Download Bioquimica medica Tomo I

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a bioquímica es una ciencia que se ha desarrollado con un ritmo muy
acelerado en el presentesiglo. Los logros alcanzados en los últimos arios
en el conocimiento de esta ciencia han influido decisivamente en el
progreso de numerosas ramas científicas afines, en particular en las biomédicas.
Muchos hallazgos de la bioquímica han incidido directa o indirectamente en la
teoría y la práctica médica; por ello resulta imprescindible el dominio de los
aspectos fundamentales de esta disciplina por parte de médicos, estomatólogos,
licenciados en enfermería, y en general por todo el personal profesional relacionado con la asistencia, docencia e investigación en el campo de las ciencias médicas.
L
El texto fue elaborado teniendo en cnenta los intereses de las diferentes especialidades de las ciencias médicas. De igual modo, éste puede ser de utilidad a estudiantes de cualquier otra carrera biológica. En el Tomo IV se tratan, además,
algunos aspectos especializados de la bioquímica de interés clínico actual, lo que
permite a estudiantes de años superiores y graduados de las diferente ramas de las
ciencias médica5 complementar y aplicar conocimientos adquiridos al cursar las
ciencias básicas.
Nuestros propósitos son contrihuir a mejorar la comprensión de la disciplina
Bioquímica y destacar su importancia en la formación de profesionales de las
especialidades médicas. Corresponde principalmente a nuestros estudiantes evaluar en qué medida ello se ha logrado.
Los autores
CONTENIDO
Teorías evolucionistas 34
Evidencias en favor de la evolución de las especies 36
Resumen 36
Ejercicios 37
CAPfirrr,~
4. Formas básicas de organización
de la materia viva 39
CAP~TULO
1. La ciencia bioquúnica 3
Surgimiento y desarrollo de la bioquímica 3
Raíces y surgimiento de la bioquímica 4
Desarrollo y perspectiva de la bioquímica 6
Aportes de la bioquímica a otras ciencias biológicas 6
Aplicación de la bioquíinica a las ciencias médicas 9
Objeto de estudio de la bioquímica 12
Kesumen 12
Ejercicios 13
CAP~TWLO
2. La disciplina Bioquúnica 15
Célula procariota 39
Célula eucariota 40
Virus 41
Proloplasma 41
Fnncionesdel protoplasma 42
Organización de una célula eucariota tipo 43
Organismos pluricelulares 44
Unión intercelular 46
Comunicación intercelnlar 47
Resumen 48
Ejercicios 49
La disciplina Bioquímica en el plan de estudio
del profesional de las ciencias médicas 15
Categorías, principios y conceptos generales 16
Método de estudio de la bioquímica 19
Resumen 20
E,jercicios 20
CAP~TULO
3. La materia viva 21
I,a materia viva como producto de la evolución
de la materia iiiorgánica 21
Origen y evolución de la materia viva 26
Formación de las primeras moléculas biógeiias 27
Formación de bioinoléculas sencillas 28
Formación de las primeras macroinoléculas 29
Formación de las primeras estructuras vivas 32
Evolución de las células primitivas 33
CAPiTuLo 5. Intmducsión al estudio
de las biomoléculas 55
El agua en los organismos vivos 55
Sustancias orgánicas en la materia viva 58
Composición elemental y características generales de
las bionioléculas 58
Átomos en las hionioléciilas 58
Átomo de carbono 59
Enlaces químicos 60
Enlace iónico 60
Enlace covalente 60
Interaccioncs débiles 62
Puente de hidrógeno 62
lnteraccioiies hidrofóhicas 62
Iiiteracciones electrostáticas 63
Fuerias de Van der Waals 63
Hidrocarhuros 63
Hidrocarbiiros alifáticos 63
Hidrocarburos cíclicos 65
Agrupaciones o grupos funcionales
en las hiomoléculas 67
Grupo hidroxilo 67
Grupocarhonilo 68
Grupo carboxilo 68
Grupo sulfidrilo 69
Grupo auiiiio 69
Amidas 70
Agrupaciones atóniicas derivadas 70
Hemiacetales 70
Acetales 70
Ésteres 71
Enlace éter 72
Tioésteres 72
Enlace amida 72
Anhídrido de ácido 72
Isomería 73
IsonieríaestmctiiraI 73
lsomería espacial 74
Conformaciones distintas de las moléculas 77
Sistemas dispersos 77
Formas de expresar la concentración 78
Resumen 79
Ejercicios 80
CAP~TULO
6. Aminoácidos 85
Concepto y características generales 85
Estructura de los amiiioácidos que constituyen
las proteínas 86
Clasificación de los aminoácidos 90
Propiedades físicas de los aminoácidos 91
Propiedades ópticas de los aminoácidos. Series
estéricas L y D 91
Propiedades eléctricas de los aniinoácidos 92
Especies iónicas de los aminoácidos 94
Importancia de los grupos en la cadena R de los
aminoácidos 99
Reacciones químicas de los aniinoácidos 100
Reacción de la ninhidrina 100
Formación del enlace peptídico 100
Resumen 102
Ejercicios 102
CAF'hVL0 7. Monosaeándos 105
Concepto y clasificación 105
Monosacáridos simples 105
Interconvcrsiones entre aldosas y cetosas 107
Formas cíclicas de los moiiosacáridos: el hemiacetal 108
Anómerosalfa y beta 110
Monosacáridos derivados 112
Derivados glicosídicos 115
Carácterreductor 116
Funciones de los monosaciiridos 116
Resiiinen 116
Ejercicios 117
CAP~TULO
8. Nucleótidos 119
Concepto 119
Clasificación 120
Según la base nitrogenada 120
Según el tipo de azúcar 121
Según el número de fosfatos 121
Nucleósidos 121
Nomenclatura 121
Propiedade.$fisico-químicas de los nucleótidos 122
Carácter hidrofílico 122
Propiedades ácido-hásicas 122
Tautnmeria 123
Absorción de la luz ultravioleta 123
Otras características químicas y estructurales de los
nucleótidos 123
Funciones de los nucleótidos 124
Resumen 125
E,jerrício 125
CAPÍTULO9. Características generales
de las macromoléculas 127
Característicasgeiierales 128
Elevado peso molecular 128
Carácter polimérico 129
Carácter uniforme 129
Carácter lineal 129
Carácter tridimensional 130
Carácter informacioiial 135
Tendencia a la agregación 137
Relación estructura-función 137
Propiedades generales 137
Difusión 138
Diálisis 138
Sedimentación 139
Visualización 140
Hidrólisis 140
Difracción de rayos X 140
Métodos empleados en el estudio
de las macromoléculas 141
Obtención de la macromolécula 142
Separación de la macromolécula 142
Criterios de pureza 144
Caracterización de la macromolécula 144
Una incógnita 145
Resumen 145
E,jercciins 146
CAP~TULO
10. P o k f s n d o s 149
Oligosacáridos 149
Disacáridos 150
Importancia de los disacáridos 151
Glicoproteínas 152
Glicoesfingolípidos 153
Polisacáridos 153
Homopolisacáridos 153
Heteropolisacáridos 156
Resumen 160
Ejercicios 161
Cmfiur.0 11.Estructura de los Beidos nucleicos 163
Tipos y funciones 163
ADN como material genético 164
Estructura primariadelos ADN 165
Conformación de los nucleótidos 167
Relación base pentosa 167
Conformación de la pentosa 168
Relación pentosa fosfato 169
Estructurasecundaria de los ADN 169
Accidentes en la doble hélice 172
ADN 174
Otrasestructurasdel ADN 174
Estabilidad de la doble Iiélice 175
ADN superenrollado 177
Desnaturalización del ADN 177
Formas de presentación del ADN 178
ADN virales 178
Plásmidos 179
ADN mitocondrial 179
Cromosoma bacteriano 180
Cromosonla eucarionte 180
Métodos empleados en el estudio del ADN 180
Obtención del ADN 181
Separación de los AUN 181
Localización de ADN específicos 182
Estmctnra general de los ácidos ribonucleicos 183
ARN de transferencia 187
ARN ribosomal 189
ARN mensajero 190
ARN pequeños 191
Métodos empleados para el estudio de los ARN 191
ARN como material genético 192
Resumen 192
Ejercicios 193
C ~ ~ f i u r12.
. 0Proteínas 195
Péptidos y proteínas 195
Estructura de los péptidos 195
Funciones biológicas 197
Importancia biomédica 197
Proteínas 198
Clasificación de las proteínas 198
Estructura primaria 199
Organización tridiiiiensional 202
Estructura secundaria 202
Estmctura terciaria 206
Estructnra cnaternaria 211
Relación estructura-función de las proteínas 211
Desnaturalización 21 1
Proteínas alostéricas 212
Propiedades físico-químicas de las proteínas 213
Electroforesis 214
Aspectos estructurales de algunas proteínas
fibrosas 215
Alfa-queratomas 215
Triple hélice o tropocolágena 215
Resumen 217
Ejercicios 217
CAP~TULO
13. Estnictura de los tipidos 219
Concepto y clasificación 219
Función biológica 220
Ácidos grasos 221
Propiedades físicas de los ácidos grasos 226
Propiedades químicas de los ácidos grasos 226
Ceras 228
Acilgliceroles 228
Fosfátidos de glicerina o glicerofosfátidos 229
Funciones de los fosfátidos de glicerina 229
Esfingolípidos 232
Funciones de los esfingolípidos 234
'Ierpenos 234
Esteroides 235
Resumen 238
Ejercicios 238
CAP~TULO
14. Reacciones químicasy catalizadores 245
Reacciones químicas 245
Energltica de las reacciones químicas 246
Energía libre 248
Reacciones acopladas 251
Velocidad de reacción 253
Orden de reacción 254
Reversibilidad y equilibrio 256
Energia de activación 259
Cataliiadores 261
Resumen 262
E,jercicios 263
Proteólisis limitada 312
Variación en el estado de agregación 312
Interacciónproteína-proteína 313
Translocación de enzimas 314
Cambios en la especificidad 314
lsoenzimas 316
Resunien 317
E,jercicios 318
CAPíTULo 18. Organización de las enzimas 321
CAP~TULO
15. EllZimSS y centro activo 265
Biocatalizadores 265
Mecanisnio básico de acción dc las enzimas 266
Centro activo 267
Formación del complejo cndina-sustrato 269
Mecanismo de la catálisis 270
Modificaciones de centro activo 272
Especificidad de las enziinas 272
Centro activode la quimotripsina y la tripsina 273
Clasificación y nomenclatura de las enzimas 276
Resumen 281
Ejercicios 282
CAP~TULO
16. Cinética enzimática 283
Condiciones para los estudios ciiiéticos 283
Efecto de la concentracióii de enzima 284
Efecto de la concentración de siistrato 285
Efecto de la concentración de cofactores 291
Efecto del pH 291
Efecto de la temperatura 292
Efecto de los activadores 292
Efecto de los inliibidores 293
I<esiimen 295
Ejercicios 296
CAP~TIJL.~
17. Regulación de la actividad enzimhtica 299
Formas básicas de la regulación enzimática 299
Componentes de un sistema de regulación 300
Regulación alostérica 301
Modelo simétrico o concertado 302
Modelo secuencia1 304
Características generales de las enzimas
alostéricas 305
Modificación covalente 306
Modificación por fosforilación desfosforilación 307
Modificación por adenilacióu desadenilación 310
Otros tipos de modificaciones 311
Fenómeno de amplificación 311
Otros mecanismos de regulación 312
Citotopografia de las enzimas 321
Formas básicas de existencia de las eniimas 322
Enziinas simples 323
Complejos multienzimáticos 323
Enzimas multifuncionales 324
Enzimai unidas a membranas 324
Asociaciónenzimas-proteínas 326
Fenómeno de canalizacibn 327
Asociaciones supraenzimáticas 328
Topografía de las enzimas 329
Resumen 330
Ejercicios 331
CAP~TULO
19. Cofaetom enzimáticoa 333
'Tipos de cofactores 333
Formas de actuar los cofactores inorgánicos 334
Formas de actuar las coenzimas 334
Coenzimas y vitaminas 335
Piridín nucleótidos 335
Flaviii nucleótidos 337
Ácido lipoico 338
Glutatión 339
Porfirinas 339
Biotina 340
Pirofosfato de tianiina 341
Acido tetrahidrofólico 342
S-adenosil-metionina 343
Coenzima A 343
Fosfato de piridoxal 344
Coencima B,,(5'-adenosil-coba!amiiia)346
Nucleósidos trifosfatados 347
Resumen 349
Ejercicios 350
La bioquimica es una ciencia relativamente nueva, pero Iia tenido un
desarrollo vertiginoso en las últinias décadas de este siglo; las ciencias
médicas se han I>eneficiadocon los aportes que ésta les ha brindado.
La materiavivaseformb a partir delainor&ica. durante nn largopnwso evolutiuo, y aunque muclios elementos se encuentran forniando parte de ambas niaterias,
la coniposición relativa de éstos y su organización niolecular son diferencias fundanientales entre ellas. Las nioléculas características de la materia v i ~ ason las
I>ioiiioléculas.
L
E1 esclarecimiento de la relacibn entre la composición y la conforiiiación de las
biomoléculas,en especial delas niacro~iioléciilas,Iiapermitido niejor coniprensión
de su relaciún estriictura-función; todo ello ha contribuido a esclarecer el carácter
inforniacional que &as poseen, en el cual se fundanientan sus funciones espccífica..
En los capítulos de este primer tomo se tiene como ot),jetivoproveer nl lector de los
conociinientos hásicos relacionados con la materia viva r su coninosición. Iiaciendo tnfasis en la rclaciún estructura-fuiicibn de las bionioléculas, como un requisito
indispensal>lcpara el estudio posterior de otros temas de la hioquíiiiica. SúIo un
conocimiento profundo de la estructura y función de todas las bionioléculas, aportará al lector las bases moleculares necesarias para adentrarse en el estudio de todos
y cada uno de los diferentes procesos bioquímicos que caracterizan a los organismos vivos.
Introducción a la sección
a hioqníniica es laciencia que estudia la química de la vida. El extraordinario
auge experimentado por esta ciencia en los últinios años Iia contrihnido
mucho a la .orofnndización
del conociiniento de los orocesos ~ita1es.asn vez.
.
ha impulsado el desarrollo de nunierosas ciencias afines, especialmente las hioniédicas
y contrihuido a la introducción de numerosos adelantos tecnológicos en la práctica
mtdica como: nuevos medicamentos, vacunas y ttcnicas diagnústicas, entre otros.
L
De todo ello se infiere la necesidad del estudio de la hioqiiiinica para los profcsionales de la medicina. Esta sección se propone adentrar al lector en los aspectos niás
generales y básicos de esta ciencia, eii sus raíces y ohjcto de estndio y en las evidencias
de su aplicaciún a las ciencias nibdicas; a este propósito se dedica el capitulo l. Eii el
capítulo 2 se da una panorámica de la disciplina Bioquímica, de sn alcance, de la
necesidad de su estudio para los profesionales de las ciencias médicas; se trata tanihitn
en este capitulo de las categorias, principios y conceptos generales de esta disciplina.
En el capítiilo3, se exponen las características y atributos esenciales de la materia viva,
así como algunos aspectos sobre su gtnesis y evolución. Por último el capítulo 4 se
dedica a las diversas formas de organización de la inateria viva, desde los virus hasta
los organismos pluricelulares más coniplejos. Esta sección tieneel ohjetivo de preparar, deforma preliminar, al lector para el estudio de las secciones siguientes.
La palabra bioquímica significa etimológicamente «químicade la vida», la ciencia que se ocupa de las bases moleculares de la vida; por lo tanto, aborda el estudio de
la composición química de la materia viva, la relación estmctura-funciónde las moléculas caractensticas de los seres vivos, así como las transformaciones químicas que
ocurren en ellos y además, los mecanismos moleculares que intervienen en la regulación de tales transformaciones.
La bioquímica es una ciencia que se consolida como tal a inicios del siglo xx y,
aunque sus raíces pueden ubicarsea fines del xvm,es solamente en los últimos años del
xm que comienza a periüarse como una ciencia independiente y, de hecho, el término
bioquímica se emplea por primera vez en el año 1903.
La química orgánica,la ñsico-química,la biología general, la microbiología,las
f~iologíavegetal y en particular la humana aportaron elementos valiosos y fueron las
fuentes científicas principales que contribuyeron al nacimiento de la bioquímica, la
cual se fueconformando ooco a %o. Es de resaltar la interacción histórica existente
entre la bioquímica y otras ciencias biológicas,ya que si bien éstas desempeñaron una
función importanteenel surgimiento de aquélla,mmo fuera ya señalado,la bioquímica
ha impulsado demanera considerable el desarrollo y avance de las demás ramas biológicas, particularmentelas biomédicas.
En los avances experimentadosdurante los últimos años en las ciencias médicas, los aportes de la bioquímica han desempeñado una función destacada, así la
comprensión de las causas moleculares de numerosas enfermedades, el desarrollo de
variadas técnicas diagnósticasde laboratorioy el empleo de algunos medicamentosen
el tratamiento de determinadas afeccionesson ejemplos de la aplicación directa de
esta ciencia a la práctica médica.
Eneste capíhilo revisaremossomeramenteel desando histórico dela bioquímica,
sus aportesa otras ciencias biológicas y en parücular a las ciencias médicas, resaltando
la importancia desu estudio para los profesionales de la medicina, además dedejar
sentado el objetode estudio deesta importante rama de la ciencia.
~
~
~~
Surgimiento y desarmiio de la bioquímica
El origen y desarrollo de la bioquímica son un proceso histórico continuo, aunque
su mayor auge se alcanza en el siglo xx. Sólo con fines didácticos abordaremos el
estudio del desarrollo histúrico de esta ciencia en 2 etapas: raíces y surgimiento;
desarrollo y perspectivai.
En raíces y surgimiento nos referiremos a los estudios más tempranos realizados
desde los tiempos de los alquimistas hasta el reconocimiento de la bioquímica como
ciencia independiente, por lo queesta etapa se extiende,desde mediados del siglo xviii
basta inicios del siglo xx.
En desarrollo y perspectivas trataremos de los estudios llevados a cabo en este
siglo hasta nuestros días y se plantearán algunos de los alcances probables de esta
ciencia en los próximos años.
Las raíces u orígenes de la hioqnímica se relacionan con las primerai investigaciones llevadas a cabo por distintos científicos en relación con la composición quíiiiica
de las sustancias naturales, así como con los estudios iniciales de algunas transformaciones químicas o procesos característicos de organismos vivos.
Los trabajos experimentales que se consideran pioneros en este sentido son los
realizados a finales del siglo xvm por el farmacéutico sueco Karle Scheele, quien
logró aislar e identificar a partir de tejidos vegetales y animales un grupo de conipuestos como: glicerina (a partir de aceites vegetales),caseína(a partir de la leche) además
de los ácidos cítrico, láctico, málico, tartárico y úrico, de fuentes diversas. Distintos
investigadores, de forma independiente, obtuvieron variados compuestos biológicos
a partir de diferentes productos naturales.
Estos trabajos iniciales, que abrieronwa etapa importante en el conocimiento de
la composición química de los seres vivos, aportaron elementos básicos en el
reconocimientodesu carácter material, y tambiénsuminiitraron evidenciasencuanto
a la similitud entre los componentes químicos de especies distintas. Con el desarrollo
de las técnicas del análisis químico, cuantitativo y elemental, los investigadores Jons
Berzelius y Justils Liehig, en los primeros años del siglo xix, demostraron la presencia
significativa de carhoiio en todos los compuestos aislados por Scheele, hecho fundamental en la comprensión de la función del carbono en la química orgánica.
De los trabajos iniciales relacionados con el estudio de las transformaciones químicas que ocurren en los seres vivos, se les confiere importancia tundamental a 2
resultados que corresponden tanihién con los años finales del siglo xviii. El priinerode
ellos realizado por AntoineLavoiser, en los años de 1779 a 1784, sohre la respiración
celular. Lavoiserefectuó un estudio comparativo del calor desprendido en la respiraciún de células vivas y en la combustión de algunos compuestos carbonados en una
bombacalorimétrica, con lo cual llegó alaconclusiún de quela respiraciún celular era
un proceso de combustiún del carbono con intervención del oxígeno molecular, es
se consideran coiiio las raíces del nietabodecir,. un.Droceso oxidativo. Estos trabaios
"
lismo energético. Como consecuencia de estos resultados a principios del siglo six, se
establecen los valores calúricos (calor desprendido por su combustión) por cada gramo
de rdrhohidratos, graias y proteínas.
El segundo hallazgo, realizado en el año 1783 por LázaroSpallanzani, se considera también ligado alnacimieiitode la bioquíinica y está relacio!uddo con el proceso de la digestiún gástrica. En este trahajo se demuestra que el proceso digestivode lai
proteínas ingeridas en la dieta consistía en transforinaciones químicas, que podían ser
reproducidas con bastante similitud extracelularmente, si se utilizaban «ciertas sustancias gástricasa, obtenidas mcdiante fistulas quirúrgicas en animales de experinientación.
A partir del reconocimiento de la presencia de carbono en los distintos compuestos obtenidos de la materia viva, se realizaron numerosos intentos para lograr su sintesisen el lahoratorio. Esto constituía por esa época un serio reto, pues la religión y
determinadas corriente? oscurantistai,muy arraigadas lmr eva época, conio el vitalismo,
que los compuestos orgánicos sólo podían ser producidos por los organismos vivos, ya que era necesariala presencia de una «fuerza o aliento vital» queexistía
sólo en éstos.
Correspondió a Fiedrich Wohler el mérito de lograr, por vez primera en el
laboratorio, en el año 1828, la síntesis de un compuesto biológico: la urea, una
sustancia que se excreta por la orina, producto del metabolismo de compuestos
nitrogenados; con esto aportó una evidencia importante en contra del vitalismo.
Unos años más tarde, AdolfKolh sintetizaba también el ácido acético. Sin embargo, fue sólo después de los trabajos de Marcellin Berthelot, quien obtuvo la
síntesis química de varios compuestos existentes en los seres vivos, que la teoría
vitalista quedó científicamente demolida.
Mucho le debe la bioquímica a las investigacionessobre fermentación. Después
que Theodor Schwann había identificado la fermentación alcohólica como un proceso
biológico, Joseph Gay Lussac, en 1815, añadía que este proceso consistía en reacciones químicas, y ya en 1839 Beneliusy Liebiglo identifican como un proceso catalítico.
De particular relevancia fueron los aportes de LouisPasteur relacionados con los
procesos fermentativos. En el año 1850, Pasteurplanteó que la fermentación de la
glucasa por la levadura se debía a la acción catalítica de fermentos, nombre con el que
comenzó a identificarse las biomoléculas que hoy reconocemos como enzimas; además,& mismo investigador constató la existencia de organismosaembios y anaerobios
y describió 1a.función inhibitoria del oxígeno molecular en el proceso fermentativo
(Efecto Pasteur).
En 1893, Wiihem Friedrick Ostwaldexponeque los fermentos cumplen los ahibutos fisico-químicosde los catalizadores.
Años más tarde, en 1897, se obtiene un importante avance en este campo, cuando
EduardBuchnery su hermano Hanslogran producir la fermentación en extractos
übrerde células. Esto permitió la ideniühciónde las enzimas y reaccionesinvolucradas
en este proceso. Los estudios sobre la fermentación se pueden cousiderar como las
bases de la enzimología y los procesos metabólicos.
se formulan 3aportes fundamentales al conocimiento de la
Durante este siglox~u
biología que influyeron notablemente en el pensamiento científicode la época. Estos
aportes constituyeron verdaderas revoluciones biológicas, ellas son: La 'ibría Celular, formulada por Mathias Jacok Schleiden y IlliwdorScha wann, en 1838; La %
rla de la Evolución de Charles Darwin, en el año 1859 y Las Leyes de la Genética
expuestas por GregorMendel, en 1865. Estos aportes trascendentales contribuyeron
mucho a la comprensión de la unidad básica de la materia viva en toda la naturaleza.
Corresponde también a esta etapa,los estudios iniciales en relación conla estructura
química de biomoléculascomplejas.Al resperto merecen destacarselos trabqjos realizados por Mchel Chemul, quien a partir de la reacción de saponiñcación (hidrólisisalcalina
degmw), demostró que&& estánformadas por glicerina y ácidas grasos.
En 1868, FriedrichMescheridentificael primer ácido nucleico a partir de células
de pus, procedentes de vendajes quirúrgicos y otras fuentes. Este resultado abrió el
estudio de un nuevo campo, que ha sido sin lugar a dudas, uno de los que ha contribuido decisivamente al desarrollo de la biología molecular, es decir, el estudio de la
estructura y función delos ácidos nucleicos.
En el estudio de la estructurade las biomoléculas,merecen especial mención los
aportes importantes de Emil Fischer, en relación con la estructura de carbobidratos,
grasas y aminoácidos.
Un aporte también relevante fue la obtención de aminoácidos a partir de un
bidrolizado de proteínas por Mulder, Liebig y otros, lo cual permitió que ya en 1902,
apenas comenzado el siglo xx, Hobmeistery Fischerconcibieran a las proteínas como
polímeros de aminoácidos.
Con todos estos resultados, la bioquímica se consolida como ciencia independiente y, en efecto, en los inicios del siglo xx, el año 1903, CarlNeubergemplea por
vez primera este térmúio para identificarla.
En el siglo xx seexperimenta un notable augeen las investigaciones relacionadas
con la bioquímica,causado en gran parte por el desarrollo tecnológico alcanzado, lo
que dio lugar a la introducción denuevas técnicas como: la microscopiaelectrónica, la
difracción de rayos X, la ultracentrifugación, el uso de radioisótopos, la obtención de
mutantes en nucroorganismos, la espectrofotometna, los métodos de determinación
de secuencias en macromoléculas, y otrai.
Todo ello permitió un rápido avance en la elucidación de vías metabólicas. Así, en
1905, FranzKnoop describe el proceso de B oxidación de los ácidos grasos; en 1912,
se realiza por Neuberg, la primera propuesta de lar secuenciar de reacciones del proceso de fermentación, el que seríacompletado años más tarde por Gustav Embden, Otfo
Meyerhofy otrus investigadores. En 1932, Hans Krebsy KurtHenseleit, describen las
reacciones del ciclo de la ornitina, y en 1937, de nuevo Krebs y Knwp, conjuntamente
con Carl Martius, describen las reacciones del ciclo de los ácidos tricarboxlicos,
conocido también como ciclo de Krebs. Al año siguiente Alexander Braunsfein y
K r i h a n n , caracterizan las reaccionesde transaminación.
A partir del esclarecimiento de estas vías básicas y centrales del metabolismo, en
los años siguientes, se fue completando el conocimiento de las distintas rutas
metabólicas, lo cual ha significado un aporte valioso a la comprensión de los procesos
vitales y a una mejor interpretacióu de las afecciones metabólicas que pueden presentarse durante una serie de enfermedades.
En los primeros lustros de este siglo se obtienen resultados importantes en relación con las investigaciones enzimáticas y el metabolismo energético..A inicios del
siglo xx, Fisrher efectúa los primeros estudios de especificidad enzimática. En 1926,
se logra por JamesSumnerla cristalización de la primera enzima: la ureasa. Él comprueba la naturaleza proteínica de ésta y postula que las enzimas son proteínas; sin
embargo, esta proposición es muy rechazada por otros investigadores, los que sostienen que el resultado obtenido por Sunmerpodía ser causado por una contaminación.
No es hasta el año 1930, en que John Northopy otros obtuvieron pepsina y tripsina
cristalizadas y corroborarun los resultados de Sumner, que fuera aceptada de forma
general la naturaleza proteínica de los biocatalizadores. En relación con el mecanismo
de acción de las enzimas, y la cinética y regulación de su actividad, son muchos los
hallazgos realizados durante estos últimos años; pero estos aspectos serán abordados
en la sección dedicada a los biocatalizadores.
Otro descubrimiento notable fue el del adenosín trifosfato (ATP), realizado en
el año 1925 por Lohmann, Fiskey Suhamwy el reconocimiento de éste como transportador principal y universal de energía, por Fritz Lipmann y Herman Kalckar, en
1941.Por otra parte, David Keilin aclara los mecanismos involucradar en las oxidaciones biológicas en el año 1934, y ya en 1961, PeterMitcl~ellpostulala primera versión
del mecanismo quimiosmótico del proceso de síntesis mitocondrial del ATP
(fosforilacion oxidativa), la cual ha sido enriquecida con experiencias ulteriores y
esencialmente confirmada, por lo que en la actualidad es la teoría universalmente
aceptada para explicar este proceso.
Los estudiossobre la estnictura primaria de las proteínas obtuvieron sus primeros
resultados significativos con la determinación de la secuencia de aminoácidos de la
hormona insulina, culminados por Frederick Sangeren el año 1953. Por esta época,
los investigadores Linus Pauling y Robert Corey proponen el modelo en a hélice
como estmctura regular presente en un gmpode proteínas,loquefuecomplementado
después conla identificación de otros tipos de ordenamientos regulares y no regulares,
presentes en el nivel secundario de las proteínas; años m;ís tarde, Jobn Kendrewy Max
Perutzdeterminan la estmctura tridimensional de la? proteínas mioglohina y hemoglobina, utilizando,fundamentalmente, la técnica de difracción de rayos X. En la actualidad, esos estudios se han profundizado y ampliado,por lo que seconoce la estmctura
completa de numerosas proteínas tanto en lo referentealnúmero y disposiciónde los
Años más tarde el propio Milstein consigue producir, a partir de los hibridomas,
los anticuerpos monoclonales, uno de los aportes de may ores perspectivas de la biología en los nltimos años. Estos anticuerpos nionoclonales han podido emplearse con
éxito en la identificación de hormonas y en la detección de células cancerosas, entre
otras muchas aplicaciones.
Pero los avances de la bioquímica han sido importantes no sólo para la genética y
la ininunología, sino que abarcan muclios otros campos. Algunos hallazgos se han
alcanzado en relación con la caracterización delas alteraciones del metabolismo lipidico
en general, y particularmente en cuanto a los factores que favorecen la aparición de
arteriosclerosis.En 1968 Glo~nsetproponela teoría del transporte reversible de colesterol
y el papelde IasHDLen el retorno de este esteroide al hígado; en el añode 1975 Bmwn
y Goldstein describen la ruta de los receptores de LDL para estas lipoproteinas, vía
importante en la regulación del colesterol sanguíneo. Por otra parte, también se han
obtenido avances en el esclarecimiento de los cambios metabólicos aue ocurren en
células cancerosas, lo que unido al descubrimiento de los oncogenes y a los estudios
realizadosdel proceso de transformación celular, constituyen una esperanzadora perspectivaparaunfutumprometedor enlalucha contra esta terrible enferniedad.
El avance vertiginoso experimentado por la ingeniería genética y la biotecnología,
así como la inmunología, en cuyos desarrollos ha contribuido significativamente la
bioquímica, han permitido que sean posibles sus aplicaciones al diagnóstico, a la
elaboración de vacunas y productos naturales y se señalen perspectivas futuras en el
tratamiento de enfermedades hasta ahora incurables.
Aportes de la bioquúniea a otras ciencias biológicas
Por ser la bioquímica la ciencia que explica las bases moleculares de la vida,
resulta fácil comprender cómo los logros y avances deaquélla,repercuten en las demás
ciencias biológicas. Puede por tanto decirse que todos los descubrimientos, todo el
progreso científico alcanzado por la bioquímica, ha implicado un aporte a las otras
ramas dela biología, y en la medida queaquélla sedesarrollaba impulsaba el progreso
de ciencias afines.
Así el conocimiento de la composición química de numerosas sustancias naturales presentes en los seres vivos, el estudio de la estructura de las biomoléculas, sus
propiedades y organización macromolecular, demostraron la relación indisoluble entrela estructura de todas ellas y la función quedesempeñan.
La bioquímica ha aportado elementos importantes de apoyo a la teoría
evolucionista, como son: la similitud estructural de moléculas que desempeñan las
mismas funciones en especies distintas, la universalidad del código genético y la
existencia de numerosas vías metabólicas semejantes en distintos organismos, por
sólo citar algunos.
Experiencias de simulación en los laboratorios, que reproducen con cierta fidelidad asDectos esenciales de las condiciones nresumiblemente existentes en la Tierra
primitiva, han aportado valiosos datos a la teoría del origen abiótico de la vida y a la
comprensión de los eventos que pudieran haber ocurrido en el largo proceso de la
formación de la materia orgánica y de los primeros organismos vivos.
La dilucidación de la estructura tridimensional de biopolímeros permitió comprender, además, los mecanismos moleculares de su función, lo que ha significado un
avance tremendo en el conocimiento de la forma en que se realizan procesos tan
fundamentales para la vida como la acción catalítica de las proteínas enzimáticas(los
biocatalizadores) y entender la manera en que otras proteínas realizan su función.
El modelo de Watson y Crick en la estructura del ADN y el descifrado del código
genético hicieron posible la comprensión de los mecanismos generales del almacenamiento, trasmisión y expresión de la información genética. El esclarecimiento de estos
procesos en células procariotas y eucariotas ha permitido aplicar algunos de los conoci~
~
,,,ientos adquiridos en ramas diversas cuino: la agricultura, la microbiología, las nicditinas humana y veterinaria, etcétera: niuchos de los aportes de la hioqiiíinica en esta
temática han sido de aplicación en la preparación de niedicanirntos variados, coiiio
muchos antibióticos y citostúticos.
La comprensión al nivel inolecular de fenónieno~biológicos de griin iiiiyortancia
como mutación, duplicación y reconihinacióii de genes, ha yeriiiitido entender las
fuentes de variacióii poblacional, Imse de la teoría cvolucioiiista, así como la rcsisteiitia a antibiótieos desarrollada por algunas cepas de iiiicroorganisnios: a su vei qiie ha
facilitado la identificación de enfermedades iuoleciilares y otras alteraciones Iiereditarias,lo que ha significado un avance fiindamental a las ciencias niédieas, como vcremas más adelante con más detalle.
Los aportes de la bioquíiniea a la genética han sido niiiiierosns y trascendentales.
El aislamiento y caracterización funcional de cicrtas enzinias y otros conipuestos
importantes involucrados en la hiosíntesis de proteíiias y trasmisión de la información
genética, han sido fundamentales para el siirginiiento de la ingeniería genétiea.
La dilucidación de las distintas vías nietahúlicas, conio la fotosíntesis y la respiración celular, así conio la fiineinn de la nioléciila de A.W en el alniacenamicnto y
transferencia de encrgía en los distintos organismos vivos,lian permitido la conipreiisión molecular de aspectos esenciales de la vida, coiiio el intercambio de sustancia y
energía con el medio y la autorrcgiilación, así conio los mecanismos de la
hiotransducción; esto es. la capacidad que tienen los orgaiiisnios vivos de eanihiar un
tipo de energia en otro.
Tanto el connciiiiientode la estriictiira tridiniensioiial dr las proteínas. con función
de antieuerpos (las inmunoglobulinas).como el esclareciinieiito delos ineeaiiisnios de
almacenaniientoy expmión de la iiiforinación genética han permitido sclarecer, en g n n
medida, la capaeidad de sta~
iii«l&ula~para reconocer compumtos variados y reaccionar específicamente con éstos. Ello ha contribuido al desarrollo de la inniunología y las
ciencias relacionadas y constituye un \diuso ejeniplo del recoiioeimientoniolerular, que
se maiiitiesta tanihién cn las intcraccionesIioriiioiia-receptor y cnzinva-siistrato.
El estudio de las asociaciones supranioleciilares ha significado un salto cualitativo
en la b i o l o ~ celular
a
Iia dado lugar al dc~arrollode la biología inolecular; así, el estudio
de la asnciaeión de distintos tipos de lípidos coiiiplrjos, proteínas y algunos glúcidos,
permitió dilucidar la estnichira íntima de la7 iiienibranas hiológicas y coiiiprender niejor
aleunas de sus Funchmcs. cuino cl traiisnorte selectivo dr sustancias. Por otra narte., la
constitución de los rihosomas y la cromatina ha podido entenderse inucho mejor en la
medida quese Iia profuiidi7~doen las interaccionesde la5 proteínas y los úcidos niicleicos.
La mierohiología, la botánica. la agricultiira, la industria farniacéiitica, la hinlngía
celular, la iiiui~inología,la genética, la ingeniería genética y la hiotecnología, así
como las ciencias médicas, tanto la veterinaria como la hiiinaiia. han recibido importantes beneficios en las aplicaciones concretas de numerosos descubriiiiient»s
bioquíniicos a sus intereses yarticiilarcs, lo que Iia redundado en avances importantes
deestas ciencias afines.
No podcinos olvidar el aporte tecnológico y metodológico que la hioqiiíiiiica ha
entregado a otras ranias hiológicas, entre las que piiedcn nicncionarse: las técnicas
cromatográficas, las electroforéticas, las de iiltraceiitrifugación, las enziiiiúticas, el
marcajc radioisotópico, la síntesis dc niacromoléculas, el aislamiento de genes y su
incliisióii en el niaterial gen&« dr iiiia célula ?jena y la amplificación y recomliinacióii
de genes, por sólo citar algunas de las inás iini\~rrsaliiienteeniplradas.
.
Aplicación de la bioquímica a las ciencias médicas
En el acápite anterior tratamos los aportes deesiacicncia a otras ramas biológicas
de forma general, ahora abordaremos el estudio de la contribución de la bioquíinica a
las cicncias médicas de forma particular.
Desde la antigüedad se conocía que con el aporte de determinados alimentos a la
dieta se lograba obtener la cura de algunas enfermedades, más tarde identificadas
como enfermedades nutricionales. La hioquímica ha sido principalmente la que pudo
esclarecer la función de cada lino de los distintos nutrientes eu el organismo, proporcionando con ello m ~ j o r e condiciones
s
a la práctica médica, particularmente en la
prevención y tratamiento de las enfermedades nutricionales por carencia y por exceso,
al baherseestablecidolas cantidades requeridas decada uno de estos nutrientes para el
desarrollo normal del individuo.
Algo similar pudiera decirse acerca de las enfermedades endocrinas, las que
se presentan por carencia o exceso de las hormonas. Las hormonas son compuestos biológicos que aunque poseen naturaleza química variada, desenipeñan todas
ellas fuuciones de regulación en los organisnios pluricelulares. Para comprender
mejor las endocrinopatías, se hizo necesario esclarecer las funciones de las hormonas.
Idadiabetesmeüitus,enfermedad muy difundida en el mundo,se manifiesta por
aumento de la glucosa sauguínea, la que puede también aparecer en la orina. Los
enfermos diabéticos no tratados pueden sufrir múltiples coinplicaeiones, pero los síntomas se revierten en la mayoría de los easos, por la administración de la hormona
insulina o compuestos que estimulan su secreción, y con una dieta apropiada. El
diabético se reconoce como un enfermo que presenta déficit de acción insulínica, que
resulta fundamental en la regulación del metaholisino.
Por disminución de la síntesis de Iiornioiia o por exceso se presentan una serie de
enfermedades, las que han podido ser me,jor interpretadas y por lo tanto eficienteniente
controladas, en la niisina medida en que se han ido conociendo la estructura, las
propiedades y el mecanismo íntinio de acción de la hormona correspondiente. Por otra
parte, el conocimiento de la estructura de las que presentan naturaleza proteíniea,
como la insulina y la hormona del erecimiento, ha permitido su síntesis químiea, lo
que también se ha logrado por medio de la ingeniería genétiea.
El conocimiento de las enfermedades inoleculares adquiere especial relieve, su
causa radica en un déficit de algnna proteína (frecnenteiiiente una enzinia), o en la
síntesis de proteínas anorinales, por presentar uno o niás aminoácidos diferentes en
relación con la normal, tal es elcasode numerososcuadros que se trasmiten defoima
hereditaria. Con el avance actual pueden ser detectados los portadores y realizarse,
cuando proceda, el diagnbstico intraútero, lo que permite a los padres decidii;eoii la
asesoría de un especialista, la interrupción o no del embarazo.
Existen muchas enfermedades de este tipo, ejemplo d e ellas es la
drepanocitosis o anemia falciforme, enfermedad que se caracteriza por la presencia de una hemoglobina anormal, que provoca serias alteraciones del glóhulo
rojo y sil eventual destrucción e iinplica cuadros hemolíticos que pueden ser muy
severos. Estos casos son detectados en nuestro pais y se orientan a las parejas
portadoras, de acuerdo con su descendencia.
Otras enfermedades inoleculares, conocidas tamhién coino "errores congénitos del nietabolismo", se presentan por un déficit de alguna enzima o la forniación
de proteínas enzimáticas anormales. Un caso iinporlante de este tipo de enferinedad es la oligofrenia fenilpiriivica o fenilcetoniiria, la cual se produce por la
carencia de una cnzinia necesaria para el iiietaholis~node algunos aiiiiiioácidos;
ioiiio consecueiici;~se fornian algunos nietaholitos colaterales en grandes cantidades y se origina un significativo retraso niental. Estc retraso puede ser evitado
si se realiza el diagn6stico precoz, después del naciniiento y se somete al nióo
afectado a un tratamiento dietético especial. La prueba hioquíniica diagnóstica
para detectar cslas cnfcrnietlades se realiza, en nuestro país, a todos los recién
nacidos, 10que permite su tratamiento oportuno y se evita así la aparición del
retraso mental.
L~ imPortaiicia del conocimiento de las alteraciones bioquíiiiicas no se aplica
sólo a las enfermedades molecnlares, sino a muchas otras. En distintos paises dcl
realizan numerosas investigaciones para estudiar lar bases nioleculares de la
transformación de una célula normal en cancerosa.
A nuestras embarazadas se les determina de manera precoz la presencia en suero
sanguíneodeuna proteína fetal (ufeto proteína),la cual aumenta en cl suero materno
cuando existen alteraciones en el desarrollo del feto; la positividad de esta prueba, con
el estudio morfológico del feto por ultrasonido, pueden aconsejar la interrupción del
embarazo, si se detecta alguna anomalía congénita severa, lo que brinda una mayor
seguridad para la futura madre.
Estos programas de detección y tratamiento precoz de enibarazadas y reciéii nacidos son parte del ambicioso plan de salud de nuestro país, y se caracterizan por poner
en manos de nuestra población, de forma gratuita, la utilización del desarrollo científico y tecnológico, entre los que ocupan un lugar iiiiportaiite los aportados por la
biuqhica.
En el diagnóstico clínico sc utilizan iiiuclios indicadores bioquíniicos, enzimáticos
n no, que iesiiitaii de apreciado valor. Como ejciiiplo piidiéraiiios citar el cstiidio dc
ciertas transaminasas, las cuales se liberan al suero sanguíneo durante afecciones qne
implican daño de las células hepáticas.
Igual principio se aplica eii la determinación dc un gran conjunto dc enzimas
relacionadas con el da50 Iiístico cn diversos órganos, como es la determinación de las
enzimas láctico desbidrogenasa, creatinoqninasa y las propias transaminasas en el
diagnóstico del infarto del miocardio; ello no sólo es útil en el diagnóstico, adeiiiis
permite seguir la evolución del paciente y a ineiindo tiene valor para poder predecir la
respuesta del enfermo (valor pmnóstico).
Además de las iiivestigacioiiesenziináticas, en los laboratorios clínicos se emplea
de manera corriente, la deterniinación dc concentraciones de distintas sustancias qne
pueden indicar alteraciones metal>ólicasy algunas complicacionesque se sobreañaden
a un cuadro clínico. Así podemos ver cómo se deterniiiian las concentraciones de
glucosa, cuerpos cetónicos, proteínas séricas, ácido láctico y lípidos, por sólo citar
algunos indicadores de gran valor en la práctica médica.
Es de resaltar la rapidei coi1 la cual en los últimos años se logran Ileirar a la
práctica médica los adelantos de la bioquíniica, que tienen relevancia en el diagiióstico o tratamiento de enfermedades.
La farmacología ha aplicado también de manera exitosa resultados obtenidos
en bioquímica en la preparación de inedicanientos. Muchos inhil>idoresde las
enzimas y de la síntesis dc proteínas baii mostrado ser de utilidad en el trataniiciitu médico, ejeniplo: prostaglandinas y otros derivados lipídicos, quimioterápicos.
antibióticos y citostáticos.
La respuesta inmunológica ante agentes extraños, aspecto de fundamental
importancia en la defensa del organismo, especialmente ante infeccioiies. ha podido ser mejor conipreiidida por los estudios de la estructura y niecaiiismos de
síntesis de las inmuiioglobiili~ias,lo cual han favoiccido la interpretación de las
respuestas inniuii«lógicas deficientes, las enfermedades altirgicas y la
bistocoinpatibilidad.
Los avances de la biología molecular y especialmente de la ingeniería genética
y la biotecnología eii los Últimos años, han abierto posibilidades insospechadas
hace apenas unos años en las ramas biomédicas. Eii el 'lomo IV de este libro, en las
secciones: "Alteraciones Eioquíinicas en la Patología Humana", "Probleiiias Ac-
tirales de la Bioquíniica", "Bases Moleculares de la Nutrición Huinana" y en gcricral, a lo largo del texto, se irán tralaiido con mayor profundidad estos y otros
aspectos relacioiiados con los aportes (le la hioquíniica a las ciencias médicas.
Objeto de estudio de la bioquímica
Después dc Iiaher realizado una revisión somera del surgimiento y ilcssrrollo dc 121
bioquiinica conlo ciencia y detallado algunos de sus aportes a las ciencias I>iológicas
en general y a las ciencias médicas en particular, estarnos en condiciones de coiicretar
su ob,jetode estudio. La hioquíinica y en especial la hioquíniica huinana se ocupa del
estudio de:
1. 1.a relacih coinposiciúii-i«iifo1'1naci6i1-funció11
de las biomoléculas, o sea, el
esliidio de la coinposición elemental y estructura quíniica dc las iiiol6culas hiológicas, que iiicluyc~isu conforiiiación tridiinensional y la relación íiiliina entre ésta
J la función específica de cada una de ellas.
2. Las asociaciones supramoleeulares que constituyen la hase de las estructuras
celulares, los te,jidos y orpnismo, así conio las bases moleculares de la difercnciación y especialización de los tejidos en los organisiiios ploricelulaies.
3.1.0s inecanismos íntiinos de acción de los biocataüzadom y ski regulación.
4. La biotraasducción, o sea, los procesos mediante los cuales se produce el cambio
de un tipo de energía en otro en los organisiiios vivos.
5. Las bases moleculares de la conservación, transferencia y expresión de la información genética y su regulación.
6. Los procesosmetabólim celulares e hísticos y sus niecanismos reguladores.
7.1% alteraciones bioquúnicasen diversas enfermedades.
Resumen
La bioquímica es una ciencia de este siglo, pues aunque sus raíces se ubican
a finales del siglo XVIIi, se constituye como tal y alcanza su mayor auge en el
siglo XX.
La bioquímica ha hecho aportes a otras ramas afmes y ha impulsado sus desarrolios. El eonoeimiento alcanzado en la composición, estructura quimica y función de las biomoléculas, el eselarecimiento de las distintas vías metabólicas y su
regulación,la dilucidaciónde los mefanismasde la biocatálisis y la bioiransducción
y de las bases moledares del almacenamiento, trasmisión y expresión de la información genética, han redundado en avances en todas las ramas de la biología.
Muchos descubrimientos en aspetos básicos fundamentales de la hioquímica
han incidido directamente en el desiumlio de la genética, La iomunología,la microbiología y la farmacología lo cual ha permitido numerosas aplicaciones de estas
espeeiaüdades a la práctica médica, tanto en el diagnóstico p d o de una serie de
medicamentos, como en la mejor
enfermedades, preparación de vacunas y ocomprensión de las enfermedades moleculares, endocrinas, metabólicas y alteraciones de la respuesta inmunológica, proporcionando la detección p m o z de estas
enfermedades y la orientación de la conducta médica más apropiada en cada caso.
Los logros alcanzados, en los úlün~osaños, por la ingeniería genética y la
biotecnología, así como sus enormes pe~pectivasnos hacen presumir que en los
años veniderosse deben conseguir solusiones deñnitivasa problemas actuales de la
medicina como la arteriasclerosis, algunas afecciones hunológicas y el cáncer,
entre otros.
1. Mencione 5 aportes de la bioquímica que hayan redundado en el desarrollo de la
biología general.
2. Seleccione entre los aportes de la bioquímica a las ciencias biológicas, aquéllos
que apoyan la teoría evolucionista.
3. Mencione los avances científicos de la bioquímica que han incidido en una mejor
comprensión de las enfermedades moleculares.
4. iCnált-s resultados de la bioquímica han incidido directamente en el desarrollo de
la inmunología y la genética?
5. Fundamente, empleando al menos 4 aspectos concretos, la importancia del estudio
dela bioquímica para los alumnos de ciencias médicas.
6. Enuncie los aportes de la bioquímica que han contribuido al desarrollo de la
ingeniería genética y la biotecnología.
7. Enuncie los distintos aspectos del objeto de estudio de la bioquímica.
En el capitulo anterior se expusieron numerosos aportes de la bioquimica al
desarrollo de las ciencias médicas, resaltando varias aplicaciones priícticas al
diagnóstico y al tratamiento de diversas enfermedades. De ello se infiere la uecesidad del conocimiento de esta ciencia para los profesionales de la salud, por lo
que su estudio se incluye en los planes de las distintas especialidades médicas.
Además, la Bioquímica brinda los conocimientos básicos que se requieren
para la comprensión cabal de numerosos contenidos de otras disciplinas médicas
como: Fisiología, Histología, Genética, Inmunología, ~Microbiología,Laboratorio Clínico, Fisiopatología, entre otras.
La Bioauímica tiene un oerfil mnv
. amolio.
. como se deduce fácilmente de su
objeto de estudio (capitulo 1). Por razones obvias, en los programas de esta disciplina dirigidos a profesionales de las ciencias médicas, independientemente del
plan de estudio qne se trate, incluyendo los niveles de pre y posgrado, es imprescindible que se aborden aquellos aspectos básicos esenciales de la bioquíniica
humana para dichos especialistas y que éstos se traten con nn enfoque euiiiientemente médico, así como deberán estar ajustados al tiempo asignado a la disciplina según el plan de estudio.
En reserva del tipo de plan de estudio, de su inetodología, contenido, sistema
de habilidades, etcétera, es conveniente realizar un enfoque en sistema de esta
disciplina y conocer las leyes que la rigen como ciencia, así como las principales
generalizaciones, lo cual constituye el objetivo de este capítulo.
La disciplina Bioquímica en el plan de estudio del profesional
de las ciencias médicas
Ladisciplina Rioquímica tieneel propósito de proveer a los alun~nusde laidiferentes especialidades de las ciencias niédicas de los contenidos básicos generales de esta
ciencia aplicables al ser humano, y en lo ponble, debe estar dirigida Iiacia los interesesde
su perfil proksional, así como contribnir a la concepción científica del mundo y de la
vida, a la consolidación de los valores éticos y morales de la sociedad, con un profundo
sentido humanista acorde con el desarrollo de un pensamiento científico. Por ello al
elaborar los planes y programas de estadisciplina esconveniente tener en cnenta:
1. Prestar atención preferencial a los aspectos más generales de esta especialidad,
haciendoénfasis en la regularidades de mayor universalidxl para tratar de brindar
a los estudiantes, en el menor contenido posihle, una visión actualirada y sobre
todo lograr quese apropien de los métodos y procedimientosque los faculten para
el análisis y la interpretación de los fenónienos bioquímicos.
2. Promover un aprendizaje activo, aplicando niétodos que contribuyan a
formar un pensamiento creador en los alumnos, que los entrenen para incorpor a r de forma independiente nuevos conocimientos relacionados con esta u
otra especialidad.
3. Ahordar de forma integral el estudio de los procesos celulares vinculados
con la composición y organización supramolecular de las estrncturas subcelulares, donde aquéllos se llevan a cabo, concibiendo a ka célula como unidad
funcional de los seres vivos.
4. Hacer énfasis especial en la significación biológica de los fenómenos
bioquímicos, dedicando mucha atención a su vinculación con los aspectos
niédicos, preventivos y de promoción de salud.
5. Utilizar las posibilidades que brinda esta ciencia, para contribuir a la concepción materialista del mundo y a la formación de valores morales en los estudiantes, en consonancia con los intereses de nuestra sociedad.
Categorías, principios y conceptos generales
La disciplina Bioquímica, como toda ciencia, implica un sistema de conocimientos. Este sistema incluye conceptos y leyes de variados grados de generalización, desde los más particulares que se aplican sólo a aspectos específicos de la
especialidad, hasta los más generales que son de aplicación a gran parte o a toda
la disciplina. En los conocimientos de mayos grado de generalización que se
aplican a toda la disciplina se incluyen las categorías, los conceptos generales y
los principios.
Categorías
Son conceptos centrales que aharcan a toda la ciencia. Las categorías en la
disciplina Bioquimica son:
1. Las biomol6culas. Se aplica a las formas de organización de las diversas
nioléculas específicas de la materia viva. Refleja el carácter material de los
constituyentes de los seres vivos.
2. La biocatáiisis. Refleja las características de todas y cada una de las transformaciones catalizadas por enzimas que ocurren en los organisnios vivos, tamhién incluye su fundamento energético, la eficiencia y especificidad, así como
su regulación.
3. La biotransducción. Manifiesta los múltiples procesos biológicos que implican la conversión de un tipo de energía cii otra, así como los niecanismos
íntimos que producen diclia intercoiiversióii energética.
4. L a bioinformación. Refleja la propiedad de los seres visos de mantener,
reproducir y expresar, -mediante inecanisinos diversos- las características propias de su especie, fuiidaiiieiito de un atributo esencial de los organismos
vivos, la autoperpetuacióii.
5. Las biotransformaciones. Incluye el conjunto de reacciones químicas
hiocatalizadas por medio de las cuales se realiza el intercambio de sustancia,
energía c información de los seres vivos con el medio, es decir, el metaholisnio, atrihiito esencial de la vida.
LOS principios son leyes de carácter universal qiie se cumplen para toda la
bh,quími~a:
1. principiodel recambio continuo. El intercambio continuo de sustancia, energía e
información con el medio circundante es uiia condición iiidispensalile para la
existencia de la vida. Este intercambio implica la renovación perinaiiente de todos
los componentes del orjyaiiismo,lo que transcurre a velocidades distintas en deI)endeiiciadel organismo, tejido o conipuesto de que se trate.
2. Principio d e la organización de las macmmolécuias. Conforman este principio
todas aquellas regularidades que presentan las inacromoléculas. Incluye su condición de polínieros de nionónieros o precursores sencillos, la unión estable de tipo
covalente entre ellos, las iiiteracciones que se cstal>lecenentre grupos químicos
presentes en éstos, lo que determina uiia c«iiforii~acióiitridimeiisional específica y
estámuy relacionada con la función que desempeña cada macroniolécuki, entre
ohai
3. Principio de la multiplicidad d e utilización. Cada biomolécula desempeña, como
regla, diversas funciones. Esta diversidad disminuye en la medida que auniciita la
complejidad de dichas hionioléculas, ya que a mayor coniplejidad corresponde
uiia mayor especificidad de función.
4. Principio de la máxima eficiencia. Los procesos que se Ilevaii a cabo en los
organismos vivos soii reacciones químicas biocatalizadas. Los biocatalizadores
soii muy específicos y eficientes, perniiteii la formación del mayor número posihle
de moléculas de producto a partir del sustrato sin que se formen otros productos
colaterales. Adeniás de la especificidad y la eficiencia catalítica de las eiizinias,
influyen en este principio su inelnsión dentro de una secuencia nietabólica, así
como la localización celular de cada proceso.
5. Principio de hmáximaeeonomía. Dentro del organismo eii su conjunto, en cada
tejido o fluido biológico gen los diferentes compartimientos celulares, la concentración de sus distintos componentes se mantiene coiistaiite, dentro de ciertos
límites; esto es consecuencia de los mecanismos eficientes de regulación qne
garantizan los distintos procesos en la medida en que los productos sean requeridos, sólo con la cantidad de sustancia y energía necesarias, lo cual permite su
óptimo aprovechamiento por el organismo.
6. Principio de los cambios graduales. Los procesos bioquímicos que se producen
en los organismos vivos suceden en una secuencia ordenada de reacciones; las
sustancias qiie se transfornian experimentan pequeiios cambios estructurales y
variaciones discretas en cuanto a su contenido energético, en cada una de tales
reacciones. Al final del proceso, el producto puede ser muy diferente del sustrato
inicial, pero la transformación de uno en otrose produjode forma gradual.
7. Principio de la intemlación. Los organisnios vivos constituyen un todo único y
armónico, donde cada uno de sus componentes, cada reacción o proceso metabólico
que en él se realiza está vinculado con el resto directa o indirectaniente.'Ibdos los
procesos inetabólicos están relacionados entre sí.
8. Principio del acoplamiento. Todos los procesos que ocurren en los seres vivos
requieren de sustancia o energía,^ ambas, qiie pueden ser proveídas por el medio
circundante o ser suniinistradas por otra pía uietabólica. De igual modo, los productoshrmados en uiia determinada ruta metabólica o su energía liberada suelen
ser utilizados para el funcionainiciito dc otra.
9. Principio de la reciprocidad de las icansformaciones. En las transformaciones
bioquímicasse constata coiiio una regularidad, quesi a partir de un sustratodeterminado se forma un determinado producto, la reacción inversa, generalniente, es
también posible. En reacciones sencillas esto puede suceder por la simple inversión de ella. Sin embargo, en los procesns nietal~ólicosque implican varias reacciones, la inversión procede por una rota nietabólica total o al menos parcialniente
diferente.
10. Principio de hamferencia de información. Los organismos vivos se caracterizan
por presentar un grado elevado de organización estructural y funcional, qiie es
específico pam cada especie. La trasniisión de estas caracteristicos,necesariapara
el mantenimiento de la especie, se produce por la capacidad de algunas
macromoléculas qiie presentan cai'ácter inforiiiacional; este carácter pncde ser
seeuencial o conformacional. La transferencia de información, independiente dc
las etapas por las que atraviese, fluye desde tina molécula con inforniación
secuencia1hasta otra con inforniación omformacional.
Conceptos generalSon elementos de conocimientos n nociones generales que se aplican a gran parte
o a la totalidad de la disciplina, auiique no alcanzan el nivel de categorías. Los conceptos generales de la Bioquiniica, constituyen pares dialécticos que resultan inscparables para su interpretación y comprensión,éstos son:
l. h c i u r a - f u n c i ó n . Este concepto refleja la relación indisolnhle entre 2 aspectos
esenciales de los componentes constituyentes de los seres vivos y qne se cuniple
en los diferentes niveles de organización, desde el nioleeular Iiasta el de organisnio. Cada componente tiene una estructura específica, la cual viene deternihada
por su coinposición molecular y las interacciones que se establecen entre los grupos químicos presentes y a esta estructura corresponde una función.
2. Conformación-transconformación.Refleja la propiedad que tienen ciertas
hioinoléculas de presentar arios estados conformacionales interconvertihles, frecuentemente relacionados con actividades diferentes. El cambio de un confórniero
a otro, es decir, la transconformación, responde con situaciones concretas del medio e implica una respuesta Rincional.
3. Sustrato-pmducto. Todas las transforniaciones que ocurren en los organismos
vivos implican la transhrmación catalítiea de sustancias cnnocidascomo siistratos
en productos; pero conio las transforinaciones bioquiinicas se producen en seciiencias metabólicas, el producto obtenido en una reacción llega a ser sustrato de la
reacción siguiente.
4. Inhibición-acüvaci6n. Las diferentes transforniaciones bioquíinicas que se producen en los organisnios vivos pueden modificar su intensidad, se activan o inhiben
en un momento determinado, generalmente conio respuesta a una situación
metabólica especifi~d.Estos conceptos son antagónicos entre si, y con bastante
frecuencia la activación de un proceso implica la inactivación de otro, que muchas
veces resulta el proceso inverso.
5. Anabolismo-catabolismo. Constitiiycn Lis 2 grandes vertientes de las
biotraiisforinacioiies (nietaholisino). El aiiabolismo representa los procesos
biosintéticos i.esponsal)lesde la formación de los componentes del organismo y
requieren energía. El catabolisiiio, por el contrario, representa los procesos
degradativos de los que sc oI>tieneenergía útil. Aunque son procesos contrarios,
ambos funcionan coordioada y arniónicainente y constituyen una unidad biológica esencial.
6. Medio-bioelemento. El térniino bioeleinentose refiere a t d o ente biológico, desde
una biomolécula Iiasta un organismo completo; el de medio a todo lo que no siendo
el biwlemento en cuestión, se relaciona directa o indirectamente con él. Estos térniinos son relativos, yaque aquéllo que puede constituir nn medio para deterniinado
bioelemento, puede ser un I)ioelei~ieiitopara un niedio de mayor aniplitud.
A lo largo del texto y a niedida que se avance en el estudio de la disciplina
nioquímica, se irán poiiiendo de nianifiesto y podrin ser mejor comprendido\y aplicados las categorías, los principios y los conceptos generales.
Método de estudio de la bioquímica
~n toda disciplina existen distintos niveles para la adquisición de un conocimiento: el reconocimiento, el reproductivo, el aplicativo y el creador. En la
Bioquímica se debcn alcanzar al menos los 3 primeros niveles: el reconocimiento, el reproductivo y el aplicativo, cuando se trata de ensefianza de pregrado y por
supuesto en el caso de la enseñanza de posgrado es conveniente incluir, siempre
que sea posible, el creativo.
Es conveniente esclarecer que el término reproductivo no se refiere a una
reproducción iiiecánica y niemorística", sino a la capacidad del estudiante de
exponer -coino resultado del análisis individual y de la síntesis- los aspectos
esenciales de un fenúnieno estudiado. Para lograr alcanzar las etapas reproductiva
y aplicativa en los distintos contenidos de la Bioquíinica, debe eniplearse el
método de estndio apropiado de esta disciplina. Algunas reglas generales de este
método son: El prinier requisito para apropiarse de un conocimiento es tener la
certeza de que se Iia logrado su comprensión cabal; para ello debe realizarse el
análisis de todos los factorcs involucrados y tcner en cuenta el orden y
jerarquizaciún de éstos. Cuando corresponda, se establecerá la relación con otros
conocimientos ya adquiridos, y si fuera posible se intentarií realizar una coiiiparación entreellos, al destacar lo que presenten en coniún y sus diferencias. UespuGs
se procederá a representar con fórniulas quíiiiicas o con el auxilio de esquemas,
modelos, tablas o gráficos, de acuerdo con el caso, las nociones fundamentales de
cada aspecto estudiado. Ello le permitirá apropiarse del conociiiiieiito sin necesidad de realizar un esfuerzo nieniorístico, el c»iiocin~ieiitoasí adquirido tendrá
una mayor calidad y doral>ilidad.
A continiiación se intentará definir cada uno <lelos conceptos involucrados
en el asunto estudiado, y de fornia independiente se reproducirán esquemas, modelos, fórmulas, etcétcra, de acuerdo con la temática de la cual se trate.
Al estudiar estructuras quíniicas se debe lograr distinguir las características
comunes a todas ellas y las que son privativas de cada una, realizando una comparación siempre que ello sea pertinente.
Cuando se trate de un proceso bioquíniico. se debe precisar so funciúii y aiialii-ar
la transforiiiaeióii que se lleva a cal)« en cada reacción. a partir de los compuestos
iniciales, lo que le permitirií apropiarse del conociniiento integro. En cada proceso
estudiado se dehe ser capaz de explicar su significación biológica, localización
celular y en el 01-:anisnio, así como su interrelación con otros procesos.
Deben conocerse los objetivos de cada actividad docente, sea Gsta evalu.1' t'lva
o no, lo que le indicará la Iiabilidad que debe alcanzar.
Ha de seguirse atentamente las orientaciones para el estudio independiente
que bace el profesor y realizar los ejercicios del texto relacionados con el tenia
estudiado.
o una coiifroi~tacióiientre distintos
Conviene efectoar una autoevaloació~~
estudiantes acerca de los coiitcnidos estudiados, para deterniiiiar lo aprendido y
dejar claro lo que aún no se doniina suficieiiteniente, así como puntualizai. aquellos aspectos que necesitan ser aclarados.
En Bioquimica, para la coiiiprensiún y asiiiiilaciúii de un teina se requiere, de
ordinario, el dominio de los precedentes, ya qne ellos guardan una relación más o
nienos directa; de lo quese infiere la necesidad del estudio diario de esta disciplina.
Resumen
La disciplina Bioquúnica en los planes y programas de estudio de los profesionales de las ciencias médicas deberá abordar el estudio de los aspectos básicos de
esta ciencia, aplicados al ser humano y vinculados a los aspedos médicos.
Los niveles de reconocimiento, reproductivos y apiicativosdeben ser alcaozados para los contenidos de la dlscipüna Bioquúnica de pregrado y hasta el creativo,
si fuera posible, en el caso del posgrado. En los elementos de conocimientos más
generales de la Bioquúnica se incluyen las categorías, los principios y conceptos
generales que abarcan a toda la disciplina
La asimilación de la Bioquúnica requiere de un método apropiado donde la
comprensión cabal del asunto que se debe estudiar, el análisis, la comparación, la
generalización y la integración desempeñen una función determinante. Por la estrecha vinculación existente entre los distintos temas de cada asignatura el estudio
sistemático FS una necesidad insoslayable.
Ejercicios
1. Explique la diferencia existente entre la ciencia y la disciplina Bioquímiea.
2. Fundamente la necesidad de incluir la disciplina Uioqiiímica en los planes de
estudio de las diferentes carreras para los profesionales de las ciencias médicas.
3. Enuncie el concepto de categoría g principio para la disciplina Rioquimica y
mencione, al menos, 3 categorías y 3 principios de ésta.
4. Enuncie 4 reglas necesarias que se dehcn tener en cuenta para el correcto estudio
y aprendiqje en la disciplina Rioquímica.
5. Fundamente por qué es imprescindibleel estudio sistemitico de esta disciplina.
6. Cite los distintos niveles para la adquisición de un conocimiento y explique el
reproductivo.
El avance alcanzado en el estudio de las sustancias propias de los seres vivos,
su composición, organización estructural, propiedades y funciones, así como el
conocimiento mayor de los fenómenos inherentes a la vida como el nietabolisino,
la herencia y otros, han perniitido acercarnos a la comprensión científica de los
procesos bióticos y a la determinación de las cualidades esenciales que distinguen a los organismos vivos de la materia inorgánica. L a esencia de la vida es el
intercambio continuo de sustancia, energía e información con el medio; mediante este intercambio los organismos vivos renuevan sus componentes, garantizan su conservación y adaptación al medio y se antoperpetuan.
Para comprender la esencia de cualquier fenómeno se debe conocer su origen
y desarrollo. Por ello son numerosas las investigaciones realizadas por científicos
de distintos paises encaminadas a conocer la génesis y evolución de los seres
vivos.
En este capítulo se estudia la materia viva como producto de la evolución de la
materia inorgánica, y se presenta de manera resumida el desarrollo del conocimiento
científico actual en relación con el origen y evolución de los organismos vivos.
La materia viva como producto de la evolución de la materia
inorgánica
El movimiento es una forma de existencia de la materia, e incluye todos los
procesos y cambios que se producen en el universo. A la diversidad de materiacorresponde diversos tipos de movimiento. El tipo ni& simple de movimiento de la materia
es el mecánico, el desplazamiento de un cuerpo en el espacio; al movimiento físico
que incluye la luz, el calor, las ondas electromagnéticas y otros le sigue en orden
ascendente el químico, esto es, las reacciones químicas entre átomos y inol~culas.Este
último tipo de movimiento incluye al precedente, pues las reacciones químicas dependen de determinadas propiedades tisicas de los reaccionantes, como puede ser el número atómico o el estado tisico; pero el movimiento químico no es una simple sunia de
éstos, es cualitativamente superior..
El movimiento biolGgico abarca todos los precedentes combinados de forma que
constituyen nuevas propiedades y comprende todos los procesos que ocurren en los
seres vivos y entre estos y el medio. Las características del movimiento biológico se
pueden enunciar de forma general:
l. Es una forma de existencia de la materia.
2. Consecuencia del desarrollo de kds formas inferiores del movimiento (físico y quimico).
3. Las biomoléculas son sus portadores materiales, principalmente las proteínas y los
ácidos nucleicos.
4. La esencia es el intercambio continuo de sustancias, energía e información con el
medio.
5. Manifestación mediante múltiples formas.
6. Tendencia al crecimiento y a la multiplicación. Se autoperpetuan.
El moviniiento social, que es el superior,contiene todas las demás formas anteriores; incluye la sociedad y el pensaniiento y su portador material es el hombre.
Las distintas formasde movimiento de la materia no están aisladas unas de otras,
sino niny relacionadas. Asíel moviniiento atómico puede provocar cambios energéticos y estos desencadenar reacciones químicas. Los procesos químicos en determinado
nivel de desarrollo llevaron a la formación de la materia orgánica; la vida es un
producto del desarrollo de la materia, o n i m d o por una serie de cambios cuantitativos graduales que condujeron a transformaciones cualitativas en un largo proeeso evolutivo.
Los estudios realizados sobre la composición elemental de los componentes químicos de los seres vivos son numerosos, muchos de ellos fueron expuestos de forma
resumida en el capitulo 1,enel acápitede surgimiento y desarrollo de la bioquímica.
Todos los resultados de las investigaciones realizadas en este sentido han puesto de
manifiesto que la composición química de la materia viva difiere en muchos aspectos
importantes de la composición de la materia inanimada que la rodea.
Por supuesto, al surgir la vida como un producto del desarrollo y como transforniación cualitativa de la materia inerte durante su complejo proceso de evolución, es
obvio que todos los elementos que aparecen en el ser vivo provienen del mundo
inorgánico. Sin embargo, no todos los elementos que están presentes en la litosfera o
en la atmósfera aparecen en los organismos vivos. Ello sugiere quedurante el proceso
de evolución de la materia que dio origen a los seres vivos,algunos elementos resultaron más adecuados para la vida que otros. De Iiecho,sólo unos 16 elementos forman
parte permanente de todos los organismos vivos, aunque este número es mayor en
algunos:
Elementos fundamentales: O, C, H, P y S.
Otros elementos importantes: Ca, K, Na, C1, Mg y Fe.
Oligoelementos (elementos trazas): Zn, Co, Mn, F e 1.
Resulta interesante señalar qne en general, la proporción en que se encuentran los
diferentes elementos en los seres vivos difiere mucho de la que éstos presentan en el
mundo inerte.
Al comparar la composición elemental del organismo humano con la del a y a d e
mar y la corteza terrestre se punen de manifiesto numerosas diferencias.Por ejeniplo, el
silicio y el aluminio que constituyen, respectivamente, los elementos 2do y 3ro más
abundantes de la corteza, están ausentes en muchos organisnios vivos, y en aqntllos
que aparecen, lo habitual es que se encuentren en cantidades ínfimas. El carbono,que
existe en una proporción aproximada de 20 % en los mamíferos y de 50 % en los
vegetales, se encuentra en una proporciún mucho menor que 1 %,tanto en la litosfera
como en la hidrosfera o en la atmósfera. La composición elemental del cuerpo humano
presenta mayor semejmza con la del aguade mar, lo qiieconstituye un dato Pavorable
hacia el origen marino de la vida (tabla 3.1 ).
mbb3.1. Composición elemental porcentual de la corteza terrestre, del agua de mar
y del cuerpo humano
Corteza
Agua de mar
Cuerpo humano
Otros hasta 100 %
Las cifras se expresan en átomos por 100 000.
