período requerido para completar un ciclo celular es el tiempo
de generación. La célula pasa la mayor parte de su vida en interfase (etapa entre
dos divisiones). En este período está muy activa, sintetiza y crece. Las etapas de
la interfase celular son las siguientes:
• Fase G 1 : período de intensa actividad metabólica y bioquímica. La célula
crece.
• Fase S: período de duplicación del DNA durante la interfase. El DNA se
replica y produce copias para las dos células hijas.
• Fase G 2 : últimos preparativos para la división celular. Los cromosomas ya
duplicados, dispersos como filamentos de cromatina, empiezan a enrollarse
y condensarse. La célula duplica aproximadamente .su tamaño. _
O El ciclo celular incluye la interfase y la fase de división celular. La interfase comprende los estadías G1,
S, y G2 •
Tras la fase G 2 vendría la fase M (mitosis). En esta fase, la envoltura nuclear
se rompe, los cromosomas se mueven hacia los polos opuestos de la célula, y
cada conjunto de cromosomas hijos se rodea por una envoltura nuclear recién
formada. Se divide en cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. La citocinesis divide la célula por la mitad, produciendo dos células hijas. Los cromosomas se condensan considerablemente durante la profase de la mitosis, y adquieren la forma definida de los pares de cromátidas hermanas característicos de
cada especie.
.
Después del paso por la mitosis y la entrada en GI> la célula continúa
otra .división o cesa de dividirse, entrando en una fase de latencia o fase G 0 .
Esta fase puede durar horas, días o toda la vida de la célula. Cuando una célula en G 0 empieza a dividirse de nuevo, comienza el ciclo de división por la
fase· G 1 •
Durante el ciclo celular la estructura de los cromosomas cambia mucho. En
un cromosoma interfásico la cromatina no se encuentra en el mismo estado de
empaquetamiento a lo largo de todo el cromosoma. Algunas regiones se descondensan y se extienden más que otras, y es posible que en alguna zona del crb mosoma interfásico se puedan encontrar todos los niveles de empaquetamiento
posibles. En general, las regiones del cromosoma. que se están transcribiendo a
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
31S
¡
Punto de control
del ensamblaje del huso
Citocinesis
Punto de
control G,IM
Fase M
División nuclear
y celular
Interfase
Crecimiento celular
Figura 16-10. El ciclo celular. El ciclo celular consiste en la interfase (período de crec imiento celular) y la fase M (período de división celular).
RNA se encuentran más extendidas, mientras que las que están paradas transcripcionalmente están más condensadas. Por lo tanto, la estructura detallada de
un cromosoma interfásico difiere de un tipo celular a otro dependiendo de los
genes que se están expresando.
los cromosomas en interfase están organizados dentro del núcleo
Los cromosomas de las células en interfase, a pesar de ser mucho más largos y
finos que los cromosomas mitóticos, están bien organizados dentro del núcleo. El núcleo se halla delimitado por una envoltura nuclear' formada por dos
membranas concéntricas. La envoltura nuclear está sostenida por dos redes de
filamentos proteicos: una, denominada la lámina nuclear, forma una capa
delgada subyacente que sostiene a la membrana nuclear interna; mientras que
la otra, con una organización menos regular, rodea a la membrana nuclear
externa. Las dos membranas están atravesadas a intervalos por los poros nucleares, que transportan en forma activa ciertas moléculas hacia el citoplasma
y desde éste.
El interior del núcleo no es una mezcla al azar de muchos componentes de
DNA, RNA y proteínas. Cada cromosoma en interfase probablemente ocupa
una región particular del núcleo, de modo que diferentes cromosomas no se llegan a enredar entre sí. Se piensa que esta organización se alcanza al menos ·en
parte mediante la adherencia de partes de los cromosomas a sitios de la envoltura nuclear o de la lámina nuclear.
Un ejemplo claro de la organización de los cromosomas en el núcleo en interfase es el nucleolo, la estructura más destacada cuando se observa esta fase
con el microscopio óptico. Es una región donde las partes de los diferentes cromosomas que contienen genes para el RNA ribosómico están agrupados entre
sí. Aquí, los RNA ribosómicos se sintetizan y combinan con proteínas para formar ribosomas, la maquinaria celular que sintetiza proteínas.
La forma más condensada de la cromatina interfásica se denomina heteracromatina (del griego heteros, que significa "diferente", y cromatina). Habitualmente la heterocromatina supone aproximadamente el ·l Oo/o de la cromatina interfásica, y en general se encuentra concentrada en torno al centrómero y en los
extremos de los cromosomas. Es inactiva transcripcionalmente.
El ejemplo más sorprendente de heterocromatina se encuentra en los cromosomas X interfásicos de las hembras de los mamíferos. Las células de las
hembras tienen dos cromosomas X, mientras que .las de los machos contienen
c:rEl nucleolo es la reg1on del núcleo interfásico donde se sintetizan
f~los ribosomas.
i libiQTi(;;A FUNDADORES
316
SECCIÓN IV. El FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
c JLa heterocromatina permanece
muy condensada durante todo el ciclo celular, mientras que la eucromatina se encuentra en diversos estados
más extendidos, y es la parte de la
cromatina que se transcribe de forma activa.
un X y un Y. L~s hembras de mamífero inactivan permanentemente uno de
los dos cromosomas X de cada célula, posiblemente por las consecuencias fatales de la dosis doble de los productos de este cromosoma. En una etapa inicial
del desarrollo embrionario, uno de los dos cromosomas X de cada célula se
condensa fuertemente en heterocromatina. A partir de ese momento se hereda, en toda la progenie de la célula, el estado condensado e inactivo del cromosoma X.
Al resto de la cromatina interfásica, que se encuentra en diversos estados
más extendidos, se le denomina eucromatina (del griego eu, que significa
"verdadero" o "normal", y cromatina). En una célula eucariota diferenciada
típica, alrededor del 10% de su cromatina se encuentra en un estado en el
cual se está transcribiendo activamente o es fácilmente accesible para la transcripción; se conoce como cromatina activa y es la forma menos condensada
de la cro~atina del cromosoma interfásico. Parece ser que se encuentra, al
menos una parte de ella, en la forma de la fibra de 30 nm, que se comenta a
continuación.
Diferentes estados de empaquetamiento cromosómico
c JLos nucleosomas se pliegan
para formar una fibra de cromatina
de 30 nm que está formada por una
serie de bucles que se empaquetan
y enrollan para producir una cromátida de 700 nm de espesor.
In vivo, la fibra de cromatina aparece como una cadena lineal de nucleosomas
densamente empaquetados que forman un filamento de 10 a 11 nm de diámetro. Esta es la estructura de "collar de cuentas", ya comentada en este capítulo.
La formación de los nucleosomas convierte a la molécula de DNA en una hebra
de cromatinas de aproximadamente un tercio de su longitud original y constituye el primer nivel de empaquetamiento del DNA.
Esta cadena de nucleosomas está acomodada en estructuras de orden sucesivamente mayor, lo que reduce la longitud total del complejo y permite que sea
empaquetado en el núcleo. El siguiente nivel de plegamiento es la fibra de
30 nm, que parece formarse mediante un enrollamiento continuo de la fibra de
10 a 11 nm, dando lugar a un "solenoide" con 6 a 7 nucleosomas por vuelta. El
empaquetamiento de los nucleosomas en la fibra de 30 nm depende de la histona H1, que lleva a los nucleosomas a unirse formando una estructura regular
repetí tiva (Fig. 16-11).