En el cuerpo humano existen más de 50 elementos diferentes, en la tabla 3.1 se
muestran los más abundantes. Sólo 4 elementos constituyen alrededor del 99 % del
contenido elemental total, ellos son: hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno. Los 4
son elementos pequeños y livianos; existen evidencias de haber sido los más ahundantes en el medio primitivo, donde se estima que hubo de formarse las primeras moléculas biógenas. Dichos elementos tienen la posibilidad de formar entre sí uniones fuertes
y estables de tipo covalente, así como establecerse enlaces múltiples, especialmente el
carbono, el que además tiene la propiedad de formar polínieros lineales o ramifícados
como se estudiará en el capítulo 5.
Además dediferir en ciianto al tipo y proporción de los distintos elementos en la
materia viva y la inorgánica, existe la organización o forma en que se agrupan estos
elementos para formar moléculas. En efecto, los compuestos orgánicos característicos
de la materia viva poseen estructnras más complejas que las pequeñas y sencillas
moléculas presentes en la materia inorgánica.
Desdeel puntode vista molecular, el agua constituye el compuesto predominante
en los organismos vivos. Junto a ella aparecen diversos elementos químicos en estado
iónico o formando comple,jos. Las moléculas que caracterizan a los organismos vivos
(hiomoléculas) son compuestos carbonada9 que presentan frecuentemente oxígeno,
hidrógeno y nitrógeno, y en algunos casos azufre y fósforo; éstas se agrupan en 3
categorías:
1. Moléculas de estructuras muy complejas y de peso molecular muy elevado,
entre 10'a lo9D (macromolécula~),como los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos.
2. Moléculas de peso molecular relativanlente pequeño (de 100 a 300 D) como
aminoácidos, monosacáridos, nucleótidos y ácidos grasos, los que por
polimerización forman las macron~oléculaso parte de otras moléculas complejas.
3. Moléculas que, como regla, presentan tamaño menor y estructura más simple
que las anteriores y son intermediarios metabólicos importantes o precursores
de la síntesis de otras biomoléciilas mayores, como el ácido pirúvico, el
gliceraldehído 3 fosfato y el ácido cítrico, entre otras.
Existen los mismos tipos de bior~iacromoléculasen las distintas especies y
para todas ellas se cumple el mi~inoprincipio de organización aunque con carac-
teristicas propiasal formar las sustancias inherentes a cada especie, de forma que
cada organismo posee sus propias proteínas y ácidos nucleicos; pero formados
por los mismos 20 aminoácidos y los misnios 5 nucleótidos, a funciones iguales, las
biomolécolaspresenten estructura similar en las distintas especies (Fig. 3.1). La insulina,
por ejemplo,es una hormona proteíiiica secretada por el páncreas y que desempeña
una función muy importante en la regulación del nietabolisnio, tiene una estructura
bastantesemejanteen diferentesaniniales.
Sobre la base de sus características químicas y metabólicas, las biomoléculas se
han clasificado en 4 grupos principales:
1. Los glúcidos incluyen a los monosacáridos, los oligosacáridos y los polisacáriclos;
su función principal es ser fuente energética y carbonada.
2. Los prótidos agrupan a los aminoácidos, los péptidos y las proteínas. Las proteínas
cumplen distintas e importantes hnciones en los seres vivos, una de las principales es constituir los hiocatalizadores, moléculas que hacen posihle las
biotransfurmacioiies.
3. Dentro del grupo de los lípidos se incluye una gran variedad de coiiil~ucstos
estmcturalmente disímilcs; pero que presentan una propiedad comíui, la solubilidad
en solventes orgánicos g la insoluhilidad en los polares. Constituyen también
fuenteenergética y forman parte importantedelas iiienibranas, ademásdedeseinpeñar otras funciones.
4. El grupo de las sustancias nucleotídicas comprende a los nucleótidos y los
ácidos nocleicos, -ácidos ribonucleicos ( A R N ) y desoxirriboniicleicos (ADN).
Estos últimos vinculados funcionalniente a la trasniisióii de los caracteres
hereditarios y los ARN relacionados con la expresión de dicha información,
mediante la hiosíntesis de las proteínas. En general los nucleótidos trifosfatados
desempeñan importantes funciones energéticas, especialmente el adenosín
trifosfato (ATP), el cual constituye el portador principal y universal de energía metabólicaiiiente útil.
'iübla3.2. Componentes moleculares de la bacteria EIchericllja coli
Porieiitoje del
Dircrsidad
peso total ( % )
de nioléculas
Agua
Proteínas
Ácidos nuileieos
ADN
ARN
Palisaciridus
Lipidos
Otras nioléciilas or&icas
loncs inorgániros
En la tahla 3.2 se muestra la distribución porcentual de los componentes
moleculares de la bacteria Esclicrichia coli y se presenta un valor aproximado de la
cantidad de moléculas distintas de cada tipo. Es necesario señalar que las hiomoléculas
pueden interactuar entre sí, formando asociacionessuprarnoleculares que dan origen a
estructuras importantes conio membranas, ribosomas y otras que sirven de base a la
organización de organelos y células. En el cuadro 3.1 se presenta un resumen de los
distintos niveles de organización de la materia viva hasta el celular.
Cusdro3.1. Niveles de organización de la materia viva
Bionmléculas sencilla,.
precursores demacronioléculasoconiponcntcs de otras
moléculas complejas
nionosadndos,
an~inoicidor,
nucleótidoi,
ácidos graws y olrar
Hiopolínieros y otras
niolécolas complejas
y lipidos coinplcjos
poii~aciridos~
pmtcúias,
icidos nucleicos
Agregados supramoleculare~
nienihm,
ril>osunia\,
cromatina y otros
Organcla\cclulares
niidco,niitwond,.ia.
reticulo eii~liipl;lsiii;ítico,
aparato de Golgi y otros
Célula
Origen y evolución de la materia viva
Las ciencias tiatiirales han demostrado qne en la Tierra primitiva no existía vida.
ya que por sus condiciones ningún ser vivo podía habitarla. La niateria orgánica es el
producto de una evolución niuy larga.
Estaafirmación acerca de laforniaci6ndelamateriaviva a partir de la i n ~ r ~ i n i c a
ha sido científicamente sustentada y, sin diferencias esenciales, ha sido aceptada en el
universo por las diferentes teorías que tienden a explicar la ei~olurióiimoleciilar y
biológica.
Duraiitc niuchoc años se pensiilambién quealgunas formas de vida podían snrgir
cnntii~uanientea pn?ir de la materia inorgánica por geiieracióii espontánea y súhita.
Estas convicciones erróneas se producian por la iiicorrecta interpretaci6n de la apariciGn de giisanos e insectos en le carne en desconiposicióii, la harina de trigo y otros
alinieiitos contaminados; de manera siniilar a conio se pensara durante ninclios siglos
por la siiiiple observación de algunos f e i i h e n o s naturales, que la Tierra nose iiioría
y que el sol era el que giraba a sil alrededor.
La teoría de la generación espontdiiea, rechazada por un número apreciable de
Iionihres de ciencia, pero defendida vehementemente por otros, fue ahandoiiada después de los concluyentes experimentos de Imis Pzwteiii; quien demostró de manera
irrebatible que no aparecen nuevasformas de iida en todas aquellas sustancias que por
cualqnier método se preservaran de la contaniinación biológica, independientemente
del tiempo que se mantuvieran en esas condiciones.
Fue Alexander Ivanovicl~Oparin, quien elaborara la priniera explicación científica del origen de la vida, en concordancia con las leyes y fenóiiienos de la naturaleza
y con los conocimientos alcanzados por las ciencias contemporáneas. Esta teoría fne
postulada por Oparin inicialmente en el año 1922 y en 1924 se publicó el trabajo
donde exponía sn teoría sobre el origen de la vida. A partir de entonces, muclios
científicosen diferentes paises se han consagrado a las investigaciones en este campo,
porlo que se han ohteiiido nunierosos resultados que confirnian la teoría de Opariii.
A&,JBSHaldarieexpresó ideas similares, enfatizando además qne la atmósfera primitiva debía haber sido reductora, sin oxígeno lihre, como un requerimiento para la
evolución de la vida a partir de la materia inerte.
El avance de las ciencias geológicas, astronómicas, químicas, físicas y biológicas
y el impetuoso desarrollo de la tecnología, han permitido el análisis retrospectivo de
sucesos acaecidos hace muchos inilloiies de años y han propiciado qiie se efectíieii
investigaciones en un tenia tan importante para el conociinieiito huiriano como éste,
que estudia las raíces mismas de su génesis. De particnlar y fundamental importancia
para estos estndios ha sido la determinación de la vida media de los radioisótopos por
desintegración espontánea, lo que ha permitido estimar con bastante exactitud la edad
de rocas y otros cuerpos terrestres y cósiiiicos.
El desarrollo de la tecnología del cosnios Iia sido de enorme valor en estas investigaciones, ya que aporta numerosos datos de interés. Con el empleo de todos estos
procedimientos tecnológicos y otras nietodologías, que han coiistitnido valiosa fuentede datos,se ha podidoestahlecer que nuestra galaxia tiene una existencia de 12 a 20
mil millones de anos; la edad del sol ha sido estimada en 5 niil millones de años y la
Tierra de4,6 a 4,s mil millones, además se admite que al ignal qiie los demás planetas
de nuestro sistema. se formó a partir de la condensación del halo de gases y niebla que
rodeaba al sol.
Formación de las primeras moléculas biógenas
En la masa gaseosa que formó a nuestro planeta, predomiiiahan los átoiiios lihres
de hidrógeno -el más abundante-, carbono, oxígeno, hierro, niagiiesio. silicio, aluiiiinio,nitrógeiio, níquel, azufre y otros (Fig. 3.2). Estos átonios se fiieron distribuyendo
en un orden detcriniiiado por su peso. de manera que los más pesados se localizaron en
el centro.10~más livianos en la periferia vlos de peso intermedio sesituaron entre mios
y otros.
La formación de sustancias como el metano (CH,), el amoiiiaco (NH,), el agua
(H,O) el cianuro de hidrógeno (HCN) y otras es consecuencia no sólo de la abundancia
desus átomos constituyentes en la capa más externa, sino de sus propiedades qníinicas, ya que pucden forinarcoiiipuestos estables entre ellos, y también de las condiciones energéticas del medio en esos nioiiientos. Fa1 es la composición que se considera
tenia la atmósferaprimitiia,de carácter reductor y con predominio dc CO,, CO, H,O,
H , CH, y CNH entre otros, todos en estado gaseoso debidoa la elevada temperatura
existente. En la actualidad se hacomprobado la presencia de conipnestos de carbono
e hidrúgeno en los materiales cósmicos i i ~ á diversos
s
procedentes de regiones con
condiciones de teniperatura y fuerzas gravitacioiiales diferentes.
Por esta tpoca inicial se acepta que no cxistíaoxígeno molecnlar libre y el oxígeno presente estaba principalmente formandoagua y ówidosdemetales. En estos tieinpos de carencia de oxígeno inolecular y ausencia de organisnios vivos, sesupoiie que
los conipueslos permanecían estables por largos períodos.
En IaTierra priiiiitiv~existían,pues,coinpuestos<luepodían dar lugar ala formac i h de mol6culas orgánicas y se disponía de las fnentes de energía capaces de activarlos para que reaccionaran: altas temperaturas, erupción de volcanes, desintegracibn
radiactiva,radiacibnsolar y descargas eléctricas, entreotras.
Formación de biomoléeulas senciuas
En los esperinientos de laboratorio llevados a cabo en condiciones que simulan la
Tierra primitiva, se logró la síntesis abiótica de aniinoácidos, nionwacáridos, bases
purinicas y pirimidínicas, entre otros compnestos orgánicos que se sintetizan a partir
de precursores inorgánicos seine,jantesa los presentes en nuestro planeta durante sus
etapas tempranas.
S t a n h 1. Mijjer, en el año 1953, realizó un experimento de sirnulaciún que demostró la ti~riiiaci6nabi6tica dc algunos aminoácidos. Él hizo circnlar una niezcla de
vapor de agiia, metano, amoníaco e hidrógeiio continuamente durante una semana,
sobre una chispa eléctrica. Al finalizar la semana cuaiido realizaba su análisis por
cromatogratia de papel, encontró una mezcla de aminoácidos: glicina. alaniiia, ácido
'jaminohntírico, fl alaiiina, ácidos aspártico y gliitimico, entre otros (Fig. 3.3).
Electrodo
de tungsienu
=
Adición de 1;i iiierciii
de g a e s
hl
!
Fig. 3.3. Filuipo diseñado pat. S. I\lillcr y II.
C. Urev para simular las eondicio"es dc la atrnóskw primitiva y estudiar Iii iorniacibii de hiiirnelérulas scneillns a partir dr niol<:riilus
bióeenas. En el niatraz se coloen
agua que al ebiillir arrastra In mmr h gaseosa r~arcierianieque se introduce por M. Coii el aporte de la
eoercíade la chispa el6rtriea sc prodiire la reactiói~química, los productos se condensan y se rolrrtmi
en T.
~
~
Seha logrado también la formación de algunas bases purínicas y piriinidínicasen
desimnlación. Oroy otros obtuvieron adenina por calentamiento nioderada deunamezcla de cianuro de hidrógeno, amonio y agua. La guanina fue identificada a partir de una experiencia similar. Por otra parte S.Fox, calentando urca y ácido
málico obtuvo uracilo.
Se considera que el azúcar (ribosa o desoxirribosa) presente en los ácidos nucleicos
pudiera provenir del formaldeliído; y en cuanto al fósforo se estima que esteelemento
existía disuelto en el agua primitiva.
Otros investigadores al modificar las sustancjas inorgánicas empleadas, así como
las fuentes de energía, el tienipo y otros factores, han obtenido resultados esencialmente similares, es decir, la formación de moléculas orgánicas a partir de precursores
inorgánicos en condiciones que simulan la Tierra primitiva.
Estos resultados se han visto reforzados al descubrirse conipuestos orgánicos similares en nieteoritos carbonosos llegados a la Tierra. En el nieteorito Murcliison
caído en Australia en el aiio 1969 se identificaron varios aniinoácidos, algunos de
ellos no encontrados Iiasta el monieiito en nuestro planeta, y que a diferencia de los
terrestres constituían niezclas racémicas ópticamente inactivas. También se encontraron en este meteorito ácidos mono y dicarbuxílicos: inalóiiico, succínico y fumárico.
En otros meteoritos contemporáneos con la Tierra primitiva se ha podido demostrar la
presencia de materia orgánica.
Por espectroscopia de radiofrecuencia se ha identificado en las nubes de polvo
cósmico la presencia de agua, anioníaco, ácido ciaiiliídrico y otras sustancias qile se
consideran componentes de la atniósfera primitiva de 121 Tierra, y que coiistituyen
precursores de compuestos orgánicos lo que apoya la teoría del origen abiótico de la
materia orgánica. La mayoría dc los precursores de las bioniacromoléculas han sido
encontrados repetidamente en experinientos de simiilacióii, en rocas, esquistos, meteoritos y materias de los espacios interestelares; esto indica la gran prolmhilidad de
que Iiayan sido la secuencia de eventos en la evolución química de la materia viva.
Formación de las primeras macromoléculas
Como se sabe, en la síntesis biológica de las macronioltculas participa un conjunto de proteínas enziináticas en procesos de alta complejidad, que implican elevados
consumos energéticos, por lo qoc no resulta fácil explicar la foriiiación ahiótica de
estos conipuestos.
Conviene recordar que las principales macroniol6culascaracterísticas de los seres
vivos son las proteínas y los ácidos nucleicos que constituyen hiopolíiiicros -las primeras de aminoácidos y los segundos de iiucleótidos. En ambos casos están unidos por
enlaces de tipo covalente, que se forman por condensacih con la pérdida de una
molécula de agiia. Dc particular importancia en la función de los ácidos nucleicos,
tanto del ADN conio del AIW, son las bases nitrogenadas ~oiiteiiidasen los oucleólidos:
son 4 distintas en cada unode estos compuestos: adciiina (A),giianina (G),citosiiia ( C )
y tiamina (T)en el ADN, y adenina, giianina,citosina y uracilo (Cli en el ARN (Fig. 3.4).
Entre estas bases sc producen interacciones que provocan un apareamiento selectivo:
G-C y A-T en el ADN, y C.-C y A-U en el AKN. Estas bases al>areadas,con«cidascomo
complementarias tiei~eiiextraordinaria iniportancia en las síntesis de los 2 tipos de
ácidos nucleicos y de las proteínas.
Es bien conocido que los organismos vivos reqiiieren, para la síntesis de los
ácidos nucleicos de un conjunto deenzinias y de otras proteínas; pero todas las proteínas se forman a partir de la inforniación genética del ADN, mediante un coniplejo
proceso en el que participan los distintos tipos de ARN. Cada una de estas moléculas
necesita la presencia de la otra para su síntesis. Uno de los aspectos más disciitidos en
relación con la evolución de la niateria orgánica y biológica, ha estado vinculado a
IKic. 3.4.
ReprrsentaiiGn csqoeinhtic.~de la
estructura de los áridm iiueli.ici,s.
a ) Dohk rlideiia de un segtiicnto de
iiiis ri~i,lécsla
de ADN. El aziirar eii
cate caso es la llesoxii-ribora. las base\ <Ir sinlim radeiins sr cnfrcntaii
de niawra ioi»ylcnierit.ii-ia: .A-T y
(;-C. 11) Seiti,r de w a cadeim dc
ARN. 121 a r ú r w en este caso i r 1s
rilma.
b)
: Grupo fosiiito A7.: A z ú c ~ r A: Adeniiia
C: Ciiaiiiiia T: Tiiiiliia C: Cirosiria
U: Uracilo
responder ci6l de estas sustancias hubo de formarse primero. En relación con este
prohleniase han postulado 3 variantes:
1. Los ácidos nucleicos se formaron primero que liis proteínas.
2. Las proteínasfuerun sintetizadas antes que los ácidos nucleicos.
3. Ambas sustancias se forniaroii siniultáneamente.
L. Orgel. en favor de la primera posihilidad'se apoya en que -ine<liaiitetodas las
hases pui-ínicas y pirimidínicas, fosfato, con el uso de urca y determinadosiones como
catalizadores- logró sintetizar una cadena de polinockótidos que contenía 40
nucleótidos. Estas ca~lenaspudieron aparearse con cadenas compleiiientarias, si en el
niedio existía inii~lazol;aunque el ADN obtenido no fue capaz de replicarse. Esta
teoría ha ganado adeptos desde que se desciihrieron algiinos AKN con acción catalitica.
Los defensores de la segunda iariante se han basado en niiincrosas experiencias
conlo las realizadas por S. Fos, quien logró la forniación de polimeros cortos de
aminoácidos a partir del calentamiento de una niezcla de estos compuestos; también
y S. Cl~ang,quienes obtuvieron cadenas polipeptídicas de
las efectiiadas por J.Sa~lles
unos 50 aniinoácidos que frieron considerados conio posibles precursoirs enzimáticos.
Los que están en favor de la tercera posibilidad sostienen que se formarían
péptidos pequeños de 2 a 3 aniinoácidos y fragmentos cortos de ácidos nucleicos
de 2 a 10 niicleótidos. Experiiuentos de simulación de este sistcnia Iian permitido
poner de manifiesto algunas características de los organisinos vivos por la presencia
conjunta de los 2 tipos de sustancias.
De cualquier manera la fornvación de pulímeros de aminoácidos y de nucleótidos
en condiciones abióticas pndo producirse mediante las fuentes energ6ticas apropiadas, aun suponiendo la carencia total de catalizadores, pues, en última instanciii, estos
lo que hacen es aumentar la velocidad (le la reacción. Sin embargo, es muy probable
que en estos procesos participaran algunos catalizadores abióticos antes de qiie se
formaran las primeras proteínas con actividad enziinática.
Se considera qiie la adsorción de los precursores en detcrininad.u:superficies(silica,
arcilla, etc.) facilitó su condensación y favoreció la forinación de los primeros
hiopolinieros por calentamiento (luz solar 11 otras fuentes energéticas), en presencia de
compuestos orgánicos con acción deshidratante y probahlementc ante algún catalizador inorgánico. En experiencias que simulan estas condiciones, efectuadas en algunos
laboratorios, se obtienen péptidos y polinucleótidos con disposición azarosa de sus
precursores, aminoácidos y bases nitrogenadas, respectivamente. Sin emhargo, después deformado el primer polímero polinucleotídico,se puede influir en la secuencia
de precursores de otra nueva cadena que se sintetice en su presencia. Si se añade el
polinucleótido que tienesólo como base al uracilo (poli U) y se intenta la síntesis de
una nueva cadena de ARN,sefavorecelaformación de un poli A, por lo que la cadena
poli U actúa como molde y el compleniento de bases funcionaria aun en condiciones
abióticas (Fig. 3.5). Las cadenas formadas pueden adquirir la capacidad de
autorreplicarse y, en dependencia de su secuencia de bases,adoptarían una conformación espacial, la cual puede a su vez influir en su estabilidad y eficiencia replicativa.
Molde (cadena poliU1
Fig. 3.5. Foriiiacibn abiútica de cadenas poliiiucle6tidir.a~.a ) Forniacióii de una iadeiin ron seciicneia
uarosa la cual depende, cn gran medidsi. dc la rlisponihilirlari de los niidebtidus precursores. h) Fwmaeión "dirigida" de una cadena poliiiiicleetidica dc poli A, iitiliraiido como
nioldc una cadena de poli U. Nbtese la incarporaeibn scleetiva del iiucle6tido de adenina a
pesar de éste encontrarse en cantidades similares al resto de los n ~ d c ú t i d ~ s .
A. Katchalsky deniostró la formación de cadenas polipeptídicas a partir de
aminoaciladenilatos; estos aniiuoaciladenilatos fueron sintetizados a partir de
aminoácidos y adenosín monofosfato (AMP). La polimerizaciún se logró cuando los
aminoaciladenilatos obtenidos se adsorbían a uiia superficie de cierto tipo de barro y
se formaban cadenas polipeptídicas de 50 6 inás aminoácidos, con una eficiencia
aproximada de 100 9%. Los aminoaciladenilatos son los precursores de la síntesis de
proteínas en los organisnios vivos.
Aun los polímeros de aminoácidos formados por síntesis abiótica podían presentar acción catalítica y es posible que una de esas acciones cataliticas fue la
poliinerización de nucleótidos, lo que permitió la réplica de los ácidos nucleicos.
Aunque no está claro cómo podría haberse iniciado la dirección de la síntesis de las
proteínas por los bcidos nucleicos, no cabe duda que en algún momento tal evento
Iiubo de ocurrir, y la mejor prueba es la existencia de un código genético universal.
Se sabe que las moléculas tienen la tendencia de formar agregados de manera
espontánea, que esto favoreció su estabilidad y existió posiblemente un equilibrio
entre las fonnas libres y agregadas:
MACROMOI,ÉCUL,AS ---------->AGREGADOS
PRECURSORES --------->
Estos agregados podrían ir sumando moléculas y creciendo en tamaño y comple,jidad.
Formación de las primeras ~ ~ t r u c h u avivas
s
Fig. 3.6. RcpresentaciOnesquemática de gotículaí de caaeervadm ohtcnidm
eaperinicntalmente en el laborstorio de A1 Oparin, fonnados en
solución acuosa de prutcinas y
ácido poliadenilico. Este investigador constató que talcs gotírulas
pueden "sobrevivir" un tiempo
niayor Fi seleaportan enziiiiasqur
periiiitan efecluar rcaceiones de
polinierizarión,
Pig. 3.7. Representación de algunas de las
reacciuncs rcalizadus en el interior
de una gotíciila de coacerradu en
los ~xperinientosllevados a cabo
por Al Oparin. El coaccrrado contiene en su interior el polisaeárid~
almidón y algunas enzinias. a) I,a
presencia de la enzima glue6gcno
Pusforilasa y dc glucosa-1-(P), faviirece las reacciones de poliincrirarión y la cadena de alniidón
crece, liberándose fosfafo inorgA
nico. b) I,a presencia dc la eniima
nialtasa, la cual degrada al alniidún, proroes un efecto contrario
al cxpucstu en a), 1s molécula de
ulmidbii decrece y sc libera
tirallosa.
Se supone que las biornoléculas que se fueron sintetizando estarían probablemente en el agua de mares y océanos, formando una especie de "caldo" diluido y exento de
oxígeno molecolar. Estas niolécnlas tenían la posibilidad de reaccionar entre sí, se
producían nuevas combinacioiies y se formaban agregados multiinoleculara de tamaño y complejidad crecientes.
Opariri y otrosobtuvieron agregados de polinucleótidos con proteínas, que formaban complejos multimoleculares aislados de la solución, en fornia de sistemas individuales, a los cuales llamaron gotas (gotículas) de coacervados o simplemente
coacervados; a los queeste científicoles concedegran importancia en la evolución de
la materia viva (Fig. 3.6).
El propio Oparinconsidera que laevolución Mológica planteada por Darwin, debería empezar a actuar a este nivel; al formarse los agregadoscomo resultado dela reunión
de las moléculas, estos comienzan a competir entre sí por la obtención de materiales y
algunos llegan a ser dominantes. El demostró experimentalmente algunas pmpiedade. de
los coacervados, comprobó la agregación de los polímeros en solución y la tendencia a
formar una fase coloidal separada de laacuosa; lo cual secumplió para una ganiadivem
decombinaciones de polímeros y además puso de manifiestoque la existencia de alguna
actividad inetabólica en ellosfavorecia su estabiiidad (Fig. 3.7).
Ha quedado bien demostrado que las moléculas poseen la propiedad de
autoordenarse de acuerdo con sus earacterísticas estructurales y sus propiedades. Se
sabe que determinados tipos de lipidos,que poseen una porción polar y otra apolar,
tienen la capacidad de disponerse en solución acuosa de manera que sus porciones
apolares se nnan entresí y las polares interactúencon el agua, para formar estructuras
laminares, características de las membranas biológicas.
oxígeno molecular transformó la atmósfera primitiva rediictora en la actual, que contiene O,,CO,, N, y H,O.
A partir de los primeros organismos vivos y en un largo proceso de millones de
añosdc evoluci61i se desarrollaron las diversas formas de vida desde las ni& simples
IiasCa las plautas, los animales superiores y el ser Innnano. La evoluciún biológica es eii
la actualidad un proceso cientiticainentc demostrado y aceptado de forma general;
pero antes de que fuera así, niuclio tuvo que avanzar el conocimiento biológico y
niuclias trabas ideolúgicas tuvo que vencer el pensamiento científico y creador de
minerosos Iioinbres de ciencia. En la figura3.9 se resumen los principales eventos en
el proceso de formación de la niateria orgánica y primeros organismos vivos.
l
1
1 Formación de moléculas organogénicas ]
l
Por i-eacciorics dc estos itoinoi lihres. coii iiportc
cncrgi'rico de viii-iad;is fuentes sc ioioii,: H2: O?: H,O:
CH,; NH ;: C 0 2 y CNH. entic otra!,: qm foiniaion
la atrnósfcra priiniiiva
de biomoléculas sencillas
1
1
Teorías evolucionistas
Dos aportes importantes qiir dc alguna foi-nia inflnyeron en el ~~cnsaii~ieiit«
evulucioriista de su &pocafiieroii: 111strdhajos geolúgicos de Jainesflutton, sobre el
desarrollo de la Yieri-a -donde se ponc de nianifiesto que este fue un proceso lento
caiisado por fuerias uaturales, no un evento caútico y súbito conio se admitía de forma
general Iiasta ese nioiiiento- y la clasificación taxonómica de Carlos 1,inneo.
Resulta curioso que a pesar de ser Linneo un defensor de la teoría de la creación
divinadel universo y de la vida, contribuyó notablemente a concebir la interrelación
entre 10sdistintos organismos vivos, al desarrollar su sistema de clasificación y nomenclatura para las especies biológicas que, además, puso de manifiesto la estructura
jerárquica en él implícita.
~1primer hombre de ciencia qne presentó una teoría sistemática sobre la evolufue Jean Baptiste de Monet, Caballero de Lamarck, quien en el año 1801 formula
que todas las especies incluido el hombre, descienden de otras especies. Lanarck
organismos unicelulares e invertebrados, observó que las rocas antignas contenían fósiles que correspondían a formas de vida más simples y dedujo de sus ohservaciones quelas formas superiores habían surgido de las más siniples por un tipode
~~progresión";
que ésta se producía conio resultado de 2 fuerzas distintas: la primera, la
e h i ó n hereditaria de las características adquiridas y la segunda fuerza era un principiocreativo universal, un impulso inconsciente para ascender en la escala natural. Él
consideraba que las formas más sencillas de vida surgían por generación espontánea.
Una parte muy conocidade la leona de Lamarckesla que conciernea sil explicación
sobre la evolución de la jirafa. Él sostenía que la jirafa actual de cuello largo había
evolucionado a partir de un antepasado de cuello corto; pera quelodesarrollaron mediante el ejercicio provocado por el esfuerzo mantenido para alcanzar las ramas altas de los
arbolesy poder aümentaise; también sostenia queesta característicaadquiridase trasinitió aladescendencia. Como puede apreciarse, a pesar del aspecto positivo de Laniarek de
plantearse la evolución de las especies incluyendo el Iiombre. tiene las limitaciones de
considerar que las características adquiridas se trasmiten hereditariamente; separa las
distintas especies en su explicación del desarrollo evolutivo e incluso llega a admitir la
generación espontánea para los organismos inferiores dentro de cada especie. Charles
Darwin es considerado con toda justeza el fundulor de la teoria evolucionista. Darirk
comenzóa estudiar medicina, carrera que abandonó después de 2 años par:idedicarse al
sacerdocio e hizo estudios teológicos en la Universidad de Canibridge. Sin embargo, al
culminar estos estudios, renuncia a dedicarse a la vida eclesiástica g acepta la oferta de
incluirse a bordo del Beaglepara efectuar una larga travesía por todo el mundo, con el
interécderealizar estudios como naturalista. Este via,je lesirvió a Danvinparaconstatar la
grau variedad de la naturaleza, la diversidad de especies de los organismos vivos tanto
vegetales como animales, observó numerosos restos fósilesy relacionó las distintas variedades existentes dentro de cada especie con la edad geológica de islas y continentes que
constituían su hábitat. La duración de esta travesía fue de 5 años e influyó de forma
notable en sus apreciaciones. A su regreso a Inglaterra se dedicó al estudio de variedades
logradas por los criadores de plantas y animales, quienes por selección artificial, habían
podido obtener una gran diversidad de aves, partiendo de la paloma común. Ademhs,
observóel desarrollo denllevas plantas y animales por selección artificial. lo que lograba
mejorarlascaracterkticasdelas que les dieron origen, particularmente en su capacidad de
adaptarse al niedio.
Él c&icluyó de este análisis que de la niisma forma que el hombre selecciona de
forma artificial nuevas variedades de plantas y animales, procedía el niedio ambiente,
por lo que se produce asíla selección natural.
Darwin parte de la existencia de la variabilidad indii,iduaI. y en su teoría postula
que aquellos individuos que poseen cicrtas cai.acterís1icas que les permitan una iiie.jor
adaptación al medio, tienen ventajas para sohrevivir; él planteó que estas variaciones
delas especies eran fnrtuitas, no ias producía el ambiente ni ninguna fuerza creadora,
ni el afán inconsciente del nrganisnio y de por sícarecían de ob,jetivo.
En 1859 se puhlici, su libro B Origen de las Especie.9 por medio de la Selección
Natural, donde expone su teoría sobre la evolución dc las especies. Ilariiin no pudo
explicar las causas de las ~ariacioncsde los individuos. Los aspectos de su teoría, que
se refieren al papel de la lucha por la existencia como fuerza motriz importante en la
evolución se ~oiisideraiique retlejan la influencia e,jercida sobre 41 del sociólogo
reaccionario 7ho111a,siM~tItu~.
fSi<~ni~?l.C.c.iil;i~
35
Darwin presentó algunos aspectos concordantes con los planteados por Laniarck,
conio la concepción del inundo en permanente evolución, gradual y continua. Sin
embargo, los aspectos nuevos que constituyeron aportes de Darwin tiieron el origen
común de todas las especies, que es realmente la esencia de su teoría, y ademásexplirú
el inecanisnio de esta evolución conio causada a partir de la variabilidad individual y
la selección natural. Darwin no pudo dar una explicación científica a la causa de las
variaciones individuales, lo yue se comprende fácilmente si se tiene en cuenta que eii
su época muy poco se conocía sobre genbtica.
La evolución es un aspecto central de la biología. La teoria moderna unió los
aportes de ciencias diversas cnino la paleontología, la ecología y la genética. Una
contribución importante a la teoria de la euolución lo constituyó la aplicación por
IIugo de Vries de las leyes de la genétim de Mendel, lo que permitiú interpretar las
causas de la diversidad de individuos como v~riacionesgenéticas provocadas por
mutaciones; en la actualidad sabemos que las mutaciones, las recombinaciones y la
duplicación de genes son las fuentes principales de variación de las especies.
Del análisis de la evolución de los individuos se llegó al estudio de Va evolución
de las poblaciones. Las variaciones de las poblaciones constituyen la fuerza fundamental del proceso evolutivo.
Evidencias en favor de la evolución de las especies
Numerosos elementos de variada naturaleza apoyan la teoría evolucionista. Estas
evidencias están relacionadas con las más variadas ramas de las ciencias biológicas.
El estudio de varias ciencias coniparadas como la anatomía ha puesto de manifie
to la relación estructural de órganos homólogos en especies distintas, lo que constituye un fuerte apoyo a la tesis del origen común de éstas. La comparación de los primeros
estadios del desarrollo embrionario de numerosas especies muestran muchos aspectos
siniilares y refuerza el criterio de laexistencia de un antepasado coniún.
Los valiosos aportes de la paleontología niediante el estudio de muchos fósiles
constituyen una iniportante prueba del proceso evolutivo, particularmcntc en la deiiiostración de los eslabones intermedios entre especies diferentes.
La bioquíiiiica ha brindado numerosas evidencias a la teoría evolucionista: la
similitud de hiomoléculas que desempeñan fiinciones iguales en distintos organismos; la existencia del código genético universal; las características generales cornunes de las reacciones rnetahólicas; la relación que puede establecerse en la composición y estructura de determinadas biornoléculas homólogas en organismos diferentes
(como por ejemplo la hemoglobina) y que ha perniitido establecer relaciones
filogenéticasentre las especies, por sólo mencionar algunas de las más relevantes.
La genética, la inmunología y otras ciencias biológicas también aporta11datos
valiosos que apoyan la teoria de la evolución de las especies y confirman el origen
común de éstas.
La vida es una forma del movimiento de la materia. El movimiento binl6gieo
contiene a otros tipos de movimiento (&iw y químico) y abama a todos los procesos que ocurren en los s e vivos;
~ su esencia es e1 intercambio continuo de sustancia, energia e información con el medio. La vida es un producto del d e s m i i o de la
materia inorgánica, originada por una serie de cambias cuantitativos y graduales
que condujeron a saltos cualitativas en un largo proceso evolutivo.
L a composición elemental de la materia viva difiere de la inorganica en los
tipos de dtomos predominantes y en su organización para formar molécuias. Las
biomolenilas son mayores y más complejas que las s e n d a s moléculas presentes
,la materia inerte.
El agua es el compuesto más abundante en los organismos vivos, también
&&en iones inorghicm; pero las molénilas características de los seres vivos, las
bfomoléeulss,son compuestos carbonadas que contienen además hidrógeno, oxígem, nibógeno y otros elementos, cuyos representantes más importantes son las
pro te^, los deidos nucleieos, los glúddos y los Upidos.
El desarrollo hnol6gico alcanzado ha hecho posible el a n W i reimapedivo
de aueesos acaecidos hace millones de años, Ligados a la formación de la materia
niea ea y primeros organismos vivos. La teoría de Oparin ha sido confirmada
esencialmente por numerosas observaciones y experiencias de simulaci611, lo que
explica la formación abi6tica de las biomolénilas a partir de un grupo de moléculas biógenas presentes en la atmósfera primitiva. h a s se condensarían, formarían
las macromoléculas y la agregación de todas eUas daría lugar a los complejos
muüímoleculares que al aislarse de la soludón forman los coacervados. La organizaaón de una membrana, la aparición de proteínas enzimátirss y la réplica de
los ácidos nucleicm son eventos que están ligados a la aparicib de la d111la primitiva A pa* de los primeros organismos vivos se produjeron todas las formas de
vida en un largo proceso de millones de años.
El fundador de la teoría de la evolución fue Darwia.. auien olante6 aue la
evolución se producía por un fenómeno de s e l d ó n nahiral, de manera que entre
la p ndiversidad individualdentro de cada especie, tendrían mayor sobrevivencia
y produeiríaa mayor deseendenda aqn6llos que presentaran variaciones que les
~ e d t i e r a mejor
n
adaptad6n al medio. Las causas de la diversidad individual son
ias mutaciones las reeombinaciones genéticas.
La teoría sint4üca moderna de la evolución integra a la paleontología, la
ecología y la genética. E h t e n numerosas evidencias dentííieas que confirman el
proeeso evolutivo y que han sido aportadas por la anatomía comparada, la
embriología, la paleontologfa y la bioqnímica, entre otras.
;
Ejercidos
1. Cite las características del movimiento biológico.
2.Mencione datos aportados por la tecnología del cosmos que apoyen los criterios de
las condicionesde la atmósfera primitiva.
3. ;Qué es un experimento de simulación? Explique uno de ellos.
4. Justifique la existencia en el medio primitivo de metano, amoníaco, ácido
cianhídrico,dióxido de carbono y agua.
5. Explique
la formación abiótica de los biopolímeros.
6. Haga un esquema delos niveles de organización de la materia viva.
7. Realice un estudio comparativo de los planteamientos hechos por Lamarck y por
Darwinsobre la evolución de las especies. Infiera de dicho estudio la razón de que
sea Darwin el investigador considerado fundador de la teoría de la evolución.
8. Señale evidencias científicas aportadas por la bioquímica que apoyen la teoría
evolucionista.
Existendistintas formasdeorganizaciónde la materia viva: los virus,los organismosunicelulares y los pluricelulares. La unidad básica estructural y funcional de los
organismos vivos es la célula. Las células pueden ser eucariotas o procariotas.
Los organismos unicelulares pueden ser procariontes o eucariontes. Los
pluricelulares están constituidos sólo por células de tipo eueariota y se organizan
formando tejidos, órganos y sistemas. El funcionamiento armónico en estos organismos se garantiza mediante variados y complejos mecanismos de comunicación
intercelular.
En este capítulo se tratarán, de manera suscinta, las formas básicas de organización de la materia viva, haciendo especial Iiincapié en la célula eucariota; además, se
revisarán, de forma general, las características esenciales de los organismos
pluricelulam.
La célula procariota es más siniple y primitiva que la eucariota, presenta pobre
diferenciación.Este tipo de eélula mide entre 1 y l O p q es tipica de bacterias y algunas
algas. La célula procariota más estudiada ha sido la bacteria Escherichia coliy debe
señalarse que una parte considerable del conocimiento alcanzado en el campo de la
biología celular y molecular está muy ligado a este organismo (Fig. 4.1).
Fig. 4.1. Representación esquemática de una
célula procariota tipo y una eucariota. a) 1.a
célula proeirriota carwr de núcleo y de
ionipartimentación. b) La célula eucariota
es más diferenciada, posee núcleo y
organclus citoplasmáticos qiie implican su
r~ni~artimentación.
1,as células procariotas presentan memhrana plasmática que las individualizan y
seliaran del medio, carecen de núeleos, aunque sí poseen una zona nuclear donde se
eiiciienlra el material genético contenido eii una molécula de ADN circular. Estas
ctlulas no presentan organelos citoplasrnáticos; las enzimas respiratorias y las de
fotosíntesis se encuentran asociadas a la inenihreiia plasmática (Fig. 4.2).
Cblula eucanota
Las células eueariotas, características de los organisnios pluricelulares, iiiidcii
entre 10 y 100 pq1)reseiitan un elevado grado de diferenciación sohceliilar; además
de la iiieiiihrana plasmática que dcseiiipeña funciones similares a las procariotas, poseen un sistenia de eiidoniernbranas que condiciona compartiniientos celulares. La
envoltura nuclear perniite la deliiiiitacibn del núcleo, en su interior se encuentra el
y presenta un niayor grado de organización que en la
material geiiético iiiás ahui~d~iiite
célula procariota.
En el citopkmina e localizan los organelos que sc relacionan con tunciones espccíficas de la c6lul;r: rctículo endoplasiiiiítico rugoso liso, aparato de Golgi, iiiitocondrias, lisosomas y peroxisonias. Las iiiclusiones citoplasniáticas están muy relacioiiarlas con el cúniulo de sustancias como los griiiulos de glucbgeno y goticulas de grasa,
asíconio con las estructuras integranles del citt~esquelcto(Figs. 4.1 y 4.3).
Virus
[,os virus coiistitu~eiiuna f'oriiia de existencia de la iiiateria viva; son partículas
de tamaño variable foriiiadas por un ácido iiucleico. que puede ser ácido desoxirribonucleico o ril~oiiucleirorodeado por proteínas. El 6cido iiucleico posee el
material genético de esta partícula, la que súlo puede iniiltiplicarse cuando infecta
previamente una dlula (célula hospedera), ya que carece de la maquiiiariii de síntesis
de sus propias pi'oteíiias ( F i g . 4.4 > 4.5).
Cuando los virus penetrair en la cclula, l a proteínas de la cubierta son degradadas
(uricoating)y queda el niaterial genético e x p u e t i ~entonces
,
se iiiultiplica el virus
dentro de la célula Iiospedera. Otras veces. como es el caso de los virus que iiikctaii a
bacterias (I>acterii>fag«s~.
la inkccii,ii ccliilar sc produce coi1 la incr~rporacibiidel
genoma v i d (Fig. 4.6).
Muchos vir~isson capaces de producir ciiferineda<lesen los seres vivos; delx
señalarse que se les reconoce, también, un papel iiiiportaiite en el proceso evolutivo.
La sustancia de la cual están foriiiadai todas las cblulas se conoce coino
P m t o p h . El protoplasina es un sistenia coloidal foriiiado por los coinponentes del
metaholismo y el material gei16ticocelular, está niuy altaineiite organizado tanto estructural conlo fuiicioiialmeiite.
pioteinica
Ácido nucieico
$?
unión del virus
Inyecci6n del ácido
nucleico dentro de la célula
Fig. 4.6. Etapas de la replicación de un
baetcriófago en su célula hospedera.
Funciones del protoplasma
Las funciones del protoplasma son: irritabilidad,asimilación y desasimilación,
así como crecimiento y desarrollo. Se tratará cada una de éstas por separado y sus
diferentes variantes de manifestación según el tipo de célula.
initabiüdad. Es la capacidad de responder a un estímulo; es una propiedad
universal característica de la materia viva, que desaparece con la muerte. La irritabilidad se presenta en forma especializada, e x c i t a b i d , en determinados tejidos conocidos como tejidos excitables. Esta propiedad comprende la detección del estímulo y
la respuestadesencadenada. Dicha respuesta depende del tipo de tejido y puede manifestarse como:
1. Conductibilidad. Propiedad del protoplasmade trasmitir una señal a unsitio más o
menos lejano de la célula. Se presenta enel tejido nervioso.
2. Contractilidad. Propiedad del protoplasma de cambiar de forma y tamaño (acortamiento) en respuesta a un estímulo; respuesta típica del tejido muscular.
3. Secreción. Capacidad de responder a cambios en el medio con la liberación de
sustancias útiles, productos de la síntesis de la célula; característico de las células
glandulares.
Asimilación y desasimilación. Es también una propiedad universal del
protoplasma y está muy relacionada con la esencia de la vida, que implica el intercambio constante de sustancia y energía con el medio. Existen 3 formas principales de
manifestación de estas propiedades:
1. Absorción. Incorporacióndematerias diversas a través dela membrana plasmática.
Este paso requiere habitualmente de determinadas estructuras especializadas, receptores o transportadores o procesos de endocitosis (u otros).
2. Excreción. Eliminación de sustancias de desecho a través de exocitosis.
3. Biotransducción. Captación y cambio de un tipo de energía en otro directamente
utilizable. Existeu varios tipos de mecanismos biotransductores como la fotosíntesis y la respiración celular. La respiración celular es el mecauismo de
biotransducción fundamental de los organismos aerobios.
Crecimiento y reproducción.El crecimiento es el incremento de la cantidad de
protoplasma, y la reproducción es el aumento de la cantidad de células. Al crecer la
masa de protoplasma por encima de determinado límite se produce ladivisióncelular.
Organización de una célula eucariota tipo
El protoplasma que forma la célula eucariota está dividido por la envoltura nuclear; aquel que se localiza entre la envoltura nuclear y la plasmática,se conoce como
citoplasma. El material geuético de la célulase encuentra en el núcleo. En el citoplasma se hallan los organelos y las iuclusiones citoplasmáticas.
Los organelos sou unidades estructurales muy organizadas, relacionadas con
funciones específicasde la célula. Como regla, sou estructuras membranosas de tamaño y cantidad variables de acuerdocou el tipo de célula,^ inclusosu estado funcional,
y presentan una localización característica dentro del Maloplasma. La presencia de los
organelos implica la compartimentación celular.
En los organismos pluricelulares cada célula difiere de uu tejido a otro por la
diferenciacióu celular y la especialización funcional, de manera que la célula tipo es
una abstracción con fines didácticos.
La célula eucariota tipo posee la membraua plasmática, que está formada por
Iípidos, proteíuas y algunos glúcidos con un elevado grado de organización estructural; además presenta múltiples diferenciaciones como pueden ser microvellosidades,
plegamientos, desmosomas, y otras. Esta membrana limita a la célula del medio y
permite el pasoselectivo de sustancias. Está relacionadacon las fuucioues de irritabilidad, asimilación y desasimilación.
I,a envoltura nuclear (de dohle inciiihrana) delimita al núcleo del citoplasma,
presenta poros que coniunica~iel niicleoplasina con el Iiialoplasiiia. Dentro del núcleo
seencuentra la croniatina (material genético li~rniadopor ADN y proteínas), la cualse
condensa y forma los croniosomas en el momento de la división celular, tamhién es
frecuente ohwrvar uno o más iiucléolos, los que están relacionados con la formación
de las ~>artículasribosoniales. El núcleo está ligado con la fiinción de reproducció~~.
El rctículo eiidoplasiiiático es una red continua e iwcgylar, de ninalcs liniitados por
niemhraiias. estructuras tuhulares miiificadai y sacosaplanados y paralelos, las cisteinw.
El reticiik~endoplasniático rugoso tiene asociado numen~sosrihosom;ls (partículas formadas por ARNr y proteínas) y está involucrado cn la sintc~is
de pn>teínasde secrc~ióiiy
de iiieiiihranas. El retículo endoplasniiítico liso no contiene ril>«soinas,son túhulos
iiitercomiiiiicados, sin cisternai; está relacionado con la síntesis de sustancias lipídicas y
reaccioiics de glicosilación. Los rihosomas lihres sintetizan las p r ~ t c í n a propias
s
de la
célula. El retículo y los rihosonias están relacio~iadoscon la función de secreción.
A continuación del retículo end»plasiii;ítico rugoso y liso, entre estos y la iiiernhraiia plasinática se halla el aparato de Golgi, tamhién relacionado con la función de
secreción, cstá formado por cisternas aplanadas, limitadas por ineml>ranasque fornian
I(adictioomas, los cuales se presentan en número variable. Esta estructura tiene la
Liiiici6n de colectar y Concentrar los prnductns forniadns en el retículo endoplasmático,
en eslc sitio e~periiiientanalgunas transforniaciones y se distribuyen en el interior dc
la célula o vierten su contenido al exterior por exocitosis.
Los lisosomas son corpúsculos ineinhranosos que contienen un conjunto de
eiiziiiias Iiidrolíticas capaces de degradar iniiltiplcs compuestos. 1.0s lisosonias pi-iiiiarios son aquéllos acabados de forniiir en el aparato de Golgi: los secunclarios, son los
que ya se Iian unido a las vacuolas y se encuentran en proceso digestivo. Las vacuolas
di,zcstivas formadas pueden ser hetcrúfagas, cuando el inatcrial que se encuentra degradándose es ajeno a la célula, y autóPagas si aquél es de la propia c6lula. La función
(le los lisosonias cstá relaciouada con la asiniilacióii y desasiiiiilación.
1,os organclns, (loiiclese lleva a caho la respiración cclulai; son las iiiitocondrias.
Estas soii c~tjtnich~ras
iiiemhranosas en fornia de sacos,de tamaño y cantidad variables
según el te,jido; poseen uiia doble nieinhrana interna y externa, y entre ellas se encoentra el espacio iiiternienihranoso. La memhrana interna se 1-epliegahacia el interior y
forma las crestas, que delimitan la matriz.
El citoesqueleto tiene fiinción de sostí.ii y cstii conforiiiado por una red de
iiiicrofilaiiiciitos y niicrotiihtilns. que atraviesa el citoplasma. Los iiiiii-ofilamentosson
estructuras alargadas, presentes en número \ ariahle y Ii~calizadospor dehqjo de la
iiienihrana plasinática, intervienen en la locoiii«cióii y la endocitosis, y están ligados
a la contractilidad. 1x1siiiicrotúhulos sou tuhos 1-ectoso algo ci~rvos,iiunierosos en las
cClulas en di~isiíni,que forman el aparato niitótico: están relacioiia<loscon la fiinción
de reproducción.
I m centríolos son estructurasen forma de varillas,coiistit~iidospor niicrotiil>ulos
i o n disposici61i especial y localiaados cerca del núcleo celular: éstos son I y se Iiallaii
dispuestos de forma perpendicular entre sí: liciien función en la reproduccióii.
específicaniente en la organización del aparato iiiitótico.
Con freciieiicia en el cituplasnia se presentan cúniulos de sustancia que suelen
tener carácter tr;insitorio, éstas soii las iiiclusioiies citoplasniiiticas; son materiales
extraños no digerihles o de depbsito, eiitrc estos iiltinios teneiiios los gránulos de
g l i i c ó g ~yi la5
~ ~ g~ticulasd i grasa: en aiiihos casos constituyen formas de alniaceiiamiento (le energía.
Organismos pluricelulares
En un organisiiio ~~iiicelul;n;
I:i ct.liila cmstituyente dehe ser capaz de efectuar
todassus funcioues inherentes; si11cnih;irgo. en un organisnio pluricelular las diversas
1
I
1
\
i
células que lo integran se diferencian y cumplen distintx funciones. Las células que se
especializan en la secreciún de proteínas presentan un retículoendoplasiiiático rugoso
niuy desarrollado; las células de la niucosa intestinal presentan proyecciones que
forinan las microvellosidades, que les permite aiiiiientiir niiiclio la superficie de contacto con el medio, aspecto fundaniental en su funcibn, en la digestiún y absorción de
nutrientes.
En los organismos pluricelulares, las células semejantes, las que Iian experimentado la misnia diferenciación y especialización se agregan y forniaii los te,jiclos, por
e,iemplo: las células musculares, las nerviosas, de la mocosa intestina1,etcétera. Diferentes tejidos se asocian y forman los órgmos; el Iiígado está forniado por hepatocitos,
vasos, nervios y te,jidoconectivo. A su vez, diferentes órgaiios conforinari los aparatos
y sistemas, como es el caso del aparato digestivo I'orniado por la boca, el esófago, el
estómago y los intestinos. Todo ello permite al organismo una actividad más eficiente
y con superiores coiicliciones de a d a p t a c i h al niedio. Se denoniina difereniiacióii a
los camliios en la organización estructural que experimentan las células de diferentes
tejidos de los organisnios pluricelulares. A los caniliios funcionales asociados a aqukllos se les reconoce conio especializacibn. De manera q n e ambos procesos,
diferenciaciún-especialización constituyen un par iiidisoliil)lcineiite ligado.
El proceso de diferenciacibn está programado de fornia genética y constituye un
aspecto poco conocido desde el punto de vista in«leciilai: Sin embargo, se tienen
algunas evidencias a partir cle estudios realizados durante eventos, que pueden considerarse como una diferenciacibn primitiva en ciertos orgaiiisiiios simples. Un ejemplo
lo constituyen las micobacterias, pn~cariotascon coiiiportaiiiiento "social". En ki figura 4.7 se puede obserwr un esqueina representativo del ciclo de vida de este microorganismo; en él se puede apreciar cóiiio la deprivación de nutrientes provoca la agregación de las células, las cuales experimentan una diferenciaciún y foriiian un orgaiiisiiio
plnricelular r~~climentario.
Los estudios realizados en nintantes, que Iian perdido la
facultad de formar ese orpanisnio pluricelular, revelan que las células se agregan en
respuesla, por lo menos, a 4 sustancias secretadas por las propias células conio señales.
1
Oqnnisiiio ploiiceliilar prinim\o
Agregac"iii
Fig. -1.7.
Ciclo de $id;, dr las iiiiriibactrriac.
LA agi'egaci6n celixlai- sc pri,dncr
por la d q w i n w i 6 ~de m ~ l ~ - i e n t c s
e n el riicdii, de cultivo. y ?e hriiia
iin oi-~aiiisiito~iliii-iriliil;ir pririii-
ti,,,.
La formación de la estructura pluricelular Iia siclo mejor coniprendida por el estudio de estos eventos en otro organisnio, el Dictyo.steliun1discuideurir. eocarionte con
genoma hastantesencillo, apenas algo mayor que el de la niicoliacteria antes tratada y
unas 100 veces menor que el de los seres hunianos.
Estos organismos viven conio células independientes y, cuando la fuente de
iilitricntes se agota, clejan de dividirse y empiezan a agregarse en un punto central
(ceutrode agregación), se adhieren unas con otras por medio de moléculas específicas
de su superficie para formar uiia estructura mi5 conipleja.
Esta agrepaciún parece estar directamente relacionada con la liheracibn de AMPc
por las células, en respuesta a la falta de nutrientes del medio. Seobserva también la
activación de numerosos penes, lo que induce la foriiiacibii de nuevas iiioli.culas con
las que intervienen en la adhesión celular; como resultado, estos organismos se empiezan a reunir en un centro y se produce una condensaciún radial de éstos hasta formar el
cuerpo multicelular (Fig. 4.8).
La especialización y diferenciación hística de los organismos pluricelulares determinan mayor eficiencia funcional. La existencia de complejos mecanismos de regulación permiteel funcionamiento integral y armónicode tales organismos.
Podemos resumir que los organismar pluricelulare~se caracterizan por:
1. La existencia de diferenciación y especialización celulares que están programadas
genéticamente.
2. Las funciones del organismo se encuentran repartidas entre tejidos distintos, lo
quesemeja una "división del trabajo".
3. Las células del mismo tipose agregan y forman tejidos. Distintos tejidos seasocian
y forman órganos, los que a su vez se agrupan y constituyen los aparatos y
sistemas.
4. Las ctlulas de estos organismos están intercomunicadas mediante diversos y eficientes mecanismos de regulación lo que permite su funcionan~ientoen forma
coordinada y armónica.
5. Estos aspectos provocan que los organismos multicelulares sean más eficientes.
Fig. 1.8. Foriiiaci6ii de cuerpoa rnulliceliiliires en el I>iclwsreliurii disroidriim. La agregación celiilw, en
este raso. parece esiar i-elaeionatla
con la lihersci6ii al medio d e
h l P e por las propias células.
Debe enfatizarse que la división de estas células no produce la duplicación det
individuo, sino sólo la renovaciún de sus tejidos. En algunos tejidos las eélulas uo se
dividen. La reproduccióu se lleva a cabo con la participaciún de órganos g células
especializadas.
Como ya se ha señalado, los tejidos son con,juntos de células estructural y
funcionalmente seme,jantes; estas células se adhieren o unen de formas diversas. La
uniún iutercelular está presente en ta mayoría de los tejidos, como nervioso, muscular,
adiposo, etcétera, auuque en algunos esta unión no existe, tal es el caso de la sangre.
Los mecanismos de unión de las células son básicamente de 2 tipos: los que
favorecen la unión mecánica entrc ctlulas y los que favorecen la comunicación
por contigüidad. Entre los del primer tipo tenemos los desmosomas, la unión
intermedia y la unión estrecha, y entre los segundos tenemos las uniones en hendidura o nexus (Fig. 4.9):
1. Desmosoinas. Constituyen zonas de adherencia entre células epitelialesque tienen
una función mecánica; hacia ellos convergen filamentos.
2. Uniones intermedias. Son uniones similares a los desmosoinas pero carecen de
filamentos.
3. Uniones estrechas. Las célulasal formar este tipo de uniones se fusionan de manera
que no existe espacio intercelular.
4. Uniones en hendidura o nexus. Intervienen en las comunicacioiies intercelulares
por contigüidad; existen canales de unión, a través de los cuales pueden pasar
iones o moléculas pequeñas.
Fig. 4.9. Representación csquemítira de alfpnas tipos de uniones interrcliilarrs. a) Desniosomas
sencillas cntre 2 cflulas cpiteliales. h) Unibn rstrrclis de las rneiiihraiias siipcrpiicstas que
forman la rnieliii:i.
Comunicación celular
La comunieaciónentre la5 células de los organisinos pluricelulares es un requisito
para el funcionamiento de éstos. Los sistemas de comunicación permiten el control del
creeiniiento, desarrollo y reprodueción de ellos g hacen posible que funcionen
armónicamente mediaute la regulación y coordinación de las diversas actividades del
organismo.
La comunicación iiiterceliilar se puede ejercer de forma local o a distancia. La
comunieación se produce mediante una señal, que no es más que cualquier cambio en
la concentración de determiiiada sustancia en el medio. La coniunicación celular se
produce a través de compuestos químicos, los que pueden ser de 3 tipos:
1. Mediadores químicos locales, por contigüidad. Estos sólo actúan en células contiguas y son rápidamente incorporados y degradados por ellas (Fig. 4.10).
2. Neurotrasmisores, mediadores locales. Las células nerviosas se comunican con sus
ctlulas "diana" en puntos de uniones específicas (las sinapsis), a través de los
mediadores quíniicos Ilaniados neurntrasn~isorcslos cuales actúan sólo en la rélula adyacente (Fig. 4.10).
3. Hormonas. Son sustancias de naturaleza quiiiiica variada, secretadas por las ci.liilas
de tejidos especializados, y reconocidas por células "diana"(fargft celk). Estas
células poseen los receptores específicoscapaces de interactuarcon las Iiorinonas
y formar el complejo hormona-receptoi; lo que prouoca uiia respuesta, la cual
estará en concordancia con la especialización de la célula "diana" (Fig. 4.11 ).
Las señales quiniícas de hornion;ts y neurotrasmisoresconstituyen una forma muy
especializada de coinunicación intercelular y son pn>ducidaspor células endocrinas y
nerviosas, respectivaniente. Es convenienteaclarar que además de estas seiínles especificas, existen las universales que pueden ser reconocidas por todos los tejidos, como
es el caso de uii canihio en la concenlraciún de glucosa. Uii aspecto importante de la
coniunicación intercelular es el hecho de que las células pueden responder de forma
distinta ante el mismo estímulo, ya que la respnesta es especializada. Ante la misma
señal, por ejemplo, asetil colina, la respuesta de las células nerviosas es la trasmisión
de un impulso nervioso, la célula muscular se contrae y las glándula5salivalessecretan
saliva.
Fig. 4.10. Represeiitaciúii esquciiiilica del
mudo d c acción dc rncdiadui-es
químicos. al Por contigüidad a ti'ai.és de nerm Ii) Ncurofrasiiiisores.
iiiediadurcs Incalcs.
Fig. 4.11. Sc pi-cscnta. de hrnia csqiieniáliva. las ctapas pi.inripales del ciclo
d r acción d e 3 hoririunm. q u c
constituyen mediadores qiiíiiiiwr
a distancia. Las I~orrnorinsa, b y e
soti sccrctadas por las gláiidirlas
rndoiriiiai i.espcrti\as,! IniiisperLada, cn I;i iaiigrc alcanzan sus trjirlo "di;iiia". Se piiedc apreciar
r6iiio la eClalas "diaiiri" "i-errnioccn" rspecitirsmeiitr ii r;ida liariiiona imediaiilc csli-iirliii-ai rspecializadils qur intrractiiaii c m ella5
(los rricplorei): iada rcccptor rrcoiiorr y sc une a tina 1ioriiiwi;i
es~>eritirn.
Resumen
La materia viva se organiza bhsicamente en forma de virus, organismos
unicelulares y organismos pluricelulares. Estos 2 Últimos presentan como unidad
esbuchval y funcional a la célula. Las células están constituidas por el protoplasma,
formado por los componentes químicos del metabolismo y la herencia, presentan
las funciones universales típicas de los organismos vivos, como son: la irritación, la
a s i d a c i ó n y desmimilación, y el crecimiento y la reproducción, las cuales pueden
adoptar características determinadas por la especialización celular.
Las células pueden ser p r d o t a s o eucariotas. Estas Últimas son muy desad a d a s y comparíhentadas; presentan el material genético en el núcleo celular,
separado del citoplasma por la envoltura nuclear y, adenib, variados organelos
citoplasdticos, cada uno relacionado con una función específica de tales células.
Los organismos pluricelulares esián formados por células eucariotas diferenciadas y especializadas, que se asocian para formar tejidos, órganos, aparatos
y sistemas. La diferenciación y especialización toman más eficientes a los organismos pluricelulares.
La comunicación intercelular pennite que los organismos multicelulares funcionen coordinada y armónicamente. Esta comunicación puede ser local o a distancia y se produce mediante mediadores químicos universales o especíñcos.
Las señales químicas que establecen la comunicación entre células distintas
son de 3 tipos: mediadores químicos por contigüidad, l d e s (neurotrasmisores) y
a distancia (hormonas).
Ejercicios
1. Represente esqueinaticameiitc uiia célula procariota y una cocariota y cstahlezca
una comparación entreellar.
2. Descriha, mediante un esquema, d ciclo de replicación de un fago.
3. Elahore una tabla en que se relacionen los diferente?organelos suhcelularescon las
funciones del protoplasma.
4. Dibuje una célula eucariota tipo e indique todas sus partes, asícomo las funciones
con la que se relaciona cada una de sus partes.
5. Establezca una relación entre diferenciacióu y especialización y ejemplifiqiiecon
tejidos diversos.
6. Defina el concepto de señal metahólica.
7. Defina el concepto de mediadores químicos.
8. Explique los distintos mecanismos de comunicación intereeliilar en los organismos pluricelulares y diga la significación biológica de estos.
9. ¿Cómo usted explica qne ante una misma señal química se produzcan respuestas
distintas cn diferentes tejidos?
Introducción a la sección
sta sección está dedicada al estudin de las hiomnlécolas, que son los conipuestos quíniicos característicos de la materia viva.
Las 1)iomoléculas se caracteri~anpor su gran diversidad, a pesar de estar
constituidas por un escaso númerode átomos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrúgeno en mayor cantidad, asícomo fósforo y ai.nfre,en menor cuantía. Los demás elementos que pueden encontrarse en algunas I>iomoléculasse Iiallan en pequeña proporción.
La forma de asociarse dichos átomos, que explican la diversidad estructural de estas
nioléculas y de sus propiedades, depende de las características de sus elementos constituyentes, conio la disposición en que éstos se unen para formar los enlaces y ogrnpa
ciones iiioleculares, aspecto que será tratado en el capítulo 5.
Las I)ionioléculas de niayor complejidad son las macroinoléciilas, biopolímeros formados por la unión de otras biomoléculas niás sencillas, que constituyen sus monómeros
o precursores. Las proteínas son polínieros de aminoácidos; los ácidos nncleicos, de
nucleútidos y los polisacáridos, de monosacáridos.
En esta sección estudiaremos primero todos los monómeros que constituyen las unidades estructurales de las diferentes niacromoltculas y después se procederá al estudio
particular de la estructnra y propiedades de cada una de las macroinoléciilas. De manera que los capítulos 6,7 y 8 se dedican al estudio de los aminoácidos, monosacáridos
y nnclrótidos, respectivaniente; los capítulos 1U,11 y 12 tratarán de sus I>iopolímeros.
Por último en el capítulo 13se tratará la estructura y propiedades de los lípidos, importantes biomoléculas que no forman inacromoléculas, sino distintos tipos de lípidos
El lector deberá dominar todo lo concerniente con la estructura y propiedades de las
Iioinoléculas, previo al estudio del metabolismo, por la importancia que tiene diclia
estructura en sus funciones y propiedades.
I,a composición química de los organismos vivos difiere considerablemente de la
materia inanimada. Las moléculas que son específicas de los seres vivos son las
biomoléculas; aunque es necesario aclarar que también forman parte de la materia
viva. algunas snstancias de naturaleza inorgánica.
Una característica esencial de las biomoléculas es su diversidad, a pesar de estar
constituidas fundamentahente por un grupo pequeño de átomos: carbono, nitrógeno,
oxígeno,hidrógeno, y en menor cuantía fósforo y azufre, entre otros. Aun organismos
tan sencillos como las bacterias están formados por una gran variedad de moléculas.
Una característica fundamental de las biomoléculas es la especificidad de su función,
que está condicionada a su estructura. En este capítulo considerarenios los aspectos
más generales en relación con los principales átomos, grupos funcionales, enlaces e
iiiteracciones presentes en las biomoléculas, que determinan sus características esenciales y sus propiedades, por lo cual su conocimiento previo resulta fundamental.
Sc hará una revisión somera de las propiedades de la molécula de agua, por ser éste
el componente más abundante de los diferentes tejidos y fluidos biológicos, así como
el principal disolvente de la mayoría de las hiomoléculas.
El agua en los organismos vivos
El agua es la sustancia más abundante en los organismos vivos, en el interior de las
células, en los líquidos extracelulares y en todos los fluidos biológicos; ella constituye el solvente natural en la materia viva. Son varias las propiedades que permiten que
esta sustancia cumpla su función capital: elevado punto de ebullición, su bajo punto
de fusión, elevada constante dieléctrica y gran capacidad calórica, hacen del agua el
solvente más apropiado para la mayoría de las hiomoléculas, sales, iones y otras
sustancias polares.
El agua es una mnlécula dipolary puedeestablecernumerosos puentes de hidrógeno entre sí; además, es capaz de incluir iones 11otras moléculas polares disueltas en
su seno. Cada molécula deagua puede asociarse a otras3 ó 4 por medio de los puentes
de hidrógenos, lo que le confiere propiedades características. Dichos puentes se establecen no sólo en el estado líquido, tamhién en la fase de vapor de agua y en su forma
sólida. el hielo.
Es importante recalcar la importancia fundaniental que tienen los productos de
ionizacióii del agua sobre el comportamiento y actividad de numerosas hininoléculas.
La ioiiización del agua cumple la ecuación siguiente:
2 H,O -+ H,O'
+
OH-
o simplificadamente:
El agua pura tiene un pH 7 (neutro),condición cii que laconcentración de H+ y de
OH-es la misma (IH'] = [OH-1);si en una disolucibn existe un predominio de [H'l en
relación con la [OH-1, el valor de pH será menor que 7 (ácido); por el contrario, si la
concentración mayor es la de O H ~el, valor del pH es superior a 7 y el medio es alcalino
o básico. El pH del agua se modifica si se le adiciona una sustancia ácida o I~ásica
(alcalina).
Broristed y 1mvr.rdefiiiierou a los ácidos como aquellas sustancias que ceden
protones, y I~asesa las que los captan; la especie ácida forma un par con su base
conjugada. conio puede apreciarse:
AH
ácido
ebase conjugada
A+
H'
Para esta reacción se puede definir su constante de disoiiacibn Ki, que como ella
consiste en la reacción de disociación ácida. seria Ka y por tanto:
Conlo es fácil inferir de esta relación. a mayor valor de Ka, mayor será la [H'l, lo
cual significa que la especie cederá con mayor facilidad los protones, o sea, es un ácido
niás fuerte: por el contrario. valores bajos de Ka corresponden a [AH] mayores, la
especie no cede fácilniente los protones, sino por el contrario, tiene tendencia a captarlos, es un ácido niás débil o mia base más fuerte. A mi ácido más fuerte le corresponde
una I)ase con,jugada drhil y viceversa.
I)espe,jando [H+]
en la ecuación (1) y 1-eordenando,sc tiene:
y aplicando logaritnio en ambos miembros de la ecuación:
105 [H.
1
= log
Ka
+
log
[AHI
[Al
--
Cambiando el signo en ainl>oslados de la ecuación:
Pem:
y por definición:
- 101: Ka = pKa
- 1112ils [
y
pH = pK
+
Hi 1 = pH.
iustitiiyendu en (2):
IAI
log -[AHI
donde A- corresponde con la forma disociada del grupo, y ,AHcon la no disociada. Es
obvio que dada la definiciún de pK, a menor pK más fuerte será el ácido y viceversa.
La ecuación (3)conocida como de Henderson Hasselbach, constituye tanil~iénla
ecuación de las soluciones I>ufferotampón; la función de estas soluciones es la preservación del pH del medio y por su trascendencia las trataremos someramente aquí.
Un bufFer(tampríno amortiguador del pH) está constituido por una mezcla de un
ácido o una base con su sal. Suponiendo que el ácido corresponda con el electrólito
débil y su sal con el electrólito fuerte, como en el caso del bufferacetato, entonces:
CH,- COO-
CH,. COOH
Acido acético
~ a CH,'
COOAcetato de sodio
CH,. COO-
+
H'
+
~ a '
La mezcla así formada del ácido y su sal, y donde el ión común es CH, - COO-,o
sea, el ion acetato, constituye el bufferacetato. En este caso el electrolito débil es el
ácido, éste se disociará poco y por tanto predominaráen la Forma no disociada, CH,
COOH; en tanto, que su sal, el acetato de socio será el electrólito fuerte y estará
prácticamente toda en su Forma disociada,en formade ion acetato: CH, - COO-.
Por ello el CH, COOH será la reserva ácida y protegerá el pH contra la adición de
bases, mientras que la reserva alcalina será el CH, - COO-,y protegerá el pH contra la
adición de ácidos. La ecuacih de Henderson Hasselbach se conoce también como la
ecuación de los buffers y para estos casos suele escribirse:
-
-
pH = pK
+
(Sal1
log -[Ácido]
donde el pK corresponde al pK del ácido y el pH del biifferdepende de la relación de
las concentraciones de la sal y el ácido. Un bufferes más eficiente,si las concentraciones de la reserva ácida y la alcalina son similares, y ello se cumple en valores de pH
cercanos al valor del pK del ácido. Para objetivos prácticos se acepta que un buffer
es eficiente a valores de pH = pK del ácido + 1.
Utilizando el bufferacetato como ejemplo, veamos como éste responde ante adiciones de un ácido como el HCI. La reserva alcalina reacciona:
con lo que el pH del medio no cambia. Si por el contrario, se añade un álcali como el
hidróxido de sodio (OHNa), reacciona la reserva ácida:
y de esta forma el pH tampoco cambia.
En la sangre y en otros fluidos biológicos y en todas las células vivas es fundamental el mantenimiento del pH dentro de ciertos límites, que permitan el desarrollo
normal de las reacciones del metabolismo, y ello se garantiza por la existencia de
diversos sistemas buffers.
Sustancias inorgánicas en la materia viva
En la composición de la materia viva se comprueba la presencia de algunos elementos inorgánicos en forma de iones o de complejos. Los elementos inorgánicosmás
abundantes son: fósforo, azufre, potasio, sodio, calcio y cloro, entre otros; algunos
existen en cantidades mucho menores como el cobre. zinc. cobalto v flúor. conocidos
como oligoelementos o elementos trazas. La función de estos iones inorgánicos está
relacionada principalmente con la actividad catalitiea de muchas enzimas; además
cumplen funciones osmóticas y contribuyen a la formación de estructuras comple,jas.
Más adelante se estudiarán en detalle las funciones de los minerales en el organismo
humano.
Composición elemental y características generales
de las biomoléculas
Las biomoléculas existen en un grado variable de con~plejidad;están formadas
principalmente por carhooo, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno unidos por enlaces
covalentes. Además, suelen contener azufre y fósforo, entre otros elementos.