La fibra de cromatina de 30 nm puede compactarse aún más. El solenoide se
acomoda en bucles de hasta 250 a 400 nm de largo. Estos bucles parecen estar
anclados a un sistema de proteínas fibrosas llamado lámina nuclear. Los bucles
de este tamaño contendrían cerca de 315 nucleosomas, con seis nucleosomas
por vuelta de solenoide. Las células humanas tendrían cerca de 50.000 bucles
por núcleo.
Los cromosomas mitóticos son la forma más condensada de la cromatina, y
se encuentran en la metafase. Hay una importante reorganización de las fibras
de 25 a 30 nm durante la profase, para formar la estructura altamente condensada del cromosoma. Es el resultado de un superenrollamiento de la cromatina.
Los bucles de cromatina parecen formar estructuras torcidas, en las que 18 bucles forman un ordenamiento radial, alrededor de la parte central del cromosoma, para producir lo que se ha llamado una minibanda. La formación continua
de minibandas produce un apilamiento de éstas que constituye la cromatina
metafásica. El enrollamiento denso de las fibras produce la cromátida de un
cromosoma, que tiene alrededor de 700 nm de espesor.
En el momento de la mitosis, las células ya han replicado su DNA. En consecuencia, los cromosomas que se vuelven visibles durante la mitosis son estructuras duplicadas. Cada cromosoma en mitosis consiste en dos cromátidas hermanas, que están adheridas al centrómero (Fig. 16-12). El número, los tamaños
y las formas de los cromosomas metafísicos constituyen el cariotipo, que es distintivo para cada especie. En la mayoría de los organismos, todas las células tienen el mismo cariotipo.
_
El denso empaquetamiento de la cromatina propio de la mitosis tiene una
gran importancia para la transcripción de los genes contenidos en el DNA: a
medida que lps cromosomas se van compactando, cesa la síntesis del RNA,
en parte porque el DNA está tan densamente empaquetado que la RNA' polimerasa y las otras proteínas necesarias para la transcripción no pueden acceder a él.
~'~"""'
CAP.ÍTUlO 16. GENES Y GENOMAS
( a)
2 nm
Doble hélice
de DNA
[
....
l
---
]2 nm
H4
( b)
11 nm
l
Nucleosoma
H2A
l
( e)
30 nm
l
Solenoide.
Fibra de
30 nm
~·"
l
(d
300 nm
l
Proceso de
condensación
en mitosis
1
1
1
(e
700 nm
1
!
:
1
H1
1
:
317
l
l
( f)
1400 nm
[
J
700 nm
Cromosoma
completo en
metafase
Figura 16-11 . Niveles de organización de
la cromatina. (a) En el nivel más simple, la
cromatina es una estructura helicoida! formada por DNA de doble cadena. (b) El DNA
forma complejos con las histonas, dando !ugar a los nucleosomas. Cada nucleosoma
~~stá formado por ocho histonas alrededor
'Jle las cuales se enrolla el DNA. La histona
H1 cierra el bucle formado por el DNA airededor del octámero. (e) El nucleosoma se
pliega y forma el solenoide, con 6 ó 7 nucleosomas por vuelta, para formar una fibra
de 30 nm; (d) que forma bucles con una
longitud promedio de 300 nm. (e) El enrollamiento denso de las fibras de 300 nm constituye la cromátida de un cromosoma con un
espesor de 700 nm. (f) El cromosoma metafásico está constituido por dos cromátidas.
Con cortesía de Editorial Hélice.
318
SECCIÓN IV. El FlUJO DE lA INFORMACIÓN GENÉTICA
O Las bandas de .los cromosomas
se revelan mediante técnicas especiales de tinción.
telómeros
centró meros
Patrones de bandas de los cromosomas mitót icos
Ciertos colorantes tiñen selectivamente -algunas regiones de los cromosomas en
metafase más intensamente que .otras, y producen patrones característicos específicos de cromosomas individuales .. Estos patrones de bandas ayudan a distinguir cromosomas de tamaño y forma similares.
Las bandas G se producen cuando se somete brevemente a los cromosomas
metafísicos a calor suave o a proteólisis y luego se los tiñe con el reactivo de
Giemsa. Las bandas G corresponden a grandes regiones del genoma humano
que tienen un contenido muy bajo de G + C. El tratamiento de los cromosomas
con una solución alcalina caliente antes de la tinción con el reactivo de Giemsa
produce bandas R en un patrón aproximadamente inverso del patrón de bandas
G, ya que tienen un alto contenido en G +C. La tinción de los cromosomas
con mostaza de quinacrina y la observación mediante luz UV revela las bandas
Q. Otras técnicas revelan la presencia de bandas C, que son zonas de DNA ocupadas por heterocromatina centromérica.
telomeros
Elementos funcionales de los cromosomas
cromátidas
Figura 16-12. Aspecto de un cromosoma
metafásico típico. Cada cromosoma está
formado por dos cromátidas, constituida
cada una de ellas por una molécula de DNA
(ambas idénticas entre sí). El centrómero es
el punto por el que se unen las cromátidas.
La s secuencias teloméricas de los extremos
evitan el acortamiento de los cromosomas.
Con cortesía de Editorial Hélice.
Los cromosomas _eucariotas contienen tres elementos funcionales, que consiguen
que se repliquen y segreguen correctamente (Fig. 16-13):
l. Orígenes de replicación, en los cuales las DNA polimerasas y otras proteínas inician la síntesis de DNA. Los cromosomas eucariotas contienen
muchos orígenes de replicación para asegurar que la totalidad del cromosoma pueda replicarse rápidamente.
2. El centrómero, que consiste en una secuencia de DNA que actúa como
punto de unión de las proteínas que fijan el cromosoma a los microtúbulos del huso _m itótico durante la división celular, lo que resulta esencial
para que se produzca la correcta segregación de los cromosomas entre las
células hijas durante este proceso; y
3. Los dos extremos o telómeros, que consisten en secuencias con función
estabilizadora situadas en los extremos de los cromosomas eucarióticos.
En los eucariotas superiores, una estructura proteica compleja denominada
cinetocoro se ensambla en· los centrómeros y se asocia con múltiples fibras del
huso mitótico durante la mitosis. Esta estructura se encarga de coordinar los
movimientos de los cromosomas durante el proceso de división celular.
INTERFASE
MITOSIS
INTERFASE
11
~
G,
G,
S
telómero
Figura 16-13. Elementos de la secuencia
de DNA que son necesarios para producir
un cromosoma eucariota que pueda replicarse y segregarse en la mitosis. Cada
cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación , un centrómero y dos telómeros.
En la figura se muestra esquemáticamente la
secuencia de procesos que experimenta un
cromosoma típico durante el ciclo celular.
En la interfase comienza la replicación del
DNA en los orígenes de replicación y avanza
bidireccionalmente a lo largo del cromosoma. En la fase M, el centrómero une los cromosomas duplicados al huso mitótico de
modo que, durante la mitosis, será distribuida. una copia a cada célula hija. Los telómeros ·forman capuchones especiales en cada
extremo del cromosoma.
origen de
replicación
+
centrómero
L_j
Porción del
huso mitótico
Cromosomas
duplicados en
células separadas
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
Respecto a los telómeros, en el caso d·e los seres humanos y otros organismos,
la mayoría son oligómeros repetitivos con un alto contenido de G en la hebra
con su extremo 3' al final del cromosoma. La secuencia repetida del telómero en
los seres humanos es TTAGGG. El extremo 3' de la hebra rica en G se extiende
de 12· a 16 nucleótidos tnás allá del extremo 5' de la hebra complementaria rica
en C. Esta región está unida a proteínas específicas que protegen los extremos
de los cromosomas lineales del ataque de exonucleasas y asocian los telómeros
en dominios específicos dentro del núcleo (véase capítulo 17).