Las hiomoléculasse pueden agrupar de acuerdo con su tamaño y complejidad en
moléculas sencillas, de relativo bajo peso n~olecular,coino los aminoácidos, los
monosacáridos, los ácidos grasos, los nucleótidos y otras; las moléculas de elevado
peso molecular (macromoléculas) están formadas por la poiimerización de a l i n tipo
de molécula sencilla: las proteínas son polimeros de aminoácidos; los polisacáridos,
de monosacáridos y los ácidos nucleicos, de nucleótidos.
Algunos lipidos, aunque no constituyen macromoléculas, presentan estructuras
coniple.jas integradas por la asociación de moléculas sencillas diversas.
Para tratar el estudio de las hiomolkulas necesario comprender antes las características y propiedades de los principales átomos que la7 constituyen, asícomo de los
enlaces mediante los cuales se unen y asocian para formar las agrupaciones moleculares
presentes en los distintos tipos de hioinoléculas.
Átomos en las biomolécuias
En la tabla 5.1 se presentan las características esenciales de los átomos más frecuentes en las biomoléculas, y de algunos otros que puedan ser utilizados como referencia en el análisis de diversas propiedades de los átomos que pertenezcan al mismo
grupo en la tabla periódica.
lsbla 5.1. Algunas propiedades de los átomos más frecuentes en las biomoléculas y de otros que permitan comparar las
propiedades de ciertos grupos de la tabla periódica
Símbolo
Gmpo
H
1
Li
1
Na
1
Configuración
electrónica
Potencial
Electronegatividad
de ionización (eV)
Comosabemos Z es el sínibolo del núnieroatómico, y corresponde con el número
de protones en el núcleo y de electrones alrededor deél. Radio atómico es la distancia
que existe entre el núcleo y la capa más externa de electrones de un átomo. Desde el
punto de vista químico los electrones niás iniportanles son los de la última capa, pues
determiiiaii el comportamiento reacciona1 del átomo. Los átomos con menos de 4
electrones en su última capa (grupo 1 de la tahla) tienen la tendencia a perderlos y
convertirse en iones con carga positiva (catioiies), presentan carácter de metales, poseen baja energía de ionización y baja electronegatividad. Los que tienen más de 4
electrones en su última capa (grupos V I y VI1 de la tabla) tienen la tendencia a captar
electrones hasta completar 8 en la última capa (regla del octeto) y se convierten en
iones con carga negativa (animes), poseen alta energía de ionización y elevada
electronegatividad (carácter de no metales).
Los átomos intermedios entre ambos extremos de la tahla periódica (gmpos IV y
V,especialmente el IV) no tienen tendencia a ceder ni a captar electroiics, j. por ello no
forman iones fácilmente, sus valores de energía de ionización y de electronegatividad
son intermedios y su tendencia esa coni~~artirsuselectrones.
htomo de carbono
El átomo decarbono es el primer elemento del4to. grupo dela tahla periódica,su
número atómico e, 6 J ocupa un lugar intermedio entre el carácter metálico y no
Radio atómico
(A)
metálico, por lo tanto sil tendencia no es a gaiiar ni a perder electrones, sino a compartirlos. Los electrones de su rapa más externa son 4 y ocupan un orbital s y 3 orbitales
p. Más adelante veremos cúnio estos or1)itales pueden asociarse para forniar distintos
tipos de orbitales híbridos.
El átomo de carbono tiene la capacidad de unirseentresí y formar cadenas de
longitud variable, que al unirse con átomos de hidrúgeiio forman cadenas
Iiidrocarbonadas lineales o ramificadas, abiertas o cíclicas y saturadas o insatnradas.
Las cadenas Iiidrocarbonadas son estables y constituyen la estructura básica de las
biomoléculas.
Los átonios de oxígeno y nitrógeno pueden comhiiiarse entre sí y con el carbono,
originando así variadas agrupaciones atómicas -los grupos funcionale+ con propiedades niuy específicas que se ponen de nianifiesto en las moléculas que los contienen.
im átomosse unen para fonnar agiupaciones atómiwsy niolécidasmediante los enlaces
q"iicos.Trataremosahoraalgiuios de losaspaitm~ncial~dcI<~e~ilacesq~iúnicos.
Enlaces químicos
Los enlaces químicos son las fuerzas interatómicas que permiten la formación de
moléculas; éstos pueden ser de varios tipos: iúuico, covalente y el metálico. Revisaremos aquísonieramente los 2 primeros por ser los que se encuentran en las hiomoléculas.
Enlace iónico
Es un enlace de tipo electrostático,quese produce por la transferencia de un electrón
desde un átomo de baja energía de ionimción hasta uno de alta afinidad electrónica. El Na
por ejemplo, con carácter metálico (tabla5.1)tiende a perder un electróii desu Última capa
(hajaenergia de ionizacióii)y se fornia el ion Na'. Por otra parte,el CI tiene tendencia a
captar un ~lectrón,completarcon 8 electrones su última capa (alta afinidad electrónica)
y queda como ion C1; los iones así formados se atraen por fuerzas electrostáticas y se
lihera &Tancantidad de energía. Las moléculas que presentan este tipo de enlace forman
cristales iónicos y se caracterizan por ser sólidos, soliihles en agua o solventes polares,
buenos condnctores de la corriente eléctrica, además poseen elevados puntos de fusión y
ebullición. Este enlace, aunqne no es el predominante en las hionioléculas, se puede
encontrar en sales orgánicas y en otras biomoléculas.
Enlace covalente
El enlace covalente se produce por el compartimiento de electrones entre los
átomos; este tipo de enlace es característico de los elementos centrales de la tabla
periódica, como el carbono. Los electrones compartidos ibrman el orbital molecular y
se produce cuando interactúan electrones no pareados con spiilesopiiestos; el caso
más simple lo podemos ver en el compartimiento del único electrbn del átonio de H
para formar la molécula de H,. Este enlace covalente será apolar, pues los electrones
estarán compartidos igualme&e entre ambos átomos.
Este enlacees degran fortaleza. estable y presenta libertad de giro. Los electrones
compartidos en los enlaces covalentes puede11pertenecer a orbitales s 6 p. La nube
electrónica producida por el solapamiento de los orbitales compartidos se distribuirá
más o menos de forma simétrica,en dependencia de la polaridad del enlace,alrededor
del eje que va de uno al otro núcleo de los átomos involucrados. Es bueno señalar que
la distribución de la nube electrónica será menos simétrica en las niolbculas polares,
eii las que unode los átonios atrae más hacia silos electrones debido a que posee mayor
electroafinidad; un e,jemplo de ello lo constituye la niolécula de agua, en la cnal los
electrones son atraídos con mayor fortaleza por el oxígeno y menor por el hidrógeno,
por ello la molécula de agua se comporta como un dipolo (Fig. 5.1).
Al enlace covalente en el que uno de los átomos iiivoliicraclos es el que aporta los
2 electrones coinpartidos con otro que los recibe, se le conoce con el nonihiu de enlace
covalente de coordinación o coordiniido; esto sucede en la forniación del ion ainonio.
ya que los 2 electrones que se comparten son aportados por el nitrógeno.
I
H
N: +
I
6-
H+
H
l
H'F
H- N : H
I'ig. 5.1. L;, iiiolécula de agua coniu dipoli,.
l
1.0s compuestos que presentan enlaces cuvaleiites pueden tener distinto estado físico; sus temperaturas de fiisióii y ebullicióii son nienores qne aqiibllas de los
que poseen enlaces iónicos. La soluliilidad de estos conipiiestos estará en dependencia de su l~olaridad;los apolares soii pocos solulilcs en agua y niás solubles en
solventes orgánicos; en tanto que los polares son más solubles en agita y solventes polares.
Sus disoluciones, conio regla. no son buenas conductoras de la electricidad, aunque esta propiedad también dependerá de la polaridad del enlace: niientras niás polar
sea una molécula, más se acercará a las propiedades (le aqnéllas formadas por enlaces
iónicos.
En ocasiones resulta dificil la localización de la iiulie electrónica iiiolec~iliir\. eii
muchos compnestos del carbono no es posible representarla como única estriictiira,
esto se dehe ii la existencia de resonancia en algunos enlaces.
Resonancia
La resonancia constituye un concepto importante eii los compiiestos del carbono conio es el caso de las hiomoléculas; está presente en aquellas moli.ciilas o
iones poliatóniicos que pueden representarse por niás de una estructura de contenido e~iergttico,al>rosiniadaiiieiiteigiial, y que se diferencian sólo en la Iocalización de sus electrones. De acuerdo con la configuración electrónica del carbono y
del oxígeno, la estroctnra esperada para el dióaido de carhono (CO,) seria:
A:
Asimismo la distancia entre los dobles enlaces seria alrededor de 1.21 pero se
Iia podido determinar que ambos enlaces (C-O)tienen una distancia de 1,13 A, iiienor
que la esperada y la niolécula adopta una disposición lineal. Esta contradicción se
resnelve si e asume que el desplazaniiento electi-ónico al nivel de los dobles enlaces
puede ocurrir en amhas direcciones. entonces la distrihncióii electrónica del CO, podría escrihirsede las maneras siguientes:
Ninguna estructura es la ideal para representar al CO,, pero se puede aceptar
que entre las 2 posiciones extremas existen numerosas posiciones intermedias. La
estructura de resonancia se puede representar ine,jor mediante la participación de
los orbitales por los electrones en los 3 átomos (Fig. 5.2).
Fig. 5.2. Kepresfiitacih de los orl>itiller
del
o
C
Interacciones débiles
Además de los enlaces estudiados, entre los átomos pueden establecerse otras
berzas intermoleculares débiles y variadas que tienen importancia en el mantenimiento de las estructuras espaciales de las macromoléculas. Las interacciones débiles son
uniones no cnvalentes de energía menor que 41 840 J. mol-' (10 kcal .mal-'1. Revisaremos brevemente aspectos esenciales de algunas de estas interacciones.
Puente de hidrógeno
Los puentes de hidrógeno se estahleccn entre un átomo de hidrógeno que está
unido a un elemento muy electronegativo, con radio iónico pequeño x o m o el oxígeno y el nitrógenn- y que es atraído por un segundo elemento con características
similares, de manera que el hidrógeno queda compartido cntre los 2 átomos
electronegativos. En estas condiciones el átomo de H se eiicnentra casi desposeído de
su electróii y se comporta como un H+.El puente de Iiidrógeno puede formarse entre
moléculas diferentes y entre moléculas iguales.
El puente de hidrógeno puede alcanzar una energía alrededor de 10 kcal.mol-' y es
una de las más fuertes entre las interacciones débiles; la forinacióii de puentes de
hidrógeno entre moléculas de agua es un e,jemplo. Esta interacción desempeña una
función fundamental en el mantenimiento de la estructura tridiniensional de las proteínas y de los ácidos nucleicos.
Puentes dc Iiidr6geno
entre niuléculas de agua
Puente de hidrógeno
eiitre un O y
iiii
N
Interacciones hidrofóhicas
Las interacciones hidrofóbicas se producen cuando grupos o nioléculas apolares
se encuentran en un medio acuoso; en esas condicionesestos grupos tienden a a~ociar-
se entre si, de manera que ofrecen la menor superficie posible al niedio polar. Esta
atracción de las cadenas apolares, como las hidrocarbonadas de los aminoácidos
apolares,son de gran importancia en el mantenimientode la estructura espacial de las
proteínas. Esta interacción es en cierta medidasimilar a la que experimentan lascadenas apolares de los ácidos grasos cuando forman las niicelas.
También conocidas como uniones salinas, se establece entre iones cuando éstos se
encuentran en disolución; si 2 iones poseen carga opuesta se atraerán y tende~íiia
acercarse,mientras que si tienen carga igual se rcpelen y, por tanto, tienden a akjarse.
Entre grupos básicoscon carga positiva y grupos ácidos con carga negativa,se presentará una fuerza de atracción electrostática. Este tipo deinteracción contribuye al mantenimientodela estructura espacial delas protc''inas.
Fue=
de Van der Waals
Son fuerzas electrostáticas transitorias que se establecen entre los electrones de la
envoltura de unos átomos y los núcleos de otros, lo que provocadeformación momentánea de las nubes electrónicasy la aparición de un dipolo de carácter transitorio. Estos
dipolos originan fuerzasde atracción entre los grupos o n~oléculasvecinas. Las fuerzas
devan der Waals son importantes en el mantenimiento de la estructura tridiinensional
de las proteínas.
Los átonios unidos por algún tipo de enlace estudiado, y en el caso de las
biomoléculas +specialmente por el covalente-, originan las cadenas hidrocarbonadas.
los distintos grupos funcionales y en general todas las agrupaciones atómicas que se
nresentan en las diversas bionioléculas.
Pasarenios a revisar los compuestos formados por carbono e hidrógeno: los hidrocarhuros, y después trataremos los aspectos esenciales de aquellos grupos funcionales
más frecuentes en las bioinoléculas.
Los hidrocarburos se clasifican en alifáticos, cuando presentan cadenas abiertas
Iiidrocarbonadas que pueden ser saturadas o insaturadas, lineales o raniificadas y además, pueden presentar algún grupo funcional; tamhién se clasifican en cíclicos o de
cadenas cerradas, que a su vez pueden ser aliciclicos o aromáticos.
A
Hidrocarburos alifáücos
Los hidrocarburos saturados son aquéllos que contienen enlaces siniples y pueden ser lineales o ramificados. En la formación de los enlaces siniplcs C - C , que
forman la estructura de los Iiidrocarburos saturados. los orhitales s y p de la última
capa del átonio de carbono se hacen equivalentes y no existen orbitales s ó p puros
sino híbridos; dada que en estas condiciones se han mezclado o fusionado 1orbital s
y 3 p, se conoce como sp2 a la hibridación resultante. En esta hibridación los orbitales
se encuentran seoarados oor áneulos
.~. de 1U9" 28' v la disposición del átomo de
carbono es la de un tetraedro, como puede apreciarse en la estructura del metano
(CH,) que es el hidrocarburo niás simple (Fig. 5.3).
H:
&.
.
.
.H
H
Fig. 53. I>isposiri6tide los átunios de C c H
en el incimu.
A contiiiuacibn podrá11 olmrvarse alguiios ~jeiiiplosde liidrocarbun)~
saturados
liiiealcs:
CH,-
CHICH,
Propano
CH,-CHI-CH,CH,
Butano
CH.
1
I
"
C M 3 C - CH,CH?
2. 7 d~nietilbutano
CH,
CH,-
CH,-
I
CHICtI,
-
y:
CI-1,
Son Iiidrocarbiiros insatiirados ciiaiido coiitieiieii dobles o triples enlaces y tanibiéii pueden ser lineales o rainificaclos. Eii los Iiidrocarburos que presenta11doliles
eiilaces -los alqiienos- el tipo de hibridación que presentan los átomos de carliono es
sp'; en este caso se Iiaii fuiidiclo 1 orhital s y 2 orbitales 11, el otro p que queda se
inaiitiene corno orhital p puro 1 se ubica perpendicular a los híliridos sp'. El ángulo
entre Ins brbitales Iiíbridos es de 120". El doble eiilace, c;iracterísticos de los alqiienos,
se puede forinar entre otros átomos diierentes al C; pero con características siiiiilares conlo el oxígeno y el iiitrbgeno. Uno de los eiilaces presentes es de tipo sigiiia (o),
forniado por la uiiióii covalente deZorbitales híliridos sp'-sp2; el otro enlace es de tipo
pi (x),que se fornia por la superposición de 2 orhitales p que originaii orbitales
iiioleculares. La disposicióii de los eiilaces eii el eteno se presentan en la figura 5.4.
A contiiiiiacióii se preseiitan cjeniplos de Iiidrocarburos del tipo alquenos:
CH,-CH = CH,
2 propeno
1511los Iiidrocarl~urns
con enlace triple (alq~iinos)
existe la liibridaciúii sp, forniada
por la fusión de 1 orbital s y 1 orl~ital11,y se itiaiitieiieii Zarhitales p puros. La ii~olécula
resulta lineal, pues la disposición del enlace por orbitales sp formati Jngulos de 180".
Los orbitalcs 11puros se disponeii perpendicular uno con respecto al otro y tamliiéii
con respecto al sp. Luego, puede apreciarse la disposición de los orbitales en la estruitura del etino. El enlace triple consta de u11enlace o y del orbital inolecular p, cn el
que intervienen los 2 orhitales 1) puros (Fig. 5.5).
Algnnos e,jenipl~sde alquinos aparecen a coiitii~uacióii:
Hidrocarburos cíclicos
Los Iiiclroc;irl>iin>scíclicos son aquCllos que forman estructuras cerradas sin cxtrenios lil~res.Son alicíclicos si foriiiaii anillos que. aunque puetlaii preseiitar iusaturacióii,
no posean un elcvado grado de resoiiaiicia. Algunos e,jeiiiplosso11 el cicloprol>aiiu. el
ciclopciitaiio y el ciclolieuerio, eiitrc oti-os, cuyas estructuras pueden aprcciarsc:
HIC
l
H2C
CH,
I
iHz
\Ct$,
Los Iiidrocarhuros cíclicos son aroináticos si foruiaii anillos donde los enlaces
dobles presentan un elevado grado de resonancia, el ejemplo iiiás ciásico es el heiiceno.
1,os átouios de carhoiio en el beiiceno presentan Iiihridación de tipo sp' y el orbital p
puro de cada uno de los carl)oiios sc solapa con sus vecinos, formando una iiuhe
electrónica p por encima y por debajo de los enlaces a que forman la estructura básica
del benceno (Fig. 5.6).
Fig. 5.6. ikpasieián de las nuheb cleetróniras en el benccno.
El núcleo del benceno se suele representar de las formas como se observa en la
figura 5.7.
Fig. 5.7. Reprcsentaciún del núcleo
hencénieo.
En ocasiones los ciclos contienen átomos diferentes, en cuyo caso se conocen
como heterociclos. Algunos heterociclos más frecuentes en las biomoléculas se muestran a continuación:
Purina
b o l
Pirimidina
Imidazol
Piridina
Indol
Algunos anillos principales que contienen nitrógeno en su estructura se encuentran en varias vitaminas, en determinados aminoácidos y en los ácidos nucleicos.
Algunos anillos que contienen átomos de oxígeno se representan de la forma
"ir..in"tni
".~".C"LC.
Furano
Pirano
Cromano
Algunos monosacáridos adoptan estructuras cíclicas que forman anillos e incluyen al átomode oxígeno,formando ciclos del tipo del furano o del pirano. Se encuentran también anillos que contienen azufre:
Tiofeno
Tiazol
El anillo de tiazol se encuentra formando parte de una coenzima.
Agrupaciones o grupos funcionales en las biomolénilas
En las biomoléculas se encuentran diversos grupos funcionales entre los que
podemos citar: hidroxilo (OH), carbonilo (COI, carboxilo (COOH), amino (NH,),
sulfidrilo(SH),entre otros. Dedicaremosla atención a revisar someramente las características esenciales de los grupos citados y sus principales propiedades.
Los compuestos que poseen este grupo seconocen como alcoholes; éstos se clasifican en primarios, secundarios o terciarios, en dependencia del tipo de átomo de
carbono al que se encuentran unidos. En forma abreviada se representan R- OH. Se
nombran al añadir el sufijo ola1 nombre del hidrocarburo correspondiente. En las
estructuras de alcoholes primarios, secundarios y terciarios se omiten los H que completan la valencia de los átomos de carbono para simplificar su estructura.
Alcohol primario
Alcohol secundario
Alcohol terciario
Son ejemplos de alcoholes el etanol y el glicerol.
H,C
- CH,OH
Etanol
Propanouiol
(conocido como glicerol o glicerina)
El alcohol primario puede oxidarse y convertirse en aldehído y el secundario en
cetona como se verá más adelante. Además, este grupo puede reaccionar con diferentes grupos y fomar diversos enlaces, lo cual será tratado al estudiar las agrupaciones
derivadas. El grupo OH se encuentra en varios tipos de biomoléculas, como en azúcares y aminoácidos, entre otras.
El grupo carboxilo se encuentra en los aininoácidos y ácidos grasos, entre otras
bioinoléculas y les confiere carácter ácido a aquellos compuestos que lo contienen. El
grupo carboxilo interviene en numerosas reacciones 1 CII la foi-mación de diversos
enlaces e interacciones, como se verá más adelante.
La oxidación de nn aldehido da lugar a Va formación de un ácido carhoxilico
o
R-C
4
'H
+
H20
/H
R-C-OH
\
H
o
-2H
+ R-C
//
\
OH
Gmpo suifidrilo
El grupo sulfidrilo, conocido también como mercaptán o ti01 (SH) se encuentra
y vitamiiias. Algunas de sus reacciones se
en varias biomoléculas coini) ainin~~áciclos
parecen a las del grupo OH.
Dos y p o s SH pueden reaccionarentresiy perder H pa~xfonnarunenlacedisulfuro
oditio (S-S).Este cnlacecs iiiipi)rtanteCII laestructurade las proteíiias y se forma entre
2 aininoácidos que contieneii el grupo SH.
coo-
coo-
coo-
-7H
I
2 H,N+-k-H
+ H~N-C-H
H,N'&-H
l
l
l
CH,SH
CH,-SSH,C
Cisteína
Cistina
Gmpo amino
El grupo ainino se encuentra muy distribuido en la naturaleza, formando parte de
diversas bionioléculas como en los aminoácidos, ácidos nucleicos, aniinoazúcares,
etcétera.
En dependencia del número de sustituciones de los H del grupo aniino, se está cn
presencia de una aiiiina primaria, secinidaria o terciaria:
El grupo aniino se coniporta coino una base porque el átomo dc nitrógeno poscc
un orbital hiclcctrónico no compartido, qiic puccle coordinarse con iin M- para
formar un ainonio cuaternario; este último grupo se comporta como un ácido débil
en solución.
Por deshidrogenación de las aminas primarias se fornlan las iminas, que poseen
un doble enlace entre el C y el N.
En a l p n a s reacciones del metabolismo de los aminoácidos se forman compuestos
intermedios que contienen este grupo funcional.
Cuando el grupo OH de los ácidos carboxilicos es reemplazado por un grupo
amino, se origina una amida.
Este grupo se encuentra presente en algunos aminoácidos, vitaminas y otras
muchas hiomoléculas. En el estudio de las agrupaciones derivadas veremos cómo se
forma un enlace de tipoamida.
1:
Agrupaciones atómicas derivadas
Los gmpos químicos que acabamosde estudiar son capaces de reaccionar entresí
y originar nuevas agrupaciones nioleculares, las cuales tienen mayor complejidad y
presentan caracterirticas propias.
Los hemiacetales se forman al reaccionar un grupo carbonilo (aldehído o cetona)
con un alcohol. En la formación de este enlace no se pierde ningún átomo, SINO se
produce una reorganización de ellos; se debe resaltar el cambio de tipo de enlace C
= O (hibridación sp2),undohleenlacehaciaun enlacesimple C- 0 ( hibdaciónsp').Esba
agrupación es muy importante en los monosacáridos, que al formarse un hemiacetal
interno las moléculas forman un ciclo.
Los acetales se forman al reaccionar un hemiacetal con un grupo OH. En la formación de este enlace se pierde una molécnla de agua.
H OH
\/
C
/ \
R OR'
H OR"
+
HO-R"
e
\/E'\
R OR'
+
H20
1
I
El enlace acetal se encuentra en algiiiios azíicares deri\;idos y es el tipo de enlace
que une los niionosacáridospara originar oligosacáridos 1 polisaciridos, en este íiltiino
caso se le conoce coiiio enlace glicosídico.
Un coinpuesto que presenta IIII enlace Iieiniacetal piieclc reaccionar mediante
dicha agriipacibii coii un griipo amino (o iiiiiiio) y originar así un enlace conocido
como N-acetal. En el caso de que el lieiiiiacetal forme parte de un nioiiosacárido, el
enlace formado se conoce como N glicosídico y, como veremos en el capitiilo 8, es el
que une a las liases nitrogeiiadas coii los nioiiosacaridos en la foriiiacibii de niiclcbsidos
v nucleótidos.
Los enlaces de tipo ésteres se forman al reaccionar un ácido con IIII alcohol. coii
pérdida de una iiioléciil;~de agua. Kstos enlaces se pueden formar entre icidns y alcnIiolesdistintns, dando lugar a la fornraci6ii de bslcres con algiiniis características diferentes. Nosotros aiializareinos 2 tipos de bsteres povsii iiiiportancia en la coiistitiicii,~~
de las I>ioiooléciilas:los hteres carbosílicos y los ktcres fosfhkos.
Se fornian entre 1111g v q i COOH
~
y un alcoliol
1
-
O
4
\
+
H(>-R'
# R-C
OH
O
4
\
+
O
H20
R'
Los ésteres carhosílicos pueden encontrarse en distintos tipos de I>ioiiii~li.c~ilas.
como los acilgliceroles ) otros tipos de lípidos.
Se fornian al reacciimn- un ácido foifnrico ! nn alcoliol, con pérdida <Irtina
niolécula de agua.
o
4
HOP-OH
I
OH
+
H O - R e
O
4
HO-PO13
+ H:O
O- K
1,os iiioiiosacárid,)~rraccioiiaii coi1 el Jcido f»sfí>rico,li~riiiandodiiersoi éstcres
fosfbricos que tienen gran iiiiliortancia eii el destino inrtal>nlico de este tipo de
I~ioinolbciila.
Es posible que 1111&ter fosfhico, y foriiiado. reaccione con otro grupo OH para
inrniai- LIII enlace fosfodiéster II diéstet. liafbrico. enlace que une ;I los iiucleiitidns para
formar los ácidos iii~cleicos.
Enlace éter
Este eiilacese forma al reaccionar 2 grupos alcolioles con pérdida de unaniolécula
de agua. Se encuentra en un tipo de lípidos, los plasnialógenos.
R
C H , OH + R' - CH,-
OH
e R-
CH,-
O - CH,-R'
+ H20
Los enlaces tioésteres, enlaces ricos en energía (liberan gran cantidad de energía
libre al ser hiílrolizados)se forman coando reacciona un grupocarboxilo con un grupo
SH, con pérdida de una inolécula de agua.
Los derivados tiokteres de los ácidos orgánicos, y en particular de los ácidos
grasos, son conipuestos fundamentales de diversas vías nietáholicas.
Enlace amida
Las aiiiidas se forman al reaccionar un grupo carhoxilo con uno ainino, con pérdida de una molécula dc agua.
Este enlace de tipo amida sustituida une a los aminoácidos para fomiar los péptidos
y las proteínas, en este caso se conoce como enlace peptídico; sus características y
propiedades serán objeto de estudio con mayor detalle en el capítulo 6.
El anliídridode ácido se forma cuando reaccionan 2 ácidos, que pueden ser ignales o diferentes, con pérdida de uiia molécula de agua. Utilizaremos como e,jemploel
caso de la reaccion de 2 ácidos fosfóricos.
Estos enlaces son enlaces ricos en energía, se encuentran en los nucleótidos y su
hidrólisis está relacionada con la IiberaciGn de energía útil para la célula. En otras
ocasiones se forman anliídridos mixtos, en los que intervienen 2 grupos ácidos
diferentes; también los anhídridos mixtos constituyen enlaces ricos en energía. No
debe confundirse este enlace con el enlace é~terfosfóriconi con el fosfodiéster.
Es frecuente que en las mismas biomoléculas se encuentren más de un grupo
funcional, tal es el caso de los monosacáridos que contienen un grupo carbonilo y
varios hidroxilos, o de los aminoácidos donde existen, al menos, un grupo amino y
unocarboxilo. También es fmuente encontrar diversas agrupaciones derivadas en una
misma biomolécula, un ejemplo de ello son algunos tipos de Iípidos (fosfátidos de
glicerina) en los que se encuentran enlaces de tipos éster carboxílico y éster fosfórico;
o un nucleótidocon enlaces N-glicosídicos, enlace éster fosfórico y del tipo de anhídrido
de ácido. Todo ello contribuye a la inmensa diversidad de las biomoléculas.
La diversidad de estas moléculas también se incremeuta por el hecho de que éstas
pueden existir en distintas formas isoméricas.
Son isómeros aquellos compuestos que presentan la misma fórmula global pero
tienen pmpiedades distintas. La isomeríasedebe a que la distribución de los átomos y
el tipo de enlace que se establece entre ellos determinan las propiedades de las moléculas, y éstas no pueden inferirse de su fórmula global; los isómeros se diferencian en
su estructura o su configuración,o en ambas características; es por ello que la isomería
se clasificaen estructural o planar y espacial o estereoisomería.
Se debe a diferencias en la estructura de los distintos isómeros y puede ser de 3
tipos: cadena, posición y función.
L w m d de cadena
Este tipo de isomería estructural se debe a la distinta disposición que pueden
adoptar los átomos de carbono en las cadenas carbonadas.
CH, - CH, - CH, - CH3
Butano
CH, - CH - CH,
1
CH3
Isobutano (2 metil propano)
Esta variante de isomería estructural se produce por la existencia de compuestos,
cuya Única diferenciaconsiste en la posición que ocupa un determinado grupofuncional en la cadena.
CH,- CH, - CH,- OH
1 propanol
C H , C H - CH,
I
OH
2 propanol
Lsomená de fuocióo
Son isóineros de funciún aquéllos que presentan grupus funcionales diferentes, a
pesar de presentar uiia misma fbrmula química. Un ejemplo lo constitiiyen el alcohol
etflico y el Gter nietilico, anil>oscon C,H,,O cnnio fóriiiula química.
CH,CH,-
OH
CH,O-
Alcohol etílico (etaiiol)
CH,
Étcr iiietílico
El primer caso es un alcohol (etanol)y el segundo se trata de un bter. Otroejemplo
son el gliceraldeiiído (con tina funcibii aldehido) y 1a dihidroxiacetona (con una !unciún cetona).
o
O
CH,OH
-
CHOH
//
C,
CM,OH
-
//
C CH,OH
H
Gliceraldchídu
Dilidroxiacetona
Isomería espacial
Este tipo de isonieria la presentan aquellos conipuestos que se diferencian en so
configuraci611 espacial. Esta isonieria coiiiprcnde 2 gropos priiicipdes: isonieria
geonibtrica e isrmeria 6ptica.
Lsomería geométrica
Ciiando en una inolécula cstán nresentes dol~lesenlaces o anillos. los átomos
involucrados en estas estructuras tienen ciertas restricciones eii los giros. la rotación de
los átoiiios de carbonoestá limitada y, por cnde, la posición de los giiipossustit~iyeiites
iinidos a ellos queda fijada en el espacio, a uno 11 otro lado del anillo o doble enlace.
Así el buteno-2 puede existir en 2 configuraciones geombtricas:
Cis
Ti-eiis
Los grupos sustituyentes iinidos a los átoiiios de carl~onoen el isóincro cis se
disponen Iiacia el mismo lado del dol)le enlace y Iiacia lados distintos en el isúniero
trüns. Ambos tipos de isí>iiier»spu(lciiios encontrarlos en las hioninlccnlas conio será
estndiado oportunamente.
isomena óptica
La isorneria úptica se presenta en los coinpuestos qiie tienen algún cenlm (le
asimetría, y se manifiesta por la rapacidad que ticnen estos isbinrros de desviar el
plano de vibración de la luz polarizada, hacia la derecha o laizquierda. La actividad
óptica se determina experimentalmente por medio de un equipo conocido como
p0larúneh-o.
El polarímetro (Fig. 5.81, en esencia, consta de una fuente de luz monocromática, 2
lentes polaroides (o prismas de Nicol), queactúan iinocomo polarizador y el otro como
analizador, y un tubo de vidrio donde se coloca la solnción de la siistancia que se debe
analizar. Si la sustancia colocada en el tubo desvía el plano de la luz polarizada hacia la
derecha, se dice que es dextrógira y se representa con el signo (+); si lo desvía hacia la
izquierdaserálevbg¡ra y se representará con el s i p o (-).Lainagnitud dela dtwiación se
mide por el ángulo a,que será el ángwlo de giro necesario que debe realiiar el analizador
para restablecer la intensidad de luz al ináximo, es decir, corregirla desviación de la luz
polarizada provocada por la siistancia ópticamente activa colocada en el tubo.
>R
El centro de asimetría que es causa de la actividad óptica se explica por las
moléculas que carecen de planos o centros de simetría, y so configuración es tal,
que no pueden superponerse. Analicemos esta situación para el caso del ácido
láctico (Fig. 5.9).
La causa más frecnente de asimetría en las hioinoléculas es la presencia de los
carbonos qiiirales o carbonos asiniétricos, o sea, aquellos carbonos cuyas 4 valencias
están sirstituidas por grupos difcrentcs. La cantidad de kómeros ópticos de una molécula se puede calcular según 2", donde n es igual al número de carbonos asiniétricos
presentes. Analicemos esta posibilidad para el caso del nionosacárido de 4 átomos de
carbono, cuya estructura es la siguiente:
o
CH,OH - CHOH- C H O H
8
\
H
Esta molécula presenta 2 carbonos asimétricos que son aquellos marcados en
negrita, si se aplica la fórmula, podemos deducir que existirán 2% 4 isómeros ópticos:
CHO
I
I
H-C
l
H-C
CHO
l
I
HO-C
I
-0H
HO-C
-0H
CH,OH
D(-)entrosa
-H
-H
CHO
CHO
I
l
H-C-OH
I
l
I
HO-C-H
I
H-
HO-C-H
CH,OH
CH20H
L(+)entrosa
D(-)treosa
CO
H
CH,OH
L(+) treosa
Las 4 especies a, h, c y d son isómeros ópticos, es decir, son estereoisómeros entre
si; además, (a) con respecto a O>), y (c)con respecto a (d) son enantiómeros o antípodas
ópticos, por ser una la imagen ante el espejo de laotra; a en relación con (c) y (d), y en
general cada especie en relación con aquéllas que no son sus enantiómeros, son
diastereoisómeros. Los isómeros ópticos que sólo se diferencian en la disposición de
un grupo y son idénticos con respecto a todos los demás, se conocen como epímeros.
Para el caso que nos ocupa, las formas (a) y (b) son epímeros con respecto a (c) y (d); (c)
y (d) lo son con respecto a la (a) y (b).
Los enantiómeros no difieren en sus propiedades tisicas ni químicas, con excepción de su actividad óptica; pero sus propiedades biológicas pueden variar mucho.
Los diaterwisómeros se diferencian, además de su actividad óptica, en la mayoría de
sus propiedades fisicas y biológicas, así como en determinadas propiedades químicas.
La mezcla equimolecular de los enantiómeros se denomina mezcla racémica y no
presenta actividad óptica.
Series estéricasD y L
Utilizando al gliceraldehído como molécula de referencia se han establecido las
series estéricas D y L. Para ello, se representa al gliceraldehído con el gmpo aldehído
hacia arriba, el OH del gliceraldehído dextrógiro hacia la derecha y se le asigna la serie
D; el OH del gliceraldehído levógiro hacia la izquierda y se la asigna la serie 1,.
CHO
H1
l
CI
CHO
OH
CH,
D gliceraldehído
L gliceraldehído
Al comparar la disposición de determinados grupos funcionales, unidos a carbonos asimétricos de los isómeros ópticos de diversos compuestos, con la del OH de cada
gliceraldehído, se establece la serie L 6 D de dicho compuesto. Para el caso de los
aminoácidos, el grupo que se debe comparar es el a amino, cuando el aminoácido se
representa con su gmpo acarboxilo hacia arriba, que coincida con el grupo aldehído
del gliceraldehído. El aminoácido representado en (A) es un D aminoácido, ya que su
grupo a amino se dispone hacia el mismo lado del OH del D gliceraldehído, en tanto,
que el aminoácido representado en (B) es un L aminoácido, pues su grnpo a amino está
ubicado hacia el mismo Iado que el OH en el L gliceraldehído.
COOH
COOH
I
H- C -NH2
I
I
H , N C- H
R
R
D aminoácido
L aminoácido
El poder rotatorio real de un compuesto determinado por el polarímetro no tiene
quecorresponder con la serie D ó L a que él pertenezca. El aminoácido L gliitámico es
dextrógiro, mientras que la L leucina es levúgira; la D glucosa es dextrógira y la D
fructuosa es levógira. Recutrdese que la rotación especifica se determina experimrntalmente en un polariinetro, mientras que la serie se determina por la comparación del
compuesto en cuestión, con una n~oléculade referencia, el gliceraldehído.
Conformaciones distintas de las moléculas
A las distintas disposiciones que pueden adoptar los átoiiios en una molécula,
cuino consecuencia de rotaciones de uiio o n ~ á senlaces sin~ples,se conoce conlo
conformaciones y no deben confundirse con los isómeros. Las rotaciones que pueden
efectuarseen un enlacesiinple están restringidas por el tamaño y carga eltctrica de los
átomos unidos al carbono. Un e,jemplodelas distintas conformaciones se puede apreciar para elcaso del etano,molécula que puede existir en 2 conformaciones (escalonada o eclipsada), aunque la primera es más estable. Las diferentes conformaciones de
una molécula representan simplen~enteposiciones que adoptan los átomos, al rotar
sobre un enlacesimple y porquelas barreras energéticas son muy bajas; noconstituyen
sustancias diferentes y pueden ser aislahles (Fig. 5.10).
(h)
(a)
Conforiniicióii esciiloiiada
(c)
(d1
Conformaciúii cclir>sa<la
Las bioinoléculas se encuentran en los distintos fluidos biológicos formando
sistemas dispersos. Dedicaremos nuestra atención a definir qué es un sistema disperso
y establecer su clasificación y principales características.
Sistemas dispersos
Un sistema disperso es aquél donde uno de sus componentes se encuentra finamente distribuido en el seno de otro. Se conocen 2 fases: la fase discontinua, se
Fig. 5.10. Confórnieros distintos en el etanu.
eucuentra distribuida en la fase dispersante, esta úllinia, es continua y niás al>uiidaiite,
donde se distribuye la fase dispersa. Las fases de un sistema disperso puedeii estar en
cualquier estado físico: sblido, líquido o gaseoso.
Atendiendo al tainaiio de las articulas dispersas, los sisteiiias dispersos se clnsifican en dispersiones groseras, disoluciones coloidales y ilisolociones ver(la<leras.
En las dispersiones groseras las jiartículas de la fase dispersa niiden niás de 100 iini
de diámetro. La arena fina en agua coiistituye un <jeniplo (le estos sistemas en la
materia inorgúnica, y los glbhiilos ro,jos eii la sangre son IIII I)ueii e,jenipl cn los
organisnios vivos.
IIn las disuluciones coloidales el tamaño de las ~>artículas
dispersas varía entre 1y
100 nn1, como $jeinplo podenios citar las disoliiciones de las proteínas eii el plasniii
sanguíneo.
Por iiltinio en las disolucioiies verdaderas, el tamaño de las partículas es menor
que 1 nni, son Iiomogtneas y confi)rniaii una única fase. El azúcar ¡sacarosa) en agua.
o la sal (cloriiro de sodio) en agua son qjeiiiplos de este caso.
Las disoluciones se caracteriziin por la naturaleca de soluto y solvente y por su
coi~ceiiti.aciúii.La concentración de las s~~lucioiies
puede expresarse de foriiias variadas.
Formas de expresar la concentración
La conceiitraciúii de uiia disoluciúii está dada por la cantidad de soliito ilisiielto
en tina determinada cantidad de disolvenie o (le la disolución. Revisarenios las foriiias
niás empleadas para expresar la coiicentracMn de las I)ioinoIéciilas,aunque debe aclararse que existen iiiuclias iiiis.
E n por ciento
La conce~itraciúnen por ciento tiene variantes, eii <lependencia del eiiipleo del
peso o el volumen:
l. Por ciento: volunie~ien voliuiieii (vlv). Expresa la cantidad desoloto medida en
uuidades de voloiiien (iiiL),en 100 niL de disolucióii.
2. Por ciento: peso en volunien (plv). Ekpresa la cantidad de soliito niedida por su
peso (en granlos), disueltos en 100 niL de disolución.
3. Por ciento: peso en peso (plp).Expresa Iw cantidad de gramos de soliitos disueltos
en 100 g de la disoliicibn.
en I 1, de
Soluciones molares. Se expresan por ci iiriiiiem de nioles del sol11111
disoli~ciWii.1 s frecuciitc ciia)iiii'ar \;iriaiites de este tipo (le expresi6ii de la concentracibn: n~niol.l..':pni . L..'" mtrv o t ~ ~ s .
de nioles del soloto eii 1 kg del
Soluciones rnolales. Se e\-pi-esan pot- el iiíiiiier~~
disol~ente.
Soiucioncs nomades Se eupresaii por ei nii~iieroac cquivaienies gmiiios riei soiuio
I
gramo es la caiiti(lad de tina
cii 1 1, clr ilisoii! .::,ii. 5 ,delle reci>irl;ii.que ~ I I equivalente
sost;incia ¡en si-:iii!is! <:sicdcydazi! \:ir ;itonio de Iiidrbgeuo en una reaccibn específicii.
Para fines pricticos piwrle calciil:ri.sr. ri;r idieiido el peso niolecular de lasustancia entre
sil valencia c?ila reacciiiii que se ;tii;ihi.,. ??wacl ácido clorliídrico (HCI ),u11eqiiivalenle
I
1, y en esticaso coiiicide con el valor
g m i i i o s e ~igii;il n su peso i i i ~ k i ii;i " . ~ W Ientre
de la coiicentracibn expresad:!
: v.<>leridad.Sin eiiibergo, para el caso del Beido
&lo
siillüric~~
(SO,H,),uii eqiiivalenx :-f.--..: <~%íigualasu ~~eso~ii~~lecolnr<liuididoentir
i
conio niol;iri<lad.
que resulta dilerente a la coiiccwi-~ * . ii.;prcsxla
A reces la concentraciún se expresa de forma directa por las unidades de masa del
disolvente en un volumen determinado de Is disolucióii, por e,jemplo: g . I,-'; mg . I;',
etcétera.
Resumen
Las biomoléculas son las moléculas específicas de los seres vivos; en su estruchirspredominan los átomos de C, H, O y N, y en menor medida el P y S, entre otros.
El agua es el disolvente universal en la materia viva y ello se debe a las propiedades
de esta molécula que, por constituir un dipolo, resulta un magnífico disolvente para
la mayoría de las biomoléculas. El agua pura tiene un pH neutro y en estas condiciones las concentraciones del ion H' es igual a la del ion OH-;si predomina la [ni],
el pH es ácido y si predomina la [OH-1,el pH es alcalino. Un ácido es una sustancia
capaz de ceder protones y una base es aquélla que los capta; aunque es frecuente
que el comportamiento ácido o básico de una sustancia dependa del pH del medio
en que se encuentre. Las mezclas de un ácido o una base con su sal originan los
bufferso tampones, cuya función es preservar el pH del medio; la reserva alcalina
defiende al medio contra la adición de ácidos, mientras que la reserva ácida lo hace
contra la de álcaüs. La ecuación de Henderson-Hasselbach es La ecuación de los
buffers,y de ella se desprende que un bufferses eficiente a valores de pH iguales al
pK del ácido *l.
Los átomos de carbonos se unen entre sí y con átomos de hidrógeno para
formar los hidrocarburos, que pueden ser saturados o insaturados, lineales o
ramificados y alifáticos o cíclicos, estos Úitimos pueden ser alicíclicos o aromáticos; si los anillos están formados por átomos diferentes, se les conoce como
heteroeidos. Los hidrocarburos saturados son los alcanos, los insaturados pueden
presentar un doble enlace (alquenos) o un triple enlace (alquinos). Las cadenas
hidrocarbonadas saturadas o insatnradas constituyen la estructura básica de las
biomoléculas que tiene además, diversos gupos funcionales.
Los grupos funcionales más frecuentes en las biomoléeulas son el hidroxilo
(OH), primario, secundario o terciario; el carbonilo (CO), que puede ser aldehído o
cetona; el carboxilo (COOH), grupo que conñere carácter ácido a las biomoléculas
que los presentan; el grupo amino (NHd, básico, que puede formar aminas primarias, secundarias o terciarias, y el grupo sulfidrilo {SH). Estos -pos
al reaccionar
entre sí forman agrupaciones derivadas, las cuales son también de gran importancia en las biomoléculas. Al reaccionar los ácidos con los alcoholes originan los
ésteres, éstos pueden ser carboxiiicos o fosfóricos (en dependencia del ácido
involucrado); los carbonilos con los alcoholes pueden originar hemiacetales y
acetales. Los carbodos con los aminos forman el enlace amida, un grupo suíñdrilo
y un ácido carboxílico dan origen a los tioésteres, y si los que reaccionan son 2
grupos ácidos, se forman los anhidridos de ácidos. Es frecuente encontrar en una
misma biomnlécula varios grupos funcionales disiintos, así como diferentes a g m
paciones derivadas.
A la gran diversidad que presentan las biomoléculas contribuye también la
existencia de isómeros diferentes. Los isómeros son compuestos que presentan la
misma fórmuia química giobai, pero tienen propiehies aiferenres, ya que pufflen
presentar estructura disünta (isomería estructural) o diferente configuración espacial íestereoisomería). La isomería estructural a su vez ouede ser de cadena. de
posición o de función, y la estereoisomeríapuedeser geométnca u óptica La isomería
óptica se debe a la presencia de carbonos quirales o asimétricos y las moléculas
pueden ser dextrógiras o levógiras en dependencia de que desvíen el plano de luz
polarizada a la derecha o a la izquierda. Los isómeros ópticos pueden pertenecer a
las series estéricas D 6 L, para ello se compara, la disposición de determinado
grupo funcional con el OH del D y del L gliceraldehído, y en consecuencia se deter-
mina su serie D 6 L.
Las biomoléeulas se encuentran en los distintos fluidos biológicos fonnando
sistemas dispersos. Los sistemas dispersos pueden ser de 3 tipos, de acuerdo mn el
tamaño de las partícuias dispersas (fase dispersa) en el medio de dispersión (fase
dispersante): suspensionesgroseras (hematies en la sangre),disoluciones coloidales
@mtehas en el plasma) o disoluciones verdaderas (sacarosa en agua); estas Ultimas son homogéneas.
La coneentradón de las disoluciones se puede expresar de formas d i v e m :
por dento, uolizando unidades químicas (molares, molales o n o d e s ) y de otras
formas en dependencia del íipo de moléculas y los propósitos que se persigan.
Ejercicios
1.¿Cómo se llaman las moléculas específicas de los seres vivos?
2. ¿Cuál es el componente más abundante en los seres vivos?
3. Mencione las propiedades que hacen del agua el solvente fundamental de los
fluidos biológicos.
4. &Cuálesson los átomos más abundantes en las biomoléculas?
5. Compareel enlace iónico con el covalente en cuantoacaracterísticas delos átomos
que intervienen, participacion de los electrones de valencia y propiedades fuodamentales de los compuestosque presentan dichos enlaces.
6. Compare el enlacecovalentede lamólecula de hidrógeno con lade agua en cuanto
a su polaridad.
7. ¿Qué son los hidrocarburos y cómo se clasifican?
8. ¿Quécaracteriza a los enlaces simples, a los doble y a los triples? Refiérase al tipo
de hibridación de los carbonos, a la disposición de los orbitales p, ángulos de
enlace y tipo de enlace (p ó S).
9. Enumere los principales grupos funcionales presentes en las biomoléculas.
10. Identifique los grupos funcionales en las siguientesbiomoléculas:
o
II
COOH
I
NHrC-H
l
CH,SH
Cisteína
COOH
I
l
C- H
C=O
CHOH
CH,
CHOH
I
I
I
(iHoH
Pirúvico
CH, OH
Ribosa
l
11. Identifiquelas agrupacionesderivadas en las biomoléculas siguientes:
oII
H2-C-O-C-R
?
I
R'-C-O-CH
FI
l
H, C-O-C-R"
o
Il
R' -C-O-CH
H, C-O-C-R
oII
I
m,+
l
I
?
H, C-O-P-O-CH,-CH-COOI
0-
Triacilglicerol
l
~
!
l
so
I)iquhnrica [email protected]
Fosfátido de glicerina
(fosfatidilsenna)
12. Forme un hemiacetal interno en fa molécula de glucosa entre el gmpo carbouilo y
el OH del carbono número 5.
R
C-H
1
D glucosa
13. ;Qué tipo de isomería es la que existe entre los aminoácidos leucina e isoleucina?
coo-
I
H,N+-C-H
I
CH2
I
CH-CH,
I
CH,
Leucina
H,N+-
cooI
c -H
I
CH-CH,
1
1
CH2
CH3
Isoleucina
14. ¿Qué tipo de isomería es la que existe entre los ácidos cítrico e isocítrico?
CH,- COOH
1
HO-C- COOH
1
CH,-COOH
Ácido címco
CH,-COOH
I
CH - COOH
I
HO-CH-
COOH
Ácido isocímco
15. ¿Qué tipo de isoinería es la que existe entre la glucosa y la fructuosa?
oII
C-H
CH, OH
I
C =o
I
I
HOCH
HC OH
HC OH
1
D glucosa
D fructuosa
16. ¿Qué tipo de isomería es la que existe entre los ácidos funiárico y nialeico?
Ácido maleico
Ácido fiimánco
17. ¿Qut tipo de isoinería existe entre la inanosa y la galactosa?
o11
O
II
C-H
C-H
1
HO CH
l
HO CH
I
HC OH
I
HC OH
l
I
1
HO CH
I
HO CH
I
HC OH
I
HC OH
CH2 OH
CHI OH
D manosa
D galactosa
18. Observe la estructura del compuesto que se presenta a continuacióii y después
señale los carbonos asiinélricos, calcule el núinero de estereoisómeros y escriba las
estructuras de todos los isbnieros bpticos posil)les, indicando cuáles son
enantiomnrfos y cuáles diatereoisómeros.
CHOH
1
1
CHOH
CHOH
I
Ribosa
82
Biqrímicr Médica
19. Entre los isómeros incluidos en el ejercicio anterior :,Puede eucontrar 2 que sean
epímeros entre sí?
20. Calcule la concentración de una solución de glucosa que contenga 2 gen 1000 mL
de disolución:
a) en por ciento plv
b) en concentración molar.
21. Calcule los gramos de glucosa en 1 000 niLde una disolución 4 3 inmolar.
22. ¿Cuántos gramos de ácido sulfúrico se requieren para preparar 100 mL de una
solución 0,s normal?
23. ¿Cuántos gramos de sodio hay en un litro de una soluci611cuya concentración es
de 138mEq.L-'?
Los aminoácidos constituyen las unidades estructurales de las proteínas. Éstas
son las macromoléculascon mayor grado de variabilidad estmctural, que desempeñan
las funciones más diversas; muchas son enzimas, otras intervienen en el transporte de
diferentes sustancias y constituyen los receptores de diversos ligandos; algunas forman los anticuerpos, varias son hormonas. Estos hiopolímeros cumplen, además, muchas otras funciones disímiles.
La diversidad estmctnral y funcional viene dada por la variabilidad en la composición y disposición de sus monómeros constituyentes o precursores: los aminoácidos.
Son 20 los aminoácidos que conforman las unidades estmcturales de los péptidos y las
proteínas; ellos poseen algunas regularidades estructurales que son comunes a la inmensa mayoría, pero presentan otras que diferencian a un aminoácido de otro.
En este capítulo trataremos el estudio de los aminoácidos, tanto desde el punto de
vista estructural como funcional y estudiaremos algunas de las principales propiedades de estas hiomoléculas; también conoceremos cómo se unen para formar los péptidos
y las proteínas, haciendo énfasis en las características de dicho enlace.
Concepto y características generales
Los aminoácidos pueden existir libres en los tejidos animales y vegetales; pero en
su mayoría se encuentran formando parte de lospéptidos y de las proteínas. Estos
compuestos constituyen ácidos orgánicos en los cuales, al menos un hidrógeno, ha
sido sustituido por un grupo amino. De acuerdo con el C a l cual se une dicho grupo
amino, estos aminoácidos se clasifican como a, b, y, 6, E, etc.
CH,
CH
CH,
C
COOH
CH,
CH,
COOH
B alanina
a leucina
m,
CH,
CH,
C H , COOH
Ácido y amino butúico
Los aniinoácidos cumplen diversas funciones:
1. Son precursores de las proteiiias.
2. Forman parte de vitaniiiias, ejemplo la P alanina forma parte del ácido pantoténico,
vitamina del complejo B.
3. Constituyen, por descarhoxilación, las aminas biógenas; compuestos que cumplen
funciones importantes y que a su vez pueden formar parte de otras hiomoléculas;
ejemplo la etalnolamina que se fornia por descarboxilacibn de la serine y forma
parte de algunos Iípidos, la serotonina -producto de descarboxilación de un
derivado del triptúfano- que es un poderoso vasoconstrictor.
4. Son precursoresen la síntesis de algunas hormonas; ejemplo la tiroxina, hormona
secretada por la glándula tiroides. que se fonna a partir del aminoácido tirosina; la
adrenalina y noradrenalina se forman también a partir de la tirosina.
5. Constituyen neurotrasmisores muchos de ellos, como la glicina, la histidina y el
glutámico.
6. Son aminoácidos, algunos aiitibióticos; un ejemplo es el cloramfenicol.
7. Algunos son inetabolitos intermediarios de importantes vías metabólicas, ejemplo:
la ornitioa y la citrulina en el ciclo de la urea.
A pesar de las nunierosas y variadas funciones que desempeñan los aminoácidos,
la más importante de todas es,sin duda alguna, constituir los precunores de los péptidos
y las proteínas.
Los aminoácidos que se encuentran formando las proteínas son todos alfa
aminoácidos, con la excepciún de la prolina y su derivado, la hidroxiprolina. La
estructura general de los alfa aminoácidos es la siguiente:
cooH,N+
c
H
donde R representa un residuo que diferencia a un aminoácido de otro, que presenta
naturaleza quíniica variada. R puede ser una cadena alifática, puede presentar anillos
aron~áticos,heterociclos o tener distintos gmpos químicoscomo OH, SH, NH,, COOH
y CONH,. El grupo carhoxilo suele representarse disociado (con carga negativa) y el
amino sin disociar (con carga positiva), ya que esta forma es la que predomina a pH
fisiolúgico.
Estructura de los aminoácidos que constituyen las proteínas
Para proceder al estudio de estos aminoácidos los ordenaremos de acuerdo con las
características estructurales de la cadena lateral en R:
1. Aminoácidos con cadena alifática en su cadena lateral en R. En este grupo se
incluyen aquéllos que poseen sólo una cadena hidrocarbonada en R y aquéllos que
presentan además, un grupo OH o que contienen azufre.
a) Aminoácidos con cadena hidrocatboiiada en R
coo-
coo-
1
I
coo-
I
l
H,N-C-
H,N-C-H
H>N-C-H
l
H
l
I
H -C -CH,
H
CH,
Glicina
Alanina
CH,
Valina
coo-
l
H,N+-c-H
l
cH2
I
CH
l
H,N+
cooc H
CH, OH
coo-
H,N+
c
H
H
C
OH
CH3
Serina
Treonina
c) Aminoácidos que contienen átomos de azufre (S) en R
coo coo-
H,N+ C
H,N+
c
H
CH,
CH$H
CH,
m:-.-:--
0
L..,LC,U'.
*
H
0.6
.AL3
Metionina
1
I
CH
1
H,N~C-H
CH,
CH,
Leucina
b) Aminoácidos con grupos hidroxilos (OH) en R
coo-
CH,
CH,
I
CH,
Isoleucina
2. Aminoácidos con un anillo aromático en R. En este grupo se incluyen aquellos
aminoácidos que presentan el anillo benceno, el fenol y el indol.
coo-
coo+
I
coo-
+ 1
H,N -C-H
+
H,N -A-H
I
l
I
H
OH
Tirosina
Fenilalanina
Triptófano
3. Aminoácidos con un grupo carboxilo (COOH) o amida (CONH,) en R:
coo-
coo-
COO-
Ácido aspánico
Ácido glutámico
coo -
I
I
CH2
I
CONH,
H,N~C-H
cooc
l
H,N+
H
CH2
CH,
CONH,
Asparagina
Glutamina
4. Aminoácidos con grupos básicos:(NHJ, guanidino o anillo imidazol en R:
coo+ 1
cooHpcA-H
H,N-C-H
I
1
CH,
CH,
7%
CH =CH
I
'3'2
I
NH
I
C
I
= NH2
N%
Arginina
I
I
HN
'CHJ
I
NH+
5. Aminoácidos cíclicos. En este grupo se incluyen al aminoácido prolina y su derivado la hidroxiprolina:
H
"1\
H2C
I
CH,
HO-C
H
N
N/cH-cOOH
Prolina
i";
iH-cO
Hidroxiprolina
Enla tabla 6.1 se presentan el nombre abreviado y el símbolo íJeúa) queideníiñcan
a cada uno de los 20 aminoácidosque constituyenlos precursores de las proteínas.
Rbln6.1. Nombre completo, abreviatura y símbolo para identificarlos aminoácidos
Nombre
Alanina
Abreviatura
a$
Símbolode una letra
Clasiñcación de los aminoácidos
Es posible clasificar los aminoácidos sobre la base de distintos criterios, de acuerdo con el objetivo que se persiga. En el acápite anterior realizamos una clasificación
para el estudio de sus estructuras particulares; el criterio quese seleccionófueron las
características estructurales de sus cadenas laterales. Por el interés que tiene en la
comprensión de la estructura y propiedades de péptidos y proteínas, seleccionaremos
otros 2 criterios para su clasificación:
1.El número de grupos carboxilos y aminos (u otra agrupación há5ica) presentes enel
aminoácido, de lo cual derivará el carácter ácido-básico de sus disoluciones. Sobre
este criterio, los aminoácidos se clasificarán en neutros (monoaminomonocarboxílicos),bcidos(rnonoaminodicarboxílicos)y bhicm (diaminomonocarboxfiicoc) (tabla 6.2). Se puede apreciar de manera fácil que los aminoácidos
ácidos son 2 (glutámico y aspártico); básicos son 3 (lisina, arginina e histidina); el
resto son aminoácidos neutros.
%bla 62. Clasificación de los aminoácidos según número de grupos carboxilos p ami-
nos en la molécula
Neutros
Ácidos
Básicos
Glicina
Ckteína
Ácidoglutámico
Lkina
Alaniina
Metionina
Ácido aspártico
m
2. La presencia o no de grupos químicos polares en su cadena lateral R. Sobre
este criterio, los aminoácidos se clasifican en apolares si no poseen ningún
grupo polar en R, y polares -si tienen algún grupo polar en R. Los polares, a su
vez, se subclasifican en polares iónicos- si a valores de pH fisiológico, adquieren carga eléctrica apreciable- y polares poco iónicos- si a valores de pH fisiológico, no adquieren carga eléctrica apreciable. La tabla 6.3 muestra la ubicaciúii Ur c a i i l aiiiiii&i<;~ i r acuri-Uu cuii r& Luiiiaiiiciiiu & c;abii';caciÚii. Se
puede observar que los polares iónicos son precisamente los 2 aminoácidos
ácidos y los 3 básicos, según el criterio precedente de clasificación; son polares poco iónicos aquellos aminoácidos que presentan en R alguno de los grupos siguientes: hidroxilo (OH), sulfidrilo (SH), amida (CONH,) o el anillo
indol; el resto de los aminoácidos son apolares.
mbla 63. Clasificación de los aminoácidos según la polaridad de sus grupos en R
Polares
Apolares
-
Iónicos
Poco iónicos
Ácido aspártico
Scrina
Ácidoglutámico
Tmnina
Lisina
Timsim
Wina
Cisteha
Histidim
Aspiililgbxa
Glutamin.1
Triptófano
Propiedades físicas de los aminoácidos
Los aminoácidos son sustancias cristalinas, por lo general, solubles en agua y en
soluciones ácidas o básicas diluidas, e insolubles o muy poco solubles en ,alcohol y
totalmente insolubles en éter. Sin embargo, alguno de ellos se comporta de forma
contraria, como lacisteina, que es poco soluble en agua y la prolina, la cual es soluble
en alcohol y éter. Los aminoácidos poseen un elevado punto de fusión que casi siempresobrepasa los 200 "C y en algunos casos los 300 "C. Es frecuente que con valores
por encima de estas temperaturas los aminoácidos se descompongan, por lo que no
resulta útil su separación por destilación fraccionada.
1
Propiedades ópticas de los amino4cidos. Series estéricas L y D
Con excepción de la glicina, todos los aminoácidos presentan actividad óptica,
son capaces de desviar el plano de vibración de la luz polarizada (capítulo 5). La
actividad óptica de los aminoácidos se debe a que, al menos el carbono u de estos
compuestos (excepto la glicina) está sustituido de forma asimétrica con 4 grupos
químicos diferentes.
Por comparación con el gliceraldehído, respecto a la configuración espacial de su
grupo a amino,los aminoácidos se clasifican en 2 series estéricas: L y D (capítulo 5 ) .
A la serie L pertenecen aquellos aminoácidos cuyo gmpo u NH, está orientado hacia el
mismo lado que el OH del L gliceraldehído. Si el u NH, está orientado hacia el mismo
lado que el OH del D gliceraldeliido, el aminoácido seiá de la serie D.
Como regla general, los aminoácidos naturales pertenecen a la serie L, lo que se
ciimple particularmente para los a~ninoácidosque forman las proteínar. Sin embargo,
en algunos péptidos naturales se encuentran, conlo excepción, aminoácidos de la serie
D; un ejemplo lo constituye la pre~enciadela D fenilalanina en sustancias antibióticas
como los péptidos gramicidina y tirocidina.
Por convención se acostumbra a c5docar eri la fórmula en proyección el grupo u
amino de los 1, aminoácidos hacia la izquierda del grupo u carboxilo, cuando este
último se haya colocado hacia arriba y el cx amino de los L aminoácidoshacia arriba,
cuando el grupo a carboxilo se dispone hacia la derecha.
Los aminoácidos pueden constituir mezclas racémicas, que no son más que
disoluciones equimoleculares de las series L y D, las que no presentan actividad
óptica. Para identificar una mezcla racémica se le anteponen las letras DL al
nombre del aminoácido; ejemplo: DL tirosina. En la tabla 6.4 se presentan los
valores de rotación específica (sentido y magnitud de la actividad óptica) de
algunos aminoácidos.
lhbla 6.4.
Rotación especií<ica de las disoluciones acuosas de algunos L aminoácidos
Aminoácido
GAlanina
Rotación específica
+
la0
Los aminoácidos deben sus propiedades eléctricas a la presencia de grupos
disociables en su molécula: los grupos carboxilos y aminos, el grupo guanidino
presente en la arginina, el anillo imidazol de la histidina, el anillo fenol de la tirosina
y el sulfidrilode la cisteína. La disociación (como ácido) de cada uno de estos grupos
se presenta de la forma siguiente:
Grnpo carboxilo
- COOH
Grupo amino
-COO-
+
H'
Anillo imidazol
I
CH-
CH
1 F
,
.
'
?N
l
CH-
1
HN
CH
1
+
H+
CH
Gmpo guanidho
Gmpo fenólico
Estos grupos pueden estar en su forma disociada o no disociada, según el pH del
medio en que se encuentre disuelto el aminoácido; debido a ello estos compuestos
pueden existir en distintas formas iónicas. La relación entre la disociación de un gmpo
y el pH del medio viene dada por la fórmula de Henderson-Hasselbach (capítulo 5):
pH=pK
+
log
Forma disociada]
Forma no disociada]
Es conveniente recordar que a mayor Ka, mayor será la acidez del gmpo y, por el
conhmio, amenor valor de su pK,mayor serála acidez de un grupo. En los aminoácidos
se han ordenado sus pK de menor a mayor: (pK,, pK, y pKJ, del grupomás ácido al menos
ácido. A partir de la fórmula de Henderson-Hasselbach,se puede esümar la dación de las
concentraciones de las formas disociadasy no disociadas para cada gmpo disociable de
los aminoácidos,pero, para fines prácticos se puede asumir que:
Si pA del medio= pK del grupo
[forma disociada]=[fornia no disociada]
Si pH del medio es > pK del grupo
entonces predomina la forma disociada y
[forma disociada]>[forma no disociada]
Si pH del medio es < pK del grupo
entonces predomina la forma no disociada
y [forma no disociada] > [forma disociada]
Especies ióniras de los aminoácidos
De acuerdo con lo antes expuesto, acerca de la disociación de los gmpos disociables
de los aminoácidos, éstos podrán existir en forma de especies iónicas distintas según el
valor del pH del medio en que se encuentren disueltos. El comportamiento de los
aminoácidos en cuanto a cantidad y variedad de sus especies iónicas depende del
número y tipo de sus grupos disociahles, es por elloconveniente analizarlos por separado para los aminoácidos neutros, ácidos y básicos.
Especies i6niu1.sde las aminoácidas neutros
Para estos aminoácidos,el pK, corresponde al pK del gmpo a carboxilo y el pK,
al pKdel grnpo o. amino. Analizaremoslas especies iónicas para este tipo de aminoácido
a partir de valores bajos de pH, menores al valor de su pK,, situación en la que para
todos los grupos predomiiiará la fonna no disociada, ya que será pH<pK para ambos
grupos, especie (a):en esta condición el grupo carboxilo no presentará carga eléctrica
y el grupo amino presentará carga eléctrica de +1, por lo que el aminoácido tendrá
carga eléctrica neta positiva (+1) y situado en u11 campo eléctrico sería atraído por el
polo negativo (cátodo).
Si se aumenta el pH del medio de disolución del aminoácido hasta un valor de pH
que sea mayor que pK,, pero menor que pK, (pK, < pH < pKJ, el grnpo carboxilo
predominará en su forma disociada y por tanto presentará carga eléctrica de -1;mientras el grupo amino predominará en su forma no disociada (carga eléctrica de +l),de
donde la carga neta del aminoácido será igual a cero, especie (h); en tal condición el
aminoácido no mostrará afinidad por ninguno de los polos de un campo eléctrico y,
por tanto, no sena atraído por ninguno de ellos; esta especie iónica se conoce como ion
dipolar.
Si se continúa aumentando el pH del medio hasta lograr que su valor sea mayor
que el valor de pK,,entonces para ambos grupos predominará la forma disociada y p a n
tal situación el gripe carboxilo presentará carga eléctrica negativa (-l),en tanto que el
grupo amino no presentará carga eléctrica alguna. p o r ello el arnin»ácido tendrá carga
eléctrica neta negativa 1- I! y seria atraído p o r el polo piisitivo o áiiodo especie lc!.
Se pucdc aumentar o disiiiiiiuir de iiiaiiera fácil c l p l l del iiietlio p o r l a adicióii eii
Ir).
-\uiique para
el priiiier casode 1111álcali í+ 011.) y eii el segundo caso de u n Jcido i+
de \aloi'es Iia,ios de pH. los qiie se Iiaii i d o
realizar este aiiálisis I i e i i i ~ ~pii.li<l~~
s
iiicreiiieiitaiid~i
p o r l a adicióii <leu i i álcali al iiiediu: es p~isilllede igual Foriiia realizar
el aiiálisis iiiterso. a p a r t i r de los talores iiiás elevados de p l l y disiiiiiiuirlos p o r l a
adiciúii de u i i ácido; p o r ello. eii las eciiaciuiies <lelas esliecics ióiiicas ae esirilieii las
flechas en anil>ossenticlos con la arlicióii, segiiii corresponda. de u n ácido o u n álcali.
Especies ióNcas de los amhoáeidos ácidos
Se delieii aiializiii' 3 :i-iipos d i s n r i a l ~ l c i c: l t a l w de IIK, c i ~ r i ' c s p ~ ~ i ;iI
i d cp K del
grupo o caibouilo; el p K Ja l otro griipo carboxili~presriite c i i la cadciia U iIjcarhosilo
eii el caso del ácido aspártico y j c a r l m x i l o en el del ácido glotáiiiico! y p o r iiltiiiio el
piiede ;il>reri;ii.sc c i i e\tc c i i w las
p K , s t 4 el valordul p K del griipo 11. ;iiiiiiio. I(IIIICI'
especies iónicas scráii 1.I n uii iiicdio con valor de 1111 < pK,. iiiiigiiiio de los grupos
estará disociado. la carga neta del aiiiiiioácidoserá posiliva y en iiiicanipoeléitrico
sería atraído y se desplazariii Iiacia el polo i i c g a t i w o cátotlo, especie ( a ) .Si se aumeiita el pH.deiiiodoqiie rea iiiayoi-que p K , pero iiieiiorqiir p K . i p K , < p T 1 < ~>K.!.estaiia
predoiiiiiiaiileiiic~ited i w c i a d t ~el g r u p o IL c a r l ~ u !
d los
~ ~dciiiás gi'iipus se iiiaiitciid r i a n sin disociar. l a carga e l k t r i c a neta seria U ( - I d c l a carboxilo y + I del o ;iiiiiiio!.
p o r l o que iio se desplazaría hacia iiiiigiiii polo. si se soiiielieia a l a acciuii de iiiicaiiipo
elbctrico, espccic (11).
Alcoiitiiiuar clc\;iiido cl talorclcl p l l Iiasta lograr que su t a l o r supere al pK,,pcro
sca inferior a l ph,, especie ( E ) ( p K , < p H < ph,!. se consigue que sc disocicii áiiibos
i iarga
grupos carliosilos y que el ainino se iiiaiiteiiga siii disociar: eii tal r ~ i i i d i c i ó ila
iicta dcl aiiiiiioácido scní -1y. soiiictido a l u acciuii dc u n caiiipo clktrico,sc dcsplarar i a hacia el áiiodo. I'or iiltiiiio, al contiiiiiar iiicreiiientaiido el p H del iiiedio hasta que
p H > p K , se lograría l a disociaci6ii dc todos los grupos, especie Id), el a i i i i w i c i d o
coi1 iiiayor
presentaría cargx iiet;i de - ' y se desplazaría Iiacia el polo positi! o i ~ i c l i i s o
wlocidatl qiie l a cspecic niiterior, debido a i i i i a iiiayor afinidad p o r cl6iiodo a l poseer
mayor carga i i e g a t i ~ i .
Especies iónicas de los aminoácidos básicos
No5 i~;isarciiiosc i i el aiiiiiioácido lisiiie ) p o r ú l t i i i i o Iiai'ciiios liis c ~ ~ i i s i d e r i i r i ~ n i e siicccsari;ir p;ir;i los cnsou de l a ai-giiiina y l a Iiistidiiiii. I la i i i i i i o i c i d o l i s i i i ; ~
posee 3 g r u p o s ioiiizahles. c l p K , currcspoiide a l g r i i p o a cari>«xil». el p K , a l CL
aniiiio y el pK, al g r u p i~IO
II;~
prciciitc eii su cacleiia lateral (E aiiiiiio). b:ii s a l n i u de
pfi < p l i , iiiiigúii griipu e s t a r i disociado y p o r tanto l a espccic ióiiica s c r i l a especie la!
y la carga iieta del aiiiiiioácido sería igual a +2. por lo quese desplazaría al cátodo en
iiii caiiipueltctric~~.
Si se aiiiiieiita el valor del pH del iiiedio.de iiiaiiera qiir sea iiiayi~r
la especie iúiiica sería la (h), la carga
que pK, y iiieiior que pK, (pK, < pll < [>ti,),
eléctrica de +1y taiiibiéii se desplazaría Iiacíael cátodo, pero a iiieiior velocidad que la
especic aiiterior. A1 iiicreiiiciilar ;iúii iiiás el pH del iiicdio, hasta lograr que éste sea
mayor qiie el p k . pero menor que cl pK; ípK, < pH < pK,). estaríaii disoriados los
griiposcarhoxilo y el aamino especie (c).ésta presenta carga neta cero (-1por el grupo
carbosilo y +1por el E aiiiiiio), sería el ioii dipolar y iio se desplazaría en uii caiiipo
eléctrico. Por último, al coiitiiiuar auiiieiitaiido el pll hasta quesea mayor queel pK,,
todos los grupos se disociariaii, especie Id), ésta con carga eléctrica neta dc -1 se
coiiip(wlaría rnnio i i i i a n i h y por t;into se deyhcaríii hacia el polo positivo o ánocln.
Es coiiveiiieiile aclarar que el coiiiportaiiiieiito cii cuaiito a las especies iúiiicas
según el pH dcl iiicdio. esiniilarpara la aryiiiina y la lisiiia. con la difcreiici;~de qiie el
pk, corresponde al grupo giianidin~~.
Sin eml>argo.eii el caso del aminoácido histidina
el comportainiento resulta diferente, ya qiie el anillo imidazol posee un valor de pK
menor (pK,) queel del oamino (pk,) y por tantosedisociará antes el anillo imidazol
que el o! amino: s?lw esta difcrcncia el rcsto del análisis para el caso de la Iiistidina.
resulta similar al de los deiiiás aniiiioácidos básicos.
Punto isoeléctrico de los aminoácidos
Como consecuencia del coinportamiento eléctrico de los aminoácidos nos referimos al concepto de piiiito isoeléctrico (1'1). KI punto isoeléctrico de un aiiiiiio5cido es
el i-alor del p11 al riial éste preseiitn carga iicta cero y no es atraído por iiiiigúii polo,si
se Ic soiiictc a la acción de uii caiiipo eléctrico. La especie ióiiica predoii~iiiaiiteeii el PI
será la de ioii dipolai: El piiiito isoeléctrico se calcula diferente segúii ei tipo de
aiiiinoácido como se iiiiiestra a coptiniiacióii:
- Paw los aiiiiiio6cidos iieiitros
.Para los aminoácidos ácidos
donde el pK, es el del grupo u carboxüo y el pK, corresponde al pK del otro grupo
carboxilo presente en R. Como puede apreciarse para el cálculo del PI de los
aminoácidos neutros y ácidos estas expresiones matemáticas son similares, sin
embargo, se debe recordar que aunque el pK, en ambos casos corresponde al grupo
a carboxilo, no sucede así para el pK,, el cual corresponde para el grupo a amino
en el caso de los aminoácidos neutros, y para el otro grupo carboxilo presente en
la cadena lateral R de este tipo de aminoácidos (p carboxilo si se trata del ácido
aspártico y y carboxilo, del ácido glutámico), para los aminoácidos ácidos.
-Para los aminoácidos básicos
El pK, es el pK del grupo u amino y el pK, es el pK del otro grupo básico presente
en R (E amino para el caso de la lisina y guanidino para el de la arginina), debe
recordme que el aminoácido histidina constituye una excepción entre los aminoácidos
básicos; su pK, corresponde al pK del anillo imidazol y su pK, al del grupo a amino,
aunque es obvio que para el cálculo del valor del PI esto no implica ninguna consecuencia.
Se puede inferir la carga eléctrica neta de un aminoácido al comparar el pH del
medio con el valor de su punto isoeléctrico. Si sabemos que el pH del medio coincide
con el de su PI, el aminoácido presenta carga neta cero, y resulta claro que a valores de
pHmenores quesu PI, su carga neta sería positiva, pues los grupos hásicos predominarán sindisociar, con carga positiva y los gmpos carboxilos sin disociar (sin carga);
si el pH es mayor que su PI, la carga eléctrica neta sería negativa, pues todos los
grupos carboxilos estarán disociados (carga negativa) y predominarán los grupos
básicos ya disociados (carga eléctrica cero). De manera que se puede resumir:
-Si pH del medio = PI del aminoácido
carga eléctrica neta = O y no se
desplaza en un campo eléctrico
-Si pH del medio < PI del aminoácido
carga eléctrica neta positiva y se
desplaza al cátodo en un campo
eléctrico
-Si pH del medio > PI del aminoácido
carga eléctrica neta negativa y se
desplaza al ánodo en un campo
eléctrico
En la tabla 6.5 aparecen los valores de pK de todos los grupos de los diferentes
aminoácidos, así como el valor de su punto isoeléctrico.
lsbla 65.
Valores de pK y del puiito isoeléctrico de los aminoácidos
Giup
Valor
G
N
~
Valor
Gmp
Valor
Glicina
u carboxilo
2,34
v. amino
9,60
5,97
Alanina
a carbosilo
2,35
n amiiio
9,69
6,02
Valina
o carhoxilo
2,32
u amino
9,62
597
1,euciiia
n carbosilo
2,36
<yamino
9,60
538
Isoleiicina
n carhoxilo
2,36
n aniiiio
9,68
6,02
Seiina
n carlwxilo
2,21
n aniino
9.15
5,68
Treoniiia
u carboxilo
2,63
tx ariiiiio
10,43
653
Fenilalanina
u carboxilo
n aniiiio
Triptófano
n carboxilo
a ainiiio
Metioiiina
a carboxilo
o. amino
Prolina
u carhoxilo
n ainiiio
Asparagiiia
u carhoxilo
u amino
Glutainha
a carboxilo
u aniino
Tirosina
a carhoxilo
uaiiiino
fenólico
Idsina
u carboxilo
n aniino
E amino
Histidiiia
u carboxilo
Iniidazol
a amino
hrginina
u carboxilo
u amino
guanidino
Ácido aspártico
n carhoxilo
carhoxilo
u ainino
hdoglutámico
a carhoxilo
y carboxilo
uamino
Cisteína
u carboxilo
Sulfidrilo
a ainino
Electroforesis de los aminoácidos
Los aniinokidos por su carácter de anfolilo, inolGciilas cuya carga eléctrica depende del pH del medio en el
que se eiicneiitren disueltas, pueden ser separadas mediante la técnica deelectroforesis. ksta consiste en someter
bajo la acción de un campo eléctrico, a un valor de pH determinado, una mezcla de
varios aminoácidos. En dependencia fundamentalmente de su carga, los aminoácidos
se separan al desplazarse hacia polos distintos y con velocidades diferentes.
Para realizar esta técnica se utilizan distintos soportes, en los que se coloca la
solución de aminoácidos que se desea separar; los soportes pueden ser papel, agarosa,
almidón, poliacrilanuda, etcétera.
El voltaje que se debe aplicar y el tienipo de corrida dependen de las cargas
eléctricas y el peso molecular de los anfolitos que se van a separar. Al finalizar la
corrida, la tira de papel -o el soporte utilizado- se revela por coloraciÚn,frecuentcmente con ninliidrina, para visualizar la separación.
Importancia de los grupos en la cadena R de los aminoácidos
En las cadenas laterales de los aminoácidos están presentes diferentes grupos
químicos según el aminoácido específico que se trate. Estos grupos tienen in~portancia
en la determiiiaciún de la estructura tridimensional que adopten las proteínas. Así, la
glicina que es un aminoácido pequeño puede localizarse en sitios inaccesibles para
otros aminoácidos;los aminoácidos de cadeiia larga perturban las estructuras en hélice
alfa y en hoja plegada; los aniinoácidos con cadeuas laterales hidrofóbicas son abundantes en proteínas intrínsecas de membrana en las zouas de dichas proteíiias que se
hallan en contacto estrecho con la doble capa lipídica,la prolina seencuentra en zonas
de giros o de fallas de la estructura en hélice de las proteinas; los aminoácidos polares
iónicos se disponen hacia &era en la estructura de proteínas globulares, pues
interactúan con mayor efectividad que otros con el medio amhiente acuoso.
El anillo imidazúlico de la histidina desenipefia una función importante en el
mantenimiento del pH sanguíneo debido asu valor de pK cercanoa 7. Los grupos OH
delaserina y la tirosina tiene11importancia en la funciún catalítica dealgunas enziinas,
así como en la unibn covalente a grupos fosfatos que interviene11en procesos de
regulación de la actividad de determinadas enzimas.
Entre varios de estos grupos presentes en las cadenas laterales de los aminoácidos
se establecen determinados enlaces o interacciones que influyen en la estructura espacial de las proteíiias, entre los más frecuentes se encuentran los siguientes:
G~POS
Enlace o interacción
Entre un grupo básico con carga +
y un grupo ácido coi1 carga -. .............. .Unión saliiia
Entre las cadenas Iiidrocarbonadas
de 2 aminoácidos apolares .................Unión hidrofóbica
Entre el -COO'de un aminoácido ácido
y otro con OH en R . . ...................... .Puente de hidrógeno
Entre el NH,'de un aminoácido bisico
y otro con OH en R . . ...................... .Puente de hidrógeuo
Entre 2 aniinoácidos con grupos
OH en R . . ................................ Puente de hidrógeno
Entre 2 grupos SH ................................ Puente disulfuro
Entredos anillos aromáticos
presentes en R.. ........................... Fuerzas de Van der Waals que
en estos casos se conocen con
el nombre de apilamiento
o sti~cking
Reacciones químicas de los aminoácidos
Los aminoácidos pueden participar en numerosas reacciones químicas, poseen grupos que son capaces de intervenir en diferentes tipos de reacciones: mediante el grupo amino pueden formar bases de Schiff-de importancia en algunas
vías metabólicas de estos compuestos- también mediante el grupo amino reaccionan con el dinitrofluorobenceno o el ácido nitroso o con el fenilisotiocianato
(reacción de Edman), entre otras muchas reacciones que han sido de utilidad en la
identificación de los grupos aminos terminales, y por ello empleadas en la determinación de la secuencia de péptidos y proteínas.
Por su grupo carboxilo los aminoácidos pueden formar ésteres o
descarboxilarse y dar lugar a las llamadas aminas biógenas, muchas de ellas son
compuestos con importantes funciones biológicas. Los aminoácidos pueden formar sales si reacciona el grupo carboxilo con un álcali, por ejemplo con el
OHNa se formaría la sal sódica del aminoácido; si reacciona el grupo amino con
un ácido, por ejemplo el HCI, se obtendría el clorhidrato del aminoácido. Por
supuesto los aminoácidos también pueden reaccionar por los diferentes grupos
que poseen en R, incluso algunas de estas reacciones han sido empledas para
identificar a los diferentes aminoácidos. Estudiaremos sólo 2 reacciones, la reacción de la ninhidrina por su amplio uso en la identificación y cuantificación de
los aminoácidos y la formación del enlace peptídico por su trascendencia en la
formación de los péptidos y las proteínas.
Reaefi6n de la ninhidrina
Esta reacción es unade las másempleadas para la identificaciónde los aminoácidos.
Ella transcurre a elevadas temperaturas (ebullición) y reaccionan 2 moléculas de
ninhidrina por cada molécula del aminoácido, se forma un complejo de color violeta
(púrpura deRuhemann) y se libera CO, y NH,. La estructura dela ninhidrina y ladel
complejocoloreadode púrpura de Ruhemann se muestran en la figura 6.1.
Fomaci6n del enlace peptídico
Púmura de Ruhemann
El enlace peptídico es una amida sustituida que se forma al reaccionar el grupo
carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro y pérdida de una molécula de
agua:
Fig. 6.1 Fórmulas de la ninhidrina y de la
púrpura de Ruhemann.
El grupo peptídico formado está constituido por el carbono carbonflico y el N
amídico, ambos unidos al carbono alfa. En el enlace peptídico se establece una resonancia electrónica, debido a la posibilidad que presentan los electrones del enlace
para desplazarse entre el C y el N, por las interaccionesque se establecen entre los
orbitales p del N, el C y el O (Fig 6.2).
Debido a la resonancia el enlace peptídico presenta características de doble enlace, comprobado mediante la espectroscopia,ya que la distancie entre el átomo de
carbono y el oxígeno es 0,02 gmayor que la distancia promedio de enlaces dobles
C=O de aldebídos y cetonas; asícomo el C-N peptídico es 0,13R menor queel enlace
simple N-Ca; por consecuencia se dice que el enlace peptídico posee carácter parcial
de doble enlace. El enlace Ca-N es el enlace @, y el Ca-C es el (Fig 6.3).
Esta característica determina que los elementos del enlace peptídico se encuentren en un mismo plano y los giros se establezcan sólo al nivel de los carbono alfa;
además, debido a las limitaciunes de giros que condiciona este cáracter de doble
enlace existe la posibilidad de la presencia de isomería geométrica (cidtrans). La
configuración predominante en los péptidos y proteínas es la trans, donde los átomos
de Ca sucesivos se disponen a los lados opuestos del grupo peptídico (Fig 6.4). La
energía de resonancia alcanza su valor máximo cuando el grupo peptídico es coplanar,
ya que el sobresolapamiento de los orbitales p es máximo en esta conformación. Este
sobresolapamiento y, por tanto, la energía de resonancia se hacen cero, si el enlace
peptídico realiza un giro que lo aleje 90' de la planaridad, lo cual explica la rigidez
planar del grupo peptidico.
Fig.6.3 Representación de dos cnlsrcs peptidicos contiguos. 1.0s clcincntos dcl enlace pcptídico se
eneiicntran en un mismo plano dehido a las limitaeioncs en el giro del enlace C-N ( earáctcr
parcial de doble cnlacc). Los giros se producen a nivel dc los earhonos o; enlace C-Cm(yrl
y del C,;N ($1.
Fig. 6.4. Rcpresentacibn dc los cnlaces peptidicos de un segmento de una cadena polipeptidirii.
Pueden ohscrrarse los elementos del eiilacc peptídico en un mismo plano y la disposición
trans dc los grupos laterales R de las rcsiduas de los aiiiino:ieidor y del propia grupo
peptídico.
Fig. 6.2 Representaci6ii de la estructura dcl
enlace peptídieo; a) cstruetura resenaiitc; Iil solapamiento de los
orbitales p del C, cl O y cl N.
Resumen
Los aminoácidos son ácidos orgánicos en los que un H ha sido reemplazado
por un grupo amino. Los aminoácidos cumplen funciones variadas, pero la más
importante es constituir las unidades estructurales de los péptidos y las proteínas.
Los aminoácidos que forman las proteínas son todos alfa aminoácidos, excepto la
pmlina y La hidroxipmlina.
Los aminoácidos que forman las proteínas pertenecen a la serie L. La cadena
lateral en R diferencia un aminoácido de otro y puede estar constituida por cadenas aüfáticas que contengan grupos qnúnicos diversos o por d o s aromáticos.
Los aminoácidos pueden clasificarse según diferentes criterios. De acuerdo
con el número de grupos carboxilos y aminos se clasüican en neutros, ácidos y
básicos; de acuerdo con la polaridad de su grupo R se clasiñcan en apolares y
polares estos Úitimos a su vez pueden ser polares iónicos o polares poco iónicos.
Entre los grupos presentes en los radicales R se pueden establecer diferentes
interacciones como: uniones salinas, uniones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno,
puentes disulfuro y apiiamiento, que desempeñan una función muy importante en
la determinación de la estructura espacial de las proteínas.
Los aminoácidos presentan propiedades eléctricas debido a la presencia de
grupos disociables; la disociación de estos grupos depende del valor de su pK y del
pH del medio en que se encuentren disueltos, por ello los aminoácidos pueden
existir en diversas especies iónicas y presentar carga neta distinta. De acuerdo con
su carga eléctrica serán atraídos por el ánodo o el cátodo si son sometidos a la
acción de un campo eléctrico y se desplazarán en unou otro sentido. Al valor del pH
al cual el aminoácido presenta carga neta cero y no se desplaza en un campo
De la relación entre el pH del medio
elédrico se le denomina punto isoeléctrico
y el PI de un aminoácidose puede predecir su comportamiento electrnforético. Las
técnicas de electroforesis basadas en las propiedades eléctricas de los aminoácidos
son de ualidad en la separauón e identificación de estas biomolécuias.
Los aminoácidos se unen por medio del enlace peptidico para originar los
péptidos y las proteínas. El enlace peptídieo es un enlace de tipo amida sustituida, y
se forma cuando reacciona el gmpo carbodo de un aminoácido con el anúnico de
otro y se elimina una moléeuia de agua. Este enlace posee carácter parcial de doble
enlace y limita el giro de los elementos constituyentes que se encuentran todos en un
mismo plano y en disposición trans.
-
(Po.
Ejercicios
1. Defina el concepto de aminoácido.
2. Cite 2 criterios de clasificacibnde los aininoácidos.
3. Clasifique los aminoácidos siguientes de acncrdo con el numero de grupos carborilos y aminos que poseen:
alanina
ualina
gliitiiniico
Iiistidiria
.serina
glicina
arginina
fenilalanina
cisteína
aspáiiico
lisina
tirosiiia
4. Clasifique los aininoácidos del ejercicio anterior de acuerdo con la polaridad de
51' 1s grupos 1<.
5. Calcule el punto isocléctrico de la Iiidroxiproliiia si usted sabe que su pK,=1,<)2
y
su pK,=Y,73.
6. ¿Cíiai sera la especie ibnica predomiiiaiite de la alanina a un valor de pl-1=8,5?
1Sscril)nla estructura de la especie, señale su carga neta y prediga su c«niportaniento elcctrofor6tico.
7. ,Cuál será laespecie ibnica predominante de la histidina a iin pH=7,2? Ikriba la
estructura de la especie, seíiale sil carga neta y prediga su con~portainicnlo
electroforttico.
g. ;Cuál será la especie iónica predominante del ácido glutámico a un pH=3,0?
Escribala estructura dela especie, seiialesu carga neta y predigasu comportamien-
to electroforético.
9. Identifique la interacción que puede establecerse entre los gmpos en las cadenas
laterales en R de las siguientesparejas de aminoácidos:
ala-ile
glu-tir
val-leu
cis-cis
tir-tk
fen-fen
lis-ser
asp-lis
@u-ser
@u-=¡?
10. iQué tipo de interacción usted considera que pueda establecerse entre los gmpos
en R de las siguientes parejas.deaminoácidos?Fundamente su respuesta.
glu-glu
glu-asp
lis-lis
lis-arg
11. Si se realiza una electroforesis a una mezcla de los aminoácidos hipotéticos A
(PI=3,00), B (PI=6,00)y C (PI=9,00)utilizando un medio con pH=6 ¿Cuál será el
comportamientoeleetroforéticode cada aminoácidoy por qué? Asuma que todos
tienen similar peso molecular.
12.Enumere las característicasdel enlace peptídico.
Los monosacáridos forman parte del grupo de los carbohidratoso glúcidos, algunos desus componentes son dulces y de ahíel término sacárido, que deriva del término
latino sacchamm (dulce). Los monosacáridos son los componentes más sencillos de
los glúcidos que comprenden además a oligosacáridosy polisacáridos.
Los monosacáridos cumplen múltiples funciones: son energéticos, cofactores y
precursores de muchas biomoléculas. Como se puede inferir de sus nombres,la unidad
eshuctural de los oligo y polisacáridos son los monosacáridos.
Puede existir gran variedad de monosacáridos,sin embargo, durante el periodo
evolutivo, sólo unos cuantos quedaron formando parte de los organismos vivos.
A partir de los monosacáridos, mediante la formación de enlaces covalentes,se
constituyen los otigo y polisacáridos,según el número de unidades quese condensen.
Estudiaremos los monosacáridos más abundantes y los que forman los
poüsacáridos.
Concepto y clasificaci6n
Los monosacáridos son polihidroxialdehídos y polihidroxiacetonas, así como sus
derivados. De aquí que pueden clasificarseen monosacáridos simples y derivados.
Monosaeáridos simples
Los monosacáridos simples son compuestosque poseen un grupo carbonilo y una
cadena carbonada polihidroxilada. El grupo carbonilo puede ser aldehído o cetona, en
dependencia de la posición que ocupe en la cadena carbonada; aldehído, si el grupo
carbonilo está en el carbono primario, y cetona si lo posee en el carbono secundario.
De la estructura de los siguientes monosacáridos simples, podemos clasificarlos
de diferentesformas.
II-C
I
I
-011
11-c-OH
I
I
II-C
I
- OH
11-C
- OH
I
-011
II-C
1
CH,Oll
I
H
I - C - OH
l
110-C
-11
1
110 - C - 11
110-C
I
- Il
1
11-C-011
HO-C
l
-
H
IIO-C
-H
1
1.Según su función carbonilo. Se clasifican en aldosas si poseen el grupo aldehído
(los compuestos 1,3,4, S y 8 de las estructuras anteriores y en cetosas si tienen el
grupo cetona (los compuestos 2,6y 7 de las estructuras anteriores.
2.SegúndnúmemdecarbonmEnlasgUraanteiiorpodwnosverquednúmemdecarhonos
delacadena carbonada vana: pueden ser triosas(3 carbonos), t e t m (4),pentw (S),
hexosas (6)o de mayor númem decarboncs,pemIcs más Frrcuenta son los menaonadm
d o s podránser
Coniiderandola función y el númem de carbonos, Ics m o n ~ ~ ~ c á nsimples
aldotriosas o cetotriosas,aldohptosaso cetntrrima$y asísucesivamente.
3. Por la disposición del grupo hidroxilo, unido al carbono asimétrico, más alejado
del grupo carbonilo, se clasifican en las series D y L.
En el año 1891, EmilFiscI~erescogióal gliceraldehído como referencia para la
representación de las series estereoquímicas D y L.
Cada uno de estos compuestos es la imagen especular del otro, son isómeros
Úpticos o enantiomorfos y tienen un sólo carbono asimétrico, el central. Anibos tienen
iguales propiedades fisicas y qnímicas, con la excepción de que giran el plano de
vihraciún de la luz polarizada, en el poleiímetro, con igual número de grados, pero uno
en sentido contrario al otro; uno es dextrógiro (+) y el otro levógiro (-). Al dextrógiro,
Fischer lo representó en el plano con el hidroxilo a la derecha y lo designú
D-gliceraldehído, y al levógiro, con el grupo hidroxilo a la izquierda, lo denominú
L-gliceraldehído.
A partir de éstos, designaron como monosacáridos de la serie D a los que tienen
Iiacia la derecha la disposiciún del grupo hidroxilo, unido al carbono asimétrico, m i s
dejado del gmpo carhodo y son los compuestos representados anteriormente marcados con los números 1,3,4 y 7; así como de la serie L, si lo tienen hacia la izquierda,
,presentados con los números 5,6 y 8. Sin embargo, ya no coincide que los de la serie
D sean dextrógiros y los de la L sean levógiros, pues en las tetrosas, pentosas y hexosas
a encontrar má5 de un carbono asimétrico; esto hace que el poder rotatorio neto
de cada monosacárido sea el resultado del poder rotatorio de cada uno de los carbonos
que ese compuesto contenga.
En las figuras 7.1 y 7.2 están representadas respectivamente, las aldosas y cetosas
de la serie D. El antípoda óptico o enantiomorfo de cada uno de los compuestos en
estas 2 figuras estaría representado en las series L de las aldosas y cetosas que no se
muestran. Por ejemplo,los antípodas ópticos de la D glucosa y la D fructosa serían la
L-glucosa y la L-fmctosa.
Como se ha visto hay gran diversidad de monosacáridos simples, y pueden existir
con7,8ó más carbonos. Sin embargo,en los sistemas vivos prevalecen los de la serie
D de los cuales sólo abundan algunos de ellos. Las hexosas más abundantes son
D-glucosa, D-manosa, D-galactosa y D-fructosa (Figs. 7.1 y 7.2).
Los monosacáridos se diferencian también por la disposición espacial de los
hidroxilos. Son diastereoisómeros (capítulo S): glucosa, manosa y galactosa.
Son epímeros (capítulo 5): la D-glucosa de la D-manosa en el carbono 2 y la
D-glucosadela D-galactosa en el carbono 4. La D-glucosa y la D-golosa son diferentes
en la posición de 2 de sus hidroxilos, por lo que no pueden ser epímeros, son
diastereoisómeros.
Interconversiones entre aldosas y cetosas
Las aldosas se pueden interconvertir en cetosas y viceversa, siempre que los 2
monosacáridos posean igual número de carbonos e igual disposición espacial de los
gmpos hidroxilos de los carbonos 3 en adelante. En estas reacciones de isomerización
se forma un compuesto intermediario, el enodiol. Las D-glucosa y D-manosa pueden
ambas isomerizarse a D-fructosa.
II
\
O
C
0
l
H-C-
OII
I
ItK- C - ltl
l
H-C-Otl
I
11-C
- OIE
I
CH,OH
D-gliicosa
II
\
C
4
O
I
t10-c - 1 1
I
Itl- C - 011
I
tlo-C
-
11
1
110-C
-11
1
C I 1101 I
L-gliicus;,
H-C
-0H
l
IHO- C - 1 l
110-C
l
-
l
1H
H-c
H-C
-OH
HO-C
- 1-1
-OH
H-C
-OII
l
H-C-OH
HO-C-H
I
H
C-OH
HO-C
I
I
- OH
H-C
II-C
\
O
C
tl-C
l
-011
H-C
-OH
H-C-OH
CH,OH
l
CH,OII
CH,OII
CH,OH
D-atabinosa
H
\
C
110-C
I
O
D
- 11
I
Il-C-0Il
lb-C-Ol~l
l
I
-OH
-OH
l
l
H-C
-H
I
l
/ \
D
-1-1
l
D-ribosa
II
HO-c
l
11-C
-011
II
HO-
D-lixosa
/ \ / \
O
lCD
H-c
D-xilosa
I
- Oli
l
C -R
O
II
\
C
FlO-C
l
l
HO- C
D
- 11
-H
1
l
H-C-011
H-C-OH
H\
C
40
I
H-C-OH
H
\
C
O
D
l
HO-C-H
I
I
H-C-Oti
ti-C-OH
I
l
110-C-II
HO-C-H
H
\
/ \
O
C
D
I
H- C
-
H
\
O1H
I
HO-C-H
l
IiO-C-H
C
1
HO- C
l
4
O
- II
IIO-C-H
l
110-C-H
I
l
1
1
I
1
1
l
FI-C-OH
II-C-OH
H-C-OH
H-C-OH
H-C-Oli
ti-C-Oll
II-C-014
Il-C-O11
I
1
I
1
1
I
I
I
CH'OH
CH,OII
CII,OH
CH,OIi
[email protected]
C1 [email protected]
CH,OlH
C I l p
Fig.7.1. Representación de las aldosas de la serie D (de 3 a 6 carbonos). Observe que 1 3 tnosas tienen
un carhono asirnétrico, las tetrosas 2, las pentasm 3. respondiendo a la fórmula: No. de
carbonos asirnélricos = No. de carbonos 2.
-
Fonnas cícücas de los monasacáridos: el hemiaeetal
Los monosacáridos de 5 o más carbonos se encuentran en forma cíclica. Esto se
debe a los ángulos de enlace que forman los carbonos de la cadena, lo que favorece la
interacción entreel grnpocarboniloy un grupo hidroxilo alejado a 3 ó 4 carbonos de
aquel (Fig. 7.3).
~wedarmn4sustituyentesdiferentg.W hacequesefonnen2nuevosesterroisómem
que gUan el plano de la luz polarizada en diferentesnúmeros de gradosy se les denomina
anómemsalfa y beta. Al carbonoque corresponde este nuevo centrode asimetría se le
denmnh carbono anonIérico,y al hidroxiio unido a éste se le Uamahidrodo anomérico.
~n larepresentacióndeHaworth, el anómem alfa se repmnta con el hidroxiioanomérico
ha& abajo del plano del anillo, y el beta con éste hacia arriba.
Veamos cómo se representa el equilibrio entre las formas a y P de la
D.glucopiranosa, cuando se encuentran en una solución.
H
CH,OH
\
I
C
0
O
CH,OH
I
I
H-C-
OH
H-C-OH
I
H
I
OH
H-C
I
-0H
I
H
l
OH
Cuando los 2 anómeros de un monosacárido se encuentran disueltos en agua,
ellosse encuentranen equilibriomediante su forma Lineal. En este equilibriose ohserva que el poder óptico no es del anómero alfa ni del anómero beta.
En el caso representado de la D-glucosa, el poder rotatorio de la mezcla de sus 2
anómeros en equilibrioes de 52,7O. El equilibrio de este estado depende de la estahilidad de cada anómero. En este caso la P-D-glucosa es la más estable, y por ello
existe 63 % de ésta en solución, la alfa es menos estable y existe de ella 37 %,y una
mínima d d a d de la forma Lineal. Los anómeros de la D-glucosa tienen propiedades
físicasdiferentes (tabla 7.1).
'hbL 7.1. Propiedades fisicas de los anómeros de la D-glucosa
Alfa
(+) 112,Z"
146
Beta
(+) 18,70
150
A continuación represehtamos los 2 anómeros de la D-fmctosa, y también una
representación más simplificada queuolizaremosde aquíen adelante. En el vértice de
los ángulos están los carbonos cuyo símbolo se omite. Cada carbono tiene como
siempre4 sustituyentes,sin embargo,no se representa al hidrógeno. El grupo hidmdo
está rrpresentadopor un trazoque parte del carbono. El resto de los grupos se presenta
con todos sus elementos.
c=»
c=o
I
-011
H-C
li0 - C
1
l
I
-H
Cl 11011
Cl lOIH
iH,Oll
c=o
C' = 0
['=O
I
l
<=o
l
[email protected]
1
I
H -C
I
H-C
- WI
-OH
110-('
H-C
I
-
tl
11-C -011
l
-OH
C l 11011
D- alulosa
Il-C
1
H
I -C - 0 1 l
l
l
1
I
-011
C l i p
D. fructosa
110-c - I I
!
110-C
l o -
-
II
-
ii
l
I
1
11-C-011
11-C-Oil
I
l
CHI0H
D. sorbosa
CllJli
D- tagatosa
El enlace que se forma al reaccionar el grupo carbonilo con el Iiidroxilo se le
denomina enlace hemiacetal (capítulo5). A continuación se representan 2 heiniacetales
posibles de la D-glucosa.
H-C
1
l
W. M. Haworth en 1926 hizo otra representación en el plano de estos ciclos, una
que se acercaba más a la realidad, la que denominó de acuerdo con su parecido al
pirano (anillo de 5 carbonos y 1oxígeno) y al furano (4 carbonos y 1oxígeno) (capítulo 5).
Fig. 7.3 Repi-esentaciún de las cetosas dc la
serie I>(dc 3 a 6 c;irlionusl. 011serve que la trii~sano ticric rarhono asiinétrieo. Las tett.osm tienen
1, las peiitosas tienen 3. y las
Iierosas 5 . respimdiwido a la f h iiiula: No.de carbonos nsiniéti.icos
= N,. de carhoiios - 3.
En su forma cíclica, los monosacáridos son poliliidroxiacetales en vez de
polihidroxialdehídos y polihidroxicetales en vez de polihidroxicetonas.
En realidad,los elementos que componen los d o s furanósicos, y en mayor medida
los piranósicos, no se encuentran en un plano. En el espacio, los piranósicos tienen 2
formas: de silla, más rígida y estable, y de bote. En cada vértice se encuentran los
sustituyentes del carbono en las posiciones espaciales como se indica en la figura 7.4.
--\?(-Bote
Fig. 7.4 Representación en silla y bote de las aldohexosas. En rada vértice, el carbono sc encuentra
en el ángulo, y sus rualru enlaces parten de él, cn diferentes direcciones, ocupando las
posiciones má5 estables en cada configuración. Los sustituyenles m l a . fórmulas d e Haworlh
sc representaban hacia arriba u hacia abajo, no respondiendo a la realidad. En estas cstrueturas, las posiciones de los sustituycntes son de tipo axialesy ecuafarialcs - - , y se
asemejan mis a la walidad, aunque se representen en el plano.
Monoaactúidos derivados
Se llaman monosacáridos derivados a los monosacáridos que han sufrido transformaciones en sus grupos funcionales. Estas transformaciones pueden ser por oxidación, reducción y sustitución.
Son aquellos monosacándos que tienen alguno de sus grupos funcionalesoxidados. Casi siempre los monosacBridos ácidos se encuentran oxidados en su función
carbcinilo o en la función hidroxilo que se ubica en su último carbono; así se forman
10sácidos aldónicos, ácidos urónicos y ácidos aldáricos. Los ácidos aldónicos tienen,
en vez del gmpo aldehído, un grupo carboxilo; los ácidos urónicos tienen en el último
carbono un grupo carboxilo en vez del hidroxilo terminal, y los ácidos aldáricos
presentan un gmpo carboxilo en cada extremo.
I
H-C
- OH
H-C
I
I
'
l
OX.
-
OH
f
1
-H
HO-C
l
H-C
-0H
HO-C
I
H-C
-0H
,C
-H
OX. H-C l - O H
A
'O
HO'
Ácido D-glucurónico
(&ido urónico)
H-C
-OH
H-C-OH
l
HO-C - H
l
H-C
'
I
H-C-OH
,o
H y
I
C
CH20H
CH20H
1
H-c
-
OH
1
D-glucosa
-0H
l
Ácido D-gulónico
(&ido aldóniro)
HO-C-H
l
- OH
H-C
H-C
-0H
l
Ácido D-ald&ico
(ácido sacánco)
Algunos de estos anicares ácidos, aparte de formar oligosacáridosy polisacáridos,
tienen funciones especiales. La vitamina C se relaciona con los ácidos aldónicos. Esta
vitamina o ácido L-ascórhico puede deshidrogenarse y formar el ácido
L-deshidroascórhico. Estas 2 formas son activas, pero si este último se bidrata y se
transforma en el ácido L-dicetogulónico,pierde su actividad.
H-C
l
HO-C
-ti
I
'
1
I
HO-C-II
I
l
-OH
13-C
1
IIO-
C -H
I
Esta vitamina o ácido L-deshidroascórbicono se sintetiza en algunos animales
como en el cobaya, el mono y el hombre, por lo que hay que ingerirla con los alimentos; su carencia ocasiona una enfermedad llamada escorbuto (capítulo73).
Entre los ácidos urónicos debemos señalar al ácido glucurónico; éste se une a
diversos productos catabólicos que son poco solubles en solventes acuosos, unidos a
wlc compueilo son s~~luhlcs
en la sangre! pueden ser rliminados del organismt, non
facilidad niediantr la orina; ejemplo de ello es la bilirruhina,que e%insoluhl'en la
sangre. sin embargo, como diglucurunato de hilirruhina puede 5er eliminada por la
orina a Ira\& del riñón. Asimismu ocurre con diversni productos catabólic~~s
dralgunds hormonas eslrroides ode ciertassust;tndas deorigen exógeno. 1.a conjugaciún dc
~ I O cumpuestos
S
con el icido glucurhiw son parte dc lus prwesos de drtouificiición.
Se forman por la reducción del grupo carbonilo de los monosacáridos, como
consecuencia se forman los polialcoholes; uno de ellos es el mioinositol, que forma
parte de moléculaSlipídicas. Un derivado de éste, el trisfosfato de inositol interviene
en algunos mecanismos de trasmisión de señales que provocan algunas hormonas.
Otro polialcohol es el glicerol, derivado del gliceraldehído; como producto de la
reducción de la ribosa en el carbono 2, se forma la desoximbosa.
Mioinosital
Glicerol
P-D. 2-desaximibosa
Se forman por la reacción de los monosacáridos con el amoníaco; los más abundantes son los derivados aminados de la glucosa y de la galactosa; la sustitución del
hidroxilo anoméricoda lugar a la glucosilaminao a la galactosilamina; si la sustitución ocurre en cualquier otro hidrodo se forman compuestos como la glucosamina o
la galactosamina.
NH,
a-D-glucosilamina
P-D-galactosilamina
P -D, 2 - glucosamina
aC-D. Cgalactosamina
De estos compuestos los 2 últimos son componentes frecuentes de los oligo y
poüsaeándos.
A su vez el grupo amino puede acetilarse y se forman los N-aceül monosacándos.
CHzOH
0
Nl
O=C-CH,
a-D-ZN-acetil
glucosamina
Éstos se forman al reaccionar el ácido fosfóricocon algunos de los hidroxilos de
los monosacárid~
Glucosa -1-P
Glucosa - 6 - P
Fnictosa -2.6-bis P
Es en forma de ésteres fosfórim como los monosaeáridos se metabolizan dentro
dela céinla. La primera handonnación que sufrecualquier monosacándo,al entrar a la
célula, es su conversiónen &ter fosfórico; así es como lo reconocen las enzimas para
ser uolizados en sus diversas bciones.
La micción que experimenta el hidroxiio anomérico con otro hidrolelo de cualquier compuestoda lugar a un acetal, y si este hidroxüo pertenece a o h m o d d o ,
el enlace acetálíco toma el nombre de enlace glicosídico, al cual debemos prestarle
atendón por ser el que une los monosacáridos simples o derivados entre sí y da origen
a los disacáridos (2 monosacáridos unidos entre sí), los oligosacáridos (unión de 10o
menos monosacáridos) y a los polisaeáridos.
La nomenelaiura del disacáridose conforma de la manera siguiente:
1.Senombra primem, con la terminación piranosil o furanosil,al monasacárido que
aporta el hidroxüo anomérieo.
2. Se señala ordenadamente,el número de los 2 carbonos queintervienen en el enlace,
separadospor un guión.
3. El segundo monosacárido, si no intervienesu carbono anomérico en el enlace, no
cunb'isu nombre; perosi además, interviene en el enlace, también su terminación
es piranosil o tinanasil.
Se pueden formar diversos tipos de enlace glicosídim en dependencia de que el
OH anomérico sea a o p y de la posición del carbono donde seencuentre el hidroxiio
que va a formar parte del enlace. Así se tienen enlaces alfa 1-4glicosídicos como en la
figura anterior, a 1-3,a 1-P 2 y otros.
Carácter reductor
Cuando se interconvierten las aldosai en cetosas y viceversa, en medio alcalino,
se forma un compuesto intermedio, el enodiol; estasustanciaes reductora. Los azúcares que pueden formar enodioles reducen a los iones de Cu2+en medio alcalino; esta
propiedad se utiliza en algunas reacciones para identificarlos y cuantificarlos.
Sobre esta base se fundamenta la reacción con el reactivo de Benedict, cuyos
iones Cn" resultan reducidos a Cu" en presencia de un azúcarreductor. La mcción
de Benedict es muy utilizada por los diabéticospara conocer sus nivelesde glucosa en
orina y saber las cantidades de iusulina que deben inyectarse y qué alimentos deben
ingerir en el día.
Estos cumpuatospierden su carácter reductor cuandoel OH del carbonoanomérico
se encuentra sustituido o comprometido en un enlace, como es el caso del enlace
glicosídico.
Funciones de los monosadridos
En los organismos vivos, los monosacáridos cumplen divenas funciones: se utilizan como fuente deenerg(a,puesensu oxidación completa hasta CO, + H,O se forman
cantidades apreciablesde ATP. Durante este proceso oxidativose forman compuestos
no glucídicos y cuando existen excesos de glúcidos de la dieta, estos compuestos
pueden ser transformados en Iípidos, que se almacenan en el tejido adiposo, o en
aminoácidos. Pueden formar parte de otras estructurasmás complejas (glicoproteínas,
glicolípidos y nucleótidos) y son los precursores de los digo y polisacáridos.
Como cada monosacárido puede realizar diversas funcionesen el organismo, se
dice que estos compuestos cumplen con el principio de multiplicidad de utilización.
Resumen
Los monosacáridossonlos glúcidos más simples, y a su vez las unidades estructurales de los de& componentes de los glúcidos: oügasacáridos y poltpacáridos.
Los monosscáridos se elasiñcan en simples y derivad&
Los monosae8iidos simples son poühidroxialdehldos o poübidromiacetonas,
pueden tener 3 o más unidades cubonadas.LoB &abundantes en los organismos
dvos
timen 3,4,5 y 6 Btomos de carbono y pertenecen a la serie D. Poseen carbonos &6hieo~, por lo que desvían el plano de luz polarizada' los de igual número
de -bonos y función carbonilo son esterwisómeros entre sí.
Los monosac4ridos simples forman ciclos cuando constituyen un hemiacetal interno; esto genera un nuevo centro de asimetría, y se forman los
anómeros alfa y beta.
Los monosae8iidos derivados son los que se forman por la oxidación de sus
g ~ p o funcionales
s
(monosac4ridos 4cidos), por la reducción de sus gmpos
-bonüos (polialcoholes), por sustituciones de sus grupos funcionales en grupos
aminos (azúcares aminados) y por adición de grupos fosfatos mediante enlaces
&eres (azúfasfatados). Los monosadridos pueden reaccionar entre sí y formar el enlace gli~s1'dicoque originan los digo y polisaesridos.
Los monosacáridos cumplen con el p ~ c i p i de
0 multiplicidad de utilización:
al oxidarse brindan energía, pueden formar parte de otros compuestos m& complejos, parte de su cadena puede transformarse en compuestos no glucídicos, como
Upidos y mino4cidos, así como constituyen los precursores de los oligo y
polisa&dos.
Ejercicios
1. ¿Qué relación existe entre monosacáridos,oligosacáridos y polisacáridos?
2. ¿Qué característicasestructuralestienen los monosacáridos simples?
3. ¿Cuáles son las fuentesde variación que permiten clasificara los monosacáridos
simples? Atendiendo aestas fuentes de variacibn describa cómo se clasifican estas
biomoMculas.
4. ¿A qué serie estereoquímica pertenecen los monosacáridos presentes en mayor
abundancia en la naturaleza?
S. ¿Cuáles de los siguientes monosacáridos pertenecen a la serie D?
H-6-011
I
CH?OH
II-
c - 011
NO-¿.
-13
HO-c
1
I
-H
CIl,OH
- 014
11-C
I
HO-C
110-C
I
-11
l
I
-11
H-C
-OH
6. Represente 2 diastereoisómerosy 2 epímeros de la D-gulosa.
7. Represente la isomerización de la D-sorbosa en D-idosa y D- gulosa.
8. Transformela D-galactosa y la D-ribulosa a su forma cíclica.
9. Represente los anómeros alfa y beta de la D-manosa.
10. Diga qué se entiende por monosacáridos derivados y cite ejemplos particulares de
cada tipo.
11. Forme el enlace glicosídico P-1-4entre la D-galactosa y laD-glucosa; y el a-1-P-2,
entre la D-glucosa y la D-fructosa.
12. Fundamente por qué la. monosacáridos cumplen con el principio de multiplicidad
funcional.
Los nucleótidos son los precursores de los ácidos nucleicos. Comparándolos con
los demás monómeros de macromoléculas, los monosacáridos y aminoácidos, los
nucleótidos son más complejos, pues están formados por una base uitrogenada, un
azúcar y uno o varios grupas f d a t o .
Al formar los ácidos nucleicos, los nucleótidos se unen entre sí por enlaces
covalentes. Hay 2 tipos de ácidos nucleicos: los ácidos desoxirribonucleicos(ADN) y
losácidos ribonucleim (ARN). Los nucleótidos que forman al ADN son losnudeótidos
de desoxirribosa y los del ARN son los de ribosa
Una de las funcionesrelevantes de los nucleótidos es formar parte de los poümem
antes mencionados, responsablesde la conservación,h;Umisán y expresión de la S o r mación g e n é h Estasprecursorestienen también otwsfunaones: son donantes de grupos y b m ñ e r e n compuestos al sintetivvse oíras biomoléculas; son acíivadores e
inhíbidoresennmáticos; formanparte de k eshuctura de obns compuestosbidógieos
EInuestroobjetivo estudiar su estnictura, clasiñcación,propiedadesy funciones.
Losndeóodasson~f~por~llilbarenihosenaaa,un~yporuno
ovariasgniposf~taLa~nitrogenadaestáimwlaalazúcarmedianteunenkce
[email protected]&b, y el enlace que une a la pei~tara
con el gnipo f&to es un éster fmfato. Si el
,
mdeobdoposee&deungnipof~~seurrnentrespor~~deáQdos
En l a f w a 8.1 se observan 2 nucleótidos, en ambos se encuentran los 3componentes antes mencionados,y se observa que existen diferencias enire ellos, hay fuentes
de variación. En estas desigualdadessebasan las clasificaciones.
.
Fig.ü.1. SP r n u m lm 3 componentes de
10s nucleótidos: la base
nitrogenada (BN),el azúcar (A) y
los grupos foslato. Los enlaces
entre los cornponcntes están representados por: a) enlaces
N-glinisídieos, b) enlaces ester
losfato y c) anhidrido de ácidos.
Se omiten los carbonos de Im anillos y los hid+nos
que satklagan la cuarta valeneia de estas enrbonos (así K representarán las 5guras del reto del capítulo.)
Clasificación
Si secomparan los nucleótidos anterior= se puede observar que la base nitrogenada
noesla misma, que el azúcar es diferente y que el número degrupos fosfatoes distinto,
por tanto, se pueden clasificar d e 3 maneras de acuerdo con estas diferencias.
Se clasifican en nucleótidos purínicos y pirimidínicos, según el tipo de base
nitrogenada que contengan; estos anillos de purina y pirimidina son heterociclos
formados por carbono y nitrógeno. Comose puede ver en la siguiente figura, la numeración comienza en ambos anillos por uno de los nitrógenos. Los azúcares se unen a
estos anillos por el N-1 en los nucleótidos pirimidínicos y por el N-9 en los purínicos.
Hay 3 tipos de bases nitrogenadas pirimidínicas y 2 tipos purínicas que se presentan con mayor frecuencia.
Se les llama amínicas a la citosina y la adenina porque tienen un gmpo amino: en
el carbono 4, la primera, y en el carbono 6, la segunda. Se les denomina cetónicas al
uracilo, timina y guanina,si tienen grupo cetónicn: en el carbono 4 las pirimidínicas y
en el 6,las purínicas.
Hay otras bases menos frecuentes, bases raras, que se presentan en algunos tipos
de ácidos nucleicos:
Además, exkten algunas no pmentg en los ácidos nucleicos que tienen otras funciong.
La cafeína y la teobromina están en el café y el té, respectivamente, son una de las
sustancias activas presentes en ellos. El ácido úrico es un producto del catabdismn de
las purinas, pero además tiene propiedades antioxidantes. La 8-azaguanina es un
antimetabolito; esta droga frena el desarrollo de algunos tipos de cáncer.
HO-CH,
Se clasificanen nucleótidos de ribosa y de desoxirribosa, en dependencia del tipo
de monosaeáridos que contengan, los primeros forman parte del ARN y los segundos
del ADN.
La ribosa y la desoxirnbosa son aldopentosas de la serie D y, al formarse el enlace
con la base nitrogenada, el hidroxilo anomérico queda en posición P (capítulo 7). La
numeración de los carbonos en estos anillos se señala con una comilla para diferenciarlo de la numeración de los elementos del heterociclo. La numeración comienza por el
carbono anomérico (capítulo 7). El enlace P-N-glicosídico se establece entre el carbono f de las pentosas con el nitrógeno 1en las bases pirimidínicas y con el nitrógeno 9
en las bases p u ~ i c a(Fig.
s 8.1).
Segúa el número de fosfatos
Pueden ser mono, di o trifosfatados si presentan en el carbono uno, dos o tres
gniposfosfato (Fig. 8.1). El primerfosfato se une al carbono 3 , el segundo fosfato se
uneal primer fosfatoy a su vez el tercero al segundo. También existen otros nucleótidos
en los cuales la posición del fosfato puede variar, por lo que se encuentra en el carbono
2' ó 3 :Dos nucleótidos cíclicos desempeñan una función importantísima en la regulación del organismo: el 3 ' 3 adenosín monofosfato (AMPc) y el 3 - 5 gnanosíu
monofosfato (GMP?), segundos mensajeros en la acción hormonal.
AMP,
GMP,
Formados por la unión de la base nitrogenada y el azúcar, pero carecen de fosfato.
Algunos antibióticos como la puromicina, producto de un hongo, son nucleósidos
(capítulo 35).
Nomenclatura
En la tabla 8.1 semuestra la nomenclaturade Ias S bases nitrogenadas máscomunes, con la nomenclatura de los nucleósidos y nucleótidos que ellas forman.
1
mbk al.Nomenclatura de los nucleósidosy nucleótidos comunes
I
l
Base
NuclWsido
1fosfato
Adenina
Adenosina
Adenosúi monofwfato
AMP
(áeidoadenilico)
AdenaFúl difosfato
ADP
A d e n d trifosfato
AIP
Guanina
Guan-
Guanosín monofwfato
GMP
(ácidoguanidiiico)
Guanosh difosfato
GDP
Guanosúitrifosfato
GIP
Inosín monofosfato
Inosín difosfato
mp
Ioosúitrifosfato
Uridui monofwfato
UMP
(ácidouridíüco)
Un& difosfato
UDP
Uridúitr%miato
Citidín monofadato
CMP
(áadocitidíüco)
Ciüdíndifasfato
CDP
Citi&
Desoxiomidín
~esoatimidúi
Desoxiomidín
monofosfato
difosfato
dTDP
tnfañato
I
Hipoxsntina
lnobins
IMP
i
2 fosfatos
3 fosfatos
m
(ácidoinmúiico)
l
Uracilo
1
Citosina
Tmh
Uiidima
Cltidina
TEmidirra
rmMP
UTP
Waáato
CIP
m
(ácidodgoxiomidíbw)
En la tabla 8.1 se asume que el azúcar es la ribosa,excepto para la base timina.
Si el azúcar es dmxirribosa, debe consigname como en el caso de la timina,ejemplo,
desoxiadenocín trifosfato (dATP).
PropiedadesñsicoquSmiragde los nncieótidos
Estas propiedades dependen de sus 3componentes.
El azúcar como la base nitrogenada posee gmpos polares que hacen que estos
compuestossean solubles en solventes polares. A esta propiedad contribuyetambién
el o los gmpos fosfatos.
Sus propiedades ácidas dependen de los grnpos fosfato. Éste es un ácido fuerte y
a pH fiológico, estos gmpos se encuentran d k i a d o s y le brindan cargas negativas
al nncleótido, por lo que son aniones.
Sus propiedades básicas débiles dependen de los nitrógenos de los aniUos de
purina y pirimidina. En la tabla 8.2 se pueden ver los pK de algunos de estos grupos.
~ b a Vdores
z
depKde losgrupos disociablesde las bases puríuicas y pirimidínic%
Base
Grupodisociable
Valor de pK
Los N-1 de los anillos de pirimidina no muestran este carácter básico al hallarse
este nitrógeno comprometidoen el enlace con la pentosa. El- N,-C,-OH de la guanina
se encuentra sin disociar en el pH fisiológico,por lo que no aporta carga, asícomo los
grupos amino de la citosina, adenina y guanina.
Por poseer en los heterociclos hidroxilos y dobles enlaces, estos compuestospresentan cambios de sus formas enólicas (lactimas)a cetónicas (lactamas). En solución y
en el pH cercano a la neutralidad son más estables las iactamas. A contiuuacióu
ejemplif~camos
este tipo de isomería con el uracilo.
Absorción de la luz uitravioleta
/ . , \O
H o 4
1
Esta propiedad se debe a los anillos aromáticos que pertenecen a las bases
nitrogenadas. Estos anillos absorben la luz ultravioleta a longitudes de onda de 260
nm.Esta propiedad permite identificarlos y cuantificarlosen solución, así como detectar su presencia en cromatogramas y electroferogramas (capítulo 9) sobre papel o
acetato de celulosa; se observan como manchas oscuras sobre la fluorescencia que
toma el papel irradiadocon este tipo de longitud de onda. Parte de esta absorción se
pierde cuando estos anillos están formando parte de los ácidos nucleicos (capítulo 11).
N
2
H
Forma
crtónica
(laclama)
~ o m a
cndica
(lactiiiial
Otras características quúnicas y esirueairalesde los nucieótidos
Los nncleótidos pueden formar enlaces covalentes o interacciones con diversos
compuestos, y entre ellos. Pueden formar enlaces &ter por los hidroxilos del azúcar o
por los grnpos fosfato. Cuando son aniones, pueden formar interaccionessalinas con
diversa^ ca!iones (proteínas catiónicas). Un requisito en su participación como sustmtos
o cofactoresen reacciones eniimáticas es su unión con iones divalentes, como el Mg".
La presencia en sus heterociclos de elementos como el oxígeno y el nitrógeno,
que poseen pares de electrones Libres, les posibilita formar puentes de hidrógenos con
diversos compuestos,incluso entre ellos. Así, una de las interaccionesque mantiene la
estructura del ADN es la formación de puentes de hidrógeno entre las bases complementarias de sus 2 cadenas (capítulo 11).
Como estas bases nitrogenadas son anillos aromáticos, tienen la propiedad de
atraerse mediante fuenas de Van der Waals, apilándaseunos d o s sobre otros; ésta es
? /+
Otl
OH
la base delasinteracciones hidrofóbicas quese forman en el ADN y que también son
importantes para mantener la estructura de esta macromolécula (capítulo 11).
Una de las características estructurales en los nucleótidos es la posición relativa
que ocupan en el espacio tridimensional los 2 anillos que lo forman: el anillo del
azúcar y el de la base nitrogenada. Cada uno de estos anillos, casi aplanado, no ocupa
el mismo plano espacial, son perpendiculares entre sí, de forma que el hidroxilo o
hidrógeno de la posición 2 d e la pentosa queda cerca del nitrógeno 3de las purinas,~
del oxígeno 2 de las pirimidinas (Fig. 8.2).
/
l
Fig. 8.2: Relaeiún cspacial entre los anillos
de la b a ~ enitrogenada y del azúear. En el espacio, los dos anillos
seeneuentrancasi perpendkulares
entre si, encontrándose la posición
2 de la hase nitrogenadr cercana a
la posieiún 2 del aiúcar.
Muchas de estas propiedades son determinantesen la conformaciónestrucluralde
las macromoléculas (ADN y ARN) que ellos forman.
Funciones de los nucleótidos
Los nucleótidos cumplen con el principio de multiplicidad de utilización. Una
parte de su estruclura, la ribosa, al catabolizarse puede ir a la formación de energía y
parte del anillo de las pirimidinasal catabolizarse,también.
Pueden formar parte de otros conipuestos máscomplejos,en este caso el ácido
adenflico(AMP)es parte de la estructura de varios cofactoresenzimáticos,compuestos
que intervienen con las enzimas en llevar a cabo las reacciones que ocurren en las
células.
Son transportadores de grupos al ser sintetizadas diversas biomoléculas, asíel
UDP-glucosa aporta glucosa al sintetizarse el glucógeno y la colina es transportada
por el CDP-colina en lasíntesis de los fosfoglicéridos.
En diferentes reacciones pueden ceder parte de su molécula: grupos fosfatos,
pirofosfatos, adenilo o adenosilo.
Algunos son reguladoresdel metaboliino al ser segundosmensajeros en la acción
Iiormonal o actúan como activadoreso inhibidores en la acción enzimática.
También, como ya sabemos,son las unidades estructurales de los ácidos nucleicos,
y se unen entre sí mediante el enlace fosfodiéstero enlace 3'- 5 Idiéster fosfato. Este
enlace se forma al reaccionar el fosfato del carbono 5 de nn nucleótido con el 3'
Iiidroxilo del otro nucleótido, con la pérdida de agua (Fig. 8.3).
0-
O
OH
l
O-P-O-CH,
Oti
011
Oli
Otl
Fig.8.3. Formación del enlace fosfodiéster entre 2 nuelcútidos. Al formarse el enlace, ehscrve eúino
por cada uno de los extremos pueden condensarse más moléculas de nueleótidos, pues por
una de los extremos queda un fuifato en 5 , y par el otro un hidroxilo en 3'libres de ahí que
se refiera en los oliganurleótidos a las extremos 3'y S!
Este enlace es covalente g fuerte, los compuestos que se forman son estables en
solución acuosa, y mantienen la característica de segnir siendo aniones.
Resumen
Los nudeótidos son biomolénilas formadas por una base nitrogeuada, un azúmy uno o varios grupos fosfato. Las bases nitrogenadas más abundantes son la
y guanina (barespúricas) y la citosina, u r a d o y timina(basespirimidínim).
a&
a,i,
~1 azúcar que las forma es generalmente la ribosa y la desonirribosa El enlace que
une el heteroeiclo con el azúcar es el N-güeosídico, y el azúcar al fosfato, el enlace
&r fosfato. El enlace entre grupos fosfato es el anbídndo de ácido.
Los nudeótidos tienen diversas propiedades: son solublesen soluciones amos ~ pregeuúm
;
tantomería ceto-enóüca; son aniones y dcidos fuertes debido a los
fdatos; son bases débiles debido a los nitrógenos de sus beterocidos, pueden formar diversos tipos de enlaces e interacciones débiles (enlaces éster, salinos y puentes de hidrógeno), absorben luz W. Estas propiedades van a ser determinantes en
Ls estniciwa y propiedades de los ácidos nudeicos de los cuales ellos van a formar
m
Los uudeótidos cumplen con el principio de multiplicidad de uoüzación. Al
catabolizarse a COZy %O Liberan energía; forman parte estructural de otros
compuestos; ceden parte de miestrnchua en la síntesisde otras biomolkulas; transfieren compuestos para sinteiizar otros más complejos; algunos son reguladores
del metabolismo y son las nnidades estructurales del ADN y ARN.
Ejercicios
1.Represente la estructura del ATP y CDP.
2. Los nucleótidos anteriores serían los mismos que se encontrarían en el ADN y en el
ARN.
3. Analice la estructura de los nucleótidos siguientes:
a) ¿Cuáles son sus características comunes?
b) ¿Cuálesson sus característicasdiferentes?
c) ¿Cómo los clasificaría?
d) Nómbrelos.
4. Represente el dinuclebtido que se fornia al unirse el AMP con el dTMP en un
enlace 3-5'diésterfosfato.
5. ¿Por qué cumplen los nucleótidos con el principio de multiplicidad de utilización?
6. Forme 2 puentes de hidrógeno entre la adenina del AMP y el nracilo del UMP.
Muchas son las características que distinguen a los seres vivos de la materia
inanimada y que fueron estudiadas en los capítulos iniciales de este libro. Desde el
punto de vista de su composición lo más sobresaliente es la existencia de las
macromoléculas, que son organizaciones en las cuales participan cientos o miles de
átomos con una compleja distribución tridimensional. Esta extraordinaria complejidad escapa a las concepciones estructurales de la química tradicional, y su estudio es
por derecho propio patrimonio exclusivo de la bioquímica.
El desarrollo del conocimiento bioquímico ha marchado paralelo al conocimiento de las macromoléculas y viceversa. En el transcurso de los años, cada vez fue más
evidente que los métodos y procedimientos de las químicas general y orgánica eran
insuficientes para tratar este problema. Los bioquímicos han tenido que diseñar métodos específicos de análisis de las macromoléculas y, en muchas ocasiones, contribuir
directa o indirectamente a la producción de equipos de laboratorio que les permitieran
ensanchar la potencia de sus sentidos para penetrar en este complejo campo. Esto trajo
como coasecuencia que en esa lucha por desentrañar la estructura de la7 macromoléculai,
la hioquúnica fuera creando su propio "arsenal" metodológicoe instrumental, lo que
equivale a decir que se fue haciendo cada vez más una ciencia independiente.
Los primeros resultados rxitosos mostraron una realidad más que asombrosa. Las
primeras imágenes reconstruidas a partir de los datos experimentales,mostraban unas
moléculas de tamaño enorme con plegainientos y replegamientos a cuya organización
parecía imposible aplicar lógica alguna; pero los intentos se repitieron, los métodos se
ampliaron, los instrumentos se perfeccionaron y cada año se describía, al menos, la
estructura tridimensional de un miembro más del grupo. Si los trabajos iniciales implicaronaños,losactualesse hacen en meses y tal vez en el futurose realicen en días. Hoy
existe gran colección de conocidas estructuras tridiniensioiiales de macromoléculas,
lo cual ha permitido penetrar en los secretos de su estructura o, al menos, en los
principios generales que rigen su organización estructural y, a partir de ellos, conocer
las formas peculiares de su funcionamiento.
En términos bioquímicos se identifican 3 grandes familias de macromoléculas: las
proteínas, los polisacáridos y los ácidos nucleicos. Para su estudio están dedicados los
próximos capítulos. En éste se presentarán aquellas características que, en mayor o
menor grado,son comunes a todas ellas. Se tratará de presentar aquellas regularidades
que subyacen en la organización estructural y hasta dondesea posible funcional de las
macromoléculas. Como sucede siempre en la vida, muchas de estas reglas tienen sus
excepciones, las cuales en los casos necesarios también serán resaltadas, no como una
muestra más de la biodiversidad al nivel molecular, sino también con el propósito
lógico del empleo de la excepción para hacer más valedera la regla.
Esta? característica$generalesserán presentadas, acompañadas de algunos procedimientos experinientales que Iian perniitido su comprobación a través de la historia.
No en todos los casos se evidenciará cómo el carácter explicado se cumple en todas y
cada una de las niacromoléculas,pero sienipre se hará referencia por lo menos a una de
ellas. Algnnas de estas características no son tan evidentes en unas macromoléculas
como en otras, por tanto, es preferible que en este momento sólo queden enunciadas
como generales y que puedan demostrarse después, al estudiar el capítulo correspondiente a cada una de ellas.
Características generales
Las hiomacromoléculas poseen un conjnnto de características que son comunes a
todas ellas, lo cnal permite un estudio sistemático del grupo que debe conipletarse
después con el estudio de las especificidades de cada una; estas características son:
l. Elevado peso molecular.
2. Carácter polimérico.
3. Carácter uniforme.
4. Carácter lineal.
5. Carácter tridimensional.
h. Carácter inforniacional.
7. Tendencia a la agregación.
8. Kelación estructura-función.
Éstas son las que serán estudiadas en este capítulo. Las específicasserán tratadas
en los 3 capítulos siguientes.
Elevado peso molecular
Parece superfluo decir que las macronioléculas tienen elevado peso molecular, es
una tautología; sólo escribirlo pretende resaltar este carácter, pues se trata posiblemente del más importante de todos los aspectos que se debe considerar en este tipo de
componente molecular de los seres vivos.
La química tradicional estudia moléculas pequeñas, cuyos pesos moleculares
alcanzan apenas cientos de unidades de masa atómica y en la mayoría de los casos el
volumen molecular es poco iniportante para el estudio de las propiedades químicas de
esos compuestos. La realidad de las macromoléculas es totalmente diferente.
El sistema internacional de medidas establece como unidad de masa atómica
el dalton que es equivalente a 1112 del peso atómico del isótopo más abundante
del carbono. Como todas las unidades, ésta admite múltiples y submúltiplos de
los cuales el más utilizado eii bioquíinica es el kilodalton (kD), que es igual a
1000 daltous. Mientras los químicos trabajan con sustancias cuyas masas apenas
alcanzan 1 k n , los bioquímicos enfrentan el estudio de sustancias con masas de
Aunque no existe un
más de 500 kD que son precisamente las inacron~olé~ulas.
límite inferior bien definido, se consideran dentro del grupo de las macroinolécnlas
aquellas sustancias con masas moleculares superiores a los 5 kD. Estos tamaños se
manifiestan por propiedades que distinguen a este grupo de sustancias de forma
muy especial, las cuales serán estudiadas posteriormente.
Un polímero es unasustancia quese forma por launión de varias moléculas más
pequeñas, que reciben el nombre de monómeros. Para ambos existe la relación entre el
todo y la parte; de ahí que las propiedades del polímero dependen en gran medida del
tipo y la cantidad de los monómeros que lo constituye, pero no exclusivamente de
eso. En el polímero aparecen propiedades que no pueden deducirse directamente de
las propiedades de los monómeros, y que se deben en gran parte a la forma en que
estos monómeros están organizadosen la formación del polúnero. En la estmctura del
polímero se crean interaccionesde atracción o de repulsión qnele dan a éste detenni.
nadas propiedades que los monómemspor separado no exhiben. Cuando2 monómeros
se unen forman un dímero que en realidad se diferenciapoco del monómero, con 3 se
forma un trímem que tampocose dife~nciamucho.Perocuandoel cúmulocuantitativo
de monómems sobrepasa determinadolímiteaparecencaractehiicascualitativas nuevac
que son ya las pmpias del polúnero. De todo lo anterior se deduceque las macromolécuks,
al poseer carácter polimérico, van a guardar con sus pmursores relaciones similaresa las
descritasy por tanto tendrán propiedades que no pueden explicarse directamente a
partir de los monómeros constitnyentes,y hace falta conocer la organización estructural del polímero para tener una idea exacta de ellas.
Carácter nniforme
Todas las biomacromoléculas son polímeros de sus monómeros constituyenteso
precursores. Las proteínas son polímeros de aminoácidos, los polisacáridos de
monosacándos y los ácidos nucleicos de nucleótidos. Esta forma de organización les
c o n d e carácter uniforme,pues cada biomacromoléculase fonna por la polimerización
de precursores de la misma clase. Estos precursores se unen mediante una reacción de
condensación, con pérdida de una molécula de agua, y quedan enlazados de forma
covalente, lo cual le concede fortaleza a la estructura.
Este enlace polimerizante es el más fuerte de todas las interacciones que se establecen entre los monómeros para formar la estructuradel polímero, por eso resulta el
más dificil de romper. En las proteínas es el enlace peptídico, en los polisacáridos el
glicosídico y en los ácidos nucleicos el fosfodiéster.
Estos tipos de enlaces no son particulares de la$biomacromoléculas, pues aparecen en otros grupos de compuestos orgánicos, aquí reciben nombres específicos para
realzar su importancia;el enlace peptídico es de tipo amida y el glicosídico, un acetálico.
La sucesión de estos enlaces y los grupos entre los cuales se forman, determinan la
existencia en la macromolécula de un eje cavalente principal, que viene a ser algo así
como la columna vertebral de su estrnctura.
Estos enlaces son como ya sedijo de tipo covalente, y tienen al menos 3 propiedades muy importantes para la existencia de las macromoléculas: son fuertes, con una
energía de enlace superior a las 50 kcal.mo1-'; muy estables en agua o disoluciones
acuosas, por lo cual las macromoléculas suelen ser muy estables en los organismos
vivientes cuyo componente mayoritario es el agua, y poseen orientaciones espaciales
definidasde acuerdo con el elementoquímicode que se trate, por ejemploen el átomo
de carbono con hibridación sp3, las valenciasestán orientadas hacia los vértices de un
tebedm regular.
Las característicasespecíficas de estos enlaces y su función en la estmctnra de las
macromoléculas correspondientesserán estudiadas en los capítulosposteriores.
Carácter lineal
Aun cuando en su estructura existen otras posibilidades, casi siempre las
macromoléculasson Lineales. En este momento, esta palabra tiene el sentido de carecer
Fig. 9.1. El cariicter poliniérico. En a ) sc
representa u n esquema d e u n
polímero formado por precursores de Iü iiiisma clase, caráctcr unif'ornic. 1.a radctia rniicstra de igual
hriiis s u caricter lineal, pues earece de rnniifieaeioiies. Como puede oliscrvarse cl extrenio niimerado timo 1 es diferente del h. por
tanto cl polírncro posee polaridad.
La cslriictiira general del prccu~.sur s r riiiiestrn en b), donde se distingue el rivalo azul (2) qiic representa una parte de 13 cstructurndel
prrcurmr, coinún a todos los de
su clase; la zona R representa la
partede la estmctilra diferente para
cada prcriirsor de una clase dada.
Taiiiliíéii en b) se iiiuestran los priipos ilc enlace identificados con los
números l y 3. Sc pucrle ohscnsr
qiie en a) el precursor iiiimero 1
tiene lilirc el grupo 1, mientras el
6 tiene libre el grupo 3. Se puede
afirmar que la iiioléei8la tiene polaridad 1 4 3.
de ramificaciones y no se refiere a la forma de la molécula en el espacio. El carácter
lineal se debe a que los monómeros se unen uno a continuación del otro y forman
largas cadenas poliméricas sin la existencia de ramificaciones. La única excepción a
esta regla aparece entre los polisacáricos, pues algunos tipos de estos compuestos
presentan ramificaciones y en ocasiones muy abundantes. Es una ventaja la carencia
de ramificaciones en proteínas y ácidos nucleicos, pero también es ventajoso la existencia de ramificaciones en algunos polisacáridos.
La formación del enlace polimerizante ocurre siempre entre 2 grupos bien d e f ~ dos de la estructura de los precursores; esto hace que todos los precursores que forman
parte de la cadena polimérica tengan comprometidos sus 2 grupos de enlace, uno con
el precursor que le antecede y otro con el que le sucede,excepto el primero y el último
que exhiben libre uno de los 2 grupos. Como estos gmpos libres son diferentes en cada
extremo, las macromoléculas se caracterizan porque sus extremos no son iguales, lo
cual expresa que tienen polaridad. Por lo general los extremos se nombran señalando
cuál es el grupo libre.
Esta característica permite definir una dirección en la estructura del polímero,
pues permite identificar cuál es el primer precursor y cuál es el último. Cuando 2
cadenas poliméricas del mismo tipo se encuentran acomodadas una al lado de la otra,
lo pueden hacer de 2 formas: si el priiner precursor de una molécula coincide con el
primerodela otra (y por tanto coinciden los 2 últimos) se dice quelas cadenas tienen
una disposición paralela; en caso contrario se les denomina antiparalelas. Cuando
entre2 macromoléculas existe una relación funcional, de forma tal, que dado un orden
para los precursores en iina de ellas es posible determinar el orden delos precursores de
la otra, se dice que existe colinealidad entre ambas.
Tanto el carácter polimérico, como el uniforme y el lineal se resumen en la
figura 9.1.
.'i
Carácter tridimensional
Las macromoléculas preseutan una estructura compleja con una organización
espacial que se extiende en 3 dimensiones; por supuesto que todos los cuerpos desde
los más pequeños son tridimensiondes, pero como en los casos anteriores se trata aquí
de resaltar esta característica, pues merece especial atención para comprender la mtmctiira y el funcionamiento de estas moléculas. Tal es la complejidad de estas moléculas
que para estudiar su organización tridimensional ba sido necesario introducir un sistema de estudios por niveles,que van desde el primario hasta el cuateriiario, dondecada
uno de ellos expresa un grado diferente de organización estructural. No en todas las
inacromoléculas estos niveles cstán perfectaniente establecidosy se tonian a las proteínas como sistema de referencia para el estudio de todas ellas.
Nivel primario
El nivel primario, también llamado estructura primaria, se refiere al orden o sucesión de los monómeros en el políniero. Se origina coino consecuencia de la reacción de
130
polimerización y, por tanto, la interacción que lo mantiene es el enlace polimerizante.
ya se dijo que este enlace es el más fuerte de todos los que se forman en las
macromoléculas, de lo cual se deduce que el nivel primario es el más estable de todos
los niveles estmcturales de las macromoléculas.
Teniendo en cuenta lasdiferencias entre los precursores que integran el polímem,
las macromoléculas pueden dividirse en 2 grandes grupos. El primer grupo estaría
integrado por aquéllas queestán formadas por un solo precursor; recuérdese que el
carácter uniforme establece que las macmmoléculasestán formadas por precursores de
la misma clase, por ejemplo, las proteínas por aminoácidos; pero en este caso se trata
no del mismo tipo, sino del mismo precursor, o sea, una proteína hipotética que estuviera formada por lapolimerizacióndel mismo aminoácido. Este tipo de macmmolécula
sólo se ha encontrado entre los polisacáridos, por ejemplo, laquitina que forma parte
del exoesqueleto de algunos invertebrados, formada por la polimerización de la Nacetil glucosamina; otros ejemplos son el almidón, el glucógeno y la celulosa que
están formados sólopor glucosa. En estos casos las moléculas exhiben una monotonía
estructural total, pues todos sus sectores son esencialmente iguales.
En otras ocasiones se produce la polimerización de un dímero como se observa
en las glicosaminoglicanas,por e,jemplo, el ácido hialurónico es un polímero de ácido
glucurónico y N-acetil glucosamina, en tanto, el dermatán sulfato resulta de la
polimerixación del disacárido formado por el ácido L-idurónico y la N-acetil
glucosamina-4-sulfato. También en este caso se presenta la monotonía estructural,
aunque menos marcada que en el anterior.