Recuento de cromosomas y moléculas de DNA
Las relaciones entre los cromosomas, las cromátidas y las moléculas de DNA, a
menudo generan confusión. En ciertos momentos del ciclo celular, los cromosomas no están duplicados; en otros casos cada uno posee dos cromátidas. En algunas ocasiones los cromosomas están constituidos por una sola molécula de
DNA y en otras contienen dos.
Para realizar un recuento de los cromosomas y las moléculas de DNA existen
dos reglas simples:
'319
O los cromosomas eucari otas están fo rmados por un centrómero, al
qu e se ensamb lan el ci netocoro, dos
telóm eros y numerosos orígenes de
replicación.
l. Para determinar el número de cromosomas se cuenta el número de centrómeros funcionales y
.
2. Para determinar el número de moléculas de DNA se cuenta el número de
cromátidas.
En la figura 16-14 se representa una célula a medida que atraviesa el ciclo celular. Al comienzo de G 1 esta célula diploide posee un conjunto completo de cuatro cromosomas que provienen de su célula progenitora. Cada cromosoma consiste en una cromátida única (una sola molécula de DNA) de modo que hay
cuatro moléculas de DNA en una célula durante G 1 • En la fase S se copia cada
molécula de DNA. Las dos moléculas de DNA resultantes forman dos cromátidas hermanas. Si bien la cantidad de DNA se duplica durante la fase S, el número de cromosomas se mantiene constante porque las dos cromátidas hermanas comparten un solo centrómero. Al final de la fase S esta célula aún contiene
cuatro cromosomas, cada uno con dos cromátidas; por tanto, hay ocho moléculas de DNA.
Durante la profase y la metafase la célula tiene cuatro cromosomas y ocho
moléculas de DNA. Sin embargo, en la anafase las cromátidas hermanas se separan. Ahora cada una posee su propio centrómero y, por tanto, cada una se considera un cromosoma separado. Hasta la citocinesis cada célula contiene ocho
cromosomas, cada uno formado por una sola cromátida; todavía hay ocho moléculas de DNA. Después de la citocinesis los ocho cromosomas (ocho moléculas de DNA) se distribuyen en forma equitativa entre las dos células; entonces
cada célula nueva contiene cuatro cromosomas y cuafro moléculas de DNA, el
número presente al comienzo del ciclo celular. ~
Número de
crom osomas
por célula
8
Número de
moléculas
4
de DNA
por célula
o
4
•
O El número de cromosomas, cromátidas y moléculas de DNA varía
según la fase del ci clo celu lar.
4
Figura 16-14. El número de cromosomas y
de moléculas de DNA cambia durante el
curso del ciclo celular. El número de cromosomas por célula es igual. al número de
centrómeros y el número de moléculas· de
DNA por cé lula equ ivale al número de. cromátidas.
320
,SECCIÓN .IV. El FLUJO DE LA INF.ORMACIÓN GENÉTICA
! J
CONCEPTOS CLAVE
r
...........
i _
IIIIIII~
,...
o
El genoma de un organismo es su material genético. Dicho material está distribuido en cromosomas, formados a su
vez por moléculas de DNA.
o
o
o
Un gen es un fragmento de DNA que codifica la secuencia primaria de una proteína o de un RNA.
El valor C es la cantidad de DNA presente en el genoma de un organismo.
Un cromosoma bacteriano está compuesto por una sola molécula de DNA circular que está unida a proteínas y
presenta una serie de bucles. Por lo general se observa en la célula como una acumulación bien definida conocida
como nucleoide.
o
Los genes de las bacterias típicamente se encuentran agrupados en operones, que son grupos de genes estructurales relacionados desde un punto de vista funcional, y las secuencias que controlan su transcripción . Los genes estructurales de un operón se transcriben como una única molécula de mRNA.
o
o
Los viroides y los priones son partículas infecciosas que no contienen DNA en su composición.
Los virus presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos: DNA monocatenario, DNA bicatenario, RNA monocatenario y RNA bicatenario.
o
El DNA eucariota presenta tres clases de secuencias. Las secuencias de DNA únicas presentan muy pocas copias. El
DNA moderadamente repetitivo consiste en secuencias de longitud intermedia que se repiten entre cientos y miles
de veces. El DNA altamente repetitivo representa secuencias muy cortas que se repitan una tras otra entre varios
miles y millones de veces.
o
La interferencia por RNA (RNAi) es un proceso mediante el cual las células eucariotas limitan la invasión de genes
extraños y silencian la expresión de los genes propios. Los RNA interferentes pequeños (siRNA) y los micro RNA
(miRNA) son los responsables de este proceso.
o
Los elementos transponibles son secuencias de DNA móviles que se insertan en diferentes localizaciones dentro de
un genoma y con frecuencia producen mutaciones y reordenamientos del DNA.
o
En el genoma mitocondrial se acumulan mutaciones a lo largo de la vida del organismo. Estas mutaciones pueden
producir diversas enfermedades.
o
El nucleosoma es la unidad estructural de la cromatina. Está compuesto por ocho histonas (dos H2A, dos H2B, dos
H3 y dos H4) y 146 pb de DNA, que gira alrededor de la particula central. La proteína H1 mantiene el DNA sobre el
núcleo de histonas.
o
Los nucleosomas se pliegan en fibras de 30 nm que forman una serie de bucles de 300 nm de longitud. Estos bucles
se condensan para formar una fibra de 250 nm de diámetro que se enrolla sobre sí misma en forma densa hasta
producir una cromátida de 700 nm de espesor.
o
Las fases del ciclo celular son la interfase y la fase M (mitosis) . La interfase comprende los estadios G1, S y G2 • En G1
la célula crece y se prepara para dividirse; en la fase S tiene lugar la síntesis de DNA; en G2 se producen diversos
acontecimientos bioquímicos necesarios para la división celular. Algunas células entran en una fase de reposo llamada G0• La fase M incluye la mitosis y la citocinesis.
o
Cada cromosoma está constituido por un centrómero, un telómero y múltiples orígenes de replicación. Los centrómeros son los puntos en los que se ensambla el cinetocoro y a los que se unen los microtúbulos. Los telómeros
son los extremos de los cromosomas y los estabiliza.
0 EJERCICIOS
Indique cuántos telómeros, centrómeros y orígenes de replicación puede haber en una bacteria y en una célula eucariota en interfase,
que contiene 4 cromosomas.
SOLUCIÓN
El genoma de las células eucariota s está constituido por moléculas de DNA lineal, mientras que el bacteriano es circular. En la molécula lineal,
habrá dos telómeros (los dos extremos), un centrómero y varios orígenes de. replicación . Como tiene 4 cromosomas, en interfase tendrá 4 centrómeros, 8 te lómeros y múltiples orígenes de replicación
1
La molécula de DNA circular bacteriano, tendrá un solo cromosoma con un origen de replicación y no tendrá telómeros, al no tener extremos,
ni centrómeros al no requerir la formación de huso mitótico.
CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS
llD Al tratar la cromatina de una célula eucariota con
una enzima
nucleasa, que degrada los enlaces fosfodiéster, se obtienen varios fragmentos de DNA de tamaño idéntico (200 pb) y varias
proteínas. ¿A qué pueden corresponder estos fragmentos?
IIiiJI Para aislar el material genético de una célula animal, se
rompe
la membrana plasmática y se trata cuidadosamente el material
contenido en el núcleo y en el interior de los orgánulos membranosos. Después de analizar las moléculas de DNA obtenidas,
se comprueba que se obtiene varios fragmentos de DNA lineal y
0
321
varias moléculas de DNA circular. ¿A qué puede ser debida esta
heterogeneidad?
leJ Si una célula contiene un número de cromosomas n = 6. ¿Cuántas moléculas de DNA tendrá en las diferentes fases del ciclo
celular?
llD ¿Qué ocurre
con la expresión del operón loe en ausencia de
lactosa?
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
llliJ Un gen es un fragmento de material genético que:
a)
b)
e)
d)
Codifica la
Codifica la
Determina
Determina
secuencia primaria de una proteína.
secuencia primaria de una proteína o un RNA.
un fenotipo .
un rasgo.
llD Indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta para el DNA
de un cromosoma bacteriano:
a) Es una única molécula circular de DNA de cadena doble.
b) Es una única molécula lineal de DNA de cadena doble.
e) Es una única molécula lineal de DNA de cadena sencilla.
d) Son varias moléculas lineales de DNA de cadena doble.
IIiiJI Las histonas son:
a)
b)
e)
d)
Proteínas
Proteínas
Proteínas
Proteínas
ácidas que generalmente se asocian con DNA.
ácidas que generalmente se asocian con RNA.
básicas que generalmente se asocian con DNA.
básicas que generalmente se asocian con RNA.
leJ El DNA de un cromosoma eucariota:
a)
b)
e)
d)
Es una única molécula circular de DNA de cadena doble.
Es una única molécula lineal de DNA de cadena doble.
Es una única molécula lineal de DNA de cadena sencilla.
Son varias moléculas lineales de DNA de cadena doble.
llD Los nucleoso mas:
Están formados por proteínas ricas en aminoácidos ácidos,
como Asp y Glu.
b) Están formados por proteínas y RNA.
e) Constituyen la estructura básica de la cromatina.
d) Aparecen tanto en el DNA eucariota como en el procariota.
a)
II!III En relación a los genomas virales, indique cuál de las siguientes
afirmaciones es cierta:
a) Los genomas vira les contienen pocos genes codificantes.
b) La mayoría de los virus RNA presentan RNA monocatenario.
e) La mayoría de los virus DNA presentan DNA bicatenario.
d) Todas las anteriores son ciertas.
liD Con
respecto al operon loe de E. eoli, indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta:
a) La enzima 13-galactosidasa hidroliza la lactosa a glucosa y
fructosa.
b) La permeasa transporta la lactosa al interior de la célula.
e) Cuando la lactosa está presente, el represor evita la transcripción de los genes del operón.
d) El inductor se inhibe en presencia de lactosa.
lrJJ Suponga que una célula en profase contiene tres cromosomas y
se is moléculas de DNA. Señale cuál de las siguientes afirmaciones es cierta:
a) En metafase, la célula contiene tres cromosomas y tres
moléculas de DNA.
b) Después de la citocinesis, cada célula hija tiene tres cromosomas y tres moléculas de DNA.
e) En anafase se separan los cromosomas homólogos.
d) Todas las anteriores son falsas.
1m Indique cuál de las sigu ientes afirmaciones referidas a los niveles de organización de la cromatina es cierta:
a) La estructura de "collar de cuentas" tiene 30 nm de diámetro.
b) Lcis solenoides están constituidos por 1O nucleosomas por
vuelta.
e) La estructura más condensada de la cromatina la encon tramos en las cromátidas de 700 nm de espesor.
d) Todas las anteriores son ciertas.
DilJ Los elementos transponibles:
a)
b)
e)
d)
Sólo aparecen en los genomas eucariotas.
Con frecuencia producen mutaciones.
Están formados por microRNA.
Son los responsables de la heteroplasmia.
\
REPLICACIÓN Y REPARACIÓN
DEL DNA
o
CONTENIDOS
o
o
Introducción
La maquinaria de
replicación del DNA
o La reparación del DNA
o
--OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
o
Conocer la maquinaria de replicación del DNA en células procariotas y
eucariotas.
o
o
Comprender la complejidad del proceso de replicación del DNA.
Reconocer las diferencias en el proceso de replicación de procariotas
y eucariotas.
o Conocer los diferentes tipos de mutaciones génicas, sus causas y sus
efectos fenotípicos .
o
Valorar la importancia de los mecanismos de repa ración del DNA.
Este es el segundo capítulo de la sección del libro dedicada al
flujo de la información genética. Una vez analizada en el capítulo anterior la estructura y función de los genomas procariotas y
eucariotas, este capítulo se ocupa del. proceso de perpetuación
del material genético generación tras, generación: la repl icación .
Éste es un proceso complejo y trascendental para la vida, que
debe realizarse con exquisita precisión. A lo largo del capítulo
se analiza la maquinaria de replicación del DNA, tanto en procariotas como en eucariotas, con especial atención a los procesos
que tienen lugar y las enzimas implicadas.
A pesar de la alta fiabilidad del proceso de replicación , pueden
producirse errores que conducen a fj:¡ utaciones génicas. En este
capítulo se analizan sus causas y sus efectos fenotípicos. La importancia de la corrección de estos errores lleva a la existencia ·
de diversos mecanismos de reparación del DNA. Dichos mecanismos también son objeto de estudio.
El estudio de los procesos de replicación y reparación del DNA
permite una correcta comprensión de los mecanismos de expresión y regulación génica, que se analizan en el capítulo 18.
324
SECCIÓN IV. ·E!- FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
0
INTRODUCCIÓN
Cualquier célula, antes de iniciar su proceso de división, deberá haber duplicado
su material genético. Esta es la única forma de garantizar que las células hijas
tengan el mismo genoma, es decir, los mismos genes que la célula madre original. La replicación del material genético es una etapa del ciclo de vida de la célula que deberá darse solo una vez y, siempre, antes de comenzar la mitosis.
¿Cómo se consigue que todos los cromosomas de una célula estén sincronizados
para que en un momento dado se inicie esta replicación? ¿Cómo se controla que
el material genético sólo se duplique una única vez? ¿Cómo se puede mantener
fiel la secuencia de miles de bases que conforman los cromosomas una y otra vez
durante la división de las células de un organismo sin que se equivoque la maquinaria de replicación? A lo largo de este capítulo se tratará de contestar estas
preguntas: se presentará el mecanismo de replicación del DNA, la compleja maquinaria de enzimas· implicadas en él, y las estrategias diseñadas a lo largo de la
evolución para reparar los daños que sufre todo material genético en una célula.
Se intentará proporcionar una visión general para cualquier célula, aunque será
necesario dar las claves que diferencian la replicación del material genético de
los organismos procariotas de los eucariotas.
0
LA MAQUINARIA DE REPLICACIÓN DEL DNA
La replicación del DNA es semiconservativa
c:fExisten tres posibles modelos
para explicar el proceso de replicación: replicación semiconservativa,
conservativa y dispersiva.
DNA
Parental
Figura 17-1. Modelos de replicación. Los
tres posibles modelos -de replicación son la
replicación conservativa, semiconservativa y
dispersiva. Con cortesía de Editorial Hélice.
El modelo de la estructura de la doble hélice propuesto en 1953 por Watson y
Crick (véase capítulo 6) permitió proporcionar una explicación al mecanismo
de replicación del DNA La estructura de la doble hélice dejaba claro el hecho
de que una de las cadenas de DNA servía de molde para la síntesis de la nueva
cadena. La especificidad del emparejamiento de bases (A con T; C con G) implica que cada molde sólo puede determinar una secuencia de bases y, así, que
dos moléculas de DNA construidas sobre el molde serán idénticas al DNA original. De esta forma, cada una de las dos cadenas actuaría como molde que dirige el ensamblaje de bases complementarias para formar una doble hélice idéntica a la original. Este proceso se denomina replicación semiconservativa, porque
cada una de las cadenas de nucleótidos originales o parentales permanece intacta
(conservada) a pesar de que ya no está combinada en la misma molécula.