Por último, existe la polimerización de trímeros de lo cual el mejor ejemplo es la
colágena, formada esencialmente por glicina-prolina-hidroxiprolina que se repite
cientos de veces a lo largo de la cadena polimérica. Las macromoléculas de este tipo
generalmente cumplen funciones más elementales, como las de servir de soporte estructural a los tejidos o estructuras más complejas y en general (excepto el almidón y
el glucógeno) adoptan forma de fibras o filamentos que es la que más se adapta a la
función que deben cumplir.
Antes de pasar al otro gmpo es bueno señalar que en realidad la monotonía no es
total,pues existen pequenas variaciones en la estructura aunque la mencionada es la
predominante en casi e1 90 % de la longitud del polímero.
E1 seguudo grupo lo integran aquellas macromoléculas que no poseen un patrón
regular de polimerización y en ellas sus precursoressealternan sin queexista ninguna
ley que pueda predecir la posición de cada uno, por ejemplo, en el caso del ácido
hialurónico, si se sabe que la posición
está ocupada por la N-acetil glucosamina,
inmediatamente se deduce que la «n+l» será el ácido glucurónico. En las
macromoléculas del segundo grupo, saber que un precursor ocupa la posición en» no
permite conocer el «n+l», ya que puede ser cualquiera de los otros. A este grupo
pertenece la mayoría de las macromoléculas (Fig. 9.2).
En las macromoléculas se puede distinguir una zona compuesta por los elementos que integran el enlace, que como es siempre el mismo, por el carácter
Fig. 9.2. Tipos de polimeros por lo composición de precursora. La línea siipcrior muestra un sector de un
polimero formado por el iiiisino
precursor, la cual da al políniero
una monotonía lofal. 1.a lima icntral prn~cntaun poliiiiera también
nionát<ino pero can la coml>ina~ i i i i de
i
2 precursores. La línea infcrior ~>msentilun polimero totaljiientc diverso. Ohsérvcsc qiic no
criste regularidad alguna, después
del precursor representado por el
cii.eiilo azul sc puede encontrar
cualqiiiera de loa precursores, el
iiiisnio azul, cl verde o el rajo.
uniforme, genera una zona de monotonía estructural. Pero a la par existe una zona
quevaríaen cada punto dela cadena debido a las características estructurales del
precursor que esté presente en ese punto; asíse genera una zona de variabilidad.
Esto significa que en la estructura de las macromoléculas se da la unión de lo
monótono y lo diverso (Fig. 9.3).
Fig. 93. Zonas en la estructura de la macromolécula. En la estructura de la macromolécula se pueden
1 la zona monótona de la estructura que
distinguir 2 zonas. En a) aparece representado en m
origina el eje covalente principal de la macromoléeula. Observe que estructuralmente todos
los sectores de esta zona son iguales. Aparecen marcados los extremos p y q, pues esta
molécula tiene polaridad p6q. En b) w representa en color rojo la zona variable debido a
que cada uno de las precursom presenta una estructura diferrnte. De esta forma se evidencia que en la estructura de las rnaeromolé-culai w da la unidad de la monótono y lo diveno.
La estructura de lamna monótona diferencia los tipos de macmmolécula, es decir,
las proteínas de los polisacáridos y éstos de los ácidos nncleicos. La zona variable
diierencia una macromolécula de otra del mismo tipo, por ejemplo, el glucagón de la
insulina. Los métodos para el estudiode la estructura primaria de las macromoléculas
del segundo grupo serán estudiados en los capítulos donde se trate cada una de ellas.
La distinción entre las 2 zonas estructuralesde las macromoléculas es importante
para entender la génesis de los demás niveles de organización, pues ellos van a depender del establecimiento de interaccionesentre elementos químicos localizados en una
zona u otra. En líneas generales se puede afirmar que si las interaccionesse forman
entre elementos localizados en la zona monótona, se van a originar estmcturas regulares con patrones bien definidos, pero si dependen de la zona variable se formarán
organizacionesmás bien irregulares.
Como ya se señaló, las macromoléculas del primer grupo donde la monotonía es
total tienden a tomar formas fibrilareso filamentosas,en la$cuales el largo predomina
sobre el ancho y la profundidad. Sin embargo, las del segundo grupo tienden a adoptar formas esféricas como consecuencia de los plegarnientosy replegamientos sobre sí
de la cadena polimérica.
Los estudiosde las estructuras de numerosas macromoléculasen los Úitimos años,
han permitido pmfundizar en la wmplejidad de estas estnicturasy advertir que a h en lai
más irregulares existen determinadospatmnes que se repiten, como si eestiera una ley
general que gobernara la forma en queseorganizan las macromoléculas biológicas.
Nivel sesundario
Al nivel primario ya estudiado le sigue el nivel secundarioo estructura secnndaria. Este término se refiere a la forma particular que adopta la cadena polimérica en
pequeños sectores de su estructura,pudiera ser un secior formadopor 10a 20 precursores consecutivos. Estos sectom pueden tener una disposición ~ g u l aorir~gular.Se ha
podido determinar que existen 2 formas fundamentales de estructuras secundarias
rrgulares a saber, las helicoidales y las plegadas. Las estructuras plegadas se caracterizan porque el eje covalente primario de la molécula va describiendo una línea en
forma de zigzag,con ángulos bien definidos, y en ocasiones diferentes sectores de la
El nivel terciario de organización o estructura terciaria se refiere a la estructura
tridimensional total de la macromolécnla. En su estudio se ha de tener en cuenta no
sólo las formas secundarias mencionadas, sino la topología del eje covalente principal
de la macromolécnla, o sea. cómo se van conectando unos con otros los diferentes
seetoresde estrncturassecundarias o supersecundanas. El nivel cuaternario se ha definido en proteínas, y se usa para caracterizar aquéllasque están formadas por más de una
cadena polipepiídica que a los efectos reciben el nombre de subunidades (Fig. 9.7).
Fig.9.7. ihtructun3S lcreiariasy cuatemarias.
En a) se representa la estructura
tercisria de una maeromolécula en
la cual las estructuras helicoidales
aparecen en forma de cilindros y
las plegadas en forma de saetas. El
eje cavalente principal va formando giros que permiten a la
mrerornoléeula adoptar una forma que tiende a lo esférico. En b)
se presenta un esquema de la estructura cuateruaria de una proleína que está formada por 4 subunidades iguales 2 a 2 (las 2 rojas
son iguales, entre sí, así como las 2
arules).
Estas organizacionesespacialesse mantienen gracias iila formación de interacciones
débiles entre diferentes grupos químicos de las macromoléculas. Las principales son
los puentes de hidrógeno, las interacciones salinas y las llamadas fuerzas de Van der
Waals. Estas interacciones tienen una fortaleza que va desde 10 kcal.mol.', para las
primeras hasta menos de 1kcal.mol-', para las últimas, por tanto su importancia no
radica en su fortaleza, sino en el número extraordinario de ellas que pueden formarse
en una macromolécula.
La fuerza de los puentes de hidrógeno esmás variable, pues es mayor en ambientes anhidros que cuando están expuestos a la acción del agua. Debido a la propia
dinámica de formación de la estructura tridimensional de las macromoléculas, cada
nivel deorganización se mantiene por interacciones queson cada vez más débileso,lo
que es lo mismo, los niveles superiores siempre son más inestables que los inferiores.
Este conocimiento no sólo es importante desde el punto de vista biológico, permite comprender por qué la vida tiene que desarrollarse en condiciones ambientales
muy limitadas, también tiene importancia desde el punto de vista experimental, ya que
siempre debe tenerse en cuenta que pequeñas variaciones en las condiciones con las
cuales se trabaja, con una de estas macromoléculas, puede afectar considerablemente
sus propiedades, que son las manifestaciones externas de su estructura.
Cuandouna macromolécnla pierde su estructura tridimensional, pero conserva la
estructura primaria, se dice que ha sufrido un proceso de desnaturalización. Los agen-
tes desnaturalizantes interfieren con la formación de las interacciones débiles y
por eso son capaces de desorganizar a la molécula. Un agente desnaturalizante
universal es el calor, de ahí que los seres vivos en general tienden a vivir en medios
donde los cambios de temperatura no sean drásticos, incluso, los organismos superiores han creado evolutivamente mecanismos para mantener constante la temperatura
corporal con independencia de la ambiental.
El fenómeno de desnaturalización puede ser reversible, si la macromolécula desnaturalizada es llevada de nuevo a las condiciones adecuadas, por lo que puede recuperar su estructura tridimensional original. Esta renaturalización es una evidencia
importante de que la estmctura tridimensional está determinada por el nivel primario
de organización. Desde el punto de vi~tapráctico, esta propiedad de las macromoléculas
sirve de fundamento a las técnicas de hibridación de los ácidos nncleicos como se verá
en el capítulo 11(Fig. 9.8).
Una de las características más importantes de las macromoléculas biológicas es
que ellas poseen información. La información molecular está relacionada con la variedad estmctural y permite la realización de interaccionesespecíficasentre las diferentes
macromoléculas, o entre ellas y moléculas pequeñas.
La información permite discriminar con un elevado grado de precisión con cuál
molécula se interactúa, en qué sitio y ba,jo cuáles circunstancias. Teniendo en cuenta la
forma en quese presenta lainformación molecular pnedeser de 2 tipos: la secuencial
y la conformacional.
La información secuencial está contenida en la estructura primaria de las
macromoléculas que presentan secuencias irregulares, de forma que mientras mayor es
la irregularidad de la secuencia mayor puede ser el contenido de información y viceversa. En la secuencia de los precursores de una macromolécula la información está
codificada linealmente en forma de mensajes, con un contenido preciso; tal vez una
alegoría sirva para esclarecer este concepto. Si se parte de la secuencia de aminoácidos
de un péptido y se escribe utilizando el código de unasola letra (capítulo 6) se pueden
obtener situaciones como:
-
ala - met - ile - ser - tre ala - asp
A M I S T A D
ala - met -ala - arg - glu - ser - val - ilc - val - ile - arg
A M A R E S V I V I R
Por supuesto que las largas cadenas poliméricas de las macromolécula~contienen
mensajes mucho más complejos que los mostrados. Estos mensajes generalmente informan sobre cómo constrnir una estructura hidimensional,cómo ordenar precursores
durante la síntesis de las macromoléculas, dónde comenzar o terminar un proceso,
etcétera. La información secuencial es muy estable, ya que está asociada con el nivel
primario de organización, que es el más estable en la estructura de una macromolécula
cualquiera que ésta sea. Pero este tipo de información no permite interacciones
tridimensionales específicas, pues ella aparece en forma lineal.
La información conformacional por su parte está contenida precisamente en la
estmctura tridimensional, es decir, en la conformación general de la macromolécula y
sí permite interacciones específicai en el espacio. La forma característica que adopta
una macromolécula le permite ir creando sobre so superficie sitios con una forma y
distribución de grupos químicos orientados, de tal manera que permite la ubicación y
fijación de otras moléculas cuya forma y distribución de grupos químicos sean complementarias al sitio superficial de la macromolécula. Estos sitios tienen un arreglo tan
+ Agente desnaturalizanle
Fig. 9.8. Desiiaturalizarión y renaturalizaciún. En i) se muestra In estructura tridimcnsional de una niacronioIéiula que, al ser sometida a ia acción dc un ncente drsnaturalirmte,
adquiere una forma tutalniente
desordenada coiiservando sólo cl
nivel primario d e oreaniracióti
como sc muestra en b). En iiiuchas ocasiones cuando cl agenle
desnaturalizante es retirado, la nioIéeula adopta de nuevo su forma
original como se miiestru cn rl. El
primer paso representa la dcsnat i r r a l i z a r i h y el segundo la
renatinralizaciún. E s t e segundo
paso no sienipre es posible.
estricto que algunas moléculas son capaces de alojarse en ellos y, una vez allí, permiten a la inacromolécula realizar sobre ellos una función específica.
Este fenómeno de interacción específica entre una inacromoléculii y otra
biomolPcula recibe el nombre de reconocimiento niolecular y el sitio por donde se
realiza sitio de reconocimiento, un ejemplo se muestra en la figura 9.9. La sustancia
que se une a la macroniolécula recibe el nombre genérico de ligando.
Los sitios de reconocimiento tienen algunas propiedades comunes como: estar
ubicados en la superficie de la inacromolécula, lo cual posibilita el acceso del ligando:
poseer tina estructiira tridimensional derivada de la estructura tridiniensional general
de la macroniolécula, que debe ser complementaria a la estructura del ligando; tener
grupos químicos orientados en forma conveniente para interactuar con los grupos
químicos de la sustancia reconocida. y Iiacer que ésta permanezca unida a la
macroinolécula.
La unión del ligando provoca canil>iosconforinacionales en la niacromolécula,
los cuales permiten qiie se realice su función o iiiodulan la intensidad de ésta. Los
ligandos pueden ser también macr»iiinléciilas, pero en ese caso la zona de contacto se
limita a un sector preciso de la estructni.:~y no a toda ella.
Al tratar el carácter tridiniensional qnerl6 estal>lecidoqiie las estructuras de orden
superior de las macronioléculas, sil conforniación general estaba deterniinada por la
esti-iictura priniaria. Acaba de estal>lcceiseque esas estructuras expresan un deteniiinado tipo de información molecular. La primaria está vinculada a la secnencial, y las dc
orden snperior a la conformacional; se infiere qiie la información conformacional está
deterniiiiada por la inforinació~isecuencial. Se había señalado que tina de las fnnciones de la información secnencial era cómo construir determinadas estructuras
tridiiiieiisioiiales que son las que albergan la información conforniacional; esta relación entre los tipos de información inolecolar es uno de los fnndanientos más iiiiportantes en el f~iiicionaniicntode los seres vivos.
Como fenómeno general, las macromoléculas tienden a agregarse unas con otras
formando grandes estructnras supramacromoleculares, de una gran complejidad estructural y funcional cuyas masas molecolares alcanzan los d o n e s de daltons. Estas
asociaciones pueden realizarse deforma covalente o no covalente y pueden formarse
de manera espontánea o mediante un proceso asistido por otras macromoléculas. La
existencia de estos agregados no contradice el carácter de uniformidad, pues las
macromoléculas que se asocian no lo hacen con interrupción del eje covalente principal, emplean grupos químicos laterales para el enlace. Caqi siempre en estos agregados
se encuentran proteínas, de ahíque muchos se describan como formas conjugadas de
las proteínas y resalten en el nombre el componente no proteínico; así existen
nu&oproteínas, glicoproteínas y lipoproteínas.
La asaciación de moléculas de proteínas para formar grandes agregados supera el
eoncepto de estructnra cuaternaria que es más Limitado. No puedeconsiderarse que los
sistemasde microtúbulos o microfüamentos sean proteínas con estructura cuaternaria,
sino verdaderos agregados mnltiproteínicos. Muchos de estos ejemplos serán estudiados en este libro. Las proteínas se asocian con ácidos nucleicos para formar los
cromosomas, los ribosomas, los corpúsculos de procesamiento de los ARN y diferentes
estructuras particuladas que intervienen en el proceso desíntesis y procesamiento de
las proteínas.
La asociación de proteínas con polisacáridos produce h s glicoproteínas, de las
cuales los ejemplos más sobresalientes son las que forman parte de la matriz
extracelular.
Por último, pueden producirse agregados de proteínas con Iípidos que son
las lipoproteínas. Aun cuando en realidad los Iípidos no son macromoléculas,
éstos se encuentran asociados en forma de grandes complejos lipídicos, parecidos
a como lo hacen las macromoléculas. La estructura de las membranas biológicas y
de las grandes lipoproteínas sanguíneas constituyen ejemplos de agregados
lipoproteínicos.
Como ya se ha visto, una de las propiedades más sobresalientes de las biomoléculas
es qneaellas puede atribuirseles onafunción, a esto no escapan las macromoléculas;
lo importante es que esta función está directamente vinculada con la estructura. Este
vínculo es casi una ley del comportamiento de las macromoléculas biológicas.
El estudio cada vez más profundo de la organización estructural de las
macromoléculas ha permitido ir identificando determinados patrones estructurales
que están siempre relacionados con una función particular. Las modernas técnicas de
secuenciación de los ADN en ocasiones ha llevado a tener completa la secuencia de
aminoácidosde una proteína desconocida, pero a partir de esta secuencia se han determinado algunas características estructurales y funcionalesde la proteína incógnita. Se
ha sabido que son proteínas transmembranales, o que tienen sitios de unión con
nucleótidos,o queactúan como proteínas quinasas, o quese unen con el ADN, etcétera. Numerosos son los aspectos funcionales que pueden deducirsede la secuencia de
aminoácidos, basados en el principio de la relación entre la estructura primaria, la
conformación y la función. ES posible que llegue el día en que de una estructura pueda
saberse su función o viceversa, ese ha sido el sueño de todos los bioqoímicosdesde Los
albores de esta ciencia.
Propiedades generales
Estas características generales antes mencionadas se manifiestan de formas diferentes en las macromoléculas, esas son las propiedades generales. A partir de esas
prnpiedades Iia sido posible ir profundizando en el conocimiento de sus características estructurales. A continiiación se estudiarán algunas de esas propiedades y se
de,jará claro con cuál o cuáles de las características estructurales generales están
relacionadas.
Difusión
Todas las moléculas ciiando son colocadas en el seno de un fluido experimentan
iiioviiiiientos de traslación de un lugar a otro en todas las direcciones del espacio; este
fenómeno recibe el iiombre de difusión. La velocidad de difusión está influida por
diversos factores como la masa de la partícula. Cnando todos los demás factores se
mantienen constante, la velocidad de difusión es una función decreciente de la masa
dela partícula, osea.la velocidiid disminuye a medida quelaniasa aumenta: por lo que
las macromoléculas exhiben velocidades niuy lentas de difiisiún; incluso existen equipos especialmente diseñados que permiten una estimación aproxinia(la de la masa
iiiolecular a partir de las medidas de la velocidad de difusión.
La diálisis es el proceso mediante el cual una sustancia disuelta en un fluidn,que
está dividido en 2 compartimentos separados por una membrana, es capaz de pasar de
un compartimento al otro hasta que la concentración se i p d e en anibos coniparliinentos.
La diferencia de conccntracidn en ambos lados de la membra~iacrea un gradiente de
potencial químico que impulsa el nio\irniento de la sustancia a través de la menil~rana:
esto es posible gracias a que la memlirana posee poros de tamaños muy pequehs, por
kis cuales lasustancia puede pasar. El gran ~olunienniolwuiar de las inacromoléculas
les impide pasar a travts de esos poros y por tanto no pueden dializar (Fig. 9.10).
Esta propiedad de las macromoléculas tiene importancia desde los puntos de vista
biológico y del trabajo experimental.
Como se sabe, los organismos vivientes presentan conipartinientos que están
separados unos de otros por membranas. Las células que son la unidad estructural y
funcional de todos los seres vivos están separadas de su entorno por la membrana
plasmática y aun dentro de las células existen compartinientos como el núcleo, las
mitoconclrias,etcbtera, que están separados por niembranas del resto de la célula.
La imposibilidad de diálisis de las niacromoléculas permite que cada célula y
cada compartimento subcelular posea su propia dotación de niacromoléculas, sin obligación de compartir el co~ijuntototal de macroinoléculas del organismo, como seria el
caso si estas sustancias atravesaran libreniente las niembranas.
Desde el punto de vista experimental la diálisis se usa en la purificación de
macromoléculas de contaminantes de baja masa molecular. Para ello la preparaciún
que contiene la niacromolécula que se está purificando se coloca en una bolsita de
celofán y ésta en un recipiente por donde fluye agua; se genera así un gradiente de
potencial químico para cada una de las sustancias que están disueltas dentro de la
bolsita que las inipulsa a salir de ella; pero comoel líquido en el exterior está fluyendo,
laconcentración en él deesasustancia essiempre cero y por muchasustancia quesalga
las concentraciones en ambos lados del celofán no logran igualarse, sólo la
macroniolécula no sale. Con un tienipo de diálisis lo suficienteniente prolongado
íuiias 24 h) se puedc lograr un grado de purificación aceptable.
Sedimentación
La física establece que el peso de uiia sustancia es igual al producto de so masa
inercia1 por Ia aceleración de la gravedad. Cuando sustancias niuy pesadas se colocaii en
un fluido, con el transcurso del tienipo tienden a ir hacia el fondo del recipiente, o sea,
sedimentan. Si se toma un poco de arena y .se dispersa en agua, a l poco tiempo casi toda la
arena Iiahrásedimentado. Si se quiere aumentar la velocidad de sedinientación se puede
colocar el recipienteen tina centrífuga y hacerlo girar agran velocidad: citosedebe a que
el movimiento giratorio que realiza la centrífuga incrementa el valor del campo
gravitacional. Si en lugar de granitos de arena Iiubiera en el recipiente partículas más
pequeñas, bastaría aumentar la velocidad de la centntiiga para sedimentarlas; esto signifio?que,en principio al menos3cualquiersustancia por pequeña quesea puedeser sedimentada siempre y cuando se disponga de una centnfnga capaz de alcanzar la velocidad
iiecesarka. En estos momentos existe un límite práctico para ese objetivo y en los equipos
modernos sólo se han alcanzado velocidades suficientes para la sedinientaciúli de las
macromoléculas,por ser precisamente las niuléculas mas grandes.
En las centrífugas la velocidad de sedimentación depende de nunierosos factores,
como la forma y niasade la ~iarticula.En general la velocidad de sedimentación cs una
función creciente de la masa de la partícula. Corno unidad dc velocidad de sedimentaciún se usa el coeficiente de sedimentación S, en honor de TheSvedDerg, pionero en
este campo,quees igual a 10-'%.Mientras niiiyor sea el valor de la niasa de la partícula
niayor será el valor de S. En la tabla 9.1 se relacionan algunas macroinoléciilas biológicas con su peso molecular y su coeficiente de sedinientación.
Tabla 9.1. Masa5 n~olecularesM)y coeficiente de sedimentación (S)de alg~inasproteín;~
Proteína
Citocromo c
Mioglohina
En muchas ocasionesse emplea el valor del coeficientede sedimentación S como
indicativo de masa molecular. La figura 9.11 presenta un resumen esquemático del
procedimiento. Esta propiedad delas macromoléculastambién ha sido empleada en el
proceso de purificación.
Fig. 9.11. Centrifugarión. Una solución que
contiene "ni rnacramolécula (eírculos rojos) y otras moléculas más
pequeñas se colocan en un tubo
de centrífuga. El tubo se hace 8rar a gran velocidad, con lo cual
se aurnenfa considerablemente el
campo gravitacional. Después de
un tiempo prudencial las
mairomoléeulas han ido a sedimentarse en el fondo del tubo,
mientras las moléculas pequeñas
permanecen en solución.
P,
.
Quizás la más sobresalientemanifestación del carácter macromolecular es que
estas moléculas pueden ser visualizadas por medios ópticos especiales, como el microscopio electrónico. Con el grado de perfeccionamientoalcanzado por estos equipos ha sido posible la obtención de microfotografias, donde puede observarse la forma
de algunas macromoléculas, especialmentelas más grandes, como algunas enzimas, el
ácido desomrribonucleico. etcétera.
Los caracteres polimérico y unsonne se pueden evidenciar mediante la hidrólisis.
La adición catalítica de agua al enlace polimerizante provoca la ruptura de éste, que
con un tiempo prolongado y condiciones adecuadas puede lograrse la descomposición total del polímero en sus monómeros constituyentes.
Para la hidrólisis se pueden emplear 3 tipos de procedimiento en dependencia del
catalizador empleado, y en cada uno se obtienen resultados diferentes. La hidrólisis
puede realizarse en medio ácido para los 3 tipos de macromoléculas y es el medio más
empleado; sólo produce alteraciones de algunos aminoácidos durante la hidrólisis de
las proteínas.
La hidrólisis alcalina produce mayores alteraciones deaminoácidos y noafecta a
los ácidos desoxirribonucleicos. La hidrólisis enzimática suele ser parcial, pues la
especificidad de las enzimas no le permite a éstas actuar sobre todos los enlaces presentes en una molécula. Aun cuando nin guno de estos procedimientos por separado permite en todos los casos la hidrólisis total de la macromolécula,una adecuadacombinación de todos ellos puede dar los resultados deseados.
Difraea6n de rayos X
La técnica más empleada para el estudio de la estructura tridimensional de las
marromoléculas esla cristalografiade rayos X; para su empleo se requiere la obtención
de la macromolécula en estado cristalino y después el cristal obtenido se somete a la
acción de los rayos X durante un tiempo prolongado (72 h). Durante su recorrido por
el interior del cristal la trayectoria de los rayos se desvía por los núcleos delos átomos
que componen el cristal y esa desviación es mayor mientras mayor sea el tamaño del
núcleo. Una vez que los rayos X atraviesan el cristal van a incidir sobre una placa
recubierta de una emulsión fotográfica que se vela por la incidencia del rayo. Las
placas se cambian cada un número de minutos fijadosde antemano, además, durante
ese tiempo el cristal se hace girar de forma que se obtienen vistas desde diferentes
ángulos. Al concluir el experimento se obtiene una colección de placas con numerosos
Diintos que indican los sitios donde incidieron los rayos X desviados, comose muestra
en la figura 9.12.
E1 análisis de estos puntos para deducir la estructura tridimensional es extreniadamente comple,joy en los primeros años de aplicarse esta técnica podía dorar rncses,
pero hoy los cálculos se hacen niuclio ni5s rápido con el empleo de las computadoras.
Las imágenes que se obtienen presentan un nivel de resolución de varios nanónietros,
cuando se dice que una imagen tiene un nivel dc resolución de un nanóinetro, esto
significaque2 puntosque estén separados por una distancia menor que un nanómetro,
en la figura se verán como uno solo. Hoy di¿ se cuenta con u11 huen núniero de
macromoléculas estudiadas por este procediniiento.
Métodos empleados en el estudio de las macromoléculas
Numerosos son los métodos empleados en el estudio de las macronioléculas de los
cuales sólo se esbozarán los principales. Lo primero es separar la inacroniolécula del
resto de los componentes celulares, después purificarla lo más posible y, por último,
caracterizarla. A continuación se describirácómo se lleva a cabo cada etapa en líneas
generales.
1. Seleccionar el material biológico con el cual se ha de trabajar; se obtiene algún
fragmento deun tejido de un organismo viviente que sea particularmente rico en la
macroniolécula que se pretende purificar. Cuando se trata de macromoléculasmuy
especificas se debe obtener el organismo que la sintetice, aunque no sea muy rico en
ella.
2. Poseer un método que permita siempre localizar dónde está la macromolécula que
se pretende purificar; esto es necesario, pues en general todos los procedimientos
de purificación consisten en separar la preparación original en2 o más fracciones,
por lo que se requiere localizar en cuál de ellas está la macron~uléculade interés.
Se procede a la ruptura de las células por los métodos habituales de
homogeneización.El material biológico se puede triturar con la ayuda de un mortero
o con equipos diseñados para eso, cuyo objetivo fundamental es romper las paredes o
membranas celulares y dejar expuesto el contenido intracelular. Este proceso siempre
se realiza a bajas temperaturas, en un líquido de incubación con una composición
salina adecuada y un bufferque asegure la constanciadel pH durante todo el proceso.
Al material obtenido como resultado de este proceso sele da el nombre de homogenato.
Es conveniente el empleo de inhibidoresde lasenzimas que h i d m b la macromolécula
que se pretende purificar, pues una vez rnta la estructnra celular estas ennmas pueden
atacar a la macromolécula deseada.
Separación de la macromoléeula
Los métodos más usados con este propósito son la ultracentrifugación, la
cromatografia y la electroforesis.
En la ultracentrifugación el homogenato se coloca en un tubo de centrífuga que se
hace girar a velocidad elevada, con lo cual se produce un incremento notable del
campo gravitacional. Bajo la acción de este campo las moléculas pesadas son impulsadas hacia el fondo del tubo, con una velocidad que es una función de varios factores
como la forma y el peso molecular. Al final el homogenato queda dividido en 2 fracciones: el sedimento y el s0brenadante.E~necesario entonces localizar en cuál de ellas se
encuentra la macromolécula buscada.
Una variante del método puede ser más útil. Se procede a realizar una primera
centrifugaciún a velocidad baja para eliminar los restos de membranas o paredes celulares que deben sedimentar. El sobrenadante se somete a una nueva centrifiigacibn
pero ahora a velocidad mayor, Si la macromolécula buscada queda en el snbrenadante
se puede repetir el procedimiento a velocidad mayor aún. La lógica del procedimiento
consiste en ir eliminando los componentescelulares que noson de interés y ohtener
una preparación en la cual la concenkación de la macromolécula buscada sea cada vez
mayor.
Otra variante del método permite obtener mejores resultados. Si a la soluciún
donde va a centrifugarsese le añadeuna molécula pequeña de rápida difusión, como el
CsCl o la sacarosa, ésta se distribuye en el tubo y crea un gradiente de densidad. En
esas condiciones los componentes iiiacromoleculares del homogenato se moverán en
el tubo de centrífuga hasta qne su densidad coincida con la del medio. Moléciilas con
diferente densidad se equilibrarán en diferentes posiciones y se pueden obtener con el
sencillo procedimiento de perforar el fondo del tubo y recoger pequeñas alícuotas de
la solución.
142
fMnqairrPnca Mádicn
de esperar que sólo con el empleo de la ultracentrifugación no se logre la
puficación total de la macromolécula y se recurre entonces a la cromatografía.
En la cromatografia, la fracción obtenida por ultracentrifugación, que contiene la
macromolécula, se adsorbe sobre un sólido embebido en un solvente adecuado y
,empaquetado» en un cilindro de vidrio de manera que se forme una columna. El
&do empleado, la longihid y el diámetro de la columna dependen de la macromolécula
purificar. Una vez depositada lamuestra en la columna se hace pasar
quese
solución apropiada
para separar los componentes de la mezcla. Este procedimieo- to recibe el nombre de elusión y al líquido que sale de la columna se le da el nombre de
&ato. Pequeñas alícuotas del eluato se van recolectando en tubos de ensayo, de
manera que al finalizar, se pueden tener varias docenas de estos tubos. Un registro
general, como puede ser la absorción luminosa en determinada longitud de onda,
indica dónde se encuentran las macromoléculas del mismo tipo de la que se está
purificando. Si los resultados son llevados a una gráfica se obtiene una curva con
vanos picos (Fig. 9.131.
Fracción del civaiu
Fig. 9.13. Cromatografia. En a), a In irquierda se vc una columna que eontienc un soporte sólido
sobre el cual se ha colocado una solución que contiene varios componentes. Ir.1 tubo está
conectado a un recipiente que contiene una siiluribn para la elusión. A medida que el
liquido del recipiente superior pasa a trav& dc lii coliimna arraslra consigo los componentes
de la mezcla, a vciacidades diferentes, can lo cual Fe logra sir scpararibn. En b) se miicstra
la gráfica formada por varias picos, la que sc obtiene cuando sc determina la concentración
de mocramoléculas en cada fraicUn del elunto. Un método específico permitirá identificar
en cuál de esos picos se encuentra la niarromolécula que se trata de purificar.
Es necesario entonces utilizar el método de identificación de la macromolécula
Para determinar en cuáles de los hibas se encuentra, pues casi siemprees en más de uno.
Los elnatos que contienen la macromolécula pueden reunirse en uno solo y realizar un
nuevo procedimiento cromatográfico, variando el sólido empleado y las condiciones
de elusión.
La electroforesis es parecida a la cromatografía, también la mezcla se adsorbe
sobre un soporte que en este caso es un gel en contacto con un bufferde pH fijo. La
fuerza que hacemover Iss partículas es un campo eléctricogenerado por una fuente de
poder, conectado a través de electrodos que están colocados en los extremos del gel.
Este procedimiento puede ser empleado en la separación de macromoléculas.
porque las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos poseen grupos químicos
ionizables que les conceden carga eléctrica. Estas técnicas están muy desarrolladas
para las proteínas y los ácidos nucleicos. La movilidad de las moléculas varía
inversamente con su masa molecular y directamente con su carga eléctrica neta.
Los geles más usados son los de agar, almidón, poliacrilamida y agarosa en dependencia de la macromolécula que se debe purificar. Paralocalizar las moléculas, el gel se
tiñe con algún reactivo específico que dé coloración visihle o sea transiluminado con
luz ultravioleta. Después de revelar la electroforesisexisten vanas bandas que indican
la posición de un número igual de macromolécnlas en la solución de partida. Hay que
emplear entonces el método de determinación específico para la macromolécula buscada (Fig. 9.14).
Fig. 9.14. Electroforesis. Sohre un soporte
sólido se coloca la mezcla dc varios componentes. El soporte está
en contacto ron 2 cubetac, donde
sc ha depositado una solución huRer para mantener d pH constante. En cada cubeta está sumergido
un electrodo. Alaplicar la corriente
eléctrica los componentes de la
nlezrla se niueven según la intensidad de su carga eléctrica, y purden separarse ronio se muestra en
la parte inferior de ¡u. figura.
En muchas ocasiones las macromoléculas se obtienen en forma de soluciones muy
diluidas y es necesario concentrarlas; para ello existen equipos especiales de
ultrafiltración o puede recurrirse a la diálisis, como ya fue descrito. Para conservar la
macromolécula purificada se puede aplicar el proceso de liofilización.
Criterios de pureza
Una vez tenninado el procedimiento de purificación hay que tenerla certeza de la
pureza de la macromolécula obtenida; para ello pueden emplearse los mismos procedimientos ya descritos de purificación, pero en todos los casos se deben obtener resultados que confirmen que la macromolécnla está pura. Por ejemplo, en la
ultracentrifugación con gradiente de densidad se debe obtener una sola banda con una
densidad precisa; en la cromatografía se debe obtener un pico único, y una sola banda
en la electroforesis, asícomo de igual forma en todos los procedimientos realizados.
No existe un criterio de pureza mejor que los demás, sólo la utilización de varios de
ellos puede llevar a la certidumbre de los resultados.
Caracterizar la macromolécula significa describir sus propiedades más sobresalientes. Uno de los primeros pasos es la determinación del peso molecular, que puede
hacerse por ultracentrifugación analítica o por métodos especialesde electroforesis.
144
[email protected]
~ ~ ~se pasa
~ ual estudio
é s de la estructura tridimensional. Para el estudio de la
se utilizan varios procedimientosque son diferentes para cada tipo
de macromolécula y que serán estudiados en los capítulos correspondientes. En rela,idn con la estructura tridimensional se utilizan métodos de espectroscopia y, por
a h o , la difracciónde rayos X o la resonancia magnética nuclear que aportan elementos suficientes para el conocimiento de la organización espacial de la macromolécula.
Es conveniente la construcción de un modelo de la macromolécula para compararlo con losdatos obtenidos, de forma que se tenga una idea cada vez más aproximada
de la estructura tridimensional de la macromolécula purificada. En este momento se
puedeintentarlacorrela~iÓn
entre la estructura y la función de la macromolécula,para
ello es necesario la realización de otro conjunto de procedimientos que evidencien los
aspectos funcionales. No es el momento de describir esos procedimientos; muchos de
ellos serán estudiados en otros capítulos.
Una incógnita
Una pregunta que siempre se han hecho los investigadores es jpor qué Ias
macromoléculas son tan grandes?
Una primera respuesta tiene que ver con un aspecto fisico del problema. Los seres
vivos están formados por células separadas de su entorno por una membrana a través de
lacual se establece constantemente un flujo deagua. Este flujo estágobernado por la
presión osmótica en ambos lados de la membrana y, a su vez, la presión osmótica
depende del número de partículas disueltas. Una macromolécula por muy grande que
sea es una partícula y por tanto ejerce una presión osmótica mínima; sin embargo, ella
puede contener miles de precursores unidos, cada uno de los cuales si estuvieran
independientesse wmportarían como una partícula y generarían una presión osmótica
elevada, por ejemplo, una molécula de glocógeno puede contener unidas 3 000 moléculas de glucosa; de no estar unidas las moléculas de glucosa generarían una presión
osmótica 3 000 veces superior al glucógeno que las contiene a todas. De esta forma las
macromoléculas contribuyen a regular el flujo de agua entre la célula y su entorno.
Otro aspecto tiene que ver con la forma de funcionar de estas moléculas. El mecanismo básico es el reconocimiento molecular. Las proteínas, por ejemplo, para crear un
sitio de reconocimiento requieren dela participación de no menos de 22 aminoácidos;
para mantener en posiciones espaciales hien definidas a esos aminoácidos se requiere
el concurso de otros muchos. Si se tiene en cuenta que una misma proteína puede
poseer varios sitios de reconocimientos, entonces se entenderá por qué son necesarios
tantos precursores en su estructura. Por otra parte el ADN para codificar uno de los
rwJnoácidos de una proteína necesita de 3 nucleótidos, lo cual significa que para un
sitio de reconocimiento requiere al menos 66, pero el ADN tamhién requiere de secuencias específicas de nucleótidos que funcionan como señales que indican los puntos donde comienza y donde termina la síntesis de los ARN, así como de motivos
estructurales que sirven de lugar de unión para proteínas que controlan su actividad.
Igual sucede con otras moléculas informacionales como los ARN. En resumen que son
las características tridimensionales y multifuncionales las que condicionan el tamaño
que tienen estas moléculas, funciones que al no ser necesarias en los cuerpos carentes
de vida hacen que las macromoléculas sean componentes exclusivos de los seres
vivos.
Resumen
El aspecio m&F s o b d e n t e en la composición de los seres vivos es la existencia de las macromoléculas; éstas presentan una estructura tridimensional muy
compleja que, a primera vista, parece inaccesible al entendimiento humano. Las
t h i r a s experimentales aplicadas a su estudio en las Últimas décadas han hecho
posible idenüticar algunas regularidades en su organización estructural, lo que se
ha denominado principio de organización de las macromolénilas.
Todas las biomammoléculas presentan una masa molecular elevada que se
evidencia por su bqja velocidad de difusión, su imposibiüdad de di&¡¡, poder de
sedimentación al aumentar el a m p o gravitacional y ser visible por métodos ópticos wmo el microscopio electróniw. Todas ellas se forman por la polimerización
de precursores de la misma clase, mediante un enlace covalente que crea un eje
covalente principal, con una estruetura monótona que diferencia una
mammolécula de otra.
Por otra parte la variedad de los prenirsores c m una zona de diversidad que
diferencia a una macromolénila de otra del mismo tipo. Los diferentes procedimientos de hidróllsis pueden separar los precursor& comprobando el &cter
polimérico y el uniforme. Las macromoleeulas presentan estruchu9s espaciales
que, si se forman por interacciones entre los elementos de la zona monótona,
tienden a adoptar formas regulares con patrones bien establecidos como los
plegarnientos y las hélices, pero, si dependen de la zona variable, tienden a hacerse
irregulares y conñeren a la macromolécula una estructura tridimeosional única.
Los experimentos de desnaturaüzación y renaturaüzación wnñrman que en
la mayoría de los casos la estructura tndimensional está determinada por la estructura primaria. A estos niveles estructurales está asociada la información
moleeular, que puede ser de tipo secuenaal o conformacional,esia última, opera
mediante el mecanismo del reeooocimiento molenilar. Las macromolénilas tienden a agregarse formando estructuras supramacromoleculares de una gran complejidad, lo que permite la realización de funciones muy especializadas.
Para el estudio de las mammoléculas se emplean numerosos métodos, que
consisten en la obtención de un hornogenato a partir de un material biológico, que
después se va fraccionando por ulíracentrifngación, cmmatograña y electmforesis
hasta tener la macmmoléeula en estado de pureza La caracterización estructural
comienza con la determinación del peso molecular, seguida del estudio de la estructura primarla y de la organización iridimensional. La wnstrueeión de modelos a
partir de los datos experimentales permite aproximarse cada vez más a la estructura real de la macmmoléeula y comenzar la correlación entre la estructura y la
función.
La organización molenilar en forma de macromoléfulas le proporciona a los
seres vivos determinadas ventajas como: la regulación del flujo de Líquidos entre el
organismo y el entorno, así como la realización de funciones múltiples que w n
estructuras más simples no se lograrían.
Ejercicios
1.¿En qué orden de magnitud se encuentra el peso molecular de las macromoléculas?
2. ;Qué significaque las macromoléculas tienen carácter polimérico? ¿Cuál es la
importancia de ese carácter?
3. ¿Por qué se dice que la5 niacromoléculas tienen carácter unifornie?
4. ¿,cómopueden demostrarse experimentalmente los caracteres poliinérico y
uniforme?
5. Una estructura biológica está compuesta de 2 subunidadesde 8 S y 14 S, respectivamente. ¿,Alcentrifugar la partícula completa debe obtenerse un coeficiente de
sedimentación de 22 S? Explique su respuesta.
6. ¿Por qué cree usted que como regla, las macromoléculas biológicas no presentan
ramüicacioues?
7. ¿En quéconsiste la información molecular y cuáles son sus formas principales?
8. ¿Pudiera una niacromolécula que no tenga informaciún secueiicial poseer información conformacional? :.Sería válido igualmente el caso contrario?
9. ¿En qué consiste el fenómeno de reconocimiento niolecular? ;Con cuáles de los
tipos de inforniación molecular está vinculado directamente?
10. La tendencia a la agregaciún es unacaracterística general de las macromoléculas.
¿La existencia de las nucleoproteínas, glicoproteinas y lipoproteíiias no contradice el carácter uniforme de las macromoléculas? Explique su respuesta.
11.Si usted desea purificar una macroinolécula, cuáles son los requisitos previos que
debeconocer antes decomenzar el procedimiento.
12. En los3 capítulos que siguen se estudian en detalle las niacromoléculas. Cuando
estudie cada uno de ellos diseñe un procedimiento para la purificaciún de una
proteína,de un ácido nucleico y de un polisacárido.
Los glúcidos son las biomoléculas más abnndantes en la naturaleza, en particular
los polisacáridos cuyas funciones más generales son: almacenamiento, estructural y
reconocimiento.
En el reino vegetal representan la niayor parte de su peso seco, no asíen los tejidos
animales. En el hombre reoresentan menos del 1 %.
Se denominan polisacáridos aquellos polímeros que por hidrólisis rinden más de
10 moléculas de monosaeáridos. Oligosacáridos cuando rinden de 2 a 10 moléculas.
Los polisacáridos con función de almacenamiento son: el almidón, en los vegetales y el glueógeno, en los animales. Entre los que poseen función estructural se encuentran: la celulosa, en los vegetales; la quitina, en los artrópodos, y los
glicosaminoglicanos,en los vertebrados. Estos últimos confieren protección y soporte
a las células, tejidos y órganos. Los que fornian parte de las membranas biológicas
tienen función de reconocimiento;participan tanto en el reconocimiento interccliilar,
como en el de sustaucias ajenas al organismo. Cuando se alteran los mecanismos de
reconocimiento, pueden dejar de identificarse como propias determinadas moléculas
del organismo.
Las importancias biológica y médica de los polisacáridos,justificanel estudio de
sus estructuras. funciones y ubicación.
Un oligosacárido está constituido por diferentes monosacáridos, generalmente
sustituidos, unidos mediante diferentes enlacesde los tipos a J. P; ambas características determinan su secuencia informacional, por ejemplo, 3 hexosas diferentes, enlazadas por enlaces glic.osídicos diferentes, pueden formar más de 1000
trisacáridos diferentes.
A pesar de ser millones las posibilidades teóricas que predicen la existencia de
moléculas diferentes de oligosacáridos,en la realidad existe un número limitado,conio
consecuencia de la especificidad y poca variedad de las enziinas que los sintetizan.
Los oligosacáridos, moléculas que poseen desde 3 hasta 10 monosacáridos, casi
siempre aparecen unidos a proteínas y a lipidos, formando las glicoproteínas y los
glicolípidos, a los cuales alteran su polaridad y solubilidad, debido a que contienen
agmpaciones altamente hidrofilicas.
Los oligosacáridos constituidos por 2 monosacáridos o disacáridos constituyen
la unidad básica estructural de los homopolisacáridos y de los glicosaminoglicanos o
mucopolisacáridos ácidos.
Los disacáridos están constituidos por2 monosacáridos unidos mediante enlace
glicosídico (capítulo 7).
Los homodisacáridos rinden por hidrólisis 2 monosacáridos del mismo tipo, a
este grupo pertenecen la maltosa, la isomaltosa, la celobiosa y la trealosa. En los
heterodisacáridos, se obtienen monosacáridos diferentes, aquí encontramos la lactosa
y la sacarosa.
Maltosa. Es un disacárido integrado por 2 moléculas de a-D-glucosa unidas por
enlace glicosídico a 1-4; es un glucósido, su fuente principal es la hidrólisis parcial
del almidón y del glucógeno, que se produce en el tracto gastrointestinal del organismo animal, durante el proceso de digestión.
Jsomaltosa. Es un disacárido integrado por 2 moléculas de a-D-glucosa unidas
por enlace glicosídico a 1-6; es un glucósido, su fuente al igual que la maltosa, es la
hidrólisis parcial del almidón y del glucógeno.
Lactasa La lactosa es un disacárido integrado por una molécula de P-D-galactosa
y otra de a-D-glucosa unidas por enlace glicosídico P 1-4; es un galactósido, porque la
galactosa brinda su hidroxilo anomérico al enlace acetálico. Su fuente es la leche,
donde existe en forma libre entre 2 y 6 %. Sólo se sintetiza en la glándula mamaria
durante la lactancia.
CH20H
CH20H
Sseanrsa.Es un disacárido formado por una molécula de a-D-glucosa y otra de
p-D-fmctosa, esta última en su forma furanósica, unidas por enlace glicosídicoa 1-2ó
p 2-1; o sea, ambos hidroxilos anoméricos forman parte del enlace acetálico, por lo que
esasu vez un a-glucósido y un p-fructósido. Su fuente principal es la caria de azúcar
y la remolacha, también está en el resto de las plantas, pero en cantidades menores. En
muchas plantas constituye la forma principal de transporte de azÓcar,desde las hojas
Es importante en la
hacia otras partes. Los animalessuperiores nola pueden sinte-.
dieta humana, usada como edulcorante.
Celohiosa Es un disacárido integrado por 2 moléculas de P-D-glucosa unidas
por enlace glicosídico P 1-4. En este caso el enlace es de tipo P, a diferencia de la
maltosa, por ejemplo. Su fuente es la hidrólisis de la celulosa.
'Ikalw.Es un disacárido integrado por2 moléculas de a-D-glucosa, unidas por
enlace glicosídico a 1-1; es uno de los principales constituyentes de la hemolinfa de
los insectos, en los que actúa como reserva energética.
CH20H
HOCH,
OH
a-D-~IUCOS~
Importan& de los disaciúidos
Los disacáridos maltosa. isomaltosa,Jactosa v sacarosa son Ihidrolizados a nivel
del intestino delgado, por enzimas disacaridasas específicas, localizadas en el borde
en "cepillo del enterocito", desde donde sus monosacáridos constitnyentes ingresan al
organismo y sirven principalmente de fuente de energía.
Son proteínas con,jiigadas, cuyo contenido glucidico puede ser desde 1% a más
de 85 Yo del peso, ya que pueden contener desde varios residuos glucídicos basta
numerosas cadenas laterales de oligosacáridos lineales o raniificados unidos por enlace covalente.
Muchas de las proteínas de las membranas plasmáticas son glicoproteínas, por
ejemplo la glicoforina dela membrana eritrocitana y el receptor de insulina; también
son glicoproteínas algunas hormonas, como la goiiadotropina coriónica y todas las
proteínas plasmáticas de los humanos, excepto la albúmina. En el caso de las
glicoproteínassoluhles,la cadena oligosacárida de la mayoría termina en ácido siálico.
La pérdida del ácido siálico determina el reconocimiento por receptores hepáticos
específicos de estas asialoglicoproteínas, su captación y posterior degradación
intralisosomal.
Por ejemplo,la ceruloplasmina es una sialoglicoproteína plasmática que transporta cobre; la pérdida del ácido siálico la convierte en una asialoglicoproteína, que
permite su eliminación de la sangre por ser un probable signo de envejecimiento
molecular que determina su destrucción y posterior reemplazo.
En otros casos, durante la síntesis de proteínas, la unión de un oligosacárido en
particular eslo que va a determinar su destino ulterior, que puede ser hacia un organelo
subcelular específico o en la superficie externa de la membrana plasmática; por ejemplo, la adición de manosa-6-fosfato al extremo de la cadeua oligosacárida de determinadas glicoproteínas enzimáticas condiciona que sean transportadas a los lisosomas.
Principales funciones de las cadenas de oligosacáridos en las glicoproteínas:
1. Modulan propiedades fisico-químicas como solubilidad, viscosidad, carga y
desnaturalización.
2. Protegen contra la proteílisis (intra y extracelular).
3. Intervienenenla inserción dentrodelas memhranas,en lamigración celular,distribución y en la secreción.
4. Intervienen en el desarrollo embrionario y en la diferenciación (interacción entre
células normales).
5: Pueden intervenir en los sitios de metástasis, proliferación cancerosa en tejidos
diferentes al portador del cáncer primario (interacción entre célula normal y célula
cancerosa).
Existen enfermedades por deficienciasgenéticas en la actividad de glicoproteiiias
hidrolasas lisosómicasespecíficas; entre ellas se encuentran la nianosidosis,fucosidosis
y sialidosis, que tienen como denoniinador común el retardo mental. Otro ejemplo es
la enfermedad de células 1 , los pacientes no poseen la enzima que añadc la
manosa-6-fosfato a las enzimas lisosoniales; estas glicoproteína~,al no poseer la señal
de reconocimiento, no pueden ser orientadas correctamente, por lo que los lisosomas
deestos pacientes carecen de casi la totalidad de sus enzimas.
En los gangliósidos, los oligosacáridos constituyen la parte polar de su cabeza
(capítulo 13). Estos oligosacáridos también son informacionales y contienen ácido
siálico; al formar parte de los Iípidos de las membranas plasmáticas pueden ser importantes en la comunicación, el contacto intercelnlar, formando parte de receptores celulares y como antígenos, por ejemplo, los grupos sanguíneos ABO (capítulo 63).
Los polisacáridos son polímeros de monosacáridos unidos mediante enlace
glicosídico, poseen peso molecular elevado, son estables en medio acuoso y, a diferenciade los ácidos nncleicos y las proteínas, no tienen un número exacto de monómwos.
Difieren entre sí en el tipode monosacárido que lo constituyen y el tipo deenlace que
los une, en la longitud de sus cadenas, en el grado de ramificación y en su fnnciún
biológica. Se clasifican en homopolisacáridos y heteropolisacáridos.
Los homopolisacáridos son polimeros del mismo monosacárido; entre los principales se encuentran: el almidón, el glucógeno, la celulosa, la pectina y la quitina.
Almidón. El almidón está formado por 2 tipos de polímeros: la amilosa, de 15
a 20 % y la amilopectina,de SO a 85 %.
La amilosa es un polímero lineal largode a-D-glucosas unidas mediante enlace
glicosídico del tipo a 1-4,Io cual determinan que adopten una estructura helicoidal,
cuyo peso molecular puede variar desde unos pocos millares hasta 500 000.
La amilopectina es un polímero ramificado, cuyo peso molecular puede llegar
hasta 100 millones; los residuos sucesivos de glucosa están unidos por enlaces
s
puntos de ramificación medianglicosídicos a 1-4;pero cada 24 a 30 ~ s i d u oexisten
te un enlace glicosídico del tipo a 1-6.
Esta tnolécula se encuentra muy hidratada porque sus abundantes grupos
hidroxilos, expuestos, forman puentes de Iiidrógeno con el agua.
Cadena principal a( 1-4)
Función. Es el polisacárido de reserva de energía más importante en las cGlulas
vegetales. La mayor parte de estas células tienen un conjunto enzimático que Ics
permite sintetizar el almidón, especialmente abundante en tuhbrciilos como la papa y
en semillas como el maíz; constituye uno de los glúcidos más ahuudante en la dieta.
Gluwgeno. Es un polímero ramificado, con peso molecular de varios millones,
cuyo precursor es la a-D-glucosa que se unen por enlace glicosídico a 1-4, lo que
permite el crecimiento del polímero en sentido lineal y por enlaces glicosídicos a 1-6,
que facilita el establecimiento de ramificaciones cada 8 ó 12 residuos monosacáridos
(Fig. 10.1). Al ser una moléculamuchomás ramificada que la amilopectinaes mucho
más soluble; puedecontener hasta 10 % de glucosainina.
a)
Región extcnor
5
5
5
5
5
5
5
5
5
i,r
5
4
4
4
4
5
5
4
Región
interior
Fig. 10.1. Estructura del glueógetio. a) Estructura pcneral. H = único rcsiduo de glucosa que tiene el 011
anomériio ( C , ) libre (cn violeta). Los residuos señalarlos en
roja tienen el OH d d C, libre.
1.0s números se refieren al orden
rii que las raniilirariories se van
desarrollando. 1.0s residuos sr.
ñalados en azul son los puntos
de ramifiracióu. h) Aniplificación de la estructura en un punto
de ramiflcación.
Estructura supramacromolecular. Con el microscopio electrónico fue posible
observar que las partículas de glucógeno tienen 3 niveles deorganizaciÚn,cada uno
de elloscon una morfología y tamaño característicos. Lns unidades más grandes, las
partículas a, son esferoidales y miden entre 50 y 200 nm, con un promedio de 150 nm.
Estas partículas están formadas por unidades más pequeñas, -las partículas B, redonda5
o poliédricas y con un diámetro de 30 nni. En el interior de las partículas P existeuna
estmctura más fina, las partículas y, constituida5 por bastones de 320 nm. Las diferentes unidades del glucógeno se disocian por la acción de ácidos.
Función. Es el Iiomopolímero de reserva más importante en la5 células animales.
El almacén de glucágeno es limitado; es especialmente abundante en el te,jido hepático, hasta el 10 á 12 % de su peso húmedo, y en el múseulo esquelético hasta el 2 %.
Celulosa La celulosa es un Iiomopolímero lineal, cuyo precursor, la B-D-glucosa
está unida mediante enlaces glicosídicos del tipo B 1-4.
L a conforniación más estable es aquélla en qne cada precursor se halla girado 1 8 0
con respecto al precedente formándose una cadena recta y extendida.
Varias cadenas adyacentes pueden forniar una red estabilizada por puentes de
hidrógeno intercateiiarios, que da lugar a fibras supramacromoleculares lineales y
estables de gran resistencia a la tensión.
Esta sustaneia fibrosa, resistente e insoluble, por lo que posee función estructural,se encuentra en las paredes celulares de algunas plantas, en particular tallos, troncos y en todos los tejidos vegetales.
Peetina JMAforinada por ácido D-galacturónico unido por enlace glicosídico
cr 1-4, contiene mucbos carboxilos en forma de metilésteres.
COOH
COOH
Función. Presenteen las frutas,forma geles con la sacarosa. Por ser muy porosa,
adsorbe gran cantidad de sustancias tóxicas. Facilita la coagulación de la leche en la
cavidad gástrica, en forma de grumos pequeños y blandos. Por ser hidrófilas, contribuyen a la formación de un bolo fecal más voluminoso. Ayuda a restablecer la flora
intestinal al favorecer la germinación intestinal de algunas especies bacterianas antagónicas a las patógenas. Por estas propiedades se usa con alguna frecuencia en el
tratamiento de varios tipos d e diarreas infantiles y determinadas colitis del adulto.
Qu¡t¡na Es un homopolímero lineal cuyo precursor es la N-acetil-D-glucosamina,
unido mediante enlace glicosídico de tipo 1-4; este precursor es una B-D-glucosa
que tiene en C-2 nn grupo amino acetilado, en vez de un hidroxilo.
Es el componente principal de los exoesqueletos duros de artrópodos como: langostas, cangre,jos, insectos, hasta completar un millón de especies, lo que lo hace el
segundo polisacárido más abundante en la naturaleza.
'
NH
I
c=o
I
CH,
N- acetilglucosamina
eo
O
4~~
NH
I
I
c=o
CH3
N- acetilglucosamina
Las células bacterianas poseen unamembranaexterna protectora y una membrana
plasmática interna; entre ambas membranas se encuentra una capa fina y resistente de
peptidoglicanos, que le confiere a la célula su forma y rigidez características. Un
peptidoglicano está formado por un heteropolisacárido unido por enlace covalente a
cadenas peptidicas.
R I polisacárido está constituido por unidades alternas de N-acetil-glucosamina
y ácido N-acetil-murámico unidos por enlace P 1-4. Estos polímeros tienen una
conformación extendida, consecuencia del enlace P, y los péptidos a él unidos
permiten el entrecruzamiento de varios polimeros mediante enlaces de tipo
covalente (Fig. 10.2).
Fig. 10.2. Peptidoplirano de la pared celular de la bacteria pram-positiva
Staphyloroeeits aureus. L o s
ptptidos (en verde y roja) se unen
por cnlare tovalenke al árida
N-acdil-murámira y entrelazanlas
2 cadenas de heteropolisacáridos.
Los péptidm están constituidos par
D y L aminoácidos. laoglu se reliere al isoglutámico, quc forma el
cnlace peptidico a través dcl griipo y carboxilo de la cadena latcral. GlcNAe son las iniciales d d
N-aretil-glucosaniina y MurNAc
las del N-aielil-murániica.
La enzima lisozima catalira la ruptura de los enlaces P 1-4 establecidos entre
estos 2 precursores. Esta enzima se encuentra en las lágrimas, donde es probable que
actúe como protección contra las:células bacterianas al destmirlas. También sintetizan
estaendma, algunos virus bacterianos,loquegarantizasuliberación desde lascélulas
huésped.
Son polimeros lineales, donde se repite un tipo de disacárido. Uno de los
monosacáridos es N-acetilglucosaminao N-acetilgalactosamina; el otro, generalmente es un ácido urónico, el glucurónico o el L-idurónico. En algunos glicosaminoglicanos
uno o más grupos hidroxilo del aminoazúcar se encuentraesterificado con un grupo
sulfato. La carga negativa que a pHfisiolÓgicopresentan el grupo carboxilo del ácido
urónico y el grupo sulfato, junto con los enlaces P que unen a los monosacáridos,
determinan que estas moléculas adopten una confomación extendida eu solución que
produce elevada viscosidad. A continuación trataremos sobre el ácido hialurónico, el
sulfato decondroitina, el sulfato de queratán, la heparina, el sulfato de dermatán y el
sulfato de heparán.
kcido hialurónico. El ácido hialurónico posee un disacárido repetitivo formado
por ácido glucurónico unido por enlace glicosídico d! 1-3a una N-acetil-glucosamina.
Esta cadena está formada por aproximadamente S0 000 disacáridos unidos por enlace
glicosídico P 1-4. Forman disoluciones claras y viscosas y se encuentran en el líquido
sinovial, humor vítreo y tejido conectivo.
COOH
Ácido P-glucur6nica
N- acetilglucosamina
Funcionesprincipales. Es lubricante en el líquido sinovial de las articulaciones.
Confiere su consistencia gelatinosa al humor vítreo, en el ojo de los vertebrados. Es
componente central de la matriz extracelular de cartílagos y tendones, en los que
contribuye a su resistencia, tensión y elasticidad. Facilita la migración celular durante
la morfogénriis y la reparación de las heridas.
Sulfato de condroitina. El sulfato de condroitina, condroitín-4-sulfato y
condroitín-6-sulfato,está formado por 20 a 60 unidades del disacárido compuesto por
la unión, mediante enlace glicosídico P 1-3, de ácido glucurónico y de
N-acetil-galactosamina-sulfato. Los disacáridos se unen por enlace 1-4. Se encuentra en cartilagos, huesos y córnea; junto con el ácido hialurónico interviene en la
compresibilidad del cartílago cuando soporta peso.
N aceul-D g a l a c r o s m n a i l ~ s u l f m
Ácida p-glucurúnico
Sulfato de queraiáu. El sulfato de queratán está integrado por el disacárido
repetitivo formado por galactosa y N-acetil-gelactosamina, unidos mediante enlace
glicosídico P 1-4. Los disacáridos se unen por enlace glicosídico '$1-3.
El sulfatode queratán 1se ubicaen la córnea y contribuye de forma importante a
su transparencia. El sulfato de queratán 11está localizado en el tejido conjuntiva laxo.
Heparina La heparina tiene como unidad repetitiva un oligosacárido de 6 residuos de monosacáridos, integrado por derivados sulfatados de D-glucosamina y del
ácido glucurónico, el cual predomina en 90 %, o ácido idurónico. Los enlaces
glicosidicos son de tipo a 1-4.
H COSO
u-D~glucosaminii
wifaiada
COOH
Ácido glucurónicu
sulfmdo
Se encuentra en gránulos en las células cebadas, particularmente abundantes en los
mvestimientos de las arterias, también en hígado, pulmón y piel. Es un inhibidor potente
de la coagulación, que se une a los factores M y XI, pero su acción más notable es cuando
activa a la antitroinbina Ill,lo cual propicia la iriactivaciónde enzimas seríii-proteasas,
como la trombina. Además causa la liberación de la lipasa de Lipoproteínas.
Sulfato de dermatán. La unidad r e ~ e t i t i v a está integrada por ácido
L-idiirónico o ácido glucnrónico y N-aceti1.D-galactosamina-4-sulfato, unidos
por enlace glicosídico P 1-3.
Junto con el sulfato de queratán, es constituyente de la córnea y contribuye de
manera importantea su transparencia. Su presencia en lacórnea ayuda a mantener la
forma del ojo.
Sulfato de h e p d n . El sulfato de heparán contiene N-acetil-glucosamina y el
ácido urónicopredominante es el L-idurónico; es menos sulfatado quela heparina; es
componente de las membranas plasmáticas, donde puede actuar como receptor y participa en interacciones intercelulares como la comunicación y la adhesividad; también determina la selectividad de la carga eléctrica en el glomérulo renal. Es componente de vesículas sinápticas y otras.
CH3
N-acetil-D.
Ácido L-iduróiiico
Un proteoglicano está formado por la unión de una molécula de proteina con
cadenas de glicosaminoglicanos. Las proteinas que se unen por covalencia a los
glicosaminoglicanos se llaman proteinas basales o núcleo.
Un proteoglicano está constituido por una cadena larga de ácido hiaiurónico, que
ocupa la posición central. Se asocia por interacciones débiles, a intervalos de 40 nm,
con muchas moléculas de proteinas núcleo (Fig. 10.3). Cada proteina núcleo tiene
unida, mediante enlace covalente, muchas moléculas de glicosaminoglicano más cortas,como sulfato de condroitina, sulfato de queratán, sulfato de heparán y sulfato de
dermatán. Cada proteína núcleo tiene unidas por enlace covalente, como cadenas
laterales, alrededor de 150 cadenas de polisacáridos. El contenido glucídico de una
molécula de proteoglicano puedeconstituir hasta el Y5 % de su peso.
Como consecuencia del gran númerode grupos hidroxilos y de cargas negativas
de las moléculas, los proteoglicanos tienen la posibilidad de hidratarse, por lo que
ocupan gran espacio, y pueden lubricara acojinar otras estructuras.
I3g. 10.3. Representación e~queniAtiiadel
agregade d r proteoglicnno. En
rojo, el Bcido hiali~rbnicu: cn iirul.
la proteína central o núilco: c8i
verde, la proteína de enlare: cii
negi-u, el sulfalu dc condn>itina ?
el sulfato dc qucratán.
(Tuniadu de Diucheiiiistry, L.
Stryer, 4ta. edición, 1995.)
1.0s proteoglicanos son moléculas extraordinariamente con~plejasque se encuentran en todos los tejidos del cuerpo, con predominio en la matriz extracelular o
sustancia basal; se unen entre sí, y a la colágena o a la elastina, intluyen en la dcterminación del ordcnainientode la matriz. También intcractúan con proteínas adhesivas,
por ejeniplo, la fibronectinay laniiniiia. Por su gran tamaño y presentar en el espacio
una estructura extendida, ocupan un volumen mayor en relacibn con las proteínas.
Los glicosaminoglicanos presentes en los proteoglicanos son polianiones, por
lo que se unen a cationes como Na' y K' y niodificanla presión osmótica, atrayendo
agua a la inalriz extracelular. Al convertirse en gel, confierena los proteoglicanos la
propiedad de servir de filtro,por lo que de,jan pasar nióleculas pequefias por difusión
relativaniente lihre.
Tanil>iéiise encuentran ut>icadosintraceliilarine~ite;en el núcleo celular su función es aún desconocida.En algunos gránulos de alinacenaniiento o secretores, como
en los gránulos croinafines de la iiiédula suprarrenal forman parte del mecanismo de
lil)eracibn del contenido de éstns.
Resumen
Los polisacáridos son las biomoléculas más distribuidas en la nahiraleza, cuyas funciones más generales son la de almacenamiento, estructural y de reconocimiento.
Los oligosacáridos pueden estar integrados por 2 y basta 10 monosacáridos,
generalmente sustituidos, unidos mediante enlaces gticosídicm del tipo a ó P.
Los disacáridos están formados por 2 monosacáridos i b d e s o diferentes. La
maltosa, la isomaltosa y la celobiosa están formados por unidades de D-glucosa.
La lactosa está formada por una P-D-galactosa y una a-D-glucosa, y la sacarosa está formada por una a-D-glucosa unida a una p-D-fmctoSa.
Son giicoproteínas muchas de las proteínas de las membranas plasmáticas,
algunas bormonas y todas las proteínas plasmáticas, excepto la albúmina. Entre
sus funciones principales se encuentran que modulan propiedades ñsico-quúnieas y
protegen contra la proteólisis intra y extracelular. Intervienen como señales en el
destino intracelular de muchas proteínas y en las interacciones céluia-célula.
Los polisacáridos contienen más de 10 monosacáridos, pueden ser
homopolisacáridos, si todos sus monosacáridos constituyentes son iguales o
beteropolisacáridos si son diferentes. El glucógeno es un homopolímero de
D-glucosas unidas mediante enlace glicosidico a 1-4, ramificado mediante uniones a 1-6 cada 8 a 12 residuos. El almidón está formado por 2 poümeros, la
amilopectina, que se diferencia del glucógeno en que se r d c a cada 24 ó 30
residuos y el de amilosa que es lineal. Ambos son reserva de energía en los animales
y en los vegetales, respectivamente. La celulosa es un bomopolisacárido lineal
donde las D-glucosas están polimerizadas mediante enlace acetáüco del üpo P 1-4.
Existe en los vegetales donde cumple función estructural, al formar fibras resistentes e insolubles. La pectina está formada por ácido D-galacturónico unidos por
enlace a 1-4; forma geles con la sacarosa, es muy hidróíiia y ayuda a restablecer la
fiora intestinal, por lo que se usa en el tratamiento de algunos tipos de diarreas
infanüies.
Entre los beteropolisacáridos tenemos a los glucosaminoglicanos o
mucopolisacáridos, formados en general por un disacárido, constituido por una
N-acetil-glucosaminao por una N-acetil-galactosamina unida al ácido glucurónico
o al ácido-L-idurónico. A este gmpo pertenecen el ácido hialurónico, el sdfato de
condroiüna, el sdfato de queratán, la heparina, el sulfato de dermatáo y el sdfato
de heparán. El ácido hialurónico se relaciona con el profeso de reparación de las
heridas, junto con el sdfato de condroitina interviene en la comprsibüidad del
cartüago. Las d a t o s de queratán y de dermatán mnMbuyen de manera importante a La transparencia de La córnea. La hepariaa es un potente anüeoagulante y el
sulfato de heparán es un mmponente importante de las membranas plasm4ticas
cuya hinción se relaciona m n el reconocimiento celular y m n las interaeeiones
intereelulares.
Las pmteopiieanm se forman por La unión entre una mol6nila de pmteína y
lm glieosaminoglicanos. Son moléculas extraordinariamente mmplejas, que se
ennientranen todos lm tejidos del cuerpo, m n predominio en La matriz extracelular
donde M u y e en su ordenamiento.
1.Demuestre que se cumple el carácter polimérico en los polisacáridos.
2. Compare al almidón y al ácido hialurónico en cuanto a los principiosdeorganización de las macromoléculas.
3. Compare estmcturalmente al almidón y al glucógeno.
4. Realice un estudio del glurógenodonde demuestre la relación estmctura-función.
5. Realice un estudio de la celulosa donde demuestre la relación estmctura-función.
6. Demuestre si los oligosacáridos que forman parte de las glicoproteínas son informacionales o no.
7. Realice una tabla dondecompare losdiferentes homopolisacáridos sohre la hase de
sus semejanzas y de sus diferencias.
8. Realice una tabla comparativa entre los diferentes glicosaminoglicanoso mucopolisacáridos ácidos.
9. Explique la importancia funcional de los polisacáridos.
Los ácidos nucleicos constitoyen la segun<laniacroniolécula de iniportancia hiológica después de las proteínas. y sus funciones están niuy relacionadas con estas
últimañ. Como iiiacroinoléculas, presentan las características estructurales coniunes a
todas ellas, conio ya fue esludiado en el capítulo 9, pero tienen aspectos que son
exclusivos de ellas.
Las funciones de los ácidos nucleicos están relacionadas con el funcionamiento
del aparato genético celular, o sea, con el conjunto de molécnlas y niecanisnios que
garantizan la trasmisión y expresibn de los caracteres hereditarios de geiieracibn en
generación y, por tanto, son de un gran valor en la perpetuación de las especies.
El descubriniiento de su estructura fue uno de los más iniportantes hitos de la
biología conteniporánea, y de ello hace apenas algo más de 40 anos. Desde entonces,
miiclios son los datos que han enriquecido el conociiniento de la eslrnctiira y las
funciones de estos compuestos, de forma tal, que en nuestros días existe una imagen
bastante aproximada dc ellas.
Dos son los tipos principales de ácidos iiucleicos que se diferencian, tanto estructural como funcionalniente: los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) y los ácidos
ribonucleicos (ARN). De cada uno de ellos existen diferentes subtipos. Ainhos surgen
conio consecuencia de la polinierización de unidades estructurales más sencillas, denominadas nncleótidos, que ya fueron estudiados en el capítulo 8. Presentan estructuras tridiniensionales coniple,jasniuy relacionadas con las funciones que realizan y son
portadores de información iiiolecular.
Tipos y funciones
Desde el punto de vista funcional los ADN cuiii~ilcnsólo la tuiicióii de ser los
reservorios celulares de la inforniación genética, en tanto los ARN pueden realizar
funciones diferentes, aunque todas ellas relacionadas con la síntesis y prncesaniiento
de proteinas. Entre estas funciones tenemos:
1.Dirigen la síntesis de proteinas en el proceso de la traducción, con;o se estudiará en
el capítulo 30.
2. Forman parte de la estrnctura de los ribosoinas y parecen tenerallíuna participacibii
funcional importante. Este aspecto será estudiado en detalles en el capítulo 29.
3. Preparan a los amin&cidos para la síntesis de las proteinas y los transfieren al
ribosoina, como se verá en el capítulo 30.
4. Algunos ARN participan en el procesamiento de otros ARN. El estudio de esta
función se realiza en el capítulo 27.
5. Participan en el proceso de secreción de proteínas, como se verá en el capítulo 29.
6. Algunos ARN presentan cierta actividad catalítica por sí y otros contribuyen a la
actividad catalítica de las proteínas. Este aspecto sedesarrolla en el capítulo 25.
7. Actúan como "chaperonas" moleculares en el procesamiento de algunos ARN
transcritos primarios. Esta función será abordada en el capítulo 27.
8. En algunos organismos (virus) son los portadores de la información genética capítulo 78.
Por razones de índole didáctico en este capítulo se estudiará primero la estructura
de los ADN y después la de los ARN, se resaltarán siempre que sea posible sus analogías y diferencias.
ADN como material genético
En 1928, Frederick Griffith realizó un experimento singular; para ello utilizó el
Diplococcus pneumoniae, una bacteria que es el agente causal de algunos tipos de
neumonía. Al crecer en un medio de cultivo las colonias de estas bacterias tienen un
aspecto liso (L), pues están encapsuladas por un polisacárido gelatinoso que contiene
el antigeno mediante el cual reconoce a las células que infecta. Un mutante carente de
esa cubierta y, por tanto, no patógeno forma colonias rugosas (R).