Si este modelo era correcto, cada molécula hija debería contener una cadena
de nucleótidos original y una cadena nueva recién sintetizada. Sin embargo,
existen al menos tres modelos diferentes por los cuales una molécula original
podría estar representada en las moléculas hijas. Estos modelos hipotéticos de
replicación se denominan semiconservativo (el modelo de W atson y Crick),
conservativo y dispersivo (Fig. 17-1). En la replicación semi conservativa, la
doble hélice de cada molécula hija de DNA contiene una cadena de la molécula
original y una cadena sintetizada de nuevo. Sin embargo, en la replicación conservativa, la molécula parental de DNA se conserva, y se produce una molécula
nueva con sus dos cadenas sintetizadas de nuevo. En la replicación dispersiva, la
molécula hija está formada por dos cadenas, y cada una de ellas contiene segmentos de ambas, tanto de la cadena parental como de la sintetizada de nuevo.
Para comprender el proceso de replicación del DNA había que dilucidar si
el mecanismo era semiconservativo, conservativo o dispersivo. Para determinar
cuál de los tres modelos de replicación era el que correspondía a las células de la
bacteria E. coli, Meselson y Stahlllevaron a cabo experimentos para poder distinguir las moléculas de DNA nuevas de las viejas, y lo hicieron por medio del
14
uso de dos isótopos de nitrógeno, N (la forma común) y 15 N (una forma pesada rara). Meselson y Stahl hicieron proliferar E. coli en un medio de cultivo que
contenía 15 N como única fuente de nitrógeno; después de muchas generaciones, todas las células de E. coli habían incorporado el 15 N en las ·bases de purina
y de pirimidina que formaban el DNA Tomaron una muestra de las bacterias,
' 14 N y o b tuvieron
·
\
.
al resto a un me d.10 que so'1o contema
someneron
muestras
adicionales después de unas pocas generaciones celulares. En cada muestra el
DNA bacteriano sintetizado antes del cambio del medio poseía 15 N y era relati-
CAPÍTULO 17.- REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
vamente pesado, mientras que el DNA bacteriano sintetizado después de la
modificación estaba compuesto por 15N y .era relativamente ligero (Fig. 17-2) .
14
Meselson y Stahl distinguieron el DNA pesado cargado con N del DNA lige14
ro cargado con N por medio de ·una centrifugación en gradiente de densidad
(Recuadro 17-1).
Meselson y Stahl demostraron el modelo de replicación en bacterias, pero
posteriormente se confirmó que la replicación semiconservativa se daba en cualquier célula, tanto procariota como eucariota. Sin embargo, los mecanismos que
cada tipo de célula utiliza para iniciar la replicación van a depender de la natura-
Recuadro 17-1 . Demostración hipótesis semiconservativa de la replicación del DNA
325
cf
Meselson y Stah l demostraron
que la repl icaci ón en E. co/i es sem iconservativa: cada cadena de DNA
sirve como molde para la sínte sis de
una molécu la de DNA nueva.
---
Meselson y Stahl distinguieron el DNA pesado cargado con ' 5N del DNA ligero ca rgado con 14N por medio de una centrifugación en grad ient e
de densidad. Esta técnica co nsiste en llenar un t ubo de centrífuga con una solución salina pesada y con la sustancia cuya densidad se desea
medi r (en este caso, fragmentos de DNA). A continuación se hace girar el tu bo en una centrífuga a velocidad elevada. Así se desa rrolla un gradiente de densidad dentro del t ubo, con la mayor densidad abajo y la menor arriba. La densidad de los fragment os de DNA se equilibra co n la
densidad de la sal: las moléculas ligeras suben y las pesadas se hunden.
De esta forma, los dos investigadores determi naron que el DNA de las bacterias que crecían en un medio exclusivamente con 15 N producía una
sola banda en la posición específica del DNA con este isótopo (Fig. 17-2a). El DNA de las bacterias tra nsferidas al medio con 14 N y sometidas a
un ciclo de replicación también producía una sola ban da, pero en una posición intermedia entre la del DNA con solo 15 N y la del DNA con solo
14
N (Fig. 17-2b). Este resultado no es compatible con el modelo de rep licación conservativa, que predice la existencia de una banda pesada (las
molécu las de DNA originales) y una ban da ligera (las moléculas de DNA nuevas). Ta nto el modelo semiconservativo como el dispersivo pred icen
la aparición de una sola banda de densidad intermed ia.
Para distinguir entre los dos modelos, crecieron las bacterias en un medio con 14 N para obtener una segunda generación. Después del segundo
ciclo de replicación en el medio con 14N, aparecieron dos bandas co n la misma intensidad : una en posición intermed ia y la otra en la posición
del DNA que sólo contiene 14N (Fig. 17-2c). Todas las muestras obtenidas en los ciclos de replicación sigu ientes produjeron dos bandas, y la
banda que representaba al DNA ligero se volvió cada vez más intensa (Fig. 17-2d). Así, los resu ltados de Meselson y Stahl se re lacionaron con la
replicac ión semiconservativa y no son compatibles con los de las rep licaciones conservativa y dispersiva.
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(a)
Parenta l
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'
~ "N
(d)
Híbrido
-.
..•.,-
Figura 17-2. Exper iment o de M eselson y Stahl.
Los experimentos de Meselson y Stah l trataban de
demostrar qué modelo de replicación se desarrolla
en f. co/i. Con ellos demostraron que la replicación
del DNA es semiconservativa. (a) El DNA de las bacterias cultivadas en un medio co n 15 N aparece co mo
una banda única. (b) Después de un ciclo de replicación , el DNA aparece como una banda ún ica en
una posición intermedia entre la esperada para el
DNA con 15 N y la esperada para el DNA con 14N.
(e) Después de un segun do ciclo de replicació n, el
DNA aparece como dos bandas: una en la posición
del DNA híbrido (la mitad con 15 N y la mitad con
14N) y la otra en la posición del DNA que ún icamente contenía 14N. (d) Las muestras t omadas después
de ciclos ad icio nales de replicació n reve lan dos bandas, tal como ocurre en la parte (e). Con cortesía de
Editorial Hélice.
326
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
leza de la molécüla de DNA. Como se ha comentado en el capítulo 16, lamayoría de las bacterias tienen una única molécula de DNA circular cerrada. Los
organismos eucariotas presentan su material genético en moléculas lineales de
DNA. Esto influye en el mecanismo de inicio de la replicación.
Origen de replicación en los cromosomas
c::flos orígenes de replicación son
las zonas del DNA donde se inicia el
proceso de replicación. En ellos se
produce la apertura de la doble hélice, formándose una burbuja de replicación que va creciendo de forma
bidireccional.
Toda molécula de DNA que vaya ·a ser replicada tiene un origen de replicación
desde donde se inicia el proceso en ambas direcciones hasta que se termina de
copiar toda la molécula de DNA. Las moléculas circulares del DNA bacteriano
tienen un único origen de replicación; sin embargo los cromosomas lineales de
las células eucariotas tienen varios orígenes desde donde se iniciará la replicación
simultáneamente. Son moléculas más largas, y varios orígenes garantizarán que
en un breve período de tiempo toda la molécula se replique completamente. En
este origen de replicación se inicia la apertura de la doble hélice, pudiéndose
observar al microscopio electrónico las burbujas de replicación. El mecanismo
principal de replicación de un cromosoma bacteriano se denomina replicación
theta (por la imagen similar a la letra griega 8 que adopta el cromosoma en replicación). En los cromosomas lineales, con varios burbujas abriéndose simultáneamente, éstas se irán haciendo más grandes, se irán aproximando unas a _otras
hasta fusionarse y completarán la replicación de la molécula. Cada burbuja tendrá dos horquillas de replicación que irán desenrollando la hélice de DNA en
direcciones opuestas (apertura bidireccional) mientras las dos cadenas se van replicando (Fig. 17-3).
Los fragmentos de Okazaki explican la dirección
de síntesis de las cadenas
Al centrar la atención en una burbuja de replicación, se observa que una cadena
parental tendrá la polaridad 5' ----f 3'; mientras que la otra cadena tendrá una polaridad 3'----f5' (Fig. 17-4). Por lo tanto, las nuevas cadenas de DNA, al ser amiparalelas, tendrán las orientaciones opuestas a las parentales.
La síntesis de la nueva cadena de DNA seguirá siempre el mismo procedimiento: unir el nuevo nucleótido a la posición 3'-0H de la desoxirribosa. El
nuevo nucleótido trifosfato que entrará en la cadena se unirá mediante un enlace éster fosfórico, quedando ahora libre la posición 3'-0H de este nuevo nucleótido. La reacción de formación de este enlace se puede dar espontáneamente
gracias a que el nucleótido que se va a unir está energéticameme activado (debido a que es un nudeótido trifosfato) y libera un pirofosfato al formar el enlace
fosfodiéster. Las enzimas que posibilitan la formación de este enlace fosfodiéster
origen de la replicación
origen de la replicación
~
S' - - - - -y
-
--......;......;_ 3'
~
apertura de
la hélice
Figura 17-3. Una doble hélice de DNA
abierta en su origen de replicación. Las
proteínas iniciadoras de la replicación reconocen secuencias de DNA en sus orígenes de replicación y separan las dos hebras
de la doble hélice. Cada hebra expuesta
puede servir de molde para la copia. Se
muestra la apertura de la hélice en una
molécula de DNA lineal eucariota (a) y una
circular procariota (b).
1
5' ---~'---- 3'
3'
......._
~
~
'-----..------l
Molde: DNA de cadena simple
5'
o1
o
inicio de la
replicación
¡
e
\
CAPÍTULO 17. REPliCACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
5'-----~-------------------...
3'
5'
" '
1
DNA
Cadenas recién sintetizadas
3
;: :::::::::: ::::::::::::::::::. _, _ __ , / DI""""
P'"""'
d•~pll~dóo
3'
S'
en la síntesis del DNA continúan incorporando nuevos nudeótidos siempre en
la dirección 5' ~ 3' de la nueva cadena. El nudeótido nuevo que se incorpora
deberá ser complementario al de su misma posición en la cadena molde, manteniéndose unido por puentes de hidrógeno (Fig. 17-5).
Al observar ahora una horquilla de replicación, la cadena 3' ~ 5' servirá de
molde para la síntesis de la nueva cadena en dirección 5' ~ 3'; sin embargo, en
la otra hebra parental, la nueva cadena debe seguir el sentido 3' ~ 5'. ¿Cómo se
puede replicar esta hebra?· Okazaki demostró que, en la cadena que debía crecer
en dirección 3' ~ 5', también seguía creciendo la síntesis en la dirección 5' ~ 3',
sin embargo lo hacía en pequeños fragmentos rellenando los espacios de la horquilla "marcha atrás" (Fig. 17-6). La cadena o hebra que crece sin interrupción
en dirección 5' ~ 3' se denomina cadena líder o hebra continua, mientras que la
Cadena
naciente
o
ll
327
Figura 17-4. Horquilla de replicación. En
una horquilla de replicación, las dos cadenas
de DNA recién sintetizadas tienen polaridad
opuesta.
c !La síntesis de DNA se produce
siempre en dirección S'~ 3'. En cada
horquilla de replicación. la síntesis
de la cadena líder se produce de forma continua. mientras que la síntesis
de la cadena retrasada se desarrolla
de forma discontinua.
Cadena
molde
o
ll
-o-P - 0 - P
1
o-
1
o-
'----.r-------'
pirofosfato
desoxirribonucleósido trifosfato entrante
Figura 17-5. Formación del enlace fosfodiéster.
328
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
{¡
~ Fragmentos de Okazaki
S'~J ~- K~3'
3'---...
Figura 17-6. Las horquillas de replicación
del DNA. Puesto que ambas cadenas se sintetizan en dirección S'~ 3', la cadena retrasada del DNA se forma inicialmente como
una serie de cadenas cortas de DNA que
luego se unen entre sí. En la parte superior
de esta figura se representan dos horquillas
de replicación que se mueven en direcciones
opuestas; la parte inferior representa las mismas horquillas poco tiempo después. Para
sintetizar la cadena retrasada , la DNA polimerasa debe "volver hacia atrás": sintetiza
fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki)
en la dirección S'~ 3', y luego se mueve en
dirección opuesta a lo largo de la cadena
molde (hacia la horquilla) antes de sintetizar
el nuevo fragmento.
""'---s'
~--_)f
.........- • Dirección del movimiento de la horquilla
--~·~
--:-¿)
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7
'\.! .. ___ -------f
Ji~--S' -----~
~
Cadenas de DNA
3' ---......
ceciéo <int•ti"d"
r
~
~
.,.._...._ _ _ 3'
~---~- S'
que crece mediante pequeños fragmentos, llamado de Okazaki, se denomina
cadena retrasada o hebra discontinua. En cada burbuja de replicación, habrá
dos horquillas cada una con una banda continua y otra discontinua.
La maquinaria enzimática de replicación es muy compleja
El DNA bacteriano ha servido de modelo de estudio desde hace décadas para
descifrar la compleja maquinaria de replicación del DNA. Dado que muchos de
los mecanismos son comunes a otros organismos, se describirá en primer lugar
esta maquinaria, aunque posteriormente se resaltarán las diferencias significativas en los sistemas eucariotas descritos hasta ahora.
Etapas de la replicación del DNA bacteriano
c JAl origen de replicación , se une
· una proteína de iniciación que desenrolla el DNA. La DNA helicasa
rompe los puentes de hidrógeno de
la horquilla de replicación, y las proteínas SSB estabilizan las cadenas separadas. La DNA girasa reduce la
fuerza de torsión que se genera
cuando se desenrollan las dos cadenas del DNA.
c fLa p; imasa sintetiza un fragmento corto de nucleótidos de RNA
(primer o cebador) que aporta un
grupo 3'-0H sobre el que se unen
los nucleótidos de DNA para iniciar
la síntesis.
Origen de replicación: Como ya se ha comentado, el DNA circular bacteriano
tiene un único origen de replicación. Esta secuencia, denominada ori C, consta
de un mínimo de 245 pares de bases donde se unirá específicamente una proteína iniciadora (DnaA en E. coli).
Apertura de la hélice: Una vez fijada la proteína iniciadora, se unirán otras proteínas capaces de desenrollar la doble hélice (Fig. 17-7). La enzima DNA helicasa se encarga de romper los puentes de hidrógeno entre cadenas complementarias, pero solo lo hará si previamente se ha unido la proteína iniciadora al origen
de replicación. L~ helicasa se une a la banda discontinua de cada horquilla de
replicación siguiendo el sentido 5' ~ 3' de apertura de la horquilla. Las bandas
separadas volverían a unirse, si no fuera porque las proteínas de unión a cadena
sencilla (SSB, del inglés Single Strand Binding proteins) se unen rápidamente a
las bandas sencillas impidiendo su reanillamiento. Otra enzima necesaria para la
apertura de la hélice es la DNA girasa, una topoisomerasa que relaja la tensión
que se va acumulando por la apertura de la horquilla. La enzima rompe la cadena de DNA, libera la tensión y sella de nuevo la cadena.