Grifith inyectó ratones con bacterias L muertas por calor y R vivas. De manera
sorpresiva los ratones morían por neumonía, pero más sorprendente fue el hecho de
que en la sangre de los ratones se encontraron bacterias L vivas, las cuales al ser
dtivadas originaban bacterias de tipo L. Estos resultados suponen que l s bacterias L
transformaron a las R y que esa transformación tenía carácter permanente.
En busca de la naturaleza química de ese principio transformante, en 1944 Oswald
Avery, C o h MacLeody Maclyn McCaríyenmntramn que el principio transformante
no se afectaba por el tratamiento con tripsina, qnimotripsina o ribonucleasa, pero era
totalmente inactivo después de su exposición a la acción de las desoxirribonucleasas;
por tanto, el principio transformanteera el ADN. Este resultado no fue aceptado con
simpatía por la comunidad científica. En esa época se pensaba que el ADN tenía una
estructura tan simple que era incapaz de servir como portador de la informacióngenética.
En 1952, AífredHershey y Marta Chase hicieron c m r el fago T2 en un cultivo de
ikhenchia mtique conte~a"Py '=S.De esta forma las proteínas del virus eran marcadas
con el
mientras el ADN lo era con el3'P. Se transñnó el fago hacia un cultivo de E. coli
con medio no radiactivo y, después de un tiempo suficiente para producirla infección, el
cultivo fue agitado vigorocamenteenunalicuadora doméstica parasepararlaspahculas
virales de la bacteria. La preparación se centrifugó en condiciones que facilitaban la
sedimentación de las bacterias y que los materiales menos pesados quedaran en el
sobrenadante. El análisis radiactivo mostró que la mayor parte del "S quedaba en el
sobrenadante,mientras casi todo el"Pse recobraba en el precipitado. Además, mienWa
en la progenie del virus sólo aparecía el 1% del "&en éstaseconservaba más del 30 % del
"P. Hershey y Chaseconclnyemn que sólo el ADN era esencial para la reproducción del
virus y, por tanto,debía ser el material genético.
En 1953, JmesD. Watson y FrancisH. C. Crkkpmpnsiemn un modelo molecular
para el ADN basados en estudiosde cristalografia de rayos X, que ha sido corroborado
suficientementecon posterioridad. Este modelo no sólo permitía comprender cómo el
ADN podía servir de reservorio de la información genética, también sugería el mecanismo básico para la trasmisión de esa información de una generación a otra. De esta
forma quedó firmemente establecida la idea de que la molécula portadora de la información genética es el ADN.
primaria de los ADN
~n el estudiode las macroinoléculas el concepto deestructura primaria se refiere
al orden o sucesión de los precursores en la cadena polimérica. Estos precursores se
unen por medio de enlaces covalentes que suelen ser los más fuertes entre todas las
interacciones que contribuyen a mantener la estructwa tridiiiiensional de las
macromoléculai. La estructura primaria de los ADN se define como el orden o sucesión
de los desoxinucleótidos a lo largo de la cadena polinucleotídica. Ahora bien, como
quiera que de los 3 conipoiieiites del desoxini~cleótidosúlo existe variación en la Irase
nitrogeiiada, se acostumbra hablar de la sucesión de las bases y no de los
desoxinuclebtidos. Los desoxinucleótidos se unen por los Iiidroxilos de C3' y C5'
mediante un grupo fosfato; este grupose esterifica hacia ambas posiciones, por lo que
el enlace recihe el nombre de 3 , 5-fosfodiéster, con lo cual se origina una cadeiia
lineal,osea. carente de ramificaciones, una característica que es común a casi todas las
macromoléculas; la figura I l. I representa un pequeñosector de una Iiehra de ADN.
Si se observa una cadeiia polinucleotídica se verá que todos los desoxiniicleótidos
están unidos a otros 2 (uno por su C3' y otro por su C 5 )excepto los extremos. En un
extremo sólo está comprometido cn el enlace fosfoditster el C3-01-1,mientras que el
grupo fosfato dc la posición CS está libre; en el otro extremo es el CN - 0 H el que se
encuentra libre; esto significa que los 2 extremos de la cadena son diferentes, por eso
se dice que la cadeiia poliiiucleotídica tiene polaridad. Se define como el primer
Componente de la cadeiia al desoxiiiuclebtido que tiene libre el fosfato de la posiciún
mlp u.1. Composición de
bases del ADN de algunas especia
-
Especie
A
~aeteiiófago
T4
323
Eseherichia coLi
24,7
Nwrosporacrassa
n,O
'liad
29,Y
Zariahma
26.7
Eirizodemar
28.4
Langosta
293
Salmw
28,9
lhrha
2Y,7
mdemar
28,7
GaDh
28,O
Ra$
28,6
Buey
29,O
Oveja
293
Hmnbrt
3O,4
' Incluye tanto a la citasina como a su derivado nictilado, la 5-metil eitasina.
* Todo en forma de 5-hidroximetil citasina.
Conf'ormaci6n de los nucleótidos
La estructura de los nucleótidos fue estudiada en el capítulo 8; ahora pretendemos hacer un breve análisis de las característicai espacialesde estos compuestos (las
relacionesentre sus componentes) que influyen de forma importante en la estructura
tridimensional de los ácidos nucleicos, en especial de los ADN; por tanto es conveniente que el lector refresque el contenido del capítulo 8 antes deseguir adelante.
Relad6n base pento~a
-
Tantoen los ADN como en los ARN la base nitrocenada está unida mediante un
enlace N-glicosídico al carbono 1de la pentosa. Como se trata de un enlace simple
debía existir una rotación relativamente libre de los anillos alrededor del enlace, pero
existen factores como el volumen de los ciclos que lo impiden. De acuerdo con la
posición relativa de la base y la pentosa, en relación con el enlace, pueden derivarse 2
conformaciones:la syn y la anti.
En el orimer caso las 2 estructuras cíclicas se disnonen del mismo lado del enlace.
mientras en el segundo se disponen en lados contrarios. Cuando las bases son de tipo
purínicas pueden adoptar cualquiera de las 2 conformaciones,pero en el caso de las
pirimidínicasel átomo de oxígeno ligado al C2 le impide adoptar la conformación syn
Y por tanto, sólo existen en la configuración anti. En la figura 113se representan estas
formas isoméricasde los nucleótidos.
Fig.1
1.3.
los nurleólas eonforniaciimes derivadar de In pnsiciún
d e Id Ihsse 1 la pcntasn alrededor
del enlace N-glirosídico. En ;S) la
atlenina en conl0riiiarión s y i y rn
1)) la giiaiiina en posición mti. En
C ) lil citosina en la única coiiforniiiciúii posilile para d a . qiic es la
anti. 1,as;ncfe rirrtilai- iiirfira cl eiri,
de 180" dado pei. la Ibarc con respecto n la pcnt<,s;i.
Fornias isoiii6riras de
tidos. Se rcpresentaii
Conformación de la pentosa
1.a pentosa presente en la estructura de los ácidos nucleicos tiene una configuraciún D y está en la forma de su anómero R. Los 5 átomos que forman el anillo de la
pentosa no se encuentran en el mismo planq, pues los sustituycntes de cada uno crean
impedinientos estéricos que impiden Ia coplanaridad; esto obliga a que al menos uno
de los átonios de carbonose encuentre fuera del plano. Si este átomo extraplauar está
orientado hacia la posición del carbono 5 sc originan las formas en&, en tanto que si
está hacia el lado amtrarioda lugar a las fornias em. En los ADN los carbonos quecon
más frecuencia se encuentran fuera del plano del anillo son el C2 y el C3', por lo cual
se pueden originar 4 conformaciones, a saber, la C3 -endo, C i -endo, C3 -cm y C2 cxo. El orden de frecueiicia con que aparecen en el ADN es C2-eiidoS3 -endo>CJ exoioiC2-endo. Otras conformaciones de la pentosa no se han reportado en el ADN. l,a
figura 11.4 muestra las diferentes conformaciones de la pentosa.
Fig. 11.4. Conformaciones de In pentasa. Se presentan las canforinaeianes de la pentasn que con
mayar frecuencia aparecen en los ADN. Obs6rvcsc cómo en las formas endo el cnrboiio
ertraplanar es16 oricntnda en la misma posición que el CS.
168
O*HFnfM& h%fkui
En la estmctura de los ácidos nucleicos las posiciones C 3 y C5'están esterificadas
en gmpos fosforilos, dando lugar al enlace fosfodiéster. La conformaciún de la pentosa
d e t e d a la orientación y separación de los gmpos fosfatos unidos a C3 y C s . Como
,puede apreciar en la figura 11.5, en la forma C2 -endo, los gmpos fosfatos se diponen
.cada lado del plano de la pentosa y separados por una distancia de 0,7 nm, en tanto
la conformación C3 -endo, ambos grupos se localizan del mismo lado del plano del
y están separados por una distancia de sólo 0 3 9 nm.
Fig. 11.5. Orientación de los griipas fasfates. La confoi-maciúndc la peiitora orienta al priipo Iosfato.
En la forma <2-endo. les arupos
. . fosfatos en C3' y C5'sc orientan hacia lados distintos dr
la pentosa y están separados una distancia de 0.7 nm, en Lanto en la C3'-endo se uhiran hacia
el misma lado, pero separados sólo por 0.59 nm.
Estas relaciones espaciales influyen de manera notable en la estructura
tridimensional de los ácidos nucleicos en general y de los ADN en particular.
Estructura secundaria de los ADN
Cuando en 1953 Watson y Crick dieron a conocer el modelo molecular del ADN,
resumieron en apenas una página de Nahrre, más de una década de trabajos de varios
laboratorios, y dieron explicación a numerosos resultados obtenidos previamente por
otros grupos. Basado fundamentalmente en el método de difracción de rayos X el
modelo consta de las características siguientes:
1. La molécula está formada por 2 cadenas poliméricas de desoxinucleótidos,enrolladas alrededor de un eje común con un giro hacia la derecha que adopta la forma de
una doble hélice. Las cadenas enfrentadas son antiparalelas y se envuelven la una
a la otra de manera que para separarlas hay que desenrollar la hélice (Fig. 11.6).
2. Las bases nitrogenadas están orientadas hacia el interior de la hélice, en tanto el eje
pentosa-fosfatoestá hacia el exterior. Cada base de una cadena se parea con una de
la cadena opuesta, brmando pares quese disponen casi perpendicularmenteal eje
de la hélice (Fie.
11.7).
.
3. El modelo ideal tiene 2 nm de diámetro con 10 pares de bases (pb) por cada vuelta
de la hélice (n), lo que representa un ángulo de rotación de 36"entre pares de bases
vecinos. Como las bases nitrogeoadas presentan un espesor de Van der Waals de
0,34 nm (d), la hélice tiene un avance (p) de 3,40 nm por cada vuelta (Fig. 11.8).
Fig. 11.6. Estructura ~erundariadel ADN.
I<squenia i-eprcsrn1;iti~odcl iiiiidrlii de \Yatwi y Crirk. Las Iiaridas ;i?ulcs representan el coiitoriio
del e,je coidentc principal hi-iiiado par In iiltwnaniii, de
<Iciouii-rihosay tosfzifo. 1.a linea
roja rcrtical rcpi-escritael eje de la
Ii6liee. ¡,os iiiin~crosindican los
entrriiii,~y se puede advertir que
11.s radcnas con aritiparalcl;,~.N tesr que las 2 Iiehras forniaii estrucluras helicoidales dereclias y
:al girai- una sobre 1;) otra no piicden wpurarv sin desenredar La
Ii6liee.
El hecho más sobresaliente de la estructura de Watson y Crick es que acomoda
sólo 2 tipos de pares de bases, los formados por A y T y los de C y G, son los llamados
apareamientos de Watson y Crick (Fig. 11.9).
Esta especificidad dc apareamiento tiene su origen en la geometríade los pares;
estos pares de hases son intercambiables, osea,se puede sustituir un par ATpor uno CG
o viceversa, sin alterar la posición del Cf en el eje pentosa fosfato. Tampoco la hélice
sealtera por invertir las bases de cada par, es decir, de manera estructnral, es lo mismo
el par Al'que el TA y también es igual el GC que el CG. Cualquier otro par de bases
distorsionaría la hélice, pues requeriría una reorientación considerable del eje pentosa
fosfato. Esta especificidad de apareamiento es el fundaniento molecular de las reglas
de Cliargaff.
La superficie dc la molécula de ADN está niarcada por la existencia de2 surcos de
diferente tamaño conio se muestra en la figura 11.8. El origen de estossurcosesti por
una parte, en el carácter aiimétrico de la desoxirribosa y, por otra, porque en cada par de
hases el borde superior es diferente al borde inferior. Si se traza uiia línea innginaria del
C I -eje de la hélice-Cl'se forman 2 ángulos diferentes: uno menor de 180", que da
origen alsurco meniir,? otro mayor que lXW, que formará el surco mayor. Aunque el
Fig. 11.7. Figura extendida del ADN. Se muestir un sector extendido dc una nioléeiila de ADN coii
las Liases piiriiiieas en rojo, las pirimidinicas en verde y el c j e covalente principal de
desoxirribosa y fosfato en azul. Observe la regularidad de la cstriirtura que sc logra con
cstos pures de bases, unidos por 2 puentes de hidr6gfno (lincas de puntos) si son adenina
[ A ) y timina (Ti, así conio por 3 cuando son guanina (G)g cilosina (C). La dispasieiún del
cjf covalente principal no cambia con los distintos pares de bases.
Fig. 11.9. <;comeiría dc Iris pares ric Iiascs
en el ADN. Arrilia el par de Ihases
adeniiui tiniina y a h q j e el par
giiiiiiina citosina. La geoineti-ia dc
anibos pares es la niisnia, aunque
lar hases de cada par cambien dc
posición, pues su ubicación con
respecto al C l ' d c la dcsoriri.ihosn
es sientprf la misma. El lado siiperior da hacia el surco mayor y el
inferior hacia el surco i~icrioi..1.a
crin dentro dcl circiilo indica la
posición del eje dc la Iiéliec.
Fig. 11.10. Patrón de formación dc puentcs
de hidrógeno. Se niuestran 2 segmentos de ADN de 4 pares de hases cada uno, mirando haciael surco mayor. Los cuadrados aziilcs
representan grupos aceptores para
In formaciiin de puentcs de hidrógeno, y los ~írculusrojos, grupos
donantes. Esta diferencia de patrones permite q u e otras
niacromeléculas. especialmente
pruteinas, puedan reconocer al
AI>N en seciiencias esperítíias de
flilse~.
surco menor es más estrechoque el inayor,amhos son casi de igual profundidad, pues
los bordes delos pares de bases quedan aproximadamente a la niisma distancia de la
superficie de un cilindro que contuviera la dohle hélice. Esto es conseciiencia de la
posición del eje de la hélice, que pasa aproximadamente por el centro del par de bases.
Cuando los pares de bases se apilan para fonnar la hélice, las cadenas fosfatadas constituyen los lados de un surco mayor y un surco nienor, enrollados alrededor de la hélice
y los bordes de las bases forman los fondos de los surcos. Estos surcos tiencn una
importancia especial en las interacciones del ADN con las proteínas.
El fondo de los surcos, especialmente el del mayor,contiene átomos de nitrógeno
y oxígeno que pueden formar puentes de hidrógeno con las cadenas laterales de los
aminoácidos de las proteínas y, por tanto, pueden contener una información intrínseca
valiosa. Ladistribución de estos átomos depende del par de bases. Si se recorre el surco
mayor en un par.4'1; en ese orden, encontramos un N (aceptor de H), un NH?(donador
de H) y un O (aceptor de H); en un par GC primero un N (aceptor), después un O
(aceptor)y por último un NH, (donador). Al invertirse el orden de las bases en el par, el
patrón de formación de puentes de hidrógeno cambia, y ofrece entonces 4 patrones
diferentes para la interacción específica con proteínas.
Si se representa el grupo aceptor por A y el donador por D tendremos: A-D-A;
A-A-D; A-D-A y D-A-A,por tanto el fondodel surco mayor contiene una información
dependiente de la secuencia, que puede ser leída directamente por otra macromolécula.
En la figura 11.10 se intenta representar la distribución del patrón de puentes de
hidrógeno en una secuencia específica del ADN.
El surco nienor es menos informativo, pues los pares Al' y TAsólo tienen 2 grupos
aceptores y los GC y CG, un donador entreZaceptores, quelo hacemenos apropiado
para la lectura, si se tiene en cuenta además, que su anchura representa un obstáculo
estérico para su interacción íntima con otras macromoléculas. No obstante, se conocen
proteínas que se unen al ADN por el surco menor, para lo cual generalmente provocaii
una curvatura de la doble hélice.
El modelo no impone ninguna limitación a la secuencia de hases de una cadena,
siempre y cuando la otra cadena presente la base complementaria. El modelo asíformulado sugiere que la información genética está codificada precisamente en la secuencia de las bases uitrogenadas del ADN. El modelo contiene en sí la explicación
para el mecanismo de la replicación, pues el carácter complementario indica que diirante el proceso de réplica cada una de las cadenas puede ser usada conio un molde
para dirigir la síntesis de la cadena opuesta.
Accidentes en la doble h6iice
En 1953no era posible aún ohtener cristales de ADN y los estudios de difracción
de rayos X se hicieron con fibras que contenían varias molécolas, por tanto, los
patrones de difracción y los valores obtenidos para los parámetros de la estructura eran
los promedios de los valores individuales. No fue hasta la década de los años 70 quese
pudieron estudiar moléculas en estado cristalino.
Richard Dicker.~ony Horace Drew aplicaron los rayos X al estudio del polímero
d(CGCGAATTGCM3 y obtuvieron que el avance de la hélice era de 3,40 nm, cada
vuelta contenía 10,l ph y cada par estaba girado un ángulo de 359'' con respecto a su
vecino; estos valores muestran gran concordancia con los promedios antes obtenidos;
pero cada par individualmente se apartaba del comportamiento proniedio.
Por analogía con la geografia, Ilaniaremos accidentes a las desviacionesdel ADN
real en relación con el niodelo descrito por Watson y Crik.
LOS
principales accidentes encontrados en el ADN son:
1.~l&1guloderotaciónentre los pares de bases es variable y puede tomar valores que
van desde 28" hasta 42".
2. EI balanceo, o sea, la rotación del par de bases como un todo alrededor del eje
mayor del par; este eje se define como una línea que pasa por el C8 de las
purinas y el C6 de las pirimidinas. Cuando 2 pares de bases rotan se forma uii
ángulo que, si se ahre hacia el surco mayor es negativo y si lo hace hacia el
menor es positivo (Fig. 11.11 a).
3. El alabeo, o sea, la rotación de una base con respecto a su pareja; se dice que el
alabeoes positivo cuando semiraalo largodel e,je mayor del par de bases, y la base
más cercana al observador está girada en el sentido de las manecillasdel reloj, y es
negativo en caso contrario. Los estudios en cristales muestran que el alabeo es
siempre positivo con un valor promedio de 12'. Esta rotación mejora el apilainiento
de las bases en una cadena, pero aproxima demasiado las puriiias de las cadenas
opuestas,con lo cual se alteran otros paránietrosestructurales(Fig. 11.1 1 h).
4. La inclinación del par de bases con respecto al eje de la hélice se aparta aproxiniadamente 2" de la perpendicular (Fig.ll.11 c).Un resumen de los principales accidentes de la doble hélice se presenta en la tahla 11.2.
Fig. 11.11. Accidentes de la doble hélice. La figura resume las principales dcsviariones de Iri posición
de los pares dc bases en ADN rcal en relación con el modelo ideal de Wrals<iny Crick. En
todos los casas, la niolfeula se ohserva por el siirco mayor. En a ) se mimstra el efecto d d
balanceo cuando el par de bases, romo un todo, ha girado en torno a su eje mayor y el
ángulo marcado por la saeta, ea ncyativo, pues se abre hacia 4 surco mayor. En b) aparece
el efecto de alabeo que siempre es positivo. En c) se presenta la inclinación d d par de hases
en relación con el qie de la Iiélice. La línea ni cn todos los casas representa el cjc mayor dcl
par de hases que, como se inuestrii en b), pasa por el C6 dc las pirimidinas y el C8 de las
purinas.
Tabla 112. Valores de lasmediasy desviaciones típicas observadas para losprincipa-
les accidentes del ADN en sus 3 tipos principales
Accidente
ADN A
Valor de"d"
0,292 + 0,039
ADN B
ADN Z
0336 + 0,042
0,352 1: 0,022
Inclinación
13,O
+ 1.9
-2,O t 4 , 6
8,s I0,7
Alabeo
15,4 i 6 2
11,7 +4,8
4,4
Ralanceo
5 3 + 4,7
-1,O t 5,s
3,4 t 2,l
+ 2,s
nm,los de los otros accidentes en grados (O). Para el
ADN Z el primer valor en las 2 primeros accidentes corresponde al par G:C y el segundo al par C:G.
L o s valores del parámetro "d" están dadas en
Por otra parte el eje de la hélice no es recto, más bien va experimentando una
inclinación que está en dependencia del contenido y la proximidad de los pares GC.
Estmvariaciones dependen de la secuencia de bases y crean unasuperñcie irregular en
la molécula de ADN que permite la unión de proteínas,capaces por ello de reconocer
secuencias específicasdel ADN. Esta unión ADN proteínas es un paso determinante en
la realización y regulación de las funciones genéticas del ADN.
ADNZ
Uno de los ejemplos más sobresalientes de la relación entre la secuencia y la
conformación del ADN fue el descubrimiento del ADN Z. Al estudiar la estructura
cristalina del d(CGCGCG) Andmw Wangy AIexanderRichobsewaron quese formaba
una hélice con giro hacia la izquierda; esta hélice presenta un avance de 4 3 nm con 12
pb por vuelta, un surco menor profundo y el mayor apenas se distingue. La línea de
unión delos grupos fosfatos forma un zigzagy de ahíla denominación de Z.
Los pares de bases están rotados 180" en relación con el modelo de Watson y
Crick, como se muestra en la figura 11.12. Esto hace que la unidad repetitiva sea un
didesoxinncleótidoen vez de un desoxinucleótido. Esta conformación se adopta cuando
aparecen ba~espunnicas y pirimidínicas alternadas como en d(GC)"; d(AC)"ód(GT)"
(para n w .
Se ha especulado mucho sobre la función biológica del ADN Z, pero su existencia
in vivono ha podido ser demostrada, sólo existen algunas evidencias indirecta5 de su
existencia en el ADN de E coli. Tal vez estas zonas no estén permanentemente en
conformación Z y puede existir la posibilidad de transconfonnaciones entre los distintos tipos de ADN, según las condiciones del interior celular, lo que puede servir como
base de algún mecanismo de regulación de las funciones del ADN.
Otras estructuras del ADN
La estructura helicoidal descrita por W a h n y Crkkse obtiene cuando se emplea
el Na'como contracatión y la humedad es del 92 %.A esta hélice se le ha denominado
ADN B.
Fig. 11.12. El ADN Z. Sc muestra el giro
que da el I Y L ~de hases GC cuando
se encuentran consecutivos, que da
origen al llamado ADN Z. El par
de bases cstA rolarlo 18UUen relación con su posición en el ADN R.
Al reducir la humedad a1 75 %,la forma B se transforma en A, que es también una
doble hélice derecha pero más ancha y aplanada que la B. La hélice tiene un avance de
2,8nm. Los pares de bases presentan una inclinación de 13a 19"en relación con el eje
de la hélice y además, están desplazados hacia el exterior, de manera que el eje, en
forma de un cilindro hueco, queda ubicado en el surco mayor y no toca los pares de
bases; de esta forma se origina un surco mayor profundo y un surco menor superficial.
El ADN A presenta 10,9 pb por vuelta y un ángulo promedio de rotación de 33,1U,con
valores individuales de 16 a 44"; además, existe un balanceo sistemático que se abre
hacia el surco menor (positivo) con valores de 6 t 5". En la tabla 11.3 se resumen los
aspectos más relevantes de los 3 tipos principales de ADN.
Cuando la secuencia de bases en iina cadena es complementaria a un sector cercano de la misma cadena, pueden originarse estmctnras cmciformes por el apareamiento
de las bases complementarias de la misma hebra. Estas estructuras cnicifomcs son de
singular importancia para las funciones del ADN, pues representan señales muy específicas para la interacción con otras moléculas, generalmente proteínas, que participan
en los mecanismos de procesamiento de la información genética.
Estabilidad de la doble hélice
Varias son las fuerzas moleculares que mantienen la doble hélice del ADN pero
cada una contribuve deforma diferente. Como va fue señalado. el enlace fosfodiéster
es la fuerza fundamental para la formación del políinero y es la más fuerte de todas las
interacciones presentes en la molécula; esto significa que es la más difícil de romper.
La disposición de las bases nitrogenadas en cada iina de las hebras del ADN es casi
perpendicular al eje pentosa fosfato, por tanto, los anillos aromáticos de las bases se
disponen paralelos unos a otros como una especie de empalizado o pila de monedas;
en esa disaosición los orbitales o de las bases forman interacciones de cierta fortaleza.
que contribuyen de forma decisiva a mantener la estmctnra helicoidal. El apareamiento de las 2 cadenas contribuye a aumentar la estabilidad.
Tabla 113. Resiimen de los paliimetros estructurales priricipa1e.s en los 3 tipar más
frecuentes de ADN
A
B
Tipo de hélice
Demha
Deredla
17quierd;i
Dihnetm
2,6 nm
2,0 nm
1,s nm
Valor den
11
10
12
Rotación del par
33"
36"
60"
Paso o avance (p)
2,s nm
3 4 nin
4,s nnl
Valor de d
0,26nm
034 nm
0,37 nin
inclinación
20"
6O
7"
Surcomayor
Estrecho y profundo
Ancho y profundo
Plano
Surconienor
Ancho y superficial
Estrechoy profundo
Estrechog profundo
C(3')-endo
C(2)-endo
Y=C(f )endo
Característica
Formadel azúcar
R=(C3)endo
Enlace glicosidico
Anti
Anti
Y=anti
Rsin
R = purinas Y = pirimidinas.
Al formarse la hélice los pares de bases se aproximan hasta una distancia de 0,34
nm que es el grosor de Var der Waals del par de bases; esta aproximación impide la
penetración de moléculas pequeñas, especialmente el a y a , entre los pares de bases,
por locual a l a s f u e m q u e tienden afonnar el empalizada seles denomina hidrofóbicas.
El origen y la naturaleza de estas fuerzas hidrofóbicas en el ADN no están totalmente
aclarados; aunque el nombre hidrofóhico no es el niás adecuado paradesignar estas
interacciones, la existencia de tales interacciones es indiscutible.
Las cadenas se mantienen unidas gracias a la formación de puentes de hidrógeno
entre las bases de cada par. Los pares CG se mantienen unidos por 3 puentes de Iiidrógeno, en tanto entre A y T sólo se forman 2, debido a que el anillo de A carece de
sustituyente en C2 (Fig. 11.9). De esta situación se deriva que las moléculas de ADN
serán ni& estables, mientras niayor sea su contenido en pares GC. Se debe recordar que
esta característica es importante, pues coino se rerú en capítulos posteriores para las
funciones del ADN es necesario la separación de las 2 hehras, lo cual será más fácil si
en la zona que se debe separar abundan los pares AT.
No obstante, los puentes de hidrógeno contribuyen poco a la estabilidad de la
hélice. Si a una solución acuosa de ADN se le añade etanol, la hélice se desestahiliza.
El etanol aumenta la fortaleza de los puentes de hidrógeno pero debilita las interacciones
hidrufóhicas; por tanto, son las interacciones Iiidrofóbicas y no los puentes de hidrógeno las que contribuyen en mayor medida a la estabilidad de la hélice.
Cuando los extremos de la molécula de ADN no pueden rotar libremente, bien
porque estén unidos por enlaces covalentes formando moléculas circulares, o estén
asociados con proteínas, adquieren una confortnación tridimensional superenmllada
( ~ i 11.13).
~ . En esta estructura la doble hélice como un todo puede estar rotada hacia
laderecha (superenrollado negativo) o hacia la izquierda (superenrollado positivo);
mientras el superenrollado positi~~o
favorece la formación de la hélice más compacta,
el negativo favorece el desenrollamiento de la htlice y la separación de las 2 hebras,
quecomo ya fue señalado, es necesario para las funciones del ADN.
El ADN bacteriano circular presenta un superenrollamiento negativo, en tanto el
ADN de los cromosomas de eucariotas no parece estar superenrollado por su asociación con proteínas que controlan el plegamiento del ADN.
Lasdiferentes formas y grados de superenrollaniiento del ADN se refieren como
topoisómeros, y las enzimas que convierten unos en otros reciben el nombre de
topoisomerasas. Los diferentes topoisómeros del ADN pueden ser separados por
electroforesis en gel de agarosa, donde cada topoisómero tiene una movilidad diferente formando bandas independientes. La molécula que presente nn mayor grado de
superenrollamiento realizará los movimientos migratorios más rápidos por presentar
unaesiructuramás compacta.
Desnaturalización del ADN
Cuando una solución de ADN doble helicoidal se calienta por encima de una
temperatura determinada, las 2 cadenas se separan y las propiedades del ADN se alteran, este proceso se conoce como desiiatiirali~ucióndel ADN; de esas propiedades la
más útil para seguir el desarrollo del proceso es la absorción de luz ultravioleta.
Los anillos aromáticos absorhen la luz ultravioleta con menor intensidad cuando
están apilados en la duhle hélice que cuando están libres en disolución; ese aumento
de absorción luminosa, que puede llegar a ser hasta de 40 % en todas la5 longitudes de
onda, recibe el nombre de efecto hipercrómico.
De acuerdo con la estructura de lii dublc Iiélice la alteración de un sector de la
molécula potencializa la desestabilización de un sector mayor, o sea, el proceso de
desnaturalización tiene un carácter cooperativo; esto se evidencia porque el efecto
hipercrómicoocurre en un rango estrecho de tenipcratura (Fig. 11.14).
Este fenómeno puede describirse como la fusión de un sólido monodimensional,
las gráficas obtenidas del proceso se refieren corno curvas de fusión y la temperatura de
su punto medio se conoce como temperatura de fusión que se simboliza por 'r,,,.La
estabilidad del ADN y, por tanto,su Tll1dependen de vanos factorescomo la naturaleza
I'iz. 11.14. Desnaturaliracibn dcl ADN. Una
dable hebra de ADN se calierila, y
los pares de bases comienzan a separarse de forniii eoopcrativa. Al
final. las 2 Iicbras están totalmente
separadas. En eso consiste la
desnaturaliraeiSn del ADN.
del solvente, el tipo y concentración de los iones, así como el valor del pH.Si estos
factores se mantienen constantes y sólo se varía el ADN, entonces T,,,es una función
lineal creciente del contenido de pares GC, lo que indica la mayor estabilidad de éstos
unidos por 3 puentes de hidrógeno que de los pares ATunidos sólo por 2.
Una vez que el ADN ha sido desnaturalizado se hace descender lentamente la
temperahira hasta casi 25 "Cpor debajo de T",, las 2 cadenas vuelven a unirse completamente; este fenómeno recibe el nombre de renaturalización.
Este proceso de desnahiralizaciún-renaturalizaciónes el fundamento de las técnicas de hibridación, que permiten identificar secuencias específicas en el ADN: para
ello se procede de la forma siguiente:
1. Se obtiene un polinucleótido marcado de forma radiactiva (usualmente con "Pi
que contiene la secuencia de bases específica de nuestro interés.
2. Se desnaturaliza el ADN problema y cuando las 2 hebras están separadas se añade
el polinucleótido que sirve de sonda.
3. Se procede entonces a la renaturalización; si el ADN contiene una secuencia de
bases complementaria a la sonda se apareará con ésta y la doble cadena podri
identificarse por la presencia del "P.
4. Pueden emplearse como sonda también, polirribonucleótidos; si la sonda es pcqueña (100 nucleótidos) sólo se apareará a un sector estrictamente complementario, pero si es muy grande pueden aparearse cadenas sin que exista la
complementaridad perfecta. Estas sondas sun útiles en la localización de seciienciasde ADNparecidas (no exactamente iguales) a lasonda. La importanciadeeste
procedimiento se verá más adelante.
Formas de presentación del ADN
En estecapítulo se ha presentado la estructurageneral de los ADNcelulares, pero
el ADN puede presentarseen otraiformascon una estructura igual odiferente.La tabla
11.4 presenta una i-elación de ADN de diferentes orígenes con sil peso mnlecular.
ADN virales
1
En los virus puede encontrarse ADN de una sola cadenacomo ocurre en el M13,
cuyos 6 408 nucleótidos forman una sola hebra circular; de forma similar ocurre en cl
virus QX174 donde también el ADN es monofibrilar y circular con 5 386 nucleótidos.
Otros virus como los bacteriófagos (virus que infectan bacterias) o simplen~ente
fagos de E. colide la serieT presentan su ADN bicatenario y lineal. El fago T4 ticuc
una sola n~oléculalineal de ADN, de unos 166 O00 ph, y eu vezdecitosina presenta la
hidroximetilcitosina y el T7 contiene39 930 pb,cuya secuencia ha sidu determinada.
~ l ~ u .Tamaño
4.
del ADN de diferentes orípnes, tomando como referencia su peso
molecular
Origen del ADN
Peso molecular
Plásmidos de E. coli
1,4 x
loh
3,2 x 10"
Virus del polioma
Fago 186
Fago 'T7
Fago h
Plásmido F
Fago T4
Mycoplasn~ahomina
5,3 x 10"
Levaduras
6,O x loX
Drosophila melanogaster
7,Y x 10"'
Humanos
8,0 x 10"'
Otra forma de nresentación del ADN son los nlásmidos. Se trata de moléculas
circulares de doble banda, que se encuentran ubicadas en el citoplasma especialmente
de los organismos monocelulares, sean procariontes o eucariontes. Estos plásmidos
tienen su replicación autónoma y suelen poseer genes importantes para la célula, por
ejemplo, los plásmidos F que contiene el factor de fertilidad, los R que contienen
genes que confieren resistencia a la acción de antibióticos y los Col que codifican
toxinas aue oroducen la muerte de otros oreanismos.
Es bueno diferenciar 2 tipos de plásmidos: los llamados de control estricto o de
hajonúmero,éstos existen en 2 ó 3 copias por célula y su replicación ocurre simultánea con la del cromosoma bacteriano, segregándose en cantidades equivalentes a las
células hijas durante la división celular. Los plásmidos de control relajado o de alto
númeroexisten en decenas y su replicación es independiente del cromosoma bacteriano.
Un fenómeno notable es qiiesi se inhibe la síntesis de proteínas en la célula,el número
de estos plásmidos se incrementa y puede llegar a varios cientos. Como se verá en el
capítulo 35 esto tiene una importante implicación práctica.
a
.
-
En las células eucariontes existe además el ADN mitocondrial (ADNint)que, como
indica, se localiza en este organito citoplasniático; constituye menos
del 1% del ADN celular y se presenta como unamoltculacircular duplohelicoidal que
en el humano tiene 16 569 pb. A veces se presenta como varios círculos encadenados
Y,en otrai,coino un gran círculocerrado con 2 moléculai unidas por enlacecovalente
en una forma tipo cabeza-cola. Su sensibilidad a la hidróliskalcatina y a laacción delas
SU nombre
ARNasas hacía suponer que al menos en algunos sitios contenía rihonuclebtidos, lo cual
fue comprohado posteriormente.
Estos rihonucleótidos se encuentran en la zona que forma el origen de replicación
y en otros sitios donde su función cs desconocida. Lascélulas humanascontienen unas
8 000 copias del ADNmt.
En el ADNmt sc da un hecho singular, pues una de las hebras contiene la niayor
proporción de las G y por eso se le denon~inacadena pesada o H (heayv),mientras la
otra contiene las C y por eso se nonihra ligera o 1. (light); esto hace posihle laseparación de las cadenas por centrifugación en gracliente de densidad.
Otro hecho característico es la existencia de una pequeña zona de hebra triple
denominada lazo D. En esta zona la cadena H está desplazada (de ahí D) y a la
cadena L se aparea un pequeño fragmento Ilaniado ADN 7S por su coeficiente de
sedimentación.
El descubrimiento de que alteraciones del ADNmt pueden ser las causas de algunas enferniedades ha intensificado su estudio en los últimos años.
Cromosoma baderiano
!
La mayoría de las bacterias presentan sus genes en una sola molécula de ADN de
doble Iiehra circular superenrollado. En E colila longitud total del círculo es aproximadamente 1 300 pm, lo que es igual a la longitud de 50 diámetros bacterianos, por
tanto debe estar muy plegado,si tenemos en cuenta que la hacteria tiene un diámetro
de 1pm y una longitud de 3 pm.
Este ADN está asociado con AUN y proleínas,se presenta con uiia armazón central
muy compactada de la ciial irradian de 35 a 45 asas de ADN superenrollado, lo cual
hace que el corte transversal sea sólo de 2 pm; sus 3 x 1O6phle confieren un peso por
partícula de 2 x 10".
Cromosoma encarionte
Los cromosomas eucariontes constituyen la forma de presentación más compleja
de los ADN; por ejemplo, un cromosoma de Drosophila melanogastertiene un peso de
partícula superior a 10"' y una longitud de 1,2 cm; como el ancho de la molécula es de
2 x 10.' cm, la relación longitud/anchura es de 6 x lo6.
El ADN de las células eucariontes se encuentra fundamentalmente en el núcleo
celiilar, donde está unido a proteínas, formando asociaciones complejas de
nucleoproteínas. El grado de "einpaquetamiento" de esas nncleoproteínas varía sensiblemente durante el ciclo celular, mostrando la forma más compacta enlametafasede
la mitosis y lamás relajada durantelainterfase.A la forma que adopta en la interfasese
le denomina cromatina y a la que adopta en la mitosis, cromosoma; aunque en muchas
ocasiones estos 2 nombres se emplean indistintamente. La estructura detallada de los
cromosomas eucariontes se hará en el capítnlo 23, dedicado al estudio del núcleo
celular. En la iahla 11.5 se pmentan el número de pares de bases y el contorno del ADN
que contienen diferentes organismt~por célula.
Métodos empleados en el estudio del ADN
Los métodos generales para el estudio de las macromoléculas fueron estudiados
en el capitulo 9, aquísólose hará referencia a algunas particularidades de esos métodos en el estudio de los ADN.
mli 115. Contenido de AUN de algunos organisiuos de acuerdo con el número de
pares de bases y la longitud de s u contorno
Origen del ADN
Kilohases :'
Contorno (pm) "
Fago h
48,6
17
Polioma
5,1
1,7
Eschcriehia coli
Levaduras'
13 500
Dmsophila'
165 000
56 000
2 900 O00
990 O00
Humano'
"l
4 000
kilobase = 1 000 pb.
de la nioléeula erlcndida con 034 nni de scparaciún entre cada par de bases.
"ontorno
' Del total del número haploide de ci-oniusoinas.
Obtenei6n del ADN
Se procede a la r u p t u r a de las células por los métodos habituales de
homogeneización. Como el ADN está siempre asociado con proteínas se debe proceder adesproteinizar el homogenato; si se quieren obtener nioléculas de ADN de gran
tamaño se puede agitar suaveniente la preparación en una mezcla de fenol y alcohol
isoamXco, con lo cual las proteínas precipitan y pueden separarse por centrifugación;
también puede usarse cloruro de guanidino, detergentes o enziinas proteolíticas con10
la pronasa.
Para eliminar los ácidos riboiiucleicos se trata la i~iezclacon riboiiiicleasa. Para
proteger al ADN de las desoxinucleasas se añade EDTA (ácido etilendiamino
tetra-acético), que secuestra los metales necesarios para la acción de la$nucleasas.
Todo el material de vidrio del laboratorio debe ser esterilizado en autoclave y se
3:k ::aVsjsi c w g;au:ss i;:$s:ic;.s. Os :nU-s f6r;;;as :s ;;;suií;ü:ed;%j 3s: iXEE2s
mnchomás fácil que la de las p r o tmas.
~'
Sepmei6n de los ADN
Los métodos niás usados coi1 este propósito son la cromatografía, elcctroforesis y
~kacentrifugación.
El soporte cromatogrático más ótil en la separación del AUN es la hidroxiapatita,
a la cual el ADN de doble cadena se iine con más fuerza que cualquier otra niolécola.
Cuando la mezcla que contiene el ADN se deposita sobre una columna de
hidroxiapatita, ésta se lava con iina solución bufYerfosfatode hajacoiiceiitraiióii, que
arrastra prefereiitemente los ácidos ribonucleicos y las proteína%Al aumentar paulatinamente la concentración del bufferse produce la separación del ADN.
En la elecboforesis se aprovechalacaracterística polianiónica del ADN, que hace
que estas moléculas se muevan hacia el ánodo impulsadas por el campo eléctrico. La
movilidad de las moléculas vana inversamente con su masa molecular y directamente
con su carga. Los geles de poliacrilamida son útiles para separar moléculas de bajo
peso, hasta aproximadamente 2000 pb. Para moléculas mayores es necesario el empleode geles de agarosa, con los cuales pueden separarse fragmentos de hasta 100000
pb, con una concentración de agarosa de 0,1 %.Para localizar las moléculas el gel se
tiñe con bromuro de etidio, proflanna o naranja de acridina.
Etidio
Naranja de acridina
H
Proflavina
Estas son moléculas aromáticas planas que seintercalan entre los pares de bases y
exhiben fluorescencia cuando éstos son iluminados con luz ultravioleta.
La ultracentrifugación también es útil en laseparaciónde los ADN. Unavariante
del método general descrito en el capítulo 9, permite separar los ADN por su composición. Para ello la centrifugación se realiza en un gradiente de CsCI; en esas condiciones el ADN se moverá hasta que su densidad coincida con la del medio; como la
densidad del ADN es una función de su contenido en GC, moléculas con diferente
composición se equilibrarán en diferentes posiciones y pueden ohtenerse con el sencillo procedimiento de perforar el fondo del tubo y recoger pequeñas alícuotas de la
solución.
Localización de ADN especiñcos
Si conocemos la secuencia de bases nitrogenadas de un ADN, podemos conocer si
éste se encuentra en una célula determinada según el método de transferencia del ADN
(Southern blot).
El método de trasferencia del ADN aprovecha la valiosa propiedad de la nitrocelulosa, de unir tenazmente los ADN monocatenarios, pero no el bicatenario. Después
de la electroforesis en gel del ADN bicatenario, este se sumerge en una solución de
NaOH 02 M, que lo convierte en monocatenario y se cubre con una Iámiia de nitrocelulosa, que asu vez se recubrede varias capmde papel gruesoabsorbente y se preiona
con una placa de presión. Esta presión hace que el líquido fluya del gel y lo obliga a
pasar a través de la nitrocelulosa, donde el ADN monocatenario queda retenido en la
misma posición que ocupaba en el gel; este paso puede acompañarse de electroforesis
para ser más rápido, en un procesoconocido como electrotramferencia.
Después de secar al vacío el filtro de nitrocelulosa a 80°C,que fija el ADN en su
lugar, el filtro se humedece con una cantidad mínima de una solución que contiene
ARN ó ADN monocatenario, marcado de forma radiactiva y cuya secuencia es complementaria a la del ADN buscado; ésta es la sonda. El filtro humedecido se mantiene a
una temperatura de renaturalización para permitir la hibridación entre la sonda y el
ADN, se lava para eliminar la sonda no unida, se seca y se recubre con una placa
fotográfica para la antorradiografia. La posición del ADN buscado se indica por la
zona velada en la película. Así se puede detectar y aislar un ADN de interés. Como se
trata de fragmentos grandes de polinucleótidos complementarios, la hibridacih se
produce eficientementeaun cuando existan pequeñas zonas de no apareamiento (Fig.
Ir--i.i
Estructura general de los ácidos ribonucleicas
Al igual que el ADN, los ARN se forman por la poliiuerización de unidades más
simples denominadas ribonucleótidoso sencillamentenucleótidos. Los ribonucleótidos
Fig. 11.15. Localización de ADN espeeíficos. a) 1,ámina del gel donde se ha
realizado la clcetroforesis de diferentes fragmentas de ADN. b) Los
fragmentos de ADN previamente
desnaturalizados se transfieren n
un filtro de nitrocelulosa donde las
cadenas monofihrilares se adhieren con fuerza. r ) El filtro se sumerge en una solución que contiene la sonda y se deja el tiempo
necesario para la hibridación; d e s
pues se lava para eliminar el exceso de simda, se seca y w reeiibre
con una placa fotográfica. d) Al
revelar la placa sc tiene la loeilización exacta del fragmentode ADN
huscado.
contienen como pentosa la ribosa en vez de la desoxirribosa. Las bases nitrogenadas
punnicas son lai mismas que las del ADN, pero entrelas pirimidínicas los ARN contienen por lo general nracilo en vez de timina. Auncuando la ribosa presenta un grupo
hidroxilo en CZ ,en los ARN el enlace fosfodiéster se establece entre el C3' de un
nucleótido y el C5' del vecino al igual que en el ADN; esto hace que también en los
ARN se describa una dirección o polaridad que, al igual que en el ADN, es de 5 1 3 .
Sin embargo la composiciónde basesdelos ARN f f i m áheterogénea
~
quela del ADN,
pues en ellos existen numerosas bases modificadas que en algunos tipos de ARN
llegan a representar hasta el 10 70del total de bases de la molécula. La modificación
más frecuente es la adición a las bases típicas de grupos metilos, pero también pueden
exitir otros como el acetilo, isopentenilo, etcétera.
Una situación especial se presenta con la pseudouridina que en muchos casos se
menciona comonna base rara,lo cual no es cierto. La pseudoundina es un nucleótido
anómalo, pues en él la base nitrogenada es el nracilo pero está unida a la ribosa por un
enlace a través del C6 y no del NI, como en los nucleótidos normales. La pseudouridina
Algunas especies moleculares de ARN contiese representa por la letra griega psi
nen tirnidina que se refiere como ribotiidina.
La presencia del CZ -0H hace que los ARN seansusceptiblesa la hidrólisis alcalina.
pues la reacción requiere la formación de un intermediario fosfodiéster cíclico entre
C2 y C3'que no es posible formar en los desoxinncleótidos del ADN.
(v).
Esta propiedad permite la separación de los monómeros del ADN y el ARN de la
fmsiguiente:
1. Seextraen los ácidos nucleicos de la célula como ya se explicó. La preparación se
somete a una hidrólisis alcalina que sólo afecta al ARN.
2. Se somete a centrifugación de forma que el ADN de peso molecular elevado sedimente y los ribonuclebtidos se mantengan en solución.
3. Se decanta la solución, el precipitado se resuspeude y entonces se somete a una
hidrólisis ácida con lo cual se obtendrán los desoxinucleótidos.
Los ARN presentan gran heterogeneidad en su tamaño. Los hay tan pequeños con
apenas 80 nucleótidos hasta moléculas gigantes de varios miles de bases; es por ello
que las propiedades físicas que dependen del peso, tamaño y forma de las moléciilas
también son muy variables en los ARN.
Aunque a diferencia de los ADN, los ARN están formados por una sola cadena
polinucleotidica, ésta no adopta una forma fihrilar, sino que se pliega sobre si, y en
sectores donde las bases son complementarias forman estructuras duplohelicoidales.
Estasformasde apareamiento pueden ser descritas por la conibinación de varias estructuras sencillas que pueden considerarse como los elementos estructurales de los R N .
Como se puede observar en la figura 11.16 a), la estructura más sencilla es la
horquilla que contiene 2 elementos estructurales: una zona de apareamiento a veces
Uamada tallo y una zona ensanchada no apareada en ocasiones denominada asa. Para
formar la horquilla la cadena debe variar su dirección en 180". Dos horquillas o mas
pueden combinarse una a continuación de la otra, con segmentosconectores de mayor
omenorlongitud comosemuestra enla figura 11.16 b).
Otra forma decomhinación viene dada por la formación de asas internas; en este
caso una gran horquilla contiene en el tallo zonas con apareamiento y sin él, estas
íiltimas son las asas internas, como puede verse en la figura 11.16 c).
Por último las horquillas pueden interactuar con un sector externo; para ello
algunas bases del asas se aparean con bases de otras zonas cercanas o lejanas y
forman los llamados pseudonudos. Como consecuencia la cadena debe girar en el
espacio, lo que contribuye a la formación de estructuras terciarias; esto se ilustra
en lafigura 11.16 d).
Fig. Il.16. Estructuras básicac de los ARN.
a) Estructura en Iiorquilla con una
zona apareada (tallo1 y una no
ar>arcada(ara).b ) Comhiiiaeión de
maiiún de asas internas. d l Las
Lmscs de un asa se aparean ron
zonas fuera de la horquilla, formando pscudoiiudos, para la cual
la cadena dche d<iblame,por lo que
esta estructura es importante en la
formariitn de la estructura terciaria de los ARN.
La forma en que los pseudonudos pueden contribuir a la formación de la estructura terciaria de los ARN se muestra en la figura 11.17.
Las zonas apareadas son parecidas al ADN-A, pues la presencia del oxígeno en
C2' impone limitaciones estéricas que no le permite adquirir la forma B. Es bueno
señalar qneel apareamiento de bases no es tan estricto como en el ADN, por ejemplo,
a)
5'
UUACGGC
UAGCCG 3'
Fig. 11.17. Los pseudonudos en la cstructura terciaria. En a) se rcprescnta
un fragmento de una cadena de
ARN. En b). cbmo cata cadena da
origen a una horquilla con su tallo
y asa, pera por fuera de ella hay
un sector complementario a las
bases del asa. El apareamiento de
estos 2 sectores puede dar uripn a
una estructura coma la mostrada
en e), formada por 2 lazos pero
que siin sc mantienen en el mismo
plano o, por el contrario, formar
la estructura representada en d),
que ya no puede contenerse en el
plano. Esta última organización es
la que cuntribuye a la forniación
de la estructura terciaria de los
ARN.
es frecuente encontrarse pares GU e incluso GG. Algunos de estos pares atípicos se
muestran en la figura 11.18, donde cada par posee una geometría particular que se
aparta en gran medida de la de los pares de basadel ADN.
En los ARN existe un número considerable de estructuras helicoidales, aun en
ausencia de apareamiento de bases; esto se debc a las intensa9 fuerzas de "empalizado"
entre las bases A, G y C. Estas fuerzas son niucho más importantes que los puentes dc
hidrógeno en la formación de interacciones inter e intramolecnlares y actúan limitando las posibles conformaciones de los ARN.
Al igual que en el ADN la distancia limitada del eje pentosa fosfato y el eulacr
P-N-glicosídico,formando un ángulo casi perpendicular, impiden que las hases se
coloquen directamente una sobre otra. En las dobles hélices las bases forman ángulos
de rotación de 33"y la hélice contiene de 10a 11pb por vuelta. En las cadenas simples
Fig. 11.18. Ap'areaniiento de bases en los R V . Se niuestran los pares de base4 CA ). TG donde puetlr
oliservarse quc la geonietría de éstos se aparta runsidcrahlcrnente dc los apareamiento\
típiroi del ADN. 1.0s ánzulus formados por el N dc la hase y cl C l s o n diferentes en nida
rasa, por lo cual ti" pueden nroniodarsr en una doble liélice como la dcl 4DN.
el&,gulo es de 60' y cada vuelta contiene 6 bases. Estos plegamientos con el máximo
grado de apareamiento de bases se pueden representar sobre un plano y se refieren
como la estructura secundaria de los ARN.
Esas conformaciones helicoidales permite un mejor apareamiento con otras moléculas de AUN ó ADN, que también presenten estructuras "empalizadas" y sus bases
sean complementarias, pues son importantes en los mecanismos de expresión de la
hfomación genética.
La estrucara tridimensional de los AUN se conoce como su estructura terciaria.
os estudios en este campo sólo han dado resultados en algunos tipos de ARN de
pequeño tamaño. En moléculas grandes los resultados aún se esperan; sin embargo, en
10s ya conocidos se ha puesto de manifiesto que la estructura terciaria depende del
establecimiento de interacciones entre las bases y la rihosa en unas ocasiones, así
como con los grupos fosfato en otras.
En las células existen 3 tipos principales de AUN que se distinguen tanto estructural como funcionalmente. Tomando como criterio su participación en la sintesis de
proteínas se han denominado ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosomal (ARNr) y
ARN mensajero (ARNm). Se estudiará cada uno de ellos por separado y después con
menor detalle otros AUN celulares.
ARN de transferencia
Los ARNt constituyen una familia de especies muleculares cuya función es la de
tramportarlasaminoácidoshaWalos ribosomas durante la síntesis de proteínas, por lo
que deben existir tantos ARNt como aminoácidos diferentes contengan las proteínas;
todas eUas presentan regularidades estructurales que permiten generalirar una estmctura relacionada con su función.
Los ARNt son polinucleótidos pequeños que contienen de 60 a 95 nucleótidus,
aunque la mayoría tiene 76. Lo más sobresaliente en su composición de bases es la
presenciade numerosas bases modificadas que llegan a constituir hasta el 20 % de la
molécula. La razón de esta elevada proporción se desconoce, pero pudiera de algnna
manera contribuir a la formación de estructuras tridimensionales, unas veces en función favorable y otras impidiendo la formación de interacciones entre las bases.
El estudio de la secuencia de bases de AKNt fue realizado por primera vez en 1965
por RoberiHolley, en el ARNt de la alanima procedente de levaduras. Para este trabajo
Holley tuvo que vencer numerosas dificultades técnicas, pero a partir de él se ha
desarrolladouna tecnología que permite realizar ese trabajo en pocos días, lo cual ha
hecho que ya se conozca la secuencia de bases de más de 300 AUNt de diferentes
especies.
El estudio comparativo de estas secuencias ha permitido llegar a conclusiones
importantes. En todos ellos existen 13 bases iuvariantes, es decir, todos tienen la
misma base en posiciones equivalentes y hay 8 bases semiinvariantes, es decir, en
posiciones equivalentes siempre hay una purina o una pirimidina. En el extremo 3'
siempre aparece el trío CCA.
Esbuchva secundaria
Holley estableció la estructura secundaria del ARNt de la alanina y vio que el
grado máximo de apareamiento se lograba cuando la cadena polinucleotídica se representaba en forma de una hoja de trébol (Fig. 11.19).
A-OH
1
I
7
?
?-O
0-0
0-0
0-0
Fip. I1.IY. Estrurtiii-a gcnrralirada de los
ARNI. La cslrurtura e n Iiojade tr61>01 d c 10s R N I . Las r w a s
apareadx se presntan ron el n<i~ P I . Ode pares tipicos de rada asa.
Las Ihases iriiisrrrattas S P presen<an ion sus iniciales. Las posirioncs seinicaiisr~.vadas
se i-cpresriitan ptii- Kpani las piirinas y i'para
las piriniidin.?~; se represenlii la
psriidouridina. Las hases drl
aiiticodun aparecen sutiilireadas.
lUmhitn supuso quesi todos los ARNt cumplían la misma función debían poseer
estructuras muy similares, lo cual ha sido confirmado posteriormente con el estudio de
numerosos A W t .
Según el modelo la cadena se pliega forinando 4 sectores de apareamiento de
bases llamados tallos, 3 de esos tallos terminan en zonas ensanchadas no apareadas
llamadas asas. I h tallo ysu asa correspondiente forman un brazo: cada brazo tiene una
disposición y longitud características. Existe un quinto hrazo que es variahle en su
longitud y composición, éste hace que el núniero de nucleótidos en los distintos AKNt
varíe de 60 a 95 ~iucleótidos.
Una estructura generalizada de los ARNt debe contener los elementos siguientes
derivados del análisis comparativo de las moléculas estudiadas:
1. El extremo 5 contiene nn grupo fosfatu y el extremo 3 'termina con la secuencia
CCA que no está apareada.
2. Las secuencias inmediatas alos extremos forman un tallo que iiicluye7 ph, entre
ellos el G-U. Este es el tallo aminoacídico o aceptar.
,
,
3. Existen 3 brazos constantes que,siguiendo la molécuben dirección 5- 3 ,son los
siguientes: el brazo D formado por un tallode 4 6 5 pb y un asa con diliidrouridina;
cl Iii-aio ;~iiIicodoiicoiitiluido por un tallo de 5 pb y rl a u contiene el triplete
aiiticod~~ii:
el hrazo'Sq~C que está hriiiado por un iallo de 5 p1) \. el asa contiene la
secuencia iuvariante ribotimidina ('S), pseudouridina (!VI y citosina (C); aesto debe
sumarse el brazo variable ubicado entre el del anticodon y el Tyr C, que puede
contener de 3 a 21 iiucleútidos con un tallo de hasta 7 ph.
Cuando se Iiahla de posiciones equivalente se hace referencia a la localización en
bu estructura secundaria y no en la primaria. pues esta última puede variar con la
longitud del brazo variable; así por ejemplo, la ribotimidina sienipre se encuentra al
inicio del asa T i y C. independiente de su localización en ka estructura primaria.
( ~ ' I I I I I I I \c puede oI)wr!ar UI la Iigilra l 1.19 c a i In(las las IMSCS ~ I I ~ : I I ~ I I I I C!S
wiiiiii\ aria~itc\apiireceii Ii,c;ilizad;is eii las asas.
Después de numerosos esfuerzos infr~ictuosospor determinar la estructura
por una parte
t+Jimensionai de los ARNt, en 1974 Alexander Ric11 y Sung Hou K i n ~
y ~ m Klugpor
n
otra, mediante estudios de difracción de rayos X, lograron dilucidar
laesWctura del ARNt de fenilalanina de levadura, con una resolución de 025 nm. 1.0s
el
resultados mostraron que la molécula adopta la forma de una letra L invertida
lado vertical se forma por el brazo D y el anticodon, en tanto el lado horizontal lo
foman el brazo Q C y el tallo aceptor. En ambos lados la mol4cula forma una doble
hégcesimilar al ADN A, pero con apareamientos menos estrictos. Cada lado tiene una
longitud de 6 nm y un ancho de 2 a 2,s nm. Los 2 extremos de la L formados por el
anticodon y el CCA del aceptor están separados unos 7,6 nm (Fig. 11.20).
c);
Fig. II.20. listi.ucliira terciaria dc los ARUI.
Las nioléculas dc los 9RKI adnptan en el espacio una esfriictura que
recuerda a una lctra I, invertida.
Eii rojo se representa el asa del
anlicodon. En tiiul, el asa 'I'ivC. y
eii
rri-de, rl asa dc la
diliidroui.idi!ia. 1,"s pares iIc Ihasrs
no sienipre ion del liliu \\'atsoii >
Cricli? además. las bares pimien
iiitcrüetuar coi, las rihosas y ion
los losfatos.
La estructura se mantiene gracias a numerosas interacciones que se establecen
entre sus componentes. Una proporción elevada de las bases participa en la formacibn
de empalizadas, otras forman pares de bases cruzados que por lo general no son del
tipo Watson y Crick. La mayoría de las bases involucradas en estas interacciones son
las invariantes o semiinvariantes. También participan en la estabilidad de las moléculas puentes de hidrógeno entre las bases y gruposfosiatos, en unos casos y en otroscon
el CZ-OH de la ribosa.
El hecho de que la estructura se establece principalmente por las bases invariantes
y semünvariantessugiere que todos los ARNt tienen la misma estructura tridimensional.
En el capítulo 30 se verá que esta forma tridimensional del ARN se adapta perfectamente a su función de transferir aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis de
pmteúlas.
El ARN ribosomal (ARNr) se encuentra formando parte de los rihosomas donde
está muy relacionado con proteínas. Como se verá con más detalles en el capítulo 29,
estas partículas citoplasmáticas pueden disociarse en 2 subunidades desiguales, la
mayor denominada L (large) y la menor S (smali).
El ARNr representa del 50 al 60 % del peso de la partícula y cada subunidad
contiene moléculas de ARN que le son características. En los procariontes estas moléculas se refieren de acuerdo con su coeficientede sedimentación como ARNr de 5, 16
y 23 S, lo cual significa que contienen alrededor de 120,1540 y 2 900 nucleótidos
respectivamente. En los eucariontes estas especies principales se refieren como de S,
18 y 28 S y existe una adicional de 5,s S que contiene unos 160 nucleótidos. Por lo
general la subunidad menor sólo contiene una especie molecular (16 ó 18S), mientras
las otras se encuentran en la mayor. A continuación se revisarán los aspectos más
sobresalientes de sus estructuras.
I
Al igual que los ARNt, los ARNr presentan bases modificadas pero en menor
proporción, pues apenas da cuenta del 1 % del total de bases. La modificación más
frecuente es la meolación,aunquepueden haber otras. Las basesmodicadas están por
lo general agrupadas en pequeños sectoresde la estructura primaria. A diferenciade los
ARNt,los ARNr presentan grupos metilos en el C2'-0Hdela ribosa y estas modificaciones se encuentran muv distribuidas en la molécula.
El análisis comparativo de lasecuencia de bases delos ARNr dediferentes especies ha mostrado un elevado grado de conservación evolutiva. Existen secuencias de
10 a 20 nucleótidos que son esencialmente invariantes en todas las especies estudiadas; esto sugiere que dichas secuencias están involucradas en las funciones de los
ARNr y no en la estructura. Se ha comprobado que las secuencias conservadas se
localizan hacia la superficie del rihosoma, lo cual apoya su carácter funcional.
~ c h u secundaria
a
Con el conocimiento de la estructura primaria, asícomo diferentes aproximaciones experimentales y teóricas se han construido modelos de estructuras secundarias de
los tipos principales de ARNr. Estos modelos contemplan el establecimiento del mayor número de bases apareadas y "empalizadas" con lo cual disminuye considerablemente el contenido energético de lamolécula. No obstante, se debe tener presente que
estas moléculas existen en asociación con proteínas, y es posible que esas interacciones
influyan en la estructura de los ARNr. Por otra parte, la estructura terciaria que aún es
desconocida puede implicar la existencia de otro tipo de interacciones que podrían
contribuir a la estabilidad de la molécula en mayor grado que las secundarias.
ARN menqjero
Poco se sabe de las estructuras de orden superior de los ARN mensajeros
(ARNm)de eucariontes; esto se debe en parte a que la cantidad de ARNm específicos en la célula es muy baja, lo cual dificulta su purificación, y, por otra, al igual
que los ARNr, se encuentra en el citoplasma en compleja unión con proteínas. Los
ARNm suelen ser moléculas con metabolismo inestables, o sea, son degradados
con rapidez y de ahí que presenten un tiempo de vida media muy corto en comparación con los ARNr y los ARNt.
Algunos detalles estructurales son característicos de los ARNm de los eucariontes.
Todos presentan modificado el extremo 5' por la adición de un nucleótido de
7-inetil-guanina mediante un enlace fosfoanhídrido; esta estructura recibe el nombre
de casquete y suele abreviarse por su equivalente en inglés, cap; en ocasiones la
estmctura se completa con la metilación del C2 - 0 H del primer nucleótido (cap 1)y
del
(cap 2). Otra característica importante se observa hacia el extremo 3'
donde muchos ARNm presentan una larga cola de poliadenina, poli(A), que puede
tener más de 200 nucleótidos. La modificaciónen 5 parece estar relacionada con la
unión del ARNm al rihosoma, en tanto la de 3 parece incrementar la estahilidad
metab61ica. La estrnctura de los ARNm será tratada con más detallesen el capítnio 27.
En su proceso de síntesis el ARNm se forma de moléculas mucho mayores, que se
encuentran en el núcleo y han recibido el nomhre de ARN heterogéneo nuclear
(ARNhn).El ARNhn ya presenta el cap y la cola de poli(A) y se va acortando por un
p-0
de maduración que también se estudiará en el capítulo 27.
Son moléculas de ARN que contienen de 90 a 400 nucleótidos, de una elevada
estabilidad metabólica y que están presentes en las células por decenas de miles de
copias cada uno; pueden estar localizados en el núcleo y se les denomina ARN pequeños nucleares (ARNsn del inglés smallnuclear) o en el citoplasma como ARN pequeños citoplasmáticns (ARNsc del inglés small cytoplasmic).
El subtipo más conocido está formado por 6 especiesmoleculares diferentes, pero
todas ellas con un elevado contenido en uridina, por lo que se les ha denominado
como ARN-U y se designan del U1 al U6. Todos los ARN-U presentan modificado el
extremo 5' con una estnictura tipo cap, que del U1 al U5 es la trimetilguaninapero que
en el U6 es diferente. Los ARNsn se presentan asociados con más de 10 proteínas
diferentes,formando partículas de ribonuclmproteínas (RNPsn) que participan en el
pmeeso de maduración de los ARNhn para originar los ARNm y del pmARNr.
Los ARNscse presentan en 3 tipos denominados Y1, Y2 y Y3 y al contrario de los
U se encuentran en el citoplasma. Entre los ARNsc merece la pena destacar el ARN
7SL, que se encuentra unido a 6 proteínas, formando las partículas de reconocimiento
del péptido señal (SRP) que participa en la translocación de las proteínas, las que
deben ser procesadasen el retículo endoplásmatico mgoso. Este ARN está formadopor
aproximadamente300 nucleótidos y tiene tanto hacia el extremo $ como hacia el 3'
una secuencia de tipo Alu, llamada así por ser el sitio reconocido por la enzima de
restricción Alu 1(capítulo 26). La zona central formada por 150nucleótidos recibe el
nombre de dominio S. Esta molécula se encuentra plegada como lo demuestra el
hecho de que el tratamiento con nucleasas da lugar a la formación de 2 subpart'culas,
una que contiene el dominio S y la otra los 2 extremos. La función de las SRP será
estudiada con más detalle en el capítulo 30.
M6todos empleados para el estudio de los ARN
Para la obtención de los ARN se procede de forma similar que con el ADN. Después de la ruptura y homogeoeización celular se puede hacer una centrifugación en
diferentesvelocidades (fraccionamientocelular)para separar núcleo, ribosomas y citoplasma soluble.
Los tratamientos con proteasas y ADNasa, así como el empleo de inhihidores
de ARNasa también se utilizan, pues estas enzimas son muy activas en el citoplasma. Con el uso de la centrifugación en gradiente de densidad, la cromatografía
Y la electroforesiscombinadas de forma adecuada se pueden obtener preparaciones de un elevado grado de pureza.
La purificación de los ARNm de eucariontes se hizo algo más simple a partir del
Conocimiento de la cola de poli(A), pues esto lo hace ideal para la técnica de
cromatografíadeafinidad. Con este objetivopara preparar la columna al soporte sólido se le une previamente, y de forma covalente, un fragmento de poli(U); cuando la
mezcla se deposita en la superficiesuperior de la columna se forman apareamientos
entre el poli(U) del soporte y el poli(A) del ARNm; con una buena combinación de
solventesse logra arrastrar primero las especies no unidas y al final el ARNm.
Para la localización de ARNm especíticos puede usarseuna técnica de transferencia en filtrosde nitrocelulosa,comoya fue descrito parael ADN, y después localizarlo
con una sonda radiactiva o fluorescente.
Como todos los métodos de purificación,los de ARN exigen una gran imaginaciún y un conocimiento adecuado de las características estructuralesespecíficas de la
o las moléculas buscadas.
ARN como material genético
Algunos virus bacterianos, fagos, poseen ARN como material genético; entre
ellos Im fagos de E. culiR17,MS-2, Qp, que tienen un ARN de cadenasimpleformando estrncturas compactas dehido a la presencia de interacciones débilesintracatenarias.
En estosvirus el ARN ciimple 2funciones: unaservir de material genético y otra, sirve
como ARNm y dirige lasíntesis rihosomal de las proteínas virales.
Por sil parte el fago 0 6 de Pseurlornonas phaseolica posee 3 ARN de doble hebra
con un peso molecular de 2.3; 3,l y S x 10"cada uno. El virus también contiene la
enzima capaz de procesar el ARN, pues esa función no puede realizarlael hospedero.
Sólo se conoce o11plásmido. formado por ARN de dohle cadena, con un peso
molecular de 1,s x IU6 y que fornia parte de la Ilaniada "partícula asesina'len levaduras, pues codifica una sustancia de elevada toxicidad.
TamhiGn los virus de las células eucariontes superiores pueden presentar ARN
como material genético. El ARN puedeser de 2 tipos: el positivo (+),sitambién puede
funcionar como ARNm y el negativo (-),si no puede. Algiinos virus eucariontestienen
ARN bifibrilar. Un caso interesante es el de los retrovirus,por lo genera1,contienen 2
moléculas idénticas (o casi idénticas) de ARN nionofihrilar, que gracias a la acciónde
una enzima viral es usado para la formación de un ADN bifihrilar,- deahíel nombrede
retrovirus- a este grupo pertenece el vims causante del síndromede inmunodeficiencia
adquirida (SIDA).
Resumen
Los ácidos nudeicos constituyen las macromoléeulas biológicas más impor-
tantes después de las proteínas, pues esián relacionadas con las propiedadeshereditarias de los seres vivos.
La estructura ñsica del gen es la molécula del ácido desoxirribonueleico(ADN);
ésta se forma por la polimerización de moléculas más simples llamadas
desoxinucleótidos, cuyas bases nihgenadas pueden ser del grupo de las purinas
como la adenina y la guanina o del grupo de las pirimidinas como la citosina y la
e a . Los desoxinudeótidos se unen mediante el enlace fosfodiéster que liga el
hidroxilo de la posición C3 d e uno de ellas con la C5'del vecino. Los 2 extremos de
la cadena poliménca son diferentes y por eso se dice que presentan polaridad 5'33:
La estructura espacial del ADN se describe mediante el modelo de Watson y
Crick. La molécula está formada por 2 hebras antiparalelas, con las bases
niheenarias hacia el interior v
" el eie Deniosa fosfato hacia el exterior. Las bases
forman pares complementariosAcou T y G con C unidos por puentes dehidrógeno,
2 en el primer caso y 3 en el segundo. El "empaüzado" de las bases se mantbne por
interaccioneshidrofóbicas que son las fuerzas fundamentales en el mantenimiento
de la esbudura A lo largo de la molécula del ADN existen numerosas irregularidades que dependen de la secuencia, como la inclinación del par de bases con respecto
-
".
pl d e y los efectos de alabeo y balanceo que c
m patrones espaciales de formación
de
de hidrógeno y que permiten la interacción especiñca del ADN con otras
m n e r o m o l ~ .Cuando los extremos de las cadenas de ADN no pueden rotar
Ubremente, como en los casos de ADN eimilar, la molécula puede adoptar formas
topológicas diferentes denominadas topoisómeros.
El ADN puede desnahuaüzarse mediante el calentamiento por encima de la
mperatura de fusión 'Cm, y renaturalizarse al bajar la temperatura lentamente,
10 que ha dado lugar a los métodos de hibridación.
para estudiar el ADN se p&a extraerlo de la dula,rompiendo ésta y sepah d o l o de las proteínas; después puede ser puriñcado utüizando una amplia variedad de métodos como la eromatografia, la eleciroforesis y la centrifugación.
W c a s de transferencia permiten localizar ADN espedseoa:.
Los ADN se pueden presentar en forma de una sola cadena como en los vinis.
Lasmolénilas independientesdel c:wmosoma, como en el easo de los pldsmidos
o del ADN mitoeondrial, son de doble hebra
Los ácidos ribonucleieoa:ARN son productos g6nieoa:primarios, lo que equivale a decir que SU estructura está determinada directamentepor el ADN. Constituyen
un gmpo heterogéneo de macromolénuas tanto desde el punto de vista estructural
como funcional. En general sus funciones están vinculadas a los mecanismos de
expresión de la información genética.
Los ARN están formados por una sola cadena de polinucleótidos enlazados
mediante uniones fosfodiéster 5'-3. Su composición de bases es menos regular que
la del ADN, y entre las pirimidinas prevalece el uraeilo en vez de la timina. La
pentosa que contiene es la ribasa, cuyo C2'-OHimpone limitaciones a su estructura
tridimensional y los hace susceptibles a la hidrólisis alealina
La cadena única de los ARN se pliega sobre sí, formando mnas de bases
apareadas separadas por zonas no apareadas (ias asas), que pueden ser internas o
terminsles. Las interacciones de "empaüzado" en primer término y los puentes de
hidr6geno en segundo, contribuyen a estabilizar &a estructura secundaria. De la
estructura terciaria poco se sabe.
En las células hay varios tipos de ARN: ARNt, ARNr, ARNm y ARN pequesos.
Los ARNt contienen alrededor de 76 nucleótidos con casi el U) % de sus bases
modificadas. Todos presentan una estructura secundaria simüar que se ajusta al
modelo dela hoja de bébol. La estructura t e r c h i a adopta la forma de una letra L
inverüda. Los ARNr presentan unaestructura más compleja,pues algunos pueden
tener más de 2 000 nucleótidos. Presentan b a menor proporción de bases modiñeadas que los ARNt, pero la ribosa está meolada en gran número; su estructura
secundaria sigue los patrones expuestos y la terciaria se desconoce. La estructura
de los ARNm es más betemgénea y, en relación con el metabolismo, es el menos
estable de todos los ARN. Presenta un casquete en el e x h m o 5'y una cola de poli(A)
en el 3' y esa unido a proteínas formando ribonucleopartícuiasmensqjeras. Desde
el punto de vista bioquímico, deriva del ARN heterug6neo nuclear. Los Llamados
ARN pequeños forman varios grupos, los más conocidos son los pequeños nucleares tipo U que participan en la tramformadón del ARNhn en ARNm y los pequeños
citoplasmáticos tipo Y, que al parecer intervienen en la síntesis de proteínas de
secreción.
Los ARN pueden presentarse como el material genético en algunos virus, que
en ocasiones adopta una estructura duplohelicoidal. Existe un plssmido de levadura constituido por ARN, aunque todos los demás contienen ADN.
Ejercicios
1. ¿Por qué se afirma que el ADN contiene toda la informacibn necesaria para la
trasmisibn de los carácteres hereditarios? iCómo contiene esa información?
2. A un estudiante se le entrega una solución que contiene un fragmento de ADN de
rata de una longitud de 250 pb y se le pide que determine la composición de bases
del fragmento. Al llegar al laboratorio le informan que sólo tienen disponibles los
métodos para la determinación de adenina ¿Cree usted que el estudiante pueda
cumplir exitosamente la tarea encomendada?
3. Un posgraduado determina la composición de bases de un ADN y obtiene los
-30 %, T= 28 % y C= 19 % ;Qué tipo de
resultados siguientes: A= 23 %, G
organismo está estudiando el posgraduado?
J. Escriba la fórmula de los paresde bases A-T y C-G. Infiera por qué el primero se
mantiene por 2 puentes de hidrógeno y el segundo por 3.
5. Se sabe que las proteinas pA y pB se unen al ADN por el surco mayor. Estudios
refinados demuestran que mientras pAse une al ADN por la secuencia CAATG, la
pB lo hace por TGCCA ¿Cómo pueden estas proteínas distinguir una secuencia de
oha?
6. A 2 estudiantes se les enconiienda la tarea de analizar el ADN de 2 organismos
diferentes, digamos pX23 y pY21. Los alumnos extraen el ADN y lo cortan en
fragmentos de aproximadamente igual longitud. Al centrifugarlos en un gradiente
de CsCI, el .4DN del pX23 se concentra en una banda única. Por su parte el ADN del
pY21 se distribuye en 3 bandas, una grande y 2 pequeñas ¿Cuálesson las características de la composición de estos ADN que pudieran explicar estos resultados:'
7. ¿Por qué cree usted que los ARN puedan desarrollar unnúmero mayor de funciones
que los ADN?
8. Si usted tuviera queniencionar una función única para los ARN ¿Cuál selecciona&?
9. Un estudiante ha determinado la composición de bases de un ARN y obtuvo los
resultados siguientes: A= 21 %, G= 29 %, T= 21 % y C=29 lo ¿A qué tipo dc
organismo perteiiecía ese ARN?
10. ;,Cuál es la fiinción que pueden desempeñar en los ARN las modificacionesquese
producen en las bases nitrogenadas y en la ribosa?
11. ¿Por qué cree iisted que todos los ARNt presentan una estructura terciariasimilar, si
sus secuencias de bases no son exactamente iguales?
12. Si a usted se le encarga la tarea de purificar un AIWt específico ¿Cuál pudieraser
un procedimiento importante para llevar al éxito su encomienda?
13. ;Por qué cree usted que durante la evolución los organismos más evolucionados
utilizan como material genético al ADN y no al ARN?
En casi todos los procesos que ocurren en las células están presentes las proteínas
(del griego protos, quesignificaprimero o más importante).Entre las macromoléculas,
ellas son las ejecutoras, el ácido desoxirribonucleico (ADN) es la memoria que contienela información genética y los ácidos ribonucleicos(ARN) son las macromoléculas
descodificadoras, ya que son capaces de convertir la información codificada en los
ácidos nucleicos en la información secuencia1de las proteínas.
Existen miles de proteínas diferentes,cada una con función específica A cualquier
nivel aueuos refiramos,una determinadaest~cturapermite una función determinada y
son un ejemplo conspicuo; por ello se vuelve importante e imprescindible
las
el estudio de la estructura de las proteínas,lo que permitirá comprender su diversidad
funcional,la relación estructura-funcióny sus Probiedades más relevantes.
En este contexto, dada sus importancias biológica y biomédica, no podemos dejar
de hacer referencia a los péptidos.
Péptidos y proteínas
Los péptidos y las proteínas son polímeros (del griego poli muchos, meros parte)
de aminoácidos unidos por enlace peptídico (capítulo 6).
Cada aminoácido que forma párte de una cadena peptídica se le denomina resid ~ p u eha
s perdido un átomo de hidrógeno de su gmpo amino y una porción hidroxüo
de su grupo &boxilo, o uno de los 2 si ocupan 6 s extremos de la cadena.
Se denominan oügopeptidos cuando contienen de 2 a 7 residuos de aminoácidos;
polipéptidos cuando su peso moleeutar es menor que 5 000, y proteínas cuando su
Peso molecular es mayor que 5 000.
En el caso de los &go&ptidos
se puede especificar el número exacto de residuos
--de aminoácidosque contiene, anteponiendo el prefijo: di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, o
hepta, a lapalabra pé~tido.El dipéptido contiene2 residuosde aminoácidos,el hipéptido
3 y asi sucesivame"&.
EBtnictorsde loa peptidoa
Como el enlace peptídico se establece entre el grupo a-carboxüo de un aminoácido
Y el gnip0 a-amino del siguiente,los residuos de los extremos tendrán: uno, el grupo
.
amino no Comprometido en el enlace, y el otro, el carboxilo. Por convenio, el residuo
aminoacídicoque tiene el grupo amino libre (N-terminal)suele escribirse a la izquierd a el~que Posee el gmpo carboxilo libre (C-terminal), a la derecha.
Los péptidos están constiinidospor un eje covalente, donde se alternan de forma
monótona el carbonoa y el enlace peptídico, por lo que quedan proyectadas por fuera
de este eje covalente las cadenas laterales de los residuos aminoacídicos. Algunos
ejemplos de péptidos se muestran a continuación:
Arg
-Pro - Pro - Gli - Fen - Ser - Pro - Fen - Arg
Bradiquinina
7
S-S 7
-Gln -Asp - Cis - Ro - Leu - Gli - NH,
Cis -Tir - Iso
Oxitocina
Tir - Gli - GliFenEncefalina
D - Fen
A
Met
-+ L - Leu 4-0m
4
-Val
4 -Pro
1
y 4 1 1 1 - Cis - Gli
Glutatión
La conformación de los polipéptidos queda esiabilizada por interacciones débiles. Su actividad sólo está favorecida cuando adquieren conformacionesespecíficas.
Los grnposque se enmentran ionizados a pH ñsiológicoson el a-aminoy el aarbo>UIo
termyiales, así como los grupos de las cadenas laterales de los residuos de aminchddos
básicosy ácidos.
No obstante, las constantes de ionización de estos grupos serán diferentes a la de
los aminoácidos libres, pues estarán bajo La influencia de los gmpos que le rodean.
Se puede predecir el comportamiento ácido-básico y la carga eléctrica de un
péptido a partir de sus grupos a-amino y a-carboxilo libres, y de la naturaleza y
número de los grupos ionizables de sus cadenas laterales (Fig. 12.1).
OH
l
H
CH2
Los péptidos cumplen variadas e importantes funciones. E n la tabla 12.1 se
relacionan algunos ejemplos.
n b l a 12.1.
OH
I
Funciones biol6gicas
CH,
H3N+-C-c-N-c-coal
l
l
Il
l
H
O
H
b)
Oligopéptidos y péptidos que cumplen funciones notables
~ügopéptidosy
polipéptidos
'L
Origen
OH
I
CH,
H,N-
Sintetizado
comemalmente
Hipotálamo
Hormona que estimula
la überacióndela
hormonaümtmpina
Casi todas
las células
Ayuda a mantener los
grupos sulfidrilosen so
forma miuada
Sistema nervioso
Controldel dolor,induce
cuihal
analgesia
mtowna
Hipófisis
posterior
Hormona que ~ O m u l las
a
contracaonesuterinas
Bradiquinina
Riñón
Acción vasodilatadora
potente
Gramicidina S
Badeiia
Antibiótico
Bacillusbrevis
Glucagón
Pánupa~
Corticot~opina
Hipófisis
anteiior
Hormona que estimula
a la corte!
=P-
células
Confiere rigjdez y
resistencia ala
envolturacelular
bacterianas
bgdeiiana
R.,&: Total de residuos aminoaiídicas.
Iwortaneia biomédica
OH
l
Función
;
Numensos oligopéptidos simrn como neurotra$misoresen los centros n m i o s o i
delenctfalo; otros son hormonas liberadoras, que mediante ella5 el hipotálamo
H
I
I
CH,
I
C - C-N-
I
II
C-COO-
H
O
H
I
c)
Fig. 12.1. El dipéptido serilserina. a) Disueltos en una solución que tiene
pH<3 se encuentra en su forma
catiónica. b) Representación de su
forma isueléetriea. e) Disueltos en
una solución que tiene pH>10 se
encuentra en su forma nniónica.
Serina pK,=2,21 pK,=Y,lS.
gobierna la función de la hipófiis; otros son hormonas producidas en el tracto
gastrointestinal, además otros oligopéptidosoperan en los mecanismos involucrados
en las vías sensoriales del dolor, presión, calor o en la inducción del sueno. Por ejemplo, la sustnndeP:
Arg -Pro-Lis-Pro-Gln-Gln-
Fen-
Fen-
Gli-Leu-
Met-NH,
disiribuidaen el cerebro, la médulaespina1y el sistema nenicsoperiférico, parece ser
el neurotrasmisor usado por las neuronas sensoriales eferentes de la médula dorsal
involucrado en los mecanismos del dolor, presión y calor.
La sustancia P está presente en el tractogastrointesonal,en células espeeiaiizadas
endocrinas, y en los plexos nerviosos produciendo vasodilatación y estimulación de
la motüidad. En la enfermedad de Corea de Huntington, que se caracterizapor movimientos involuntariosbreves y deterioro progresivo de las funcionesnedessuperiores, éste es uno de los neuropéptidos cuya concentración está disminuida.
Muchos péptidos pueden utilizarse con &es terapéuticos por ser ahtibióticoso
agentes antitumorales.
Entre los antibióticos se encuentran la valinomicina y la gramicidina A. La
bleomicina es un péptido que se encuentra entre los agentes antitumorales.
Las proteínas son grandes polimeros, cuyo p amoledar abarca el rango entre 5
mil y millones, que adoptan variadas estructuras en el espacio que posibilitan sus
funciones.
Clasificación de km pmteúias
Debido a la diversidad estructural y funcional de las proteínas y a las propiedades
fisico-químicasque presentan, existen diversos criteriospara clasificarlas.
Pueden clasificarse en globulares y fibrosas. Las glnhulsres son proteínas cuya
estructura tridimensionales esferoidal. La rszón de sus ejes axiales es menor que 10y
generalmenteno exceden de 3 a 4. Son proteínas globularesla mioglobina,la hemoglobina, las proteínas plasmáticas, las enzimas y las historias.
Lasfibson proteínas cuya estmctura tridimensional es alargada, se conoce
que la razón entre sus ejes axiales es mayor que 10.
Pueden clasificarse en insolubles, solublesy poco solubles. Las insolubles presentan una eshuchun muy "empaquetada", que l'per~te formar los diferentes tipos
de fibras, aquíse encuentrantodaslas proteínasfibmsas; tambih induye las proteínas
globulares,que forman parte de las membranas celulares en las cuales su grado de
insolubilidad se correspondecon la profundidad de inmersión en la bicapa Lipídica.
Esto es consecuencia de la cantidad de cadenas laterales de residuos de aminoácidos
apolares que se proyectan desde su superficie,e interaccionancon la poirión apolar de
los Lípidos mediante el establecimiento de uniones hidrofóbicas.
Las solubles presentan una estructura espacial globular, donde se proyectan
emergiendo de su superficielas cadenas laterales de residuos de aminoácidos polares,
que establecen interacciones no covalentes con las moléculas de agua (polar&, que
permiten mantenerseen solución, aquíse encuentran casi todas las proteínas globulares.
Las poeo solubles o solubles en soluciones de sales neutras, como el cloruro de
sodio; las globulinas son un ejemplo de estas proteínas.
Pueden clasifiear~e
en simples y conjugadas. Las simples están formadassólo por
aminoácidos.Las wqjugadastienen unido a las proteínas un gmpo prostético, que no
es proteico; éstas se subclasificansobre la base de ese gmpo (tabla 12.2).
w l a 122 Proteínas conjugadas
Clase
Lipopmteúias
G~jmprostético
Ejemplo
Lípidm
Glicopmteúw
Fobfopmteínas
Gmpos fosfato
Hemopmteúw
Flavopmteúias
Metalopmteínas
-
HieIm
zinc
Cakio
Molibdeno
Cob~
Potasio
Selenio
Níquel
Cstalasa
Alcohol deshidrogenasi
Cahwdulina
Dinihgenasa
Citocmmo oddasa
Ribonudeótidod u c t a s a
Hnin~~quuiasa
Glutaüónperoddasa
U-
Se pueden agrupar en 8 tipos de funciones generales (tabla 12.3).
La estructura primaria de las proteínas se define como el orden o la secuencia de
SUS L-a-aminoáeidos unidos mediante enlaces peptídicos (Fig. 12.2).
Este nivel estructural, codificadogenéticamente, se conoce cuando se sabe el
número, la estructura o identidad y el orden de todos sus residuos de aminoácidos,
mnstituye la estmctura básica de las proteínas. Al analizarloen detalle se distinguen
uncomponente esirnctural común para todas las proteínas y otro especíñco para cada
una de ellas.
Es el eje covalente monótono y homogéneo donde se alternan el carbono a y el
Wpopeptidico. Entre 2carbonos ase pueden distinguir3 tipos de enlaces covalentes,
Fig. 12.2. Secuencia de aminoácidos de la
ribonucleasa bovina.
lsbla 12.3. Clasifiación de las proteínas, según la función biológica que realizan
Tipo
Ejemplos
EnnmaS
Telome-
Función
Regula lalongitud de los telómeros
intervieneen los procesos de memoria y aprendizaje
Albúmina
Transporta moléculas insolublesa t r 4
del plasmasanguíneo
Ceiuloplamuna
Transportacobreenel plasmasanguíneo
Reserva
Fenitllia
Reserva de h i e m
Contráctües
Actina y miasina
Actúan en elsistema contráctildel músculo esquelético
TubuOna
Forman los micrutúbulos, posibilitandosumovUniento
Confiereelasticidadalosügamentos,al desplazarse
enlas direeeionesdeun plano
intervieneen elcontrol del wecimiento
y ladiferenciación
Defensa
Inmunoglobulinas
Anulan el efectodesustanciasajenas al organismo
Enzima que parücipa en el mecanismo
delaeoagulaciónsanguínea
Repuiadm
~ 5 3
Controla el ciclo celular.
Acíivalamuertece1ularp~
MDM 2
Regula la actividad de la proteína p53
Provoca la formación de algunos tipos de cáncer
el quese establece entre el carbono a y el carbonocarbonilo, el enlace peptídico y el
que se establece entre el N-amídico y el carbono a.
Este polímero presenta las cadenas laterales de los residuos aminoacídicos por
fuera del eje covalente monótono, por lo que no interfieren en su estabilidad. ~ s t e e j e
covalentecomún a todas las proteínas sólo difiere (de proteína a proteína) en el número total de residuos de amin&idos que lo componen;su estabilidad queda demostrada ante proteínas como la enzima ~lutámic~~deshidro~enasa
integrada por 8 300
msiduos de aminoácidosy ante las condicionesextremasque se requieren para hidroLizar
elenlace peptídico; para ello hay que utilizar ácidos concentradoso álcalis diluidos
hinientes,durante varias horas.
En todas las especies, las proteínas se forman a partir del mismoconjuntointegrado por unos 20 L-a-aminoácidos. Estos aminoácidos son diferentes debido a la
es&ctura de sus cadenas laterales, la cual les confieren propiedades fisico-químicas
específicas. La identidad, la cantidad (tabla 12.4) y el orden de los residuos de
aminoácidos que las constituyen es lo que determina la estructura primaria y la
individualidad de las proteínas.
ib esta secuenciade aminoácidos lo que va a deteiminar su eshueturatridimensional
y por ende su función.
~ZA
Composición de aminoácidosde 3proteínas
Número de residuos de aminoácidos por molécula de proteína
Aminoácidos
Citocromo C
(humano)
a-caseína
(bovina)
Ferredoxina
(de espinacas)
La información secuencia1 de las proteínas radica en el orden que tienen los
amin&klos en su estructura primaria y es única para cada proteína (capítnlo 9).
m1
Se conoce que algunas proteínas de diferentes especies, con funciones iguales,
tienen secuencias de aminoácidos semejantes (capítulo 84); que muchas enfermedades están producidas por la alteración del orden o secuencia de los aminoácidos (capítulo 76), y que la localización celular, la modificación química o la vida media de las
proteínas están determinadas por ciertas secuencias de aminoácidos que sirven de
señal.
Organización tridimensional
Se denomina eonformaci6n a la disposición espacial que adoptan los átomos de
una molécula. Cada proteína tiene varias conformaciones posibles, por lo que puede
pasar de una a o ~ por
a transconformación; duranteeste procsono ocurrela ruptura de
enlaces covalentes, por lo que la transconformación puede ser el resultado de la rotación alrededor de enlaces simples.
La conformación que generalmente predomina es la más estable desde el punto de
vista termodinámico, que posee la menor energía Libre de Gibbs (G) en el momento que
se adopta.
Se denomina pmteúia nativa cuando esta macromolécula posee la estructura
espacial que le permite funcionar. El estudio de la organización espacial de las proteínas incluye los niveles secundario, terciario y cuaternario.
Resulta conveniente comenzar el estudio de la estructura tridimensional de las
proteínas resaltando que:
1. Viene determinada por su secuencia de aminoácidos, por lo que está codificada
genéticamente.
2. Es única o casi Única para cada proteína.
3. Está wtabilizada por interacciones débiles o no covalentesy por el puente disulfuro
que es un enlace covalente.
4. La función depende de su estructura tridimensional.
Estnichus secundaria
De la estructura primaria recordemos que los carbonos a de aminoácidos adyacentes se encuentran separados por 3 enlaces covalentes, ordenados así: Cc-C-N-Ca.
Los giros alrededor de los enlaces simples permiten la formación de estructuras
secundarias. Se conoce por nivel de organizaciónsecundario (estructura secundaria) al
ordenamiento regular que adoptan sectoresde la cadena peptídica a lo largo de un eje,
debido a la interacción de los grupos carbonilicos y amídicos con formación de puentes de hidrógeno; las principales son la a-hélice y la conformación p.
La a-hélice es una disposición regular de la cadena polipeptídica, con predominio del eje longitudinal, está estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios
que se establecen entre los elementos del enlace peptidico.
El eje covalente se encuentra enrollado de forma compacta alrededor del eje
longitudinal de la molécula, formando una hélice. Las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos se proyectan por fuera del eje covalente helicoidal; cada giro de
hélice ocupa 0 3 6 nm del eje longitudinal e incluye 3,6 aminoácidos.
Esta estructura está estabilizada por el máximo de puentes de hidrógenos
intracatenarios,que se establecen en- el átomo de hidrógenoque está unido al niírógeno
amídicoy el átomo de oxígeno carbonfico del cuarto aminoácido con respecto a él, por
lo que cada vuelta sucesiva de la a-hélice queda unida a las vueltas adyacentes. Los
puentes de hidrógeno están orientados en paralelo al eje longitudinal de la molécula.
Como veremos a continuación la estabilidad de la a-hélice se ve afectada por
diversos factores que determinan que cada segmento helicoidal abarque una pequeña
extensiónde más o menos 10 residuos de aminoácidos como promedio.
La estabilidad de la a-hélice puede verse afectada por:
1.La repulsión (o atracción) electrostática entre residuos de amino4cidos, cuyas
cadenas laterales presenten cargas eléctricas iguales o diferentes, a pH fisiológico
(Fig. 12.3); por ejemplo, muchos residuos de aminoácidos polares iónicos contiguos impediría la formación de la u-hélice en ese gmento.
2. Volumen de los g r u p adyacentes. El tamaño y la forma de algunos grupos de la
cadena lateral de los residuos de aminoácidos,impiden la formacióno desestabilizan
la a-hélice; por ejemplo, la cercanía de los residuos de asparagina,serina, treonina
y leucina.
3. Interadones entre cadenas laterales de aminoácidos separadas por 3 6 4 residuos. Cuando existen aminoácidos básicos y ácidos separadospor 3ó 4 residuos se
establecen entre ellos interaccionesiónicas que inestabilizanla u-hélice, lo mismo
ocurre en el caso de 2 aminoácidos aromáticos al establecerse entre ellos
interacciones hidrofóbicas.
4Presenciade residuos de pmlina. La prolina es un aminoácido cíclico; el átomo
denitrógenoforma parte de un anillo rígido, por lo que no existe rotación alrededor
del enlace N-C,; tampoco dispone del átomo de hidrógeno del nitrógeno amídico
Para formar puentes de hidrógenos.
5. hterafci6n entre aminoácidos en los exiremos de la u-hélice y el dipolo eléciriW inherentea esta estructura. Cada enlace peptídico es un pequeño dipolo eléctrico, donde el oxígeno carbonílico tiene carga parcial negativa y el nitrógeno
amida carga parcial positiva.
En la a-hélice los puentes de hidrógenos que se establecen entre el oxígeno
Whod¡co y el hidrógeno del nitrógeno amídico forman también un dipolo eléctrico.
La magnitud de ambos dipolos eléctricos es aditiva, en la dirección de los puentes
de hidrógeno de la hélice, de esta forma el momento dipolar neto aumenta con la
IoWihid de ésta.
Fig. 12.3. Desestabilización del a-hélice. Los
segmentos d e cadena polipeptidica con r a r i o s residuos de
aminoácidos bisiros caiisecutives,
desestabilizan el a-hélice como
consecuencia de la repulsiún de las
cadenas laterales con carga positiva (en rojo).
Como los 4 residuos de aminoácidossituados a continuación de cada extremo de
la hélice no participan a plenitud de sus puentes de hidrógeno, esto traecomo consecuencia que las cargas parciales positivas del dipolo de la hélice radiquen en los
grupos aminoscercannsalextremo amino-terminal,y quelas cargas parciales negativas del dipolo de la hélice radiquen en los grupos carbonilos cercanos al extremo
carboxilo-terminal(Fie. 12.4).
Con frecuencia existen residuos de aminoácidos básicos que se encuentran cerca
del extremo carboxilo-terminal,contribuyendoa la estabilizaciónde la carga
negativa
del dipolo de la hélice; si por el contrario, fuesen residuos de aminoácidos ácidos, su
interacción sería desestahilizante. Una consideración opuesta sería válida para el
exiremo amino-terminal.
Fig. 12.4. El dipolo eléctrico global de la
a-hélice. El dipolo el&tr¡eo de las
enlaces peptídicos se trasmite a lo
largo de la a-hélice a través de las
interaeeianes por puentes de hidrógeno. Los constituyentesamino
y carbonilo d e . cada enlace
peptídico se indican mediante los
símbolos + y -.Los grupos amino
y carbonilo noenlazadospor puentes de hidrógeno y situados cerca
de los extremas de la a-hélice se
muestran en rojo.
Es la disposición regular de las cadenas polipeptídicas con predominio del eje
lougitudinal y estabilizada por puentes de hidrógeno intercatenarios,que se establecen entre los elementos del enlace peptídico.
En la conformación p las cadenas polipeptídicas se disponen en zig-zag, por lo
que a esta estructura se le denomina hoja plegada (Fig. 12.5).
Fig. 12.5. Sector de una cadena volipeptidica en hoia ~leeada.Se observa la diswsición en n'eme
líneas diseontinuas indican los puentes de hidrógeno.
Fig. 12.6. Cadenas B. El @ma la derecha de
las cadenas B es más estable.
Cada cadena presenta una torción derecha ostensible, como consecuencia de
interacciones entre los carbonos asimétricos de los residuos de L-a-aminoácidos
(Fig. 12.6).
La disposición en zig-zagpermite que se establezca el máximo de puentes de
hidrógeno, los que unen a cada cadena con las adyacentesal interaccionar los oxígenos carbonílicos con los hidrógenos de los nitrógenos amídicos (Figs. 12.7 y 12.8).
Las cadenas laterales de los residuos de aminoácidosse proyectan por encima y
por debajo del plana queocupan los ejes covalentes de las cadenas polipeptídicas, de
esta manera no interfieren con la estabilidad de la estructura (Fig. 12.5).
La hoja plegada P puede ser paralela (Fig. 12.7), si las cadenas polipeptídicas
tienen la misma dirección (enfrentan los mismos extremos terminales) o antiparalelas
(Fig. 12.8), en caso contrario.
En la hoja plegada paralela los puentes de hidrógeno se establecen de forma
oblicua, y alternan la dirección, con respecto al eje longitudinal de cada cadena
polipeptídica, por lo que son más débiles con respecto a los puentes de hidrógeno de
las antiparalelas, que se establecen de forma perpendiculara los ejes de cada cadena Y,
por ende, quedan paralelos entre sí (Figs. 12.7 y 12.8).
/
/
\
CsC-H
\
/C= O\
,
H-N
\
Cp
/
,O=C
'
'.
H-N
H-C-
,
\
N -H
/
N
,O=C
/
\
H-C/
C
H -N
--H-N
\
H-C-Cp
/
/
N-H
-o=c\
/'
N-K/
\
H-C/
C
p
/C = o,
/
\
/
x.
-H-N
\
H-C-C
/
Fig. 12.7. Hoja plegada paralela. Las cadenas corren
en el mismo sentido. Los puentes de hidrógeno se establecen en dirección oblicua al eje
longitudinal de cada cadena.
\
/
CBC-H
\
N-H
/
---O=C
\
\
/
C=O--
\
H-C-Cp
O=C
/
\
N-H-..
/
CBC-H
\
C=O-/
C=O----H-N
\
H-C-$
p
/
CBC-H
C-0 .... - H-N
FC-H
H-C-Cp
\
/
C=O---H-N
\
,
H-N
H-C-CB
C=O--H-N
/
CBC-H
\
\
,
\
N-H'
/c=O,
C = O\
\
\
N
C-C-H
\
-
/
\
YC-H
H-C-5
/
CrC-H
..H
\
,,O=C
\
/
,
H-N /
H-C-Cp
/
\
/
CpC-H
CFC-H
\
\
/C= O\
C= a
,
/
/
CBC-H
\
\
H-C-CB
/
Fig. 12.8. Hoja plegada antiparalela. Las cadenas adyacentes corren en sentido contrario. Los puentes
de hidrógeno se establecen de forma perpendicular al eje longitudinal de cada cadena.
En las proteínas globulares con frecuencia la hoja plegada P se estructura a partir
desectores de una misma cadena polipeptídica.
La hoja plegada antiparalela puede formarsecuandose enfrenten2 o más sectores
alejados de la misma cadena o cuando una cadena cambie abniptamente de dirección.
En este último caso, el sector que las conecta se conoce como giro o codo P (Fig. 12.9).
El giro o codo P forma un giro cerrado de aproximadamente 180°,en el que
están involucrados 4 residuos de aminoácidos; queda estabilizado por puentes de
hidrógeno entre el primero y el cuarto residuo. En su secuencia contiene glicina
por ser un residuo pequeño o prolina, que determina que el enlace peptídico
donde participa su nitrógeno imino, pueda tomar la configuración cis lo que
propicia el giro cerrado (Fig. 12.10).
Fig. 12.9. El gira D. Éste conecta a las cadenas antiparalelas.
R
TRANS
CIS
Fig. 12.10. Estructura del eiro
. fl. a) Obsérvese el puente de hidrógeno entre
el oxígeno carbonflica del primer
residuo y el hidrógeno amídico del
cuarto. b) Isórneros trans y cis dc
un enlace pcptídieo con el nitrógeno imuio de la prolina.
La formación de una hoja plegada paralela requiere de 5 sectores o más. La conexión entre 2 de éstos se establece mediante un segmento de cadena polipeptídica
que cruza por encima del plano que ocupa la hoja plegada, orientado hacia la derecha.
En ninguna proteína se ha observado que el segmento polipeptidico conedor tome la
conformación hacia la izquierda (Fig. 12.11).
Es más frecuente la formación de estructurassecundariasformadas sólo por hojas
plegadas paralelas o sólo por antiparalelas, con respecto a las que contienen ambos
tipos, no obstante, algunas proteínas, como la anhidrasa carbónica, poseen las 2.
Estructura terciaria
Fig. 12.11. Sector conectar de cadenas paralelas B. El segmento polipeptidico
que conecta las cadenas paralelas
presenta giro hacia la derecha. No
se observa ningún sector conector
con giro hacia la izquierda.
Fig. 12.12. Estructura de la rnioglobina. El
grupo hema aparece en raja.
Es la disposición tridimensional de las cadenas polipeptidicas estabilizadas por
interacciones débiles, que se establecen entre las cadenas laterales de los residuos de
aminoácidos y por el enlace covalente por puente disulfuro. Las interaccionesdébiles
pueden ser: uniones salinas o iónicas,fuenas de Van der Waals, puentes de hidrógeno
y uniones hidrofóbicas, según la identidad de los aminoácidoscuyas cadenas laterales se enfrenten.
En las proteínas globulares, residuos de aminoácidos que ocupan posiciones alejadas en los niveles primario y secundario pueden interaccionar cuando la proteína
está plegada. Determinadosaminoácidos como: prolina, t r e o ~ n aserina
,
glicina,
propician en la cadena poüpeptídica la formación de giros durante el plegamie&o con
una determinada dirección y ángulo; estos giros o lazos son estmcturas irregulares,
extendidas o plegadas.
Como modelo para el estudio de la estructura terciariade las proteínas globulares
usaremos la mioglobia (Fig. 12.12).Esta proteína es un poümem de 153aminoácidos.
y
Su estructura secundariaestá formada por 8 sectores de a-hélice (80 %),de los
cuales el más largo tiene 23 residuos de aminoácidos y el más corto 7. La continuidad
de esta estnictura secundha está afectada por la presencia de un residuo de prolina, en
4 sectoresdiferentes,y por los residuos de serina, treonina y asparagina,en otros. Por
estossectores discoutinuos se pliega la molécula; al acercarse los 8segmentos, relativamente rectos, de a-hélice,se aproximan residuos de aminoácidos que antes estaban
distantes y sus cadenas laterales pueden interaccionar.
Aquéllos que poseen cadena lateral apolar se disponen hacia el interior de la
molécula de mioglobina e interaccionan mediante uniones hidrofóbicas; este denso
núcleo hidrofóbico es característicode las proteínas que poseen forma espacial globular o esférica. Como el "empaquetamiento" es muy compacto, las cadenas laterales
apolares están muy cercanas y las fuerzasde Van der Waals que se establecen potencian significativamentela acción estabilizante de las uniones hidrofóbicas.
Todas las cadenas laterales de residuos de aminoácidospolares se encuentran en la
superficie externa de la molécula, excepto 2 cadenas.
El plegamiento que adopta la mioglobiua es una de las muchas posibilidades.
Existen otras proteínas en cuyo nivel terciariose iucluyeusectoresde a-hélice o de
conformación (tabla 12.5).
lsbla 125. Características estructurales y funcionales de algunas proteínas con nivel estructural
funcional terciario
Proteína
R
H
C
S
Función
Mioglobina
153
SO
O
O
Almacena y transportaoxigeno
en lascélulas musculares
Citouomo C
104
39
O
O
Transportaelechonesenla
cadena re~pirato~mitocondiial
Liwzhl
129
40
12
4
Enzima que intervieneen la
mptura de los polisacándos
de la pared celular de algunas
hadeIk
Ribonocieasa
124
26
35
4
Enzima que intervieneen la
digestión delos ácidos
ribonncleim
Qui~nohipsina
247
14
45
5
Enzima que intervieneen la
digestión delas proteínas
Ca~bo+ptidara
307
38
17
O
Enzima que intervieneen
la digestión delos
oügopéptidos
R: total de residuos de aminoácidos. H:
Puentes disulfuro.
% de residuos en
a-hélice.C:
% de residuos en conformación
Modelos esúuchvsles tereian'os comunes
En el nivel terciario de numerosas proteínas globulares, no en las fibrosas,
existen una serie de regularidades en su plegamiento que son comunes; puede ser
que dichas regularidades confieran a este nivel un grado no habitual de estabilización o flexibilidad estructural o ambos.
Las esiructnrassecundarias principales a-hélicey conformación P,forman estmcturas mixtas, las que se consideran un nivel estmctnral intermediode transición entre
P. S: total de
las niveles secundario y terciario, conocidas como estructuras snpersecnndarias o
motivos que tienen significadoestructural y funcional. Entre ellas se encuentran:
- E$,integrada por 2 cadenas plegadas; presenta 2 variantes. Si las cadenas
adyacentes son antiparalelas están conectadas por un extremo mediante un
girob (Fig. 12.13a). SisonparaleIasJaconexión es haciala derecha (Fig. 12.13b).
Bude $aP,la conexión hacia la derecha entre las cadenas plegadas paralelas
contiene una a-hélice (Fig. 12.13 c).
-BarrilP, 8 cadenas están orientadas de forma tal, que dibujan la superñciede un
cilindro; aquíse observa la tendencia a la torsión de cada cadena (Fig. 12.13 d).
-Motivodeíasiüa,está fonnado por 5 cadena* paralelas,ligeramentetorcidas,
quese relacionan en el centro (Fig. 12.13 e).
- Llavegriega, está constituida por 4 cadenas antiparalelas entre sí, conectadas la
primera con la segunda, la segunda con la tercera y la primera con larnarta
mediante girosp (Fig. 12.13 0.
-
Bucle $ap
c)
Barril p
Silla
d)
e)
Llave griega
f)
Fig. 12.13. Estructuras supersecundarias o motivos. El motiva R-R puede estar formado por: a) cadenas antiparalelas o b) cadenas paralelas. cl El
bucle flan tiene una región, donde se producen las intcraccianes hidrofóbieas estabilizadoras, que aparece sarnbreada en gris d). El barril fi
y e) la silla forman d núcleo estable de muchas estructura%fl La llave griega es una unidad repetitiva que se encuentra can frecuencia en
las proteínas globulares.
Estos motivos supersecundarios,al participar en unidades repetidas aun mayores,
dan lugar a diferentes estructuras terciarias. Así, cuando 2 motivos pap se solapan,
originan la unidad papap. En muchas enzimas se ha demostrado que esta unidad se
encuentra formando un sitio de unión para los nucleótidos.
En muchas proteínas que enlazan dinucleótidos, se combinan 2 unidades ~ C L P
para formar un motivo alternativo conocido como enlazantes de dinucleótidos.
Muchas otras enzimas poseen una conformación terciaria en barril d p , resultante
de una estructura en barril fi conectada mediante a-hélices. La disposición de las
cadenas plegadas p al formar el barril es importante, ya que posibilita que se cree el
núcleo central hidrofóbico. El extremo del barril está relacionado con el sitio funcional o el centro activo de determinadas enzimas (Fig. 12.14 a).
Existen otras regularidades o motivos como son: el haz de 4 hélices (Fig. 12.14 h);
ap con silla en el núcleo (Fig. 12.14 c) y "emparedado" p$ (Fig. 12.14 d).
b
~P
12.14. Algunas regularidades estructurales presentes en el nivel terciario. a) El barril cdB se observa en la triosa fosfato isomerasa y en otras
muchas enzimas. Con frecuencia existe un sitio de fijación de cofaetores o sustratas, en un bolsillo cerca del extremo del barril. b) El haz de
4 hélices, aquí puede observarse en el citocromo C. Las hélices adoptan una ligera inclinación que da lugar a un bolsillo interior, que a
menudo contiene un sitio de fijación para metales u otros eofaetores esenciales para la función biológica. c) El a0 con conformación en silla
en el núcleo se observa en la adenileielasa. El núcleo hidrofóbieo es muy estable. d) El "emparedado'' nR- se observa en el dominio V, de
las inmunoglobulinas. Al formar las hojas plcgadas una estructura crwada se crea un bolsillo hidrofóbieo interior que suele ser un sitio de
unión de una molécula planar e hidrafóbica.
sauo!aunj aaua) h sop!qou!we ap sonp!saa 0 0 h~ob aqua appu! apand o!u!uiop epe3
. s o p p o p sepeurell op!s ueq anb alualeaoa a[a la aod sepqaauoa seuoz ua uezye8ao
as seugoad se1 ap seppunmsiadns h seuepunms s e a m p ~ ~se1
s aepuanaaq u03
su estructura tridimensionalfuncional, después de lo cual se separan de ellas, por lo
que han sido denoninadasproteínas "chaperonas" o fijadoras de cadenas poüpeptídicas.
Las "chaperonas" pequeñas son las primeras que se unen a la cadena peptídica en
crecimiento previniendo el plegamiento prematuro (Fig. 12.17 a).
Las "chaperonas" grandes se unen posteriormentea las cadenas polipeptídicas,
crean un microambienteque permite el plegamiento correctode lacadena polipeptídica
e impiden la agregación con otras cadenas. Una vez que la proteína asistida ha adquirido su estructura espacial funcional, las proteínas "chaperonas" se disocian. Esta
disociación frecuentementeestá asociada con la hidrólisis del ATP (Fig. 12.17 b).
Las proteínas "chaperonas" también pueden actuar como guía en el plegamiento
de algunos polipéptidos.
Se denomina estructura cuaternaria al nivel estructural de las proteínas,constituido por 2 o más cadenas polipeptídicas, idénticas o diferentes en estructura, generalmente en número par, unidas por interacciones no covalentes del tipo de puentes de
hidrógeno, de uniones ióniw o electrostáticasy uniones hidrofóhiw según la proteína. Cada una de estas cadenas polipeptídicas reciben indistintamente los nombres de
monórneros o subunidades, y el conjunto forma la proteína oligomérica. En algunas
protehaseste nivel se establece espontáneamente pero otras requieren de las proteínas
"rhapemnas".
La hemoglobina (Fig. 12.18) es una proteína oligomérica formada por 4 cadenas
polipeptídicas,denominadas globinas, iguales 2 a 2 (a$,);cada subunidad cr posee
141 aminoácidos, cada fi 146 y cada globina tiene unido u11grupo pruslético hemo.
Para poder realizar cada una de sus múltiples funciones, requiere de la integridad
desu eshucaira cuaternaria. Esta organización espacial es muchísimo más compleja y
posibüita que esta molécula pueda realizar más funciones que la de miuglobina.
Reiaci6n estructura-funciónde las.pmteinas
La gtnicturacovalente de las pmteínas posee un carácter informacional socuencial,
Fig. 12.17. Las proteinas "chaperonas". a)
Las pequeñas previenen el plegamiento prematuro, se unen a las
proteinas en crecimiento. b). Las
prolcinas "chaperonas" grandes
actúan coma guias en el plegamiento de las proteinas.
(Tomado de Quitar. SANDORAMA. Edicibn especial, 1988).
que determina la estructura tridimensional biológicamente activa, terciaria o cuaternaria
según la pmteína. La función se ejerce mediante el reconocimiento moleenlar, el cual
seestablece en virtud de la disposición espacial de las cadenas laterales de determinados residuos de aminoácidos; por tanto, el nivel estructural terciario o cuaternario
posee un carácter informacional-conformacional,que permite el funcionamiento de la
proteúia
La presencia de determinados agentes fisicos o químicos provoca la ruptura de
algunas interaccionesno coyalentes, y si están presentes, la de los puentes disulfuros
Y conellose pmduce, en mayor o menor grado, la pérdida de la estruchua tridimensional
dela proteína y por ende su función. Este fenómeno se conoce como desnaturalización
(Fig. 12.19). Resulta oportuno precisar que la desnaturalización no afecta los enlaces
Wpodicos, por lo que se mantiene el nivel primario.
Cuando sólo se pretende desnaturalizaruna proteína, el tratamiento tiene que ser
*hmente
suave. Los disolventes órganicos miscibles en agua como el alcohol y la
atOna,la urea y los detergente, actúan fundamentalmente destruyendolasuniones
h i d m f 6 b i ~que estabilizaban el núcleo de las proteínas globulares.
Fig. 12.18. Estructura cuaternaria de la hemoglobina. Las cadenas a aparecen rn rasado pálido. Las cadenas
1% en rosado oscuro y los grupní
heme en rojo.
Fig. 12.19. Desnaturaliración de la
ribonucleasa. Cuando se trata la
ribonucleasa con B-mercaptoetanol en urea 8 M se reducen los
puentes disulfuro, sr. rompen las
interaecioncs débiles, pierde su
StrueNra nativa terciaria y eoneUo
su actividad cnzimiitica. Aparecen
en el mismo color los residuos de
risteina involurradas en los puentes disulfuro.
Riln,iiucleasa nativa
Kihoniiclcasa reducida
y dcsiiaturnlizad;~
Las variaciones extremas de pH producen cambios en la carga eléctrica de los
grupos ionizahles de las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos expuestos
hacia la superficie, cambiando la carga neta de las proteínas, con lo que aparecen
repulsiones electrostáticas, también resultan afectados los puentes de hidrógeno. El
aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles en su conjunto por aumento de la energía cinética.
Según el grado de desorganizaciónde la estructura tridimensional de la proteína,
que ocasiona el agente desnaturalizante, este proceso puede ser reversible cuando se
eliminan los agentes causales, lo que se conoce como renaturalización (Fig. 12.20).
Fig.
12.20. Henaturalizaeiún de la
rihunuileasa. Cuando se eliminan
par diálisis la urea y el p-mercaptoetanol, poco a poro se establecen de nuevo las interaecianes
débiles g los puentes disulhro (estos últimos san oxidados por el
oxigeno presente en el aire atmosférico) se recupera la estructura
nativa y ron ello la actividad
iatalitiea.
Kibonucleasa nativa
Proteínas alostéricas
Las proteínas alostéricas (del griego, allos: otros, stereos: espacio) son aquéllas
que tienen uno o varios sitios alostéricos, por donde se une determinado ligando o
efector. La unión entre un ligando específicoy su sitio alostérico se realiza mediante el
reconocimiento molecular y el establecimiento de interacciones débiles y es muy
específica.
Existen proteínas alostéricas a las que pueden unirse diferentes ligandos, los
sitios de uniónson generalmente diferentes para d a o de e . En estos s i con
frecuencia existen cadenas laterales de residuos aminoacídicosapolares que propician
un microambiente hidrofóbico, favorable al reconocimiento molecular y al establecimiento de las interacciones débiles.
En las proteínas alostéricas existen 2 conformaciones, que presentan afinidades
diferentes por la molécula con que deben interactuar, que son la tensa T de baja
afinidad y la relajada Rde alta afinidad (capítulo 17).
La hemoglobina es una proteína alostéricaque puede transportar hasta 4 molécnlas de oxígeno, una por cada subunidad. La unión de la primera molécula de oxígeno
a cualquierade los 4 sitios de fijaciónes más difícil que las siguientes, pues implica la
ruptura de un número mayor de interacciones iónicas que incluyen aquéllasen las que
participan los carboxilos terminales de cada globina (Fig. 12.21). La ruptura de estas
interaccionesprovoca, una rotación de 15" de un par de subunidades cda con respecto
al otro, aproximándose. Esta transconformación incrementa casi 500 veces la afhidad
por el oxígeno de los 3 gmpos hemo restantes. La segunda, tercera y cuarta moléculas
de oxígeno, se van uniendo a las subunidades con afinidadescrecientes.
Fig. 12.21. La hemoglobina, una proteína
alastérica. Enlaces salinas entre las
diferentes subunidades de la
desoxihemoglobina. La fijación de
la primera molGeula de oxígeno es
más difíeil, pues implica la mptura de mayar cantidad de uniones
salinas. Las otras se van uniendo
con más facilidad, a medida que el
número de unione salinas destmidas crece.
La estrnctnra cuaternaria de la hemoglobina desoxigenada (T) es la de baja afinidad por el oxígeno y la de la hemoglobina oxigenada (R)es la de alta afinidad. El
ácido 23 bisfosfoglicéncoes un ligando o efector alostérico,que se une a la hemoglobina desoxigenada por la cavidad central que existe entre las 4 subunidades,
estabilizando el estado T. El oxígeno liberado en los tejidos será utilizado como
agenteoxidante final de la cadena transportadora de electronesdurante la respiración
celular (capíinlo 63).
Propiedades físico-químicasde las proteínas
Las propiedades físico-químicasde las proteínas son consecuenciasprincipalmente de su gran tamaño y de la presencia de grupos ionizables.
Debido a su gran tamañoforman sistemascoloidalescuando se encuentrandispersas
enmedios acuosos. Nodialiuan,o sea, no pueden difundir a través de las membranas.
Fisiológicamente, las proteínas al no difundir a través de las membranas biológicas crean una presión osmótica, que en este caso particular se denomina oncótica, la
quecontribuyeala distribución del agua y loselectrólitosentrelas células y el medio
extracelular.
La presencia de grupos ionizables en determinados residuos aminoacídicosexP h las propiedades eléctricasde las proteínas.
Estos grupos son los extremos amino y carboxilo terminal, así como todos los
ionizahlesde las cadenas laterales de los residuos aminoacídicos. La carea eléctrica
resultante de las proteínas dependerá del predominio de cargas negativas o positivas,
lo cual a su vez está determinado por el pH del medio. Al valor del pH, al cual las
proteínas presentan carga multante o neta cero y no se desplazan en un campo eléctrico,se le denomina punto isoeléctrico (PI) (tabla 12.6).
En el laboratorio, al variar el pH del medio de disolución, se puede cambiar la
carga eléctrica de las proteínas y con ello, también su solubilidad. Esta es la base de
muchas técnicas de separación de proteínas; su empleo adecuado permite obtener
proteínas con elevado grado de pureza y disponer de ellas para su uso médico, las
investigacionesy su comercialización.
lhbla 12.6. Puntos isoeléctricos de algunas proteínas
Proteína
PI
Pepsina
Ovoalbúmina
Ureara
Fibrinógeno
Cataiasa
Hemoglobma
Somatotmpina
Ribonucleasa
Citocromo C
Lizima
Se denomina electroforesis al método de separación de moléculas, basado en su
desplazamientoen un campo eléctrico.
Por este método se pueden separarproteínas que presenten cargas eléetncasdiferentes, pues realizarán sus movimientos migratorios a polos opuestos, o que presenten la
misma carga, pero cuantitativamente diferente. En este Último caso, se desplazarán más
rápidoy por tanto avanzarán más, las que presenten un número mayor de cargas eléetncas.
Con frecuencia se utilizan como soportes el acetato de celulosa, el papel de filtro
y los geles de poliacrilamida, pues retardan el desplazamiento de las proteínas en
forma aproximadamente proporcional a su masa molecnlar. En el caso de los geles de
poliacrilamida las diferentes muestras se colocan en pequeñas depresiones, que se
realizan en la parte superior del gel (Fig. 12.22). En el primer pocillo se coloca una
mezcla de proteínas cuyo patrón de desplazamientosea conocido.
Fig. 12.22. Eleitraforesis. Las proteínas se
trasladan a través del gel cuando
se conecta el campo eléctrica.
La corrida se realiza a un pH determinado y durante el tiempo suficiente, que
permita que las diferencias por desplazamiento se manifiesten. Al terminar la
electroforesis,se visualizan las proteínas cuando se añade un colorante como el azul
Coomassie, que no se fija al gel, pero sí a las proteínas (Fig. 12.23).
Aspectos estructurales de algunas proteínas fibrosas
En el caso de las proteínas fibrosasse analiza la estructura de la a-queratina. De
la colágena su estructura secundaria, pues el resto de su estructura y de la elastina se
estudian en el capítulo 68.
Existen 30 variantesde a-queratinaen los mamíferos,ricasen residuos hidrofóbicos
de fenilalanina, isoleucina, valina, metionina y alanina. Las del tipo 1integran una
familia de relativa acidez, mientras que la del tipo 11son una familia de relativa
basieidadEn elpelo,la estructura terciaria de las a-queraünasesdimérica (Fig. 12.24 a).
Aquí2 a hélices, una del tipo 1y la otra del tipo 11, se entrecruzan apretadas con giro
hacia la izquierda formando en sus extremos N-terminal y C-terminal dominios de
estnicúuaglobular poco caracterizados. Esta es la unidad que da origen a la estructura
tridhensional superior que está estabilizada por múltiples puentes disulfuro
intercatenarios.Los protoñlamentos,estrncturacuaternaria,están formados por 2 hileras antiparalelas de dímeros asociados cabeza-cola (Fig. 12.24 b).
La dimerización del protofilameuto forma la protofibrilla. Cuatro protofibrillas
forman una microfibrilla, que tiene aproximadamente 80 A de ancho y se encuentran
cementadas por una proteína de la matriz amorfa que posee un elevado contenido de
d
e (Fig. 12.24~).A partir de aquíla formación de las estructuras de orden superior
es poco conocida; se sabe que las constituyen las macrofibrillas. Los haces de
macrofibrillas de aproximadamente2 000 A de diámetro forman la fibra del cabello
(Fig. 12.24 d).
Al contener la estructura primaria de cada hélice 35 % de glicina, 11 % de alanina
Y 21 % de prolina e hidroxiprolina permite el enrollamiento hacia la derecha de las
hélices. La secuencia de aminoácidos equivale a la repetición de un tripéptido del tipo
N-x-pmo gii-X-hip, donde X puede ser cualquier aminoácido. Cada hélice que
COnfonna la triple hélice son únicas, pues presentan giros hacia la izquierda y tienen 3
residuos de aminoácidos por vuelta. Las 3 hélices se entrenzan, por lo que cada tercer
residuo de cada cadena polipeptídica pasa a través del centro de la triple hélice, que es
&apretado, que sólo la cadena lateral de los residuos de glicina ajusta en e x espacio
pequeño. Los grupos peptídicos están girados de forma tal, que el hidrógeno
addico de cada gücina forma un puente de hidrógeno con el oxígeno carbonílico del
miduo aminoacídico X
12.25).
-- de la cadena vecina (Fie.
.
Los residuos de prolina e hidroxiprolina, voluminosos y relativamente inflexih%mnñeren rigidez a todo este ensamblaje.
Como las cadenas polipeptídicas de la triple hélice presentan giros hacia la izquierda, pero se enlazan a la derecha, son prácticamente incomprimibles. Cuando
sobre ella se ejerce una fuerza tensional longitudinal se convierte en una fuerza de
ODmPrrsiónlateral..aue es más fácil de sonortar.
Esta estructura, que FÚIO se eniurntr~en la colágeni. confierea ~ $ 1proteína
3
la
elevada resistencia a la tensión, sin rapacidad dec.itiramimto, que la cardctcri~a.
-
.
~
~
Fig. 12.23. Visualización de las proteínas
después de una corrida elertra-
foretica. Las proteínas más pequeñas se sitúan cerca del extremo inferior del gel.
a hélice
microfibrilla
microfibrilla
:,!/
'*'
,
,
macrofibrilla
célula
Fig. 12.24. La a-queratina. La hélice a a) da lugar a las protofibrillas b) Estas a las mierafibrillas e)
que finalmente forman los haces de rnacrofibrillas d)
Fig. 12.25. Estructura de la triple hélice o
trapacalágena. La secuencia de
aminoácidos de cada hélief permite el compacto enrollamiento de
las 3 hélices, la que otorga a esta
proteina su elevada resistencia a la
tensión.
Resumen
Las proteínas diferentes que posee el hombre estan involucradas en casi todas
las funciones que se Llevan a cabo en el organismo. Veinte L-a-aminoicidos diferentes estan presentes en los péptidos y proteínas, en cantidades variables y en un
orden específico, aportando información secuencial. La polimerización de los
aminoácidos mediante enlace peptidico determina la estnictnra primaria, donde
el eje covalente homogéneo se establece entre 2 carbonos a mediante 3 enlaces
covalentes. Las cadenas laterales de los residnos de los aminoácidos quedan por
fuera del eje covalente.
La organización tridimensional de la proteína queda determinada por los
niveles secnndario, teroario y enaternario. El nivel secnndario Oene 2 formas
principales, la a-hélice y la boja plegada B, estabilizadas por puentes de hidr6geno
que se establecen entre los elementosdel grnpo peptitico. La a-hélicepresenta giro
derecho; 3,6 residuos de aminoácidos por espira, y los puentes de hidrógeno unen
las espiras entre sí. En la conformación B Las cadenas polipeptidicas se disponen en
forma paralela o antiparalela, los puentes de hidrógeno son intercatenarios.
La estnicínra terciaria se debe al plegamiento o "empaqnetamiento" de la o
las estnictnras secnndarias y superseeundarias,generalmente en forma de dominios. Se encuentra e s t a b h d a por interaeeiones no mvalentes: Uniones iónicas o
salinas,puente de bidr6gen0,Uniones bidmfóbicas y fuede Van der Waals, que
se producen por la interaM6n de las cadenas lateralesde los residuos aminoacídicos,
ayndan a esta estabilización los puentes disulfuro.En muchas proteínas globulares
exisie mi nivel transicional antes del terciario, denominado superemüamiento
secnndario.
El nivel cuaternario esíá integrado por 2 o más cadenas polipeptidicas idénticaa o diferentes en estnictnra, generalmenteen número par,unidas por interaeeiones
no mvalentes.
depende de su secuencia de aminoácidos
Si la estnictnra espachl de laspro*
exisüní una relación mmpasiu6n-seeuencia-conformaci6n,que determinará la
idormación conformacioual y esta el reeonoeimiento molenilar.
La desnaturalización se produce por egposición de Las proteínas ante agentes
ñslm o quimieos que provocan la mptura de las interaeeiones débiles, incluso los
puentes mvalentes disulfuro,se pierde la organización tridimensional y como conseeoencia la función. La pérdida del nivel primario no es por desuaturalización,
shio por hidrólisis.
Las proteínas alostéricas poseen sitios por donde se une espeeífcamente el
ligando. La unión produce una transconformación en la proteína, hacia la forma
de mayor o menor afinidad por determinada molécula, que ionuye de una forma
determinanteen mifunci6a
Las proteínas pueden dasiñcarse según su forma, solubilidad, composición
Poimies o función.
Sospropiedadesfisico-quúnicasdependen de su gran tamaño y de la presencia
de Wvos ionizables.
La importanciade Las proteínas es relevante, pues no existe misfunción que el
ser h n a n o sea capaz de rralizar donde no e s i h presentes.
1.Establezca las semejanzasy las diferencias entre polipéptidos y proteínas.
2. Expliquela estructura covalente de las proteínas.
3. Establezca las semejanzasy las diferenciasentre las estmcturas secundariasprinci.
Mes.
4. Explique la estructura terciaria de las proteínas globulares.
5. Realice un estudiocomparativo estructural y funcional entre mioglobma y hernoglobina.
6. Explique por qué mecanismo pueden desnaturalizar a las proteínas, los agentes
siguientes: urea, ácido clorhídrico,temperatura a 60 "Cy el mercaptoetanol.
7. Explique la importancia funcional de las proteínas "chaperonas".
S. Aun paciente con sospecha de padecer drepanocitosis (sicklemia),usted le indica
una eleetroforesisde hemoglobina, con vistas a establecer el diagnóstico definitivo. Fundamente el motivo de esa indicación.
9. Demuestre que en la hemoglobina se cumplen los principios de organización de las
macromoléculas.
10. Argumente si pueden separarsela albúmina de las globulinasmediante un método
basado en su solubilidad.
11.Explique la importancia de la variabilidad estructnral de las proteínas.
12. Los lípidos de las membranas biológicas se organizan en bieapas. La parte polar se
orienta hacia la superficiey hacia dentro queda la parte apolar. pr ten proteínas
globulares membranales que se relacionan con la parte apolar de los Lípidos. Proponga un modelo de esbuchua terciaria para ese tipo de proteínas que explique esa
posibilidad.
Los Lípidos constituyen un conjunto grande y heterogéneo de compuestos químicos de gran importancia biológica, cuya mayor regularidad estmctural consiste en
p w r un alto contenidode ácidos grasos o de cadenas hidroearbonadas,formadas por
la unión de unidades de tipo isoprenoide.
La elevada proporción en componentes apolares confiere a estas sustancias otra
regularidad: poseer escasa solubilidad en agua y, en cambio, ser solubles en solventes
orgánicos (apolares),como el benceno, el éter y la acetona, entre otros. Esta última
propiedad ha sido la utilizada para separar estos compuestos de otras biomoléculas, e
incluso se ha empleado como fundamento conceptual en su definición.
Este capítulo estudiará las características estructuralesy las principales propiedades de los Lípidos de mayor interés biológico.
Los Iípidos son componentes de los tejidos biológicos que se pueden extraer
mediante el uso de solventes orgánicos; estas sustancias no forman macromoléculas,
noobsiante,pueden agruparseentre sí y con otras biomoléculas para formar los típidos
complejos.
Los Iípidos se pueden clasificar de forma variada, en dependencia del criterio
empleado; se dividen en simples, si en su composición intervienen sólo el carbono, el
hidrógeno y el oiógeno; compuestos,si inciuye además nitrógeno,fósforoy azufre.Es
posible también clasificarlos en saponificableso complejos y no saponificables o
shples, sobre la base de que por hidrólisis alcalina originen o no sales con acción
detergente (los jabones) respectivamente; ello se debe a que los complejos contienen
dudas grasos y los simples no.
Emplearemos la clasificación que agrupa a estas biomoléculas según su similitud
*chiral,
por su mayor idoneidad didáctica. Se consideran 7 gmpos:
1-hcidos grasos.
2.Ceras.
3. Acüglicero~es(también conocidos como acilglicéridoso glicéridos).
4. Fosfátidos de glicerina (o fosfoglicéridos).
5- Esfingolípidos.
6. Terpenos.
7-bteroides.
En otras clasificaciones aparecen los terpenos y esteroides en un grupo denominado lípidos isoprenoides.
Función biológica
La gran diversidad de estos compuestos se correspondecon las variadas fnnciones que desempeñan,las cuales poseen trascendencia para la célula y el organismoen
su conjunto:
1.Almacenamiento de energía. Los triacügliceroles constituyen la forma de almacenamiento de energía en el tejido adiposo, de hecho la mayor disponibilidad de
energía almacenada en un organismo es precisamente de esta manera.
2. Componentes de membrana. Los fosfátidosde glicerina, los esfingolípidos y el
colesterol se encuentranformandoparte de las diferentes membranas biológicas.
3. Otras funciones. Los triacilgliceroles (o triglicéridos) del tejido adiposo constituyen un medio aislante térmico, que preserva de la pérdida de calor al individuo.
Estos lípidos acumulados alrededor de algunos órganos ofrecenun medio apropiado para su sostén y protección ante traumatismos fisicos. Por otra parte, algunos
Iípidos (de naturaleza esteroidea)son hormonas, compuestos que participan en la
regulación de la actividad metabólica y fisiológica del organismo; otros derivados
de ácidos grasos poliinsaturados presentan importante actividad fisiológica y
farmacológica como: prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, entre otros.
Además, otroslípidossonvitaminas (comola vitamina A o retinol,Ias naftoquinonas
antihemorrágicaso vitaminas K, entre otras). Otros, como las sales büiares,funciouan como poderosos detergentes biológicos. Se realizará el estudio dela estructura,
propiedades y funciones de cada gmpo por separado.
Son ácidos carboxílicos, que su inmensa mayoría no existe libre en la materia
viva, sino que forma parte de los Iípidos complejos. Los ácidos grasos son
monocarboxilicos,poseen una cadena hidrocarbonada apolar de longitud variable,
quecasi siempre es abierta y no ramificada.
Los ácidos grasos son compuestosanñpáticos,osea,poseen una porción polar y una
apolar en la molécula. Su porción polar (el grnpo carboxiloionizado, COO) interactúa
con el agua y otros solventes polares, en tanto, que la cadena apolar hidrocarbonada no
interactuará con el ama "v si con solventes orgánicos u otros comuuestos aoolares. El
carácter aniipáticode los ácidos grasos es el fundamentode su acción detergente.
Los ácidos grasos presentes en los seres vivos poseen en su mayoría un número par
de átomos de carbono que, como se estudiará en su metabolismo, se explica por los
-
-
mecanismos de biosíntesis de estos compuestos. Son ácidos débiles y sus valores de
pK están alrededor de 5.
La nomenclatura de los ácidos grasos sigue la misma regla que se vio en el capítulo 5 para los ácidos orgánicos, aunque son más conocidos por su nombre trivial.
L O S ácidos
pueden se;satnrados (si sólo
enlaces simples en su
cadena hidrocorhonada~,insoturadns (si poseen algún doble enlace en >u cadena
hidrocarbonada) u sustituidos.si algún h i n o de hidriigenu ha sido reemplazado por
cualquier grnpo químico.
La numeración de los carbonos en los ácidos grasos se hace a partir del carbono
carboxíüco que será el número 1;
C, ............................ C - C - C - C - COOH
5 4 3 2 1
en ocasiones los carbonos se nombran con las letras del alfabeto griego a partir del
carbono número 2: alfa (a),beta (P), gamma (y),etcétera, el carbono terminal se representa por la letra omega (m).
Como se señaló anteriormente,son aquéllos que no presentan dobles enlaces en
su cadena carbonada.
CH,-COOH
CH,- CH,- CH,- COOH
ácido acético
(etanoico)
ácido hutínco
(butanoico)
ácido palmítico
(hexadecanoico)
ácido esteárico
(octadecanoico)
Los ácidos g r m saturados más abundantes en los Iípidos naturales son el palmítico
(C,,),el mirístico (C,,) y el esteárico (C,,) (tabla 13.1).
'hbhi3.1. Á~idos~rasossaturadosmás
frecuentes en la naturaleza y de mayorimportancia biológica
F6mula semidesanoUada
CH,- COOH
a,CH,- COOH
Nombre sistemático
Etanoico
F'mpanoico
n- butanoico
n- pentanoico
n- hexanoico
n- dodecanoico
CH,-(CH,),, - COOH
(CH,),2 COOH
(CH,),6- COOH
n- telradwanoim
n- hexadecanoim
n- octadecanoico
Nombre trivial
Acético
Los ácidos grasos insaturados pueden presentar uno ó mis dobles enlaces. Al
numerar los carbonos que participan en el doble enlace sólo se hace referencia al que
posee la numeración menor; a este número se le suele anteponer la letra griega delta
mayúscula (A), que indica la presencia de una insaturación. Los dobles enlaces también se especificanpor so localización a partir del número del carbonodonde se ubica
el primer doble enlace, pero contando a partir del extremo CH, de la cadena
hidroearbonada (carbonoo);más adelante veremos cómo esta clasificaciónse usa para
establecer las series de los ácidos grasos polünsaturados.
H3C- (CH& -CH = CH-(CHJ, -COOH
ácido palmitoleico (9 bexadecenoico, w7)
H3C-(CH,),-CH = CH-CH,-CH = CH- (CHJ, -COOH
13
12
10
9
ácido linoléico (9-12 octadecadienoico, w6 )
Las representaciones abreviadas más empleadas de la estructura general de los
ácidos grasos omite el símbolo del carbono, pero incluye el número que corresponde
con el total de estos átomos en la molécula, la cantidad de insaturaciones y las posiciones de éstas en la cadena. Veamos 2 de estas variantes para los mismos ácidos grasos:
18:O
18:O
ácido graso de 18átomos de carbono, saturado.
16:1(9)
16A9
ácido graso de 16 átomos de carbono,
insaturado en carbono Y.
18:3(9,12,151
18n9.'2-'S
ácido graso de 18átomos de carbono,
insaturado en carbonos 9,12 y 15.
Los ácidos grasos insaturados encontrados en los tejidos animales terrestres se
caracterizan por poseer,en su mayoría, los dobles enlaces a partir del carbono 9. De
existir varios dobles enlaces, éstos se disponen en forma no conjugada, o sea, con un
gmpo CH, entre las insaturaciones. Otra peculiaridad eshucturalde estos ácidos grasos
es que de-los 2 isómeros geométricos posibles, predomina la configuración cis
(Fig. 13.1). Como puede apreciane, la configuración cis favorece el piegamiento de la
cadena, aproximando los grupos terminales, lo cual se debe a las hibridizacionessp2de
los carbonos en los dobles enlaces.
Los ácidos grasos insaturados pueden ser monoinsaturados,si poseen un único
doble enlace (monoetenoide); poliinsaturados, si contienen 2 o más dobles enlaces
(polietenoide) y eicosanoides que son ácidos grasos poliinsaturados derivados de
eicosapolienoicos (C,,).
Los ácidos grasos poliinsaturados se han clasificadoen 3 series o familias, teniendo en cuenta que los dobles enlaces adicionales se añaden sólo entre el átomo de
carbonodonde se localiza el primer doble enlace (a partir del carbono a)y el carbono
del gmpo COOH; por ello las 3 series son w9,06 y w3.
En la tabla 13.2se relacionan los ácidos insaturados más importantes para el ser
humano.
lhbla 132. Ácidos grasos insaturados de mayor significación biológica
Númerode átomos
decarbono y posición
de los dobles enlaces
Nombresistémicoy bi*ial
Ubicación del ler. doble
enlacea partir del exiremo CH,,
cartmno w
Paimitoleico(9hexadecenoico)
Oleim(9octadecamonoenoico)
Linoleico(9-12octadecadienoico)
Linolénico(9-12-15octadecatnenoico)
y Linoléoico(6,9,12octadecatrienoico)
Dihorno-y-Linolénico(8,11,14 eicosatrienoico)
Araquidóniw(S,S, 11,14eicosatetraenoico)
5, S, 11,14,17eicosapentaenoico(EPA)
Eifosanoidea Son ácidos grasos derivados de los eicosapolienoicos (C,,). Los
eicosanoides (que se deriva del griego eikosi, que significa veinte) comprenden a
2 grupos de compuestos: los prostanoides y los leucotrienos (LT). Los prostanoides
incluyen a las prostaglandinas (PG), las prostaciclinas (PGI)y los tromboxanos (TX);
estos compuestos tienen importantes efectos ñsiológicos y farmacológicos, actúan en
bajas concentracionesy en muchos casos mediante elaMPc como segundo mensajero,
Por loquesu acaón es de tipo hormonal, aunque actúan localmente y no a distancia.
Las pmtaglandinas fueron aisladas por primera vez del semen humano y se consideróqueeran formadasespeeíficamente por la glándula prosiática, de donde deriva
nombre, el que se mantiene a pesar de que se forman en casi todos los tejidos de los
mamífem~,conlaexcepciónde los glóbulos rojos. Las prostaciclinasy los tromboxanos
son compuestosrelacionados con las prostaglandinas.
Los tromboxanos tienen también un anillo pero en este caso contiene 5 carbono-Y un átomo de oxígeno (anillooxano). Las prostaglandinasy los tromboxanos se
forman a partir de 3 ácidos eicosanoicosdiferentes,que se caracterizan por el número
de susdobles enlaces. Las prostaglandinasse pueden considerar que estructuralmente
derivan del ácido prostanoico (hipotético).
7:
5
1
3
COOH
4
II
Fig. 13.1. Modelo espacial del ácido oleieo
( C,,"P ), isómero cis. El doble enlace produce un acodamiento en
su cadena hidroearbonada.
2
20
La estmctura de las prostaglandinasy demás prostanoides vana según sustituciones e insaturaciones,tanto en el anillo como en la cadena. Las letras en su nombre se
refieren al tipo de anillo. La notación de aparalas F prostaglandinasse refierea que el
OH del carbono 9 se dispone debajo del plano del anillo; se debe destacar que las
prostaglandinas F naturales son isómeros a.
PGE,
El número en el nombre de estos compuestosindica la cantidad de dobles enlaces
y su disposición esteroquímica en la cadena lateral. El 1significa un doble enlace en
disposición trans entrelos carbonos 13 y 14, derivan del ácido8,11,14eicosatrienoico
(ácido dibomo-y-linoleico);el 2 indica la existencia de un doble enlace adicional de
tipo cis entre C5 y C6, se forman a partir del ácido araquidónico; por úI&o el número
3 significa la presencia de un tercer doble enlace en la cadena lateral (cis),entre los
carbonos 17 y 18, su precursor es el ácido 5,8,11,14,17 eicosapentaenoico(EPA). En
los bumanosel precursor más importantedelas prostaglandinasesel ácidoaraquidónico
(serie 036).
Endependencia de los tejidos, así será el tipo de prostanoide formado: en riñón y
bazo, PGE, y PGF,=;en los vasos sanguíneos, PGI,; en el corazón PGE,, PGF,= y PGI,,
y en las plaquetas, el tromboxano A2 (TXA,).
Las prostaglandinas tienen diversas acciones como: agentes que inducen reacciones inilamatorias en los tejidos (PGE, y PG,), así como participan en la intensidad y
duración de las sensacionesdolorosas (PGE,). Las acciones farmacológicasde la aspirina, la fenilbutazona y los corticoides están relacionadas con su correspondiente
inhibición a la síntesis de las prostaglandinas. También se conoce que algunas de ellas
intervienenen el trabajo de parto y pueden intermmpir el embarazo (PGE, y PGF,J
Las PGE, PGA y PGI, tienen efecto vasodilatador,algunas otras inhiben la secreción
ácida deljugo gástrico, por lo que han sido empleadas en el tratamiento de la úlcera
péptica. Las prostaglandinas PGE, y PGF,=son de las más importantes en el humano.
La PGJ @rostacicünaPIJ inhibe la agregación plaquetaria. Las células endoteliales
de los vasos sanguíneos liberan PGI,.
Los tromboxanos son los metabolitos activos de los endoperóxidos de las
prostaglandinas PGG, y PGH,. Como se señaló previamente el anillo de pentano es
reemplazadopor el de oxano. Su nombre deriva de que dichos compuestos poseen una
acción trombogénica potente. El tromboxano A, (TXA,) es inestable y se transforma
rápidamente en el TXB,.
m
COOH
OH
OH
PGi
OH
TxA2 inestable
OF
COOH
OH
OH
bieiu PGF
OH
Los HPETE (ácidos hidroperoxieicosatetraenoicos)se forman por la oxidación
del ácido araquidónico y, en dependencia de la ubicación del grupo OH, pueden ser 5
HPETE, 12 HPETE o 15 HPETE; éstos, a su vez, son los precursores de los ácidos
hidroxieicosatetraenoicos5 HETE, 12HETE y 15HETE, respecíivamente.