Inicio de la síntesis del DNA: Cada vez que la DNA polimerasa comienza la
replicación de un fragmento de DNA requiere un cebador o primer de RNA
que aporte el 3' -OH de un nucleótido sobre el que seguirán uniéndose los demás. Este pequeño fragmento de RNA o primer de 10 a 12 ribonucleótidos va a
.CAPÍ'TULO 17. REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
329
Origen
t
Figura 17-7. Apertura de la hélice. La
DNA helicasa se une al molde de la cadena
retrasada en cada horquilla de replicación y
se mueve en dirección 5'-> 3' a lo largo de
esta cadena , en la que rompe los puentes
de hidrógeno y desplaza la horquilla de replicación. A continuación, las proteínas de
unión a cadena sencilla (SSBP) estabilizan el
DNA de cadena sencilla. La D ÑA~ sii alivia la tensión próxima a la horquilla de replicación.
.
S5BP
ser sintetizado por la enzima primasa, un tipo de RNA polimerasa que, a diferencia de la DNA polimerasa, no necesita un 3'-0H para unir el primer nucleótido (Fig. 17-8). La cadena continua solo requerirá una vez la acción de la primasa; sin embargo, la cadena retrasada necesitará que la primasa añada un primer cada vez que comience un nuevo fragmento de Okazaki.
Síntesis del DNA: una vez que comienzan a trabajar las enzimas encargadas de
abrir la horquilla de replicación y que la primasa ha colocado los primers, la
DNA polimerasa podrá comenzar a sintetizar las nuevas hebras de DNA de las
dos bandas. Las DNA polimerasas de E. coli son las mejor estudiadas, y están
formadas por cinco diferentes tipos de enzimas: dos de ellas, las DNA polimerasa 1 y 111, se encargan de la polimerización de las nuevas hebras, mientras que
las otras tres son enzimas encargadas de reparar los daños que pueda sufrir el
DNA durante el proceso.
Aunque con diferencias particulares, todas las DNA polimerasas van a ser
capaces de realizar los siguientes procesos:
• Sintetizar una secuencia, complementaria y antiparalela, a partir de un
molde.
Cadena líder
~-¡'" • :· '"? ~
Primer para la cadena retrasada
Cadena retrasada
Q~~~~~2;~
Primer para la cadena retrasada
Cadena líder
BIBLIOTECA FUNOAC(IAES
(
'l:igura 17-8. Actividad de la primasa y la
DNA polimerasa en el proceso de replicación. La primasa sintetiza fragmentos cortos
de nucleótidos de RNA, aportando así un
grupo 3' -0H al que la DNA polimerasa puede añadir nucleótidos de DNA. Sobre la cadena líder, donde .la replicación es continua,
solo se requiere un primer en el. extremo 5'
.de la cadena de nueva síntesis. En la cadena
retrasada que se replica en forma discontinua, debe producirse uri primer nuevo al comienzo de cada fragmento de Okazaki.
330
SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
• Sintetizar la nueva hebra en dirección 5' ___., 3'.
• Requerir un primer de RNA para añadir el primer desoxirribonucleótido a
la cadena.
• Realizar el enlace fosfodiéster entre un extremo 3'-0H del último nucleótido de la cadena recién sintetizada y el 5'-P del nuevo nucleótido trifosfato a incorporar, liberando dos fosfatos (pirofosfato) en el proceso.
• Asociarse a otras proteínas para realizar su función.
una cadena en crecimiento.
La DNA polimerasa 111 es un complejo multiproteico que lleva a cabo la
mayor parte del trabajo de replicación del DNA. Tiene asociadas principalmente dos funciones:
• Actividad polimerasa 5' ___., 3' que permite la síntesis de la nueva hebra.
• Actividad exonucleasa 3' ___., 5' que realiza la función de corrección durante la lectura. Esta función es primordial para mantener la fidelidad de
la nueva ·copia de DNA. La DNA polimerasa revisa el nucleótido que
acaba de incorporar y, en el caso de que se haya equivocado al introducirlo, éste se quedará sin unirse a su complementario, con lo que la propia
DNA polimerasa lo retirará gracias a la actividad exonucleasa 3' ___., 5'.
Esta es la principal diferencia entre una RNA polimerasa y una DNA
polimerasa, por eso la DNA polimerasa no puede iniciar un nuevo _fragmento, mientras que una RNA polimerasa como la primasa sí; la DNA
polimerasa siempre necesita revisar el nucleótido anterior para poder añadir el nuevo. Gracias a esta actividad correctora, la DNA polimerasa solo
se equivoca 1 vez cada 1O millones de bases añadidas. En la figura 17-9
se presenta un esquema del proceso de corrección llevado a cabo por esta
enzima.
O la replicación es muy precisa,
con menos de un error cada 107 nucleótidos.
Figura 17-9. Actividad de corrección durante La Lectura de La DNA polimerasa. La
DNA polimerasa aparea nucleótidos durante
la replicación del DNA con un alto índice de
precisión. Si se añade una base incorrecta, la
DNA polimerasa se detiene y elimina la base
incorrecta, reemplazándola por la correcta.
Después, la replicación continúa.
molde
La DNA polimerasa 1 tiene estas dos mismas funciones, pero además, presenta la actividad exonucleasa 5' ___., 3'. Esta nueva actividad exonucleasa 5' ___., 3'
permitirá que la propia enzima retire el primer de RNA que la primasa ha añadido y rellene este hueco con desoxirribonucleótidos recién sintetizados, ya que
tiene también actividad polimerasa 5' ___., 3' y correctora de pruebas (exonucleasa
3' ___., 5'). Por lo tanto, parece que la principal función de la DNA polimerasa I es
la de retirar los primers y rellenar los huecos (Fig. 17-10) .
El proceso de síntesis de la cadena de DNA necesita, por lo tanto, la actividad de la DNA polimerasa III, que se encarga d e sintetizar los tramos de DNA
a partir de un primer, y de la DNA polimerasa I que retira los primers de RNA
añadidos por la primasa y añade nuevos desoxirribonucleótidos en estos tramos.
Cuando la DNA polimerasa I termina de colocar el último desoxirribonucleótido, dejará un extremo 3'-0H que no podrá unir al extremo 5'-P del primer
desoxirribonucleótido añadido por la DNA polimerasa III. La tabla 17-1 resume las características de las DNA polimerasas de E. coli.
Retirada de
base desapareada
Incorporación de
base incorrecta
-
nn
5' [J:kj§J ~
3'
0
3'
1
Base correcta
5'
-
3'~5'
5' ~ 3'
DNA poli
1
-
-
3'-----~~ 5 '
Figura 17-10. Actividad exonucleasa
5' ~ 3' de La DNA polimerasa. La DNA polimerasa elimina el primer en dirección
5'---. 3' y reemplaza el espacio dejado por los
primers con nuevos nucleótidos compleri,entarios mediante su actividad polimerasa
5' ---.3'.
.,
CAPÍTULO 17. REPLIC ACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
331
Tabla 17-1. DNA polimerasas de E. coli
DNA
polimerasa
Polimerización
5' -t 3'
Exonucleasa
3' -t 5'
Exonucleasa
5' -t 3'
Sí
Sí
Sí
Elimina y reemplaza a los primers
11
Sí
Sí
No
Repara el DNA; reinfcia la replicación después de que el DNA
dañado detiene la sínte sis
111
Sí
Sí
No
Elonga el DNA
IV
Sí
No
No
Repara el DNA
V
Sí
No
No
Repara el DNA, sintetiz a DNA con lesiones interpuestas
Función
Unión de los fragmentos: será la enzima DNA ligasa la encargada de unir los
dos nucleótidos comentados anteriormente, mediante· un enlace fosfodiéster sin
la necesidad de añadir un nuevo nucleótido. Solo se encarga de ligar el último
nucleótido añadido por la DNA polimerasa 1 con el primero añadido por la
DNA polimerasa III (Fig. 17-ll).
A modo de resumen, la tabla 17-2 presenta los componentes que se requieren para la replicación en las células bacterianas y su función.
1
c:funa vez eliminados y sustituidos
los primers, una DNA ligasa repara el
hueco que queda en la unión entre
los nucleótidos.
Diferencias significativas en la replicación del DNA en eucariotas
Una importante diferencia entre el DNA de las células eucariotas frente a las
procariotas es que las moléculas, además de ser lineales, son de mayor longitud.
Como ya se ha comentado, en el cromosoma eucariota hay varios orígenes de
replicación que aseguran una rápida copia de la larga molécula de DNA; sincronizar este proceso es algo complejo. Los orígenes de replicación de los organismos eucariotas presentan secuencias muy variadas, todas son ricas en A-T, debido al menor número de puentes de hidrógeno que deben romperse. El complejo
multiproteico ORC ( Origin Recognition Complex) se une a las secuencias y comienza a abrir la hélice. Como ya se ha descrito, . U.f! gran número de enlaces
c:fEl DNA de las células eucariotas
contiene muchos orígenes de replicación. En cada origen un complejo
multiproteico de reconocimiento del
origen se une para comenzar a desenrollar el DNA.
.
5'
3'@,:8 5'
3'
3'
5'
é ~p:
~'
3'
3'
5'
PP,
1
Figura 17-11. Actividad de la DNA ligasa.
La enzima establece el enlace covalente entre
e l 3'-0H del último nucleótido añadido por
la DNA polimerasa 1 y el 5'-P del fragmento
d e Okazaki siguiente. Esta unión requiere
e nergía aportada por la hidrólisis del ATP.
Tabla 17-2. Componentes necesarios para la replicación en las células bacterianas
Componente
Función
.
Proteína de iniciación
Se une al origen y separa las cadenas de DNA para iniciar la r eplicación
DNA helicasa
Desenrolla el DNA en la horquilla de replicación
Proteínas de unión a cadena sencilla
Se une al DNA de cadena sencilla y evita la renaturalizaCión ~
DNA girasa
Se mueve por la horquilla de replicación, corta y vuelve a uní r el DNA de doble hélice para liberar el
bucle que se produce como resultado del desenrollamiento en la horquilla de replicación
DNA primasa
Sintetiza primers cortos de RNA para proporcionar un grupo 3'-OH para la unión de los nucleótidos de
DNA
DNA polimerasa 111
Alarga una nueva cadena de nucleótidos a partir del grupo 3' -OH proporcionado por el primer
DNA polimerasa
Elimina los primers de RNA y los sustituye por moléculas de DNA
DNA ligasa
1
Une fragmentos de Okazaki por medio del sellado deJos hue cos en la estructura de azúcar-fosfato del
DNA recién sintetizado
J
332
SECCIÓN IV. EL FLWJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
d En el proceso de replicación
del cromosoma eucariota participan
al menos 13 DNA polimerasas diferentes.
débiles hace que la doble hélice sea muy estable, sin. embargo, estas enzimas
consiguen romper fácilmente estas pequeñas secuencias.
Las células eucariotas tienen miles de orígenes de replicación, con el fin de
poder replicar todo el genoma en un tiempo adecuado. No obstante, el uso de
muchos orígenes crea un problema con la coordinación de la replicación. Todo
el genoma se debe replicar de forma precisa una sola vez en cada ciclo celular, de
forma que ningún gen quede sin replicar y ninguno lo haga más de una vez.
Para lograr esta precisión durante la replicación del DNA, es necesario dividir
este proceso en dos pasos distintos. En el primer paso, los orígenes reciben una
aprobación para iniciar la replicación. Este paso se produce en un momento
inicial del ciclo celular, cuando un factor permisivo de la replicación (licensing
replication factor) se une a un origen. En el segundo paso, las proteínas de iniciación producen la separación de las cadenas de DNA y el comienzo de la replicación en cada origen aprobado. La clave está en que las proteínas de iniciación
solo actúan en los orígenes aprobados. A medida que las horquillas de replicación se alejan del origen, el factor permisivo se desprende y deja al origen en estado "no aprobado", por lo que no puede reiniciarse la replicación hasta que se
renueve el permiso. Para asegurar que el proceso solo se desarrolle una vez en
cada ciclo celular, el factor permisivo únicamente puede actuar una vez que la
célula terminó la mitosis y antes de la activación de las proteínas de iniciación.
Se han identificado una gran variedad de enzimas encargadas del proceso de
replicación del cromosoma eucariota, aunque presentan funciones muy parecidas a las descritas en la replicación del DNA procariota. Quizá la más complejas
son las DNA polimerasas, diferentes en número y funciones a las procariotas.
En la tabla 17-3 se recogen las principales DNA polimerasas y sus funciones
descritas.
Los telómeros son los extremos que aseguran
la replicación eficiente
¿Cómo se resuelve la replicación de los extremos en una molécula lineal? La replicación de los telómeros (extremos del cromosoma) ha proporcionado nuevas
claves para comprender la "fecha de caducidad" de las células.
Tabla 17-3. DNA polimerasas de las células eucariotas
DNA
polimerasa
Actividad polimerasa
5' -t 3'
Actividad exonucleasa
3' -t 5'
a
Sí
No
Iniciación de la síntesis del DNA nuclear y reparación del DNA; tiene
actividad primasa
~
Sí
No
Reparación del DNA y recombinación del DNA nuclear
y
Sí
Sí
Replicación y reparación del DNA mitocondrial
li
Sí
Sí
Síntesis de las cadenas líder y retrasada del DNA nuclear. reparación del
DNA y síntesis de DNA con lesiones interpuestas
E
Sí
Sí
Desconocida; probablemente reparación y replicación del DNA nuclear
t;
Sí
No
Síntesis del DNA con lesiones interpuestas
TI
Sí
No
Síntesis del DNA con lesiones interpuestas
8
Sí
No
Reparaci9n del DNA
Sí
No -
Síntesis del DNA con lesiones interpuestas
t
..
-
Función celular
· K
- Sí
No
Síntesis· de DNA con lesiones interpuestas
A.
-Sí
No
Reparación del DNA
¡.t
Sí
No.
cr
Sí
No
.
/
Reparación del DNA
Replicación del DNA nuclear (posiblemente). reparación del DNA y
cohesión de las cromátidas hermanas
\
\
CAPÍTULO 17. REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA
Si se observa la horquilla de replicación avanzando hacia el extremo de un
cromosoma, la banda retrasada habrá generado un primer complementario al
extremo 3'-0H, que la DNA polimerasa correspondiente se encargará de retirar. Sin embargo, en este caso no hay un extremo 3'-0H libre para que la
DNA polimerasa continúe rellenando el espacio dejado al retirar el primer (Fig.
17-12). Queda un extremo protuberante que debe ser rellenado por la enzima
telomerasa, una ribozima (con una porción de proteína y una porción de
RNA). Los telómeros presentan secuencias repetitivas ricas en G y la porción
de RNA de la telom