OOH
1
COOH
Las leucotnenos son hormonas que se forman a partir de los HPETE. Los
leuwtnenas LTB,,LTC,LTD, y derivan del 5-HPETEa través del intermediario
,
LTA, El LTB, y los HETES (especialmenteel 5-HETE)participan en la regulación de
la función de los neutrófilos y eosinófilos,estimulan la adenilato ciclasa einducen la
degranulación de los polimorfonucleares y liberación de enzimas lisosomales. Los
leucotrienos LTC, y LTD, son sustanciashumorales que provocan la contracción de la
musculatura lisa, constricción de las vías aéreas, tráquea e intestino y modificaciones
de la pernieabilidad capilar (edemas).
NH
f.ri!coliieiio C
(LTC 1
Los ácidos grasos sustituidos contienen en su cadena algún grupo químico que
reemplaza a un hidrógeno de la cadena hidrocarbonada; son ejemplos los ácidos
cerehrónicoy tuberculoesteárico.
CH,
I
H,C - (CHJ, - CH - (CH,), - COOH
ácido tuberculoesteánco
(10 nietil esteárico)
H,C - (CH,),, - CH - COOH
ácido cerebróiiico
(2 hidroxi tetracosanoico)
Propiedades físicas de los ácidos grasos
Las propiedades &icas de los ácidos grasos están muy vinculadas a la presencia
del grupo carboxilo, por un lado, y a su cadena hidrocarbonada en cuanto a su lougitud, grado de saturación y presencia desustitnyentes,por el otro.
Los puntos de fusión y ebullición de los ácidos grasos saturados aumentan al
aumentar la longitud de su cadena hidrocarbonada,y en los insaturados ambos puntos
disminuyen al aumentar el grado de insaiuración en éstos; de manera que a temperatura ambiente y en climas tropicales todos los ácidos insaturados son líquidos, al igual
que los saturados de menos de 10 átomos de carbono y el resto son sólidos.
En cuanto a la solubilidad, los ácidos grasos de cadenacorta son más solubles en
agua por la influencia de su grupo carboxilo polar; pero a medida que aumenta el
tamaño de la cadena hidrocarbonada,esta solubilidad decrece hasta hacerse prácticamente nula. La presencia de insaturacionesincrementa también la solubiliad de los
ácidos grasos en solventes polares, debido a la interacción de los enlaces pi (E)con las
moléculas del disolvente.
Todo lo contrario sucede cuando analizamos la solubilidad de los ácidos grasos
en los solventes apolares. Los saturados aumentan su solubilidad en los solventes
orgánicos al aumentar la longituddelacadena hidrocarbonada, y en los insaturados la
soluhilidad en estos compuestosdisminnye con el grado de insaturación.
Propiedades química$ de los dcidos grasas
La longitud de la cadena apenas modifica el pK de estos ácidos, el cual es de
aproximadaniente5 para casi todos ellos.
Por su gmpo carboxilo los ácidos grasos pueden reaccionar con gmpos hidroxüos
(OH) y originar ésteres carboxilicos(capítulo 5). Este tipo de enlace se encuentra en 10s
Iípidos complejos y mediante él es que se unen los ácidos grasos al glicerol en 10s
acilglicerolesy en los fosfátidosde glicerina.
El grupo carboxilo puede también reaccionar con un grupo amino y formar un
enlace amida (capítulo 5 ) ; este enlace une el ácido graso al esfingol en los
esfingolípidos.
Con metales activos e bidróxidos los ácidos grasos originan sales:
R - COOH
+
R - COOH +
Na
-
OHNa-Na
Na* R-COO-
+
%H2
R-COO-
+
H,O
Las sales de aniones de ácidos grasos superiores con metales alcalinos, como el
sodio y el potasio, son solubles en agua; poseen carácter aiifipático y son tensioactivas
(disminuyen la tensión superficial), en consecuencia presentan acción detergente.
Esta función detergente no es privativa de este tipo de lípidos, más adelante la eucontraremos también en las sales formadas con los ácidos biliares y en otro tipo de Iípidos.
Si se adiciona una grasa a un medio acuoso y se deja en reposo, se observan las 2
fases separadas (agua: aceite), si se provoca una agitación mecánica (suministro de
energía), se forman gotículas pequeñas de grasa en dispersión en la fase acuosa (una
emulsiónl, pero esta emulsión formada es termodinámicamente inestable y, si cesa la
agitación, la tendencia de tales gotículas es la coalescencia y separación de nuevo en
las2fases. Sin embargo, si a este mismo sistema se le adiciona un detergente se logra
que la eniulsión formada se estabilice; esto se explica porque la cola apolar bidrofóbica
y,por ende lipofilica de cada molécula de jabóu interacciona con las vecinas, mientras
que su cabeza polar interactúa con el medio acuoso y originan las micelas (Fig. 13.2).
Encada inicela la carga negativa de los COO-estará dispuesta hacia la superficie, lo
que resulta una repulsión electrostática entre éstas (todas con carga negativa), lo que
impedirá la coalescencia y explica la detergencia.
El humano es capaz de sintetizar los ácidos grasos que requiere con la excepción
de 3 de ellos: el linoleico, el linolénico y el araquidóuico. por tal motivo son conocidos como ácidos grasos esenciales, ya que se precisa de su ingestión en la dieta. Los
ácidos grasos son fuentes dc energía importantes para el ser humano.
La presencia de dobles enlaces en los ácidos grasos permite que intervengan en
reacciones de hidrogenación, halogenación y oxidación:
1.R e d o n e s de hidrogenacibn. Estas reacciones permiten la conversihi de ácidos
grasaiinsaturados en sus homólogos saturados por la adición de átomos de hidrógeno.
R-CH = CH-R'
+
catalizador
Hz L R-CH2-CH,-R1
2. Reaeeiones de halogenación. Las moléculas de halógenos pueden romper
catalíticamente los dobles enlaces y dar lugar a los dihalogenuroscorrespondientes.
RoDcdonesdeoxidación. Los ácidos grasos poliinsaturados reaccionan con el O,
mPonthIeamente y se inicia una cadena de reacciones autocatalizadas que produce
~ e l % Oradicales
S
libres como intermediarios, y aldehídos, hidroxiácidos, así como
O ~ f o m p u e s t ode
s cadena corta como productos finales. Algunos de estos productos
Medio acuoso
Fig. 13.2. Efecto dc iin jabón sobre la estabilización de una einulsión dc grasas. 1.0s jnlmrics forman csfcros,
la porción Iiidrof6hicd queda cn
ci centro y rodeada rlc In porción
polar, con c i i r p negativa, In que
impide la eoalcseeiirio dc Ins
gotículas ric grasa.
finales poseen un olor característico, que les confiere el hedor a rancio a las
grasas. Las membranas biológicas formadas por diferentes tipos de lípidos, que
contienen ácidos grasos poliinsaturados, son muy sensibles al estrés oxidativo.
-CH2- CH=CH-CH, -CH2- + O,
iones metálicos
o luz
*
O
R-
+ CH, -( CH,), -COOH
Son los Iípidos que se forman por esterificaciónde ácidos grasos de cadena larga
con determinadosalcoholesmonohidroxiladoso con esteroles. Las ceras más importantes para el ser humanos son aquéllas que se forman por la esterificaciónde ácidos
grasas con el colesterol (ésteres decolesterol)y que trataremosal estudiarlosesteraides.
Adgüeemles
Conocidos antes como glicéridos,son ésteres del glicerol con los ácidos grasos.
CH>OH
I
CHOH
I
CH,OH
glicerol o glicerina
En dependencia del número de ácidos grasos esterificados pueden ser:
monoacilgliceroles, diadgüceroles o triacilgüceroles (o grasas neutras, antes conocidos como triglicéridos).
o
HF-O-C-R
I
HO-CH
I
H2C-OH
II
o
O
II
II
HC-O-C-R
K-C-O-CH
Il
I
H2C-OH
o
0
II
R'-C-O-CH
HIC-O-C-R
l
I
II
O
II
H2C-O-C-R'
Los adgliceroles más importantesparael ser humano son los triaulgliceroles;los
mono y diacilglicerolesson intermediarios del metabolismo de esta clase de Iípidos.
Los triacilgliceroles son los Lípidos más abundantes en la naturaleza, constituyen una
fuente importante de energía para el organismo y es la forma de almacenamientode
energía en el tejido adiposo.
Los acilglicerolespor sus características estmcturales son moléculas apolares.
Sus propiedades físicas dependen del tipo de ácidos grasos esterificados. Los
triacilgliceroles, cuyos ácidos grasos son de cadena larga y saturados, son sólidos a
temperatura ambiente (mantecas);en tanto que, si sus ácidos grasos son saturados de
cadena corta (menos de 10 carbonos)o insaturados, son líquidos a temperatura ambiente (aceites).
Por hidrólisis en medio ácido los acilgliceroles dan glicerol y ácidos grasos:
o
o
Il
O
II
H,C-O-C-R,
II
R2-c-o-c-H
2 H,O
H,C-O-C-R,
1
o
I
ll
+ H
,
H+
O
l
o
I
II
~Ho-c-H
H2C-O-C-Rl
+
R2-cooH
T
2 H20
H2C-O-C-R,
Hidrólisis ácida
y glicerol y sales de sus ácidos (jabones), si el medio es alcalino, reacción conocida
como saponificación:
o
II
O
HC-O-C-R,
II
R2-C-O-C-H
-1
I
O
H,C-O-C-R,
II
+
1NaOH
a
CH20H
I
CHOH
I
+
1(NntR-C00)
CI120H
Los acilgliceroles pueden, si contienen ácidos grasos insaturados, reaccionar con
hidrógeno, balógenos u oxígeno, reacciones que fueron estudiadas al tratar los ácidos
grasos insahuados.
Funciones de los triacilgliceroles
Las funciones de los triacilglicerolesson:
1. Constituyen reserva energética.
2. Actúan como fuente de energía.
3. Intervienen en la regulación térmica del organismo.
4. Actúan como sostén de órganos.
5. Intervienen en la protección contra traumatismos fisicos.
F&tidos
de glicerina o glicerofosfdtidos
Los fosfátidos de glicerina o de glicerol, son Iípidos complejos saponificables,
Poseen estructura anfipática. Están formados por glicerol, 1ó 2 residuos de ácidos
WasOSy un grupo fosfato; además, pueden contener, en dependencia del tipo, otros
compuestos.
Los fosfátidos de glicerina pueden ser:
-
-
Ácidos fosfatídicos.
Posfatidi1serinas (serín-cefalinas).
Posfatidi1 etanolaminas(etanolam'n-cefalinas).
H,C <H
3
'
Ho-LH
I
H2C-OH
+
2 R-cooH
o
O
II
%C-O-C-R
R'-C-O-CH
I
I
II
O
II
-
Fosfatidil colina (lecitinas).
Fosfatidil inositoles (inositofosfátidos).
Fosfatidil gliceroles y difosfatidilgliceroles (cardiolipinas).
Plasmalógenos.
H2C-O-P-OH
I
o-
A e i d ~fmbatídicm
&ido fosfatidico
La base estructural de la mayoría de los fosfátidos de glicerina es el ácido
fosfatídico;este último apenas se encuentra en forma libre en los tejidos animales,
aunque constituye la estructura básica del resto de los fosfátidos de glicerina, y
metabólicamente es precursor de su síntesise incluso un intermediario de la síntesis de
los triacilgliceroles. Tiene esterificado al glicerol 2 ácidos grasos, uno de ellos casi
siempre insaturado, y un grnpo fosfato. Estos compuestos al igual que todos sus derivados presentan isomería óptica, ya que poseen asimetría molecular. La variedad más
frecuenteen los fosfátidosnatnrales es la L, que se representa con el residuo del ácido
graso del carbono 2 (Ó P) hacia la izquierda y el gmpo fosfato en el carbono 3 (Ó a').
Al unirséle al ácido fosfatídico la serina, la etanolamina, la colina y el inositol
originan los fosfátidos de glicerina correspondientes.
En estos Iípidos el ácidos fosfatídico se une a la L-serina por esterificacióndel
hidroxilo de la cadena lateral de este aminoácido con el gmpo fosfato.
El sustituyente básico es'el alcohol etanolamina. La etanolamina se forma por
descarboxilación de la serina; junto a las fosfatidil serinas forman el gmpo de las
cefalinas.
H ~ & O - ~ - C ~ ( - < . I I , N(CH,) ,'
A-
Fasfatidil colinas
La base nitrogenada colina se une al ácido fosfórico por un enlace éster; estos
compuestos constituyenlas lecitinas. En la figura 133 puede apreciarse un modelo de
la disposición espacial de este tipo de Iípidos.
So0 fosfátidos de glicerina no nitrogenados, que contienen un alcohol cíclico de
6 átomos de carbono y cuya forma isomérica en los tejidos animales es el mioinositol
o mesoinositol.
o
O
II
ll
H2C-O-C-R,
R2-C-O-C-H
I
O
ll
I
H2C-O-P-O
-
1
OH
0 .-
1,;
.
1,OHOH
'y
M()
{
OH
El derivado 4,s bisfosfato de fosfoinositol (P,P,)es un constituyente importante
de los fosfolípidos de membrana, los que por la acción de determinados agonistas
hormonales se escinden, dando 1,2 diacilglicerol (DAG) y 1,4,5 trifosfato de
hositol(IP,), los cuales constituyen segundos mensajeros en la respuesta hormonal.
P.
Señal........
\-
,
4.5 bisfosfatode fosfainositol (P, Pz)
Estos compuestos tampoco poseen nitrógeno; en su estructura contienen residuos
de ácidos fosfatídicos que esterifican a gmpos OH del glicerol.
Fig. 13.3. Modelo espacial de una molécula
de fostjtidil iulina.
11
R'-C+-CH
I
I
O
II
H~C-O-P-O-~--<~H-CO~
h
Plasdógenos
Estos Iípidos no se consideran derivados de los ácidos fosfatídicos, pues carecen
de residuos de ácido graso en el carbono 1(ó a) del glicerol, y en su lugar se une por
enlace éter un aldehído enólico de cadena larga. Contienen nitrógeno, el cual puede
ser aportado por la serina, la etanolamina o la colina y en cada caso toma el nombre
correspondiente.
Los fosfátidos de gicerina son anfipáticos, su porción polar es la posición del
carbono3, por su grupo fosfatoconcarga negativa, o éste unido a la base nitrogenada
correspondiente o al inositol. La porción bidrofóbica correspondeal resto de la molécula de glicerol y, especialmente, los residuos bidrocarbonados de los ácidos grasos
unidos a los carbonos 1 y 2 del glicerol.
Funciones de los fosfdtidos de giioeriaa
Los fosfátidos de glicerina cumplen las funciones siguientes:
1.Componentes de las membranascelulares.
2. Los ácidos fosfatídicos son precursores en la síntesis de los otros fosfátidos de
glicerina y de los acilgliceroles.
3. Las lecitinas y cefaliuas intervienen en los procesos de la coagulación sanguínea;
por su acenínada característica anfipática poseen efectos tensoactivos,que explica
su participación en los procesos respiratorios al nivel de los alvéolos pulmonares y
también en el proceso digestivo de algunos Iípidos.
4. Las fosfatidücolinas y los fosfatidü inositoles son donadores de ácido araquidónico
para la síntesis de prostaglandinas, tromboxanos,prostaciclinas,leucotrienos y
otros compuestos relacionados.
5. Dos compuestos formados a partir de un derivado del fosfatidil inositol (el 4,s
bisfosfato de fosfatidil inositol): el diacilglicerol y el trifosfato de inositol actúan
como segundosmensajeros de la acción hormonal.
Los esfingolípidosson Iípidos complejos que contienen un alcohol nitrogenado
e insaturado de 18Btomos de carbono, el esfingolo esfingosina:
('pnH
H/C=C\
./$"
H-C-NH-
Al esfingol se le une un ácido graso por enlace amida, formando la ceramida,
estructura básica de estos compuestos.
A la ceramida se le adicionan otros compuestos en dependencia del tipo de
esfingolípido.
Los esfingolípidos se clasifican en esfingomielinas y glicoesfingolípidos.
Estos Iípidos, además de la ceramida, contienen un grupo fosfato que se une por
enlace éster al hidroxilo del carbono 1de la ceramida, y también una molécula de
colina esterificada al fosfato. La fuente de variación de estos compuestosradica en el
ácido graso unido y, como regla, son ácidos grasas superiores. La figura 13.4 muestra
un modelo de la disposición espacial de este tipo de Iípidos.
(+32)12
H/C=C
a
I
H-C-OH
I
O
II
H 7-NH-C-R
Fosfátidos de esfingosina
(esfingomielinas)
Con frecuencia se designan como fosfolípidos a los fosfátidos de glicerina y a las
esfmgomielinas, por ser éstos los únicos Iípidos que contienen fósforo.
Estos compuestos, conocidostambién como glicoüpidos, carecen de grupofosfato
en el carbono 1de la ceramida, y en su lugar se le une un glúcido que puede ser un
mono u oligosacárido. De acuerdo con el tipo de glúcido que contengan los
gliroesfingolípidos pueden ser cerebrósidos, gangliósidoso sulfolípidos.
CerebróSidos. Son cerebrósidossi el monosacárido unido a la ceramida es la D
galaetosa (galactocerebrósido)o la D glucosa (glucocerebrósido).
hüáiha osulfolípidos. Constituyen derivados de los cerebrósidosa los que se
le^ ha añadido un gnipo sulfatoal carbono 3 del monosacárido.
GangUQadaa Son esfingolípidos que contienen oligosacáridos como residuo
9iucídico. El oligosacárido está formado por diversos monosacáridos y un derivado
del ácido N-acetilnenraminico o ácido siálico.
Fig. 13.4. Modelo espacial de una molécula
de fosfatidil esfingosina (esfingemielina).
(y2'12
H/C=C /H
\
H-C-OH
I
H-C-NH-C-R
O
II
I
CH,«II
HO
1
i,oll
i
-
o 0
1
i
Oll
Galactocmbrósidos
7H3
y2112
/H
H/C=C
I
H-C-OH
I
F
O
ll
H-C-NH-C-R
I
CH -04 glucosa-galactosa-Nacetil2
k g l i n a - & i d o siálica
~p~~
I
H-C-OH
I
H-C-NH-C-R
O
II
I
Estnictura general de un gangliásido
hesñngolípidos son anfipáticos,su porción polar se encuentra en los sustitutos
carbono 1de la ceramida (grupo fosfato y colina en las esfingomielinas, y los
gláeidos en los glicoesfingolípidos);en tanto que su porción apolar lo conforman las
o11
Sulfatidos o suüollpidos
cadenas bidrocarbonadas del ácido graso y del esfingol. Los glicoesfingolípidosson
los Iípidos más solubles en agua debido a su contenido glucídico.
Funciones de los es8agoUpidos
Entre las funciones más importantesde los esfingolípidosse encuentran:
1.Formar parte de la estmctura de lasmembranasbioló~cas.Se encuentran en grandes cantidades en la sustancia blanca del sistema nervioso central.
2. Las esfingomielinasson componentes de las vainas mielínicas de los nervios.
3. Algunos glicoesfingolípidospor su carácter informacional le confieren acción
antigénica a la superficiede algunas células, lo que contribuyeal reconocimiento
molecular de éstas.
4. Los cerebrósidosy los sulfátidosforman parte de tejidos como el cerebro, nervios,
bazo y riñones, entre otros.
5. Los gangliósidos aparecen en las células ganglionares del cerebro y de tejidos no
nervioso.
6. Se les atribuye participación en la trasmisión del impulso nervioso.
Los terpenos son Iípidos isoprenoides, formados por unidades de isopreno (2
metil 13 butadieno):
Los terpenos son compuestos beterogéneos, no saponificables, en su mayoría de
origen vegetal y contienen en su estructura varias unidades de isopreno; son ejemplos
importantes de este grupo las vitaminasA (reünol), K (nafkquinonasantihemonágicas)
y E (tocoferoles).
Vitamina A
Vitaminas K,y Kr EstmcNm general
Vitamina E
Son terpenos también la coenzima Q o ubiquinona (componente de la cadena
respiratoria) y el escualeuo, intermediario en la síntesis del colesterol.
Lacaracterísticaestmctural más sobresaliente de los esteroides,y que es comón a
todos ellos, es la presencia del sistema policíclico denominado ciclopentanoperhidrofenantreno.
De acuerdo con la cadena lateral unida al carbono 17 y a diferentes sustituyentes
e insaturaciones, se forman los distintos esteroides. Muchos de los esteroides poseen
gmpos metilos en las posiciones 10 y 13, formando el esterano.
Los esteroides se pueden agrupar en: esteroles, ácidos biliares, corticosteroides y
progestemna, andrógenos y estrógenos.
8
8
Esterano
(estnicnua
Esterano
simplificada)
En estos compuestos la cadena lateral unida al carbono 17 puede contener 7,sÓ
9 &tomosde carbono y, por ello, se originan los esteroides C,,, C , Y C,, respectivamente; poseen además un gmpobidroxiio en la posición 3. Entre estos tipos de Iípidos
Se encuentrael colesterol,que tiene gran importancia biológica y médica. Es un Iípido de
~ ~ p r e c u rdelsresto
~ rde los e
s
t
e
m
i
d
e
s
, ,
,
,
/ ,'\,
,
,
(:
, ,
,.>,,' .
!
A
.',
\.
1
1
docon la aparición de aterasclerosis.En la figura 135se p m t a e l modelo espacial de
la molécula de colesterol.
Fig. 13.5. Modelo espacial de una molécula
de colesterol.
La molécula de colesterol es anfipática, ya que su porción polar la constituye el
grupo OH y la apolar la conforma el resto de la molécula. Cuando al OH del colesterol
se le une por enlace éster un ácido graso se forma, un éster de colesterol. Estos compuestos constituyen ceras y carecen de carácter anfipático.
Las vitaminas D son derivados importantes de los esteroles; a partir del 7
deshidrocolesterol se forma la vitamina D,; la D, se deriva del ergosterol (esterol de
origen vegetal).
Vitamina D3 o mlecalcifeml
Vitamina D2 o qocdcifeml
La cadena hidroearbonada unida al carbono 17del ciclopentanoperhidrofenantren0 en este tipo de esteroides, posee S átomos de carbono, incluyendo un gmpo
carboxilo, son por ello esteroides C,; presentan, además, gmpos OH. Los ácidos
biliares son varios (cólico, desoxicólico,etcétera) y se diferencian por la ubicación y
disposiciónde los grupos OH. Estos compuestosse encuentran en la bilis, conjugados
con los aminoácidosgücina y taurina,formandosales de sodio y potasio (sales biliares).
Las sales biliares poseen acción detergente y desempeñan una función importante en
la digestión y absorción de los tipidos, como se estudiará en el capítulo correspondiente; un ejemplo de ellas es la sal sódica del glicocolato, que es el producto de la
conjugación del ácido cólico con la glicina.
o
O
1l
.C-NH-CHr
CWH
-C-NH-W
ll
Cm
~ a *
Son esteroides C,,, pues en posición 17 contienen sólo 2 átomos de carbono. En
este grupo se incluyen Las hormonas s u p m a l e s corüsol,eortieosteronay aldostemna,
etcétera, y la progesterona del cuerpo amarillo; como ejemplo de este grupo sepresentala estrnctura del cortisol y la progesterona.
Los andrógenos constituyen las hormonas sexuales masculinas y son producidas
por los testículos. Estos compuestoscarecen de cadena carbonada en la posición 17,
por lo que son esteroides C,,. A continuación se presentan las estructuras de la
androsterona y testosterona como ejemplos.
En estos compuestosel anillo A del ciclopentanoperhidrofenantrenoposee carácter aromático y,por tanto, no hay metilo en la posición 10, carecen además de cadena
hidroearbonada en el carbono 17, por ello son los esteroides C,,. Los estrógeuos consotuyen las hormonas sexuales femeninasy son producidas por el ovario; la estrona y el
8 estradiol pertenecen a este tipo de esteroides
Resumen
Los iípidos son biomoléeulas heterogéneas desde el punto de vista estrucúuni y
funcional, de eseasasolubilidad en agua y solubles en solventes apolares. Un rasgo
que se debe destacar es que muchos de eUos poseen hcidos grasos en su constitución
(lípidos saponiñcables),aunque otros no los poseen (lípidos no saponificables). Los
iípidos se d e 5 e n como la fracción del material biológico enrtraíble por medio de
los solventes orgánims.
Los iípidos se ciasiñean en heidos grasos, ceras, acilglicemles, fosfátidos de
glicerina, esfingoiípidos, terpenos y estemides.
Los ácidos grasos son compuestos monocarboxílicos con cadena
hidmcarbonada de longitud variable; pueden ser saturados, insahirados y Sustituidos. Las propiedades ñsicas dependen de la longitud de la cadena hidmcarbonada
y del grado de inssturación.
A partir de ácidos grasos poliinsaturados de 20 átomos de carbono
(eimsaenoicos), se forman compuestos que presentan acüvidades fisiológica y
farmaco16gica importantes: prostapisndinas, tromboxanos y leucoírienos, entre
otros.
~-- - ~
Los adgüeeroles son iípidos neulros y apolares constituidos por glicerol y
ácidos grasos. En dependencia del número de hcidos graso5 esterificados al glicerol se dividen en mo~oadgliceroles,diadgiicemles triadgiiceroles; estos Úitimos constituyen el mayor resemorio de energía para el ser humano y es el üpido
más abundante de la dieta
Los fosfátidos de glicerina poseen como estrnctnra básica el ácido fosfatídico,
el cual se une a residuos niimgenados o alcob6Licospara originar fosfatidü serina,
fosfatidil etanolamina, fosfatidil colina o fosfatidü inositol, entre otros. Los
esñngoiípidos presentan el alcohol esñngol, al cual se une por enlace amida un
ácido graso,formando la ceramida. La unión a la ceramida de un grupo fosfato y
colina, o de glúddos da lugar a Las esñngomielinas o a los glicoesñngoiípidos,
respectivamente. Tanto los fosfátidos de glicerina como las esñngomieLinas son
anfipátiws y forman parte de las membranas biológicas.
Un grupo n u m e r w de iípidos no saponiñcables, los terpenas son iípidos
isoprenoides que incluye a varias vitaminas üposolubles. Los estemides son también líoidos isoorenoides v contienen como estructura básica al
ciclopen~operhid;ofenantreno:u n representante importante de los estemideses
el colesterol, de o*en animal, iípido que forma parte de las membranas plasmálicas,
es prenirsor del resto de los &mides y su elevada concentración en sangre está
relacionada con la aparición de atemsclerosis; son también iípidos estemides los
ácidos b i ,los mrücoides y las hormonas sexuaies masnilmas y femeninas.
~
y
Ejercicios
1. Mencione los grupos en que se suelen clasificar a los lípidos por su similitud
estmctural. Para cada grupodiga sison saponificableso no y fundamentesu respuesta.
2. Desrriba las caracteridicasestructuralesde los ácidos grasossaturadose insaturados
y compárelos atendiendo a sus propiedades físicas y químicas.
3. Fundamente la importancia biológica de los ácidos eicosapolienoicos.
4. ¿Qué son las prostaglandinai y cuáles son algunas de sus funciones?
5. Describa las características estriicturales de los tromboxanos y diga cuál es su
función.
6. ¿De cuáles compuestosderivai; los leucotrienos y cuáles son sus funciones?
7. Describa la estructura de los triacilgticeroles y mencione sus funciones.
8. ;Cuál es la estmctura básicade lamayoría de losfosfátidos de glicerina? Descníala.
9. ¿Cómo se clasifican los fosfátidos de glicerina?
10. Cite las principales funciones de los fosfátidos de glicerina.
11.Describa la estructura de la ceramida.
12. Clasifique a los esfingolípidosy mencionelas funciones principales de este tipo de
Iípidos.
13. ;Por qué a los terpenos se les conoce como Iípidos isoprenoides?
14. Cite 3 ejemplos de terpenos.
15. ;Qué tipo de Iípido es el colesterol? Subclasifiquelo dentro de su grupo y fundamente esta subclasificación,atendiendo a sus características estmcturales.
16. iQué características debe poseer un lípido para ser mfipático? De todos los tipos
de Iípidos estudiados diga cuáles son anfipáticos y fundamente estructnralmente
su respuesta.
Resumen de la sección
Las biomoléculas constituyen la forma de organización molecular básica de la
materia viva: tienen una comnosición elemental muv" simule con marcado uredommio
de los átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, algo menos de fósforoy
azufre, además de otros elementosque se encuentran en menor cuantía. Los átomos se
unen en su mayoría por enlaces covalentes, lo que da origen a gran variedad de
moléculas a las que corresponden también múltiples funciones.
A
Las biomoléculas pueden ser simples y de relativo bajo peso molecular o
macromoléculas de muy elevado peso molecular, formadas por la polimerización de
algún tipo de biomolécula simple. Las unidades monoméricas se unen mediante enlaces covalentes para formar las estructuras básicas de los biopolímeros. Las
macromoléculas biológicas son los polisacáridos,los ácidos nucleicos y las proteínas,
que a su vez son polímeros de monosacáridos, nucleótidosy aminoácidos, respectivamente.
Las secuencias de los monómeros (o precursores) en los biopolímeros les confiere
un carácter informacionalespecífico, el cual está determinado por la identidad y el
orden en que aquéllos se disponen en las cadenas poliméricas. Esta información
secuencial determina la disposición tridimensional que adoptan las macromoléeulas.
Los biopolúneros düíeren en el tipo de carácter informacionalque en ellos predomina. Muchos polisacáridos (los homopolisacáridos)con monotonía estructural poseen muy poco carácter informacional,su estrnctura tridimensional es simple y su
función es poco compleja (reserva energética y estructural); sin embargo, otros
polisacáridos (heteropolisacáridos)en los que la secuencia de sus precursores no es
monómtona, son biomoléculas informacionales y en no pocos casos les confieren
carácter antigénico a las estructuras de las que forman parte. En los ácidos nucleicos,
aunque también poseen carácter informacional conformacional,predomina la secuencia, este carácter viene dado por la diversidad de sus precursores, especuicamentepor
las bases nitrogenadas que constituyen la porción variable en las cadenas
polinucleotidicas; la estructura tridimensional mucho más compleja de estas
macromoléculas está relacionada con dichas característicasy es el fundamentode su
función.
Las proteínas son los biopolímeros que exhiben una mayor diversidad de sus
monómem constituyentes, su estructura tridimensionales extraordinariamentevariada y compleja, poseen el mayor grado de carácter informacional con predominio
conformacional, aunque por supuesto, incluye al carácter secnencial; estas
macromoléculas, en consecuencia, presentan múltiples y variadas funciones relacio-
Losorganismosvivos para mantener su estado tienen queintercambiarsustancia,
energía einformacióncon el medio natural que los rodea; la información puede penetrar al organismopor diversas vías, a través de los órganos de los sentidos; la energía
sin embargo penetra con las sustancias,es básicamenteenerg'a química, de los enlaces
entre losátomosquecomponen las diferentes sustancias que penetran en el organismo
en forma de alunentos.
Las sustancias que penetran en un organismo experimentan una serie de transformaciones que le van a permitir realizar 2 grandes funciones: convertirse en estructuras
propias de ese organismo, sean celulares o extracelulares,o brindar energía utilizable
por la célula en sus múltiples funciones.
Los componentes moleculares de las células y de la sustancia intercelular están
sometidos a una renovación permanente: en este proceso de recambio continuo las
estructurasexistentes son degradadas en sustancias m& simples, que en última instanciasoneliminadasdel organismo y sustituidaspor moléculas nuevas quese obtienen
a partir de la transformación delos nutrientes. El conjunto de todas esas reacciones de
degradación y síntesis de sustancia que ocurre en los organismos vivientes recibe el
nombre de metabolismo.
Todas esas transformaciones químicas que ocurren en el organismo presentan las
mismas regularidades en su realización que cualquier reacción química que se desarrolle en la industria o en el laboratorio, lo cual equivale a decir que están sujeta a las
mismas leyes generales; también están sujetas a leyes específicas derivadas del movimiento biológico de la materia. Desde este punto de vista una minúscula célula es
como un gigantesco tubo de ensayo, donde se desarrollan simultáneamente miles de
reacciones.
Para una coniprensión adecuada del metabolismo celular es necesario tener presente esas leyes y aplicarlas de manera consecuente en su estudio. Al mismo tiempo
resulta imprescindibletener presente algunas singularidadespropias del nivel de desarrollo de la materia alcanzado en los seres vivos. Una adecuada comprensión de los
dnculos entre logeneral y lo singular será un instrumento cognoscitivo valioso en la
asimilación de los fenómenos metabólicos.
En este capítulo se hará una somera revisión de los principales conceptos de
cinética y termodinámica química, relacionadas directamentecon el funcionamiento
de 10sbiocatalizadores.
Reacciones químicas
Cuando una o más sustancias quíinicas se colocan en condiciones qiie provocan
una transformacióii que da como resultado la apai-ición de una nueva sustancia. decimos que se ha producido una re~icciónquímica. De acuerdo con el principio de conservación de la materia, ésta no puede ser creada ni destniida, por lo que en las reaccioiies
químicas sólo se produce un reordenainiento o reagrupamiento de los elementos que
constituyen las sustancias i-eaccionantes, que de esa forma dan origen a una iiucva
sustancia.
En general. las sustancias estiii formadas por moléculas y éstas a 51i vez por áiomos que se mantienen unidos. debido a la existencia de enlaces quíinicos entre cllos:
se deduce que estos reordennniientos sólo son posibles gracias a la ruptura y foriiiaci6ii
d e enlaces quíinicos. Por ejemplo. examinemos la reacción de hidrólisis de la
glucosa-6-fosfato que se muestra en la figura 14.1
.
O-P-
II
ooH
+":o
O- CH,
+
HO
HOH
+ ~ o - ~ - o - o ~ ~
11
OH
o
OH
OH
El número de elementos en ambos lados de la reacción es el mismo, sólo que alma
un grupo OH del agua pasó a la estructura del fosfato, en tanto, el átomo de H pasd a la
estructura de la glucosa; para ello fue necesario la ruptura del enlace éster entre la
glucosa y el grupo fosfato, así como entre el H y el OH del agua, y la formación de
enlace entre el OH y el fosfato, así como el H con la glucosa. Los elementos quíiuicos
que aparecen representados a la derecha han sido reagrupados de forma diferente de
como estaban en los compuestos reaccionantes, los que dieron origen a 2 sustancias
nuevas llamadas productos.
Este reordenamiento de los átomos comporta variaciones en el contenido energ6tico del sistema de reacción que determinan si la reacción puede o no ocurrir.
En el estudio de cualquier reacción química debemos considerar 2 aspecto5 iundanientales: el primero, se refiere a la rapidez con que los reactantes se convierten cn
productos, o sea, la velocidad de la reacción; el segundo, a la proporción de los rcactaiites
que puede ser convertida en producto, esto es, el grado de completainiento o alcaiicc
de la reacción. El conocimiento de estos 2 aspectos es de suma importancia para
predecir el curso de una reacción y poder aplicarla con fines prácticos, así coiiio iiiodificarla según nuestra conveniencia. Ambos aspectos están relacionados con la energética de las reacciones, por lo que es conveniente revisar este aspecto.
Energética de las reacciones químicas
Toda reacción química, en principio, va acompañada de un cambio en el coiitenido energético del sistema reaccionante; este cambio determina tanto la dirección colnio
la velocidad y el alcance de las reacciones.
La energía puede definirse como la capacidad de un sistema para realizar traba.¡o.
Las células también realizan trabajo, lo que requiere e n e r ~ í aCuando
.
sintetizan c o n puestos químicos como la glucosa durante la fotosíntesis. el ADN durante Ia replicaciói%
etcétera, realizan trabajo qiiíinico: efectúan trabajo mecánico cuando prodriceii 13
contracción de sus filameiitos,etcétera; ejecutan trabajo osmótico cuando generan 4
mantienen gradientes de concentración de sustancias a través de sus membranas. Exis-
ten 2 clases principales de energía, la cinética y la potencial: la primera es la energia
del movimiento -de un motor o de las moléculas- que en esle último caso le llamamos
y la medinios de h m a indirecta por la teinperatura: para que el calor realice
rnabajo, tiene que fluir de un sitio de mayor temperatura a otro de menor teinperatura.
Aunque generalrneiite existen diferencias de temperatlira entre las células y su entorno, éstas no utilizan esa diferencia para realizar trabajaes más, los organisinos superiores han desai~olladode manera evolutiva inecanisinos de regulación. quc le permiten
mantener constante la temperatura corporal.
El tipo de energía con la cual nos enfrentarnos cuando estudiamos fenómenos
químicos o biológicos. es polencial o de almacenaiiiiento. Los átomos y las moléculas
poseen energía potencial en virtud de la cual pueden i~iterveniren reacciones que
liberan esa energía, y se manifiesta en su Iiabilidad para formar o romper enlaces
químicos. por ejemplo, la glucosa posee una gran enei-gía potencial que la célula
degrada constantemente, y la energía que se libera al romperse sus enlaces químicos es
utilizada en la realización de numerosos tipos de trabajo (Fig. 14.2). El glucógeno que
es la forma que tiene la célula para almacenar glucosa, representa de esta inaiiera
energía potencial acumulada.
Trabajo quhico
1
Trabajo osrnótico
1
La energía existe en muchas formas: calórica, eléctrica, radiante y química. Todas
las formas de energía -tanto en los objetos inanimados como en los seres vivos- son
interconvertibles como queda expresado en el primer principio de la termodinámica.
cuando dice que la energía no puede ser creada ni destruida. En la fotosíntesis la
energía radiante de la luz solar es transformada en energía potencial en los enlaces
químicos de la glucosa que, en los músculos y los nervios, puede transformarse en
mecánica o elécmca respectivamente.
Otra forma de energía potencial con la que nos encontraremos en este texto es el
gradiente de concentración. Cuando una sustancia esti en una concentración de un
lado de una membrana y en otra concentración del otro lado, se origina un gradiente de
concentración. Todas las células forman gradierites de concentracióii debido a la incorporación selectiva de sustancias del medio, para ello utilizan energía química; esta
energía puede liberarse con la disipación del gradiente.
La unidad de energía en el sistema internacional (SI) es el joule, que es igual
a I newton por metro. Pero como todas las formas de energía son interconvertibles,
podemos utilizar cualquier unidad para expresar la magnitud de cualquiera de ellas.
Utilizaremos la kilocaloría (kcal) como unidad fundamental, que es igual a la
cantidad de energía calórica que debe suministrársele a un kilogramo de agua
Pura a 14,5 "C para elevar su temperatura en 1 " C . Para hacer la conversión basta
saber que 1 kcal = 4 184 k3.
Como la energía es una propiedad exieiisiva. 1) sea, depende de la cantidad de
sustancia, generalmente los cambios energéticos en las reacciones químicas se expresan en kcal inol-', donde un mol es igual a 6,02 x 10" moléculas. El peso en gramos de
Fig. 14.2. Ciclo de la energía en los seres
vivos. Los scres vivos obtiencn la
energía principalinenie par la 0 x 1 ~
d.~ .'
~ c' i i dc
i n los nutriente, inaeridos
"
hasia CO, y H.0 y con esa encrgiii
realizan distinios tipos de irubiijo,
como cl quiiiiico en la \intesis de
las i~~iicroi~~olc'citl.~r.
el niecáriico
en la coniracción muscular y el
osrn"tico en la gcneracióii de
giadientes de cunccntriición.
un m01 de una sustancia es numéricamente igual a su peso molecular; el peso molecular
de la glucosa es 180, por lo que un m01 de esta sustancia pesa 180 gramos.
Energía libre
La aplicación de los conocimientos de termodinámica nos sirven para predecir el
sentido y el alcance de una reacción. Como los sistemas biológicos se mantienen a
temperatura y presión constantes, es posible utilizar una medida de energía potencial
para predecir el sentido de una reacción bajo determinadas condiciones. Esta medida
de la energía potencial se denomina energía libre y se simboliza con la letra G en honor
a Josiah Willnrd Gibbs, uno de los fundadores de la termodinámica. Nuestra atención
se centrará en conocer qué sucede con la energía libre, cuando una molécula o una
conformación cambia a otra, por lo que nos enfrentamos con un valor relativo más que
con uno absoluto de G, especialmente con su diferencia que se representa como AG.
Gibbs demostró que a temperatura y presión constantes "todos los sistemas cambian en
el sentido de minimizar la energía libre".
En términos matemáticos podemos expresar que si AG es negativo para una
reacción química, ésta tiende a realizarse espontáneamente, si es positivo no. Otra
forma de expresarlo sería: si un sistema de partículas tiene una energía G , y puede
cambiar a un estado que tiene una energía G,, el cambio se efectuará espontáneamente si y sólo sí G, < G,.
El valor de AG es la resultante de 2 factores: el cambio en el contenido
calórico entre los reactantes y los productos, así como el cambio de entropía. El
contenido calórico, entalpía (H) de reactantes y productos, es igual a la energía
total de sus enlaces.
Una reacción química libera o absorbe entalpía cuando en ella se forman o rompen enlaces; de ahí que el cambio total de entalpía representado por AH, es igual al
cambio total de energía de enlace. En una reacción exotémica se libera calor y AH es
negativo, pues los productos poseen menos energía que los reactantes: en una reacción
endotérmica se absorbe calor y AH es positivo. Las reacciones tienden a ocurrir espontáneamente si AH es negativo, pero éste no es el único factor.
La entropía, simbolizada por S, es una medida del grado de desorden de un sistema. Un cambio en entropía designado por AS se produce cuando un sistema deviene
otro con mayor o menor desorden. De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica un proceso tiende a ocurrir espontáneamente, cuando el contenido total de
entropía del sistema y el entorno tienden a aumentar.
Considérese el caso de la energía potencial acumulada en un gradiente de concentración. La difusión de un soluto de una solución a otra, en la cual su concentración es
menor, es un ejemplo de proceso de importancia biológica que es conducido casi de
manera exclusiva por un aumento de entropía, pues AH es muy cercano a cero. Supongamos que una solución de NaCl 0.1 M, está separada por una membrana de una
solución de la misma sal en una concentración 0.01 M y que los iones pueden difundir
a través de la membrana; en un primer momento, el movimiento de los iones está
limitado a su compartimiento, pero a medida que difunden a través de la membrana, los iunes pueden moverse en un volumen mayor y el grado de desorden del
sistema aumenta. El máximo de entropía se alcanza cuando todos los iones pueden moverse en todo el volumen, es decir, cuando las concentraciones de la sal
hacia ambos lados de la membrana son iguales. En este caso la variación de
entalpía es prácticamente nula (Fig. 14.3).
Fig. 14.3. Disipación d e un gradiente d e
concentración. En un primer momento lor iones sólo pueden moverse dentro de su compartimiento. En la medida que se produce la
difusión a través de la membrana
es mayor el espacio disponible para
el movimiento de cada ion.
Otro caso interesante que ya fue discutido en la sección de biomoléculas es la
insolubilidad de las sustancias apolares en solventes polares, especialmente en agua.
Gibbs demostró que la energía libre se puede definir como:
G = H-TS
donde H y S tienen el significado ya dado y T es la temperatura en grados Kelvin. Si no
se permite que T varíe, entonces una reacción procederá espontáneamente si hay un
cambio negativo en la energía libre según la ecuación:
AG = AH-TAS
Una reacción exotérmica (AH es negativo) que aumenta la entropia (AS es positivo) ocurrirá espontáneamente (AG es negativo). Una reacción endotérmica (AH es
positivo) puede ocurrir de manera espontánea si AS es positivo y el término TAS es
suficientemente grande para compensar en valor positivo de AH.
Si AG es cero, el sistema está en equilibrio y cualquier transformación de reactantes
en productos será balanceada por otra transformación en sentido contrario.
De lo anterior, se deduce que AG es una medida del alcance de una reacción, esto
significa que mientras más negativo es AG. mayor será la proporción de reactantes que
se transforman en productos. Pero AG no proporciona información acerca de la velocidad con quc el proceso se realiza.
El cambio de energía libre de una reacción es modificado por varios factores como
la temperatura, la presión y la concenuación inicial de los reactantes y los productos;
las reacciones biológicas que se realizan en soluciones acuosas se ven afectadas por la
concentración de H'(expresada en valores de pH). En el texto se darán los valores para
GO', o sea, el cambio de energía libre bajo condiciones estándares: temperatura de 298
K (25 "C), presión de 1 atm, pH = 7 y concentración inicial para todos los reactantes y
los productos de 1 M (con excepción del H+ que se mantiene en pH = 7). AG"' se
denomina la energía libre estándar de la reacción, su signo depende del sentido en que
la reacción sea considerada; si la reacción
tiene un A G k - a kcal.mol~',entonces la reacción
tendrá un AG = + a kcalmol-'
Las condiciones en la iiiayoriü de las reacciones biológicas difiercii rie i;ls
estándares. sobre todo en cuanlo a la coiicentración de reactantes y producios. pcii, sc
puede calcular para otras condiciones por la ecuacióii:
h G = G"+ RT In
[producto 1
[reactante]
donde R es la constante de los gases (1,987 cal.grado~'.mol')
y Iproductol y lrractanic]
corresponde a la conceiitración inicial de estos componenles. Por ejciiiplu. cii Is
intercoiiversión de la fosfodihidroxiacetoiia (PDHA) en gliceraldehidc 3-fosfaio (G3P).
que se muestra en la figura 14.4.
Fig. 14.4. Isumerir;iciún de la f o i f o d i h i ~
droxiacetona. Lii fusfodiliidroniacetoiia (PDHA) y el gliceraldehído-3-fusfiito(G3P) son i s h c r o s
de función quc pucden iniercoci-
venirse fácilmcnle.
Fosfadihidroniacetona
(
3-fosfogliceraidehido
( G3P
PDHA)
AG" = + 1 840 kcal.inoll, la ecuación sería:
AG = + 1 840 + 1,987 T ln LG3P]/[PDHA]
si [GiP]=[PDHAI= 1 M. enlonces AGW=+ 1 840 kcal.inol- porque RT In 1 = 0 La
reacción tiende a ocurrir de derecha a izquierda hacia la formación de PDHA. Sin
embargo. si [PDHA] = 0,l M y [GiP] = 0,001 M y las otras condiciones se inanticncn
estándares el AG sera
En este caso la reacción tiende a ocurrir en la dirección de formación del G3P.
En una reacción en que 2 moléculas se combinan para dar una sola según la reaccióii:
A
+
B
F
C
la ecuación para AG serb:
AG = G"
+ RT 111
[Cl
[Al LB1
el sentido dc la reacción p~iedevariarse. si se cambia la concenti-ación inicial dr
cualquiera de los compuestos.
Como AH y AS son liinciones de estado, AG es también tina Ilinción de esindo:
esto significa que su valor sólo depende de los estados inicial y final del sisieiiia
reaccionante, sin que en su inasiiitud infliiya el camino recorrido. Si la susiaiicia A
transformarse en J según el proceso:
o por este otro:
A+
C+F
+J
como se pane del niisnici rcactiinte (A) y se obtiene el mismo producto (J). el AG de
ambos procesos es el mismo: por ejemplo. la reacción:
C,H,,O, + 6
6 CO,
+ 6 HIO
tiene un AG" = -688 kcal.niol:', tanto si se realiza abruptamente en una boniba
calorimétrica. como si se lleva a cabo en uria célula. donde el proceso tiene lugar en
condiciones inoderad:is y por tina ruta secuencia1 que comprende más de 20 reacciones
químicas.
Como se ha sciialado, el estudio de la termodinámica de las reacciones nos propoi-ciona un instrumento para conocer el alcance o grado de coinpleiamiento de una
reacción, así conio su sentido más probable. pero no nos dice nada sobre la velocidad
con que esta 1-eaccióntendrá lugar. ni siquiera si esa reacción ocurrirá bajo unas condiciones determinadas: para determinar esto debemos valemos del conocimiento de
otros factores.
Reacciones acopladas
Una de las propiedades de la energía libre más utilirada es su carácter aditivo; esto
significa que si en un sisteina reaccionante ocurren 2 reacciones sii~iultáiieaiiientc,la
variación de energía libre total será igual a la suma aigebraica de las variaci<iries de
energía libre de cada uiia de las reacciones por separado, por ejemplo. si se tiene la
reacción:
y ésta ocurre simuliáneainente con la leacción.
entonces la variación de energía libre de las 2 reacciones será:
Este ejemplo permite evidenciar una situación muy h-ecuente en los seres vivos.
Como ya se ha dicho. hay reaccioiies que requieren de iiiia fuente de energía para su
realización; en el laboratorio ese problenia se soluciona. conduciendo la reacción a
elevadas temperaturas. lo cual no es posible en el interior de los seres vivos. Los
organismos vivientes aprovechan esta propiedad y realimi las reacciones consurnidoras de energiii a expensas de reiiccioiies que la libei-:m ciiaiido esto ocun-e se dice que
las 2 reacciones están acopladas.
De manera evolutiva. lus scres v i \ w han desarrollado mecaiiisnm especiales para
el acoplamiento de i-eaccioiies con la iiitroducciún de iiitei-iiiediai-¡osentre las 2 reacciones, de forma tal que éstas no iengan que ociin-ir al inisino tieiiipo ni en el inisino
O-CH,
COOH
l
P-P-R-A
C- O
II
CH,
COOH
l
c=o
l
CH,
1 2 kcal mol
I
4 G = - 4.5 kcal m o l
I
AG = -3.3 kcal mol
1
4 G = +4.2 k a l m o l
I
de reacciones sucesivas. Este procedimiento provee una ventaja adicional. pues permite la realización de reacciones termodinámicamente desfavorables. Supongamos
que la reacción (1) presenta AG = + 2 kcalmol~',por lo que es poco probable que
ocurra espontáneamente; pero si la reaccióii(2) tiene AG = 5 kcal.molP, la conversión
de A en C es un proceso favorable, pues prescrita AG = -3 kcal.mol-'.A veces para hacer
más gráfica esta situación se dice que la segunda reacción "iinpiilsa" a la primera.
Otro caso frecuente es e1 de las reacciones de oxidación rediicción. Para que una
sustancia se oxide se requiere que otra se reduzca. Al igual que en cl acoplamiento
energético, la célula dispone de intermediarios redal-. que permiten acoplar reacciones de
oxidación con reacciones de reducción, sin que éstas tengan que ocurrir al mismo tiempo
ni en el mismo lugar; estos acopladores so11 generalinenie cofactores (capítulo 19) que
funcionan en forma similar a como lo hace el ATP en los acoplamientos energéticos. Esta
caractenstica de las transformaciones bioquímicas de realizase en dependencia de los
productos resultante de otras reacciones, creando vínculos de relación entre los procesos
metabólicos, es el contenido esencial del principio de acoplamiento.
Velocidad de reacción
Una medida de cómo se efectúa una reacción química es mediante su velocidad;
por ello se entiende cónio aumenta la conceiitración del producto por unidad de tienpo. Si no se dispone de un método adecuado. puede determinarse igualmente cómo
disminuye la concentración del reactante; como se trata de la inisnia reacción, cualquier medición que se haga dará la misma velocidad.
En el ejemplo dado, de la hidrólisis de la glucosa-6-fosfato pudiera medirse cómo
aumenta la concentración de glucosa u de fosfalo, o cómo disminuye la de
glucosa-6-fosfato por unidad de ticrnpo. Como la concentracióii de agua es sienipre
mucho mayor que la de cualquiera de los demás componentes, su variacióii serZ apenas
perceptible y en los cálculos se coiisidera siempre constante.
Teniendo todo esto en cuenta, podemos escribir las expresiones siguientes para la
velocidad de la reacción de Iiidrólisis de la glucosa-6-íosfalo:
10 cual s e lee conio variación d e la coiicentración del componente d a d o
(glucosa-6-fosfato, glucosa o fosfato) a medida que el tiempo varía. En el primer caso
la expresión está afectada por el sigrio menos (-). pues la concentración d e
glucosa-6-fosfato va disminuyendo con el tiempo.
Fig. 14.5. Renccioiics acopladas. Se iiioest i a cl acoplamiento cn las reaccio~
nes de l i i d r ó l i s i s dcl 6 c i d o
fosfocnolpirúvico y la foaí'orilacióii dz l a glucosa incdinnte c l c i - .
c l o del ATP. Olisi'rvrse que inediante este niecniiisrni, las 2 rracc i o n c r donde i n t e i v i e n e i i 10%
n i i c l e ó t i i l o i de adrnina como i n termediarios ioii cxerg<>niciis, l o
cual lar iiacc farorubles desde el
punto de visiii termodinámico.
En gciieral la velocidad de una reacción dcpc~idede la conceiitraci61i ilc lo5
reactanies cii cada iiionierito. coino q~icdaesprc%adceii la ley ilc nccióii ilc iiiaws. t7;iiei
la reaccií~i
la ecuación de \,elocidad seiá:
donde k es la constante de velocidad específica de In reaccióii. Para una reacciúii ilc 2
reactanies
A + B + C
sería:
y en general para una reacción del tipo
donde las leiras iiiayúiculas representati a los compuestos. y las tiiinúscula~i. los
coeficienies de la eciiación balaiiceada. la eci1nci6ii para el cálculo de la vclociil;iil
sería:
v = k[A]"B]"[C]' ...[N]"
que puedc llevarse
:i I;i
expresión genefiil
v = kc'
donde c incluye todos los térniinos de concentracióii y z es igual a la sunia de sus
exponentes: en ocaiioncs. el valor de z calculado de esta f«i-iiia e corrcsp~ndecoi1 el
i~rdende la reacción. pcro ese valor dehc c~ilcularscexpei-inientaliiiciitc como sc \ crJ
en el acápitc siguiente.
La velocidad de las reacciones se ve afectada por la temperatura. 111 presiói~.a ~ í
conio por La naturaleza. y el estado de agre;xióii de los reactantes.
Orden de reacción
La ecuación estudiada describe de forma general la relación entre la velocidad dc la
reacción y la conceniración de los reactanics. según la ley de acción de niasas. En estas
ccuaciones el valor<lelexponente z se define conlo cl orden de la reacción: sin etiiliar:i«.
el valor de z es un número empírico y. por ianto, se debe deterniinar experinientalniciiic:
esto permite agi-upar las reacciones que tienen el mismri valor de z. o sea, el iiiisnio orden
de reacción El orden real de la re;icción no piiede dcierniinarse por la ecuacih de velocidad. pues dcpeiide en g m i niedidii del mecanismo dc la reacción y de las condicioiics cii
que ésta se realiza.
Cuando sc detemina por vía cxpeiiinentd una reaccióii. ésta puede rcr dc piiiiicr orden. 51
la velocidad es directamente propicional a la concenb.acióii del reactatite; de segundo oideii.
si es proporcional al cuadrado de la concentmción del reactante o al p d u c t n de la coiicentmción de 2 reaciantes, y así s~tcesivaniente.Cuando la velocidad de la reacción es indepcndicnle
clc la coiiceniiación de los reactanics. se dice que es de o~rlenceio.
Las ecuacioiies reales para cada caio. eii las cuales a y b rcpreseiilaii l a i coiiceiitr;~
,iones de los reactantc:. so11 las siguiciiies:
.Reacción de nrdeii cero: Y = ha" ó v = k
.Reacció~ide piiiiics ordcii: v = ha1 6 v = kn
- Reacción de se_aiiid« ordeii:
v = ha2 ó v = kah
El orden de reacci6n n o tiene que sci- nccesariaiiiciite ti11iiiiiiiei-« eiitci-o y de Iieclio
muchas veces n o l o cs: puedcn eiicoiitrai-se valores coino 0.6 6 1.3. etcétei-a. Es importante resalvar que una iriisiiia reacción, realizada c i i con<lici»iies dircreiites. p ~ i c i l c
exhibir valores distintos de L . Se llame ordcii zlobal de 1;i rencciúii ;i In suma A' lo\
exponentes dc todos los tériiiiiios de coiiceiitraci6ii. deteriiiiiiadi~spor v i a expcriiiieiii c ese rcncvaiite e x c l i \ i \ ; i
tal y orden con respecto a u11reiictantc para el e x l ~ ~ i i i c nde
mente. Se dice en este caso poi- ejeiriplo. que la reacción es de pi-iiiier o r d i ~ i iciiii
respecto a A, etcétera.
Tal vez un cjeiii(i1ii iliisti-e 10s coiiccplm ti-at;idos. T(51iicse la iciiccióii
según la ley de acciiíii de i i i a w i , In cciiacióii de velocidad \cría:
y l a reacción sei-ía de tercei- orden.
Sin einharfo el est~idicde la reacciiíii dstesiiiiiia qiic ésta se realiza en 2 L.I,~>:I\:
A + B+
D
+
C
D
+P
Etapa i i i i i y leiiiii
+
Q
Eiapa m u y r6pid;i
L a etapa que determine 13 \,elocidad dc l a reaccióii es l a h r i i i a c i ó i i del coiiipiieito
iniermedio D. que iiiia ve7. ioriiiadc rc;iccioiia i(ipidnineiire con C para dar origcii a los
2 productos de la r e a c c i h . por- l o ctial la seguiidü ctnpa i i o irifluye sohir I;i velocidad
de l a reaccihi. Teiiieiido en cuciita este iiieceiiisiiio la ecu:ici6ii de \'elocidnd seria:
y por tanto. l a reacción es de ~ e g u i i d oordeii.
Para deteminai-e1 oldc11de la reacci6n cs necesai-io ti-aiisioi-mar Iiis c c i i x i o n e de
velocidad eii ecuacioiies cinéticos, que son aquéllas que ofreceii el \ a l o i de la coiicciitración de cualquiera de lo:. reactantes en u n tiempo dado. Si eii l a cciiacióii parricilxi
un solo reacteiite A. cuya concentración iiiicial es a, al cabo de un tiempo ( i ) se Iiahi-5
transformado una c a d d a d x de a en producto y sil conceiitración en ese momento s c r i
a-x. Integrando las ecuacioiies de velocidad se obtieiicn las ciiiéticas que para una
reacción de orden cero. sería:
para una reacción de primer orden
y para una de segundo orden
los valores determinados experimentalinente para la reacción que se está estudiando ?e
muestran en la figura 14.6: si se seleccionan de forma adecuada los valores represeiitados en cada uno de los ejes se obtiene una línea recta que pasa por el origen de las
coordenadas. La -gráfica en la cual se ajusten adecuadamente los valores experiiiientales dará el valor del orden de la reacción.
Fig. 1 4 . 6 Deierminiicióii del ordcii de
i i n s rcacción. Para calciilai- el
ordcn de i e a c c i h h a y qiie b c
leccioiiiii iidecuiidiimcntc l a s
vaiiablei quc dchcn ocupar ciida
u n o dc loi ejes de coordenadas.
En U ) l o s re$~ltiidoscorrcspond e n ii u n a reacción de ordeii
cero, dondc l a pendieiite ( p ) c \
igual a la constante rspecifiia de
velocidad. En b ) ic rcpcesenta
u n a rcacción de primer ordcii y
211 C ) de segundo orden. Las repiesentiicioiics I'acilitan c l c i i c u lo de k.
~
x
Reversibilidad y equilibrio
Una reacción reversible es aquélla que puede realizarse en los 2 sentidos, esto es,
que los reactantes generan un pmducto y éste a su vez puede regenerar a los reaclantes.
En un primer momento como la velocidad depende de la concentracióti de los reactanies.
y el producto apenas se ha formado, el sentido predominante será
Reactante
-
Producto
pero a medida que la concentración del producto comience a incrementarse, empezará
a ganar en intensidad la reacción inversa
Para una reacción simple como:
aA
+ bBp-
cC
+
dD
la velocidad de la reacción directa (de izquierda a derecha) se puede designar v, Y
viene dada por la ecuación:
mientras que la velocidad de la reacción inversa (de derecha a izquierda) a la c d
llamaremos v, será igual a:
Si se parte sólo de A y B, como su concentración disminiiye con el tiempo pues se
convierten en C y D, la velocidad de la reacción directa disminuye con el tiempo. Por
parte como la concentración de C y D aumentan con el tiempo, la velocidad de la
reacción inversa también aumentará hasta un momento en que las 2 velocidades sean
iguales, esto es:
o también:
que reordenando tendremos:
donde el cociente k , k 2 representa la constante de equilibrio de la reacción:
y así para cualquier tipo de reacción.
La relación entre las concentraciones de los productos y de los reactantes en el
momento del equilibrio depende de la naturaleza de los compuestos, la temperatura y
la presión. En condiciones físicas definidas esa relación es siempre la misma para una
reacción dada.
Para ilustrar algunos aspectos del equilibrio utilizaremos la conocida reacción de
isomerización reversible de la PDHA en G3P que ocurre en el organismo. catalizada
por la enzima triosa fosfato isomerasa (Fig. 14.4).
La constante de equilibrio para esta reacción bajo condiciones estándares
Ke =
[PDHA]
= 22,2
IGW
lo que significa que en el momento del equilibrio la relación entre las concentraciones
de PDHA y G3P es de 22,2: 1.
En reacciones de este tipo. en que existe un solo reactante y un producto, la
relación de concentración en el equilibrio es independiente de la concentración
inicial de ellos, e igual a Ke; también es independiente de la velocidad de la
reacción, en presencia de un catalizador esta velocidad se incrementa pero la
relación [PDHA]I[G?P] es la misma.
Las reacciones asociadas a una Ke grande pueden ocurrir espontineamente, pero
la magnitud de esta constante nada nos dice de la velocidad de la reacción, ni siquiera
del hecho de que esta reacción pueda ocurrir bajo determinadas condiciones, por
ejemplo, a pesar de la gran Ke de la reacción estudiada, en una solución acuosa en la
cual esté ausente la enzima, la reacción es tan lenta que es indetectable.
En reacciones que intervienen múltiples reactantes o productos, la concentración
en el equilibrio de un reactante o de un producto depende de la concentración inicial
de todos los reactantes y productos, así conio del valor de la constante de equilibrio.
Si la reacción no es isoenergética, como es lo habitual, entonces en un sentido ha
de liberar una cantidad de energía que es igual a la que absorbe en el sentido contrario
y, por tanto, la variacióri total de energía librc es igual a cero; esto implica que pni-;i un
sistema en cquilibrio químico podemos escribir la ecuación:
AG=AG+RTln
[producto 1
[reactante 1
pero corno en ese riioniento AG = O y (pr'idtictoll(renctait~eJ= Ke, la ecoacióii se
transforma e n
o empleando logaririnos de base 1 0
A V = - 2,3 R T log Ke.
Esta simple pero iiiiporiaiiie relación entre la variación de la e m r & libre eii
condicioiics estindares y la coiistaiite de cquilibrio permite determinar los valorcs de
[email protected]: midiendo las concentraciones de productos y rcactantes en el estado de equilibrio. sin necesidad de eiiiplciir coiiiplicados procediniientos para determinar 10s cmihios de entalpía (AH) y eiitropía (AS). Uiia lista de relaciones entre los valores de AG y
Ke se muestra en la tabla 14.1.
Ke
AG" (kcal.mol-')
AG" (k1.1noI~')
Como se puede observar cuando A G ' e s negativa entonces Ke z 1, o sea. está
favorecida La formación de los productos. Por último. es bueno señalar que aunque el
equilibrio químico es aparentemente un estado estático, en realidad se trata de 1111
estado dinámico, en el cual las 2 reacciones opuestas continúan realizándose, pero a la
misma velocidad. El punto de equilibrio no depende de la velocidad de la reacción.
Energía de activación
Todas las reacciones químicas no ocurren con la misma velocidad. En la explo,ión de la dinamita se produce la transformación de una gran cantidad de sustancia cn
fracciones de segundos, en tanto. la formación de agua a partir de H,.y O,.es tan lenta
que debe esperarse mucho tiempo para que se formen cantidades minúsculas de agua:
como la esterifjcación del Bcido acético y el ctanol ocurren a velocidades intermedias. A este último grupo perteiiccen las reacciones de cuyo estudio se ocupa la
cinética química, pues su tiempo de duración permite una adecuada experimentación
en el laboratorio.
Muchas reacciones quíniicas qiie presentan un g ~ i ncambio negativo de energía
libre no ocurren a velocidades niensurables, por ejemplo. el G3P puede experimentar
diferentes transfornlaciones, coino se niuestr;~cii la figura 14.7. Todas ellas con un AG"'
negativo, sin embargo. en soluciones acuosas ii«rmales el G3P es tiii compuesto muy
estable, por lo que reacciona lentaniente o no reacciona.
o
H-&0H
I
11
H-C-O-
P-0-
HO
.
--S
H
O
'y.4
HO
O
?
H-C-OH
1
H-C-OH
l
H-C-OH
I
H
Cuando esto sucede sc dice que existe una bar¡-era energética Tara el desarrollo de
la reacción y que los Imctiilites deben vencerla en su camino liack los productos. Esa
barrera recibe el iiurnhre de energk de acti!acióri. Cada stistnnci;~dt.bido a so estnictura presenta un contenido energético dado por la energía de sus enlaces, entalpía, y por
su movimiento caótico. Conio todas las inoléculas en un sisteina no se mueven a la
misma velocidad. se toiiia parn caracterizar al conjunto la energia cin6:ica promedio de
todas ellas; la temperatura es prccisame.nte un3 rnedida de esa energía ci116ticapromedio.
Para poder reaccionar y dar productos. los reactantes deheii e m i r en contacto
físico. es decir. chocar unas moléculas con otras con orientzcióri e inten~idadadecua&S, por lo qiie deben poseer un contenido ener~&tico
determinado quc les permita
alcanzar el grado de excitación necesario para transformarse en productos. Si la [email protected] del reactante está niuy lcjos de la que debe alcanzar. entonces la reacciún transcuM d e forma muy lenta. pesa s i está muy cerca ocurrirá rápido. A la diferencia entre la
energía que posee e1 reactante y la que debe poseer para reaccionar es a 11 que se
denomina energía de activación.
En la figura 14.8 se representa un diagrama de las variaciones de energía tiurante
una reaccibn. Primero se reprcscnta la energía de los rextantes, en segundo lugar
aParece el nivel energético necesario para producir la reacción y tercero' la energia de
10s productos. El estado de excitación cii que se encuentran los reactantes en el pu~ito
2 se denomina estado de transición o complejo activado, y según la teoría de las
velocidades absolutas de 1,eacciónse encuentra en equilibrio con los reactantes. Como
se puede observar la energía de activación no es la del complejo activado sino la
diferencia entre la energia de los reactantes y la del complejo activado; mientras indyor
sea ese valor, menor será la velocidad de la reacción.
Fig. 14.8. Diagrama energético de una reacción. La reacción comienza con
el valor energético de los reactantes
que debe elevarse hasta formarse
el complejo activado y después se
originan los productos con su energía característica. AE1 representa
el valor de la energia de activación para la reacción directa, en
tanto AEZ lo es para la reacción
inversa. AE3 representa el valor
de la energía dc reacción.
Reacción
Existe también otro factor importante que aparece representado en la figura, y es la
diferencia entre la energía de los reactantes y la de los productos. que recibe el nombre
de energía de reacción. En la conversión de los reactantes en productos, además de la
transformación de la sustancia, ocurre también una vaiación del contenido energético
del sistema, de forma que el contenido energético de los productos puede ser igual,
mayor o menor que el de los reactantes. Las reacciones del primer gmpo reciben el
nombre de isoenergéticas (de isos=igual); si el nivel energético de los productos es
menor, quiere decir que parte de la energía de los reactantes se ha cedido al entorno y
por ello reciben el nombre de exergónicas (de exoshacia afuera); por último, si el
nivel energético de los productos es mayor, significa que el sistema tomó energía del
exterior y por ello reciben el nombre de endergónicas (de endos=bacia adentro).
De la figura 14.8 puede deducirse que las reacciones reversibles, que en un sentido
son exergónicas, en sentido contrario son endergónicas, y que las reacciones que en
sentido directo son muy exergónicas en sentido inverso son poco probables, pues
presentan una energía de activación muy grande. La energía de reacción puede indicar
el sentido más probable en que una reacción química puede ocurrir, pues se trata del
AG de la reacción.
Existe una relación funcional entre la energía de activación y la velocidad de la
reacción deducida a partir de la teoría de las velocidades absolutas de reacción; para
ello hay que recordar la forma generalizada de la ecuación de velocidad:
donde k es la constante específica de velocidad, pues es el valor que toma ésta cuando
el témino c'es igual a la unidad. El valor de k depende de muchos factores, entre ellos
de la energía de activación a la cual está ligada por la ecuación de Arrhenius:
donde k* es un valor que depende de otros factores, e es la base de los logaritinos
neperianos, R y T tienen los significados ya conocidos y E es la energía de activación.
Se debe tener presente que el exponente de e es una fracción negativa y E es su
numerador, por lo que mientras mayor sea el valor de E, menor será el valor de k y por
tanto de la velocidad.
caMzadores
Existen vanos procedimientos para provocar el aumento de la velocidad de una
reacción, algunos son muy refinados pero otros resultan muy sencillos, como es el caso
A, realizar la reacción a altas temperaturas o la de adicionar un catalizador. El aumento
de la temperatura refleja un aumento de la energía cinética de los reactantes, acercándolos al valor necesario para formar el complejo activado y con ello disminuye, tanto
como sea posible, la energía de activación.
LOS catalizadores por su parte son sustancias de diferente naturaleza química que
tienen en común la propiedad de aumentar la velocidad de las reacciones químicas, sin
que su estructura o concentración se modifique como resultado de la reacción. Estos
catalizadores participan en las reacciones de formas muy variadas, pero todos ellos son
capaces de disminuir la energía de activación, con lo cual, como ya se ha visto, se
aumenta la velocidad de la reacción.
En la figura 14.9 se reproduce el diagrama de la figura 14.8, pero ahora en presencia de un catalizadoi-, por lo que se observa la disminución de la energía de activación.
Sin embargo, en la figura 14.9 es evidente que los catalizadores no influyen sobre la
energía de reacción, por lo que Las reacciones exergónicas (o endergónicas) lo seguirán
siendo, lo que ahora en presencia de un catalizador se producen con mayor velocidad.
Fig. 14.9. Diagrama energético con un catalizador. La reuccióii en presencia del catalizador sc realiza con
una energía de nctivsciúii (AE2)
ineiior que c i i ausencia del catalizador ( A E I ) . Tuinhién disiuinuyc
la cricigía de activación dc la I-eacción inversa que pasa de DE3 sin
el caializadoi a 4E4 con el catalizador Siti enibargo. la energía de
reacción (AE5) no cambia al aiiadir el catalizador.
Reacción
-
En las reacciones reversibles los catalizadores aumentan tanto la velocidad de
la reacción directa como de la inversa, pues al disminuir la energía de activación para
la reacción
Producto
Reactante
tambikn lo hacen para la reacción
Producto
-
Reactante
de modo que no alteran el estado de equilibrio, aunque contribuyen a que éste se alcance
m& dpido; por lo tanto el punto de equilibrio, la constante de equilibrio y el [email protected] de la
reacción son los mismos con catalizadores o sin ellos. Podemos distinguir 2 tipos generales de Cataliradores: aquéllos que realizan su acción catalítica en los seres vivos y los que
su actividad no está vinculada necesariamente con éstos. A los primeros se les da el
calificativo de bióticos y a los segundos de abióticos.
Los catalizadores abióticos pueden ser metales como el platino, sales como el
dicromato de potasio, ácidos o bases como el ácido sulfúrico o el hidróxido de
Sodio, compuestos orgánicos diversos como el fenol, anhídrido acético, piperazina, etcétera. Todos los catalizadores bióticos conocidos son proteínas y reciben el
nombre de enzimas.
iswnergéticas (si AG = O), endergónicas (cuando AG es positivo) y exergónicas
(,-"ando AG es negativo).
La propiedad que tiene la energía libre de poseer carácter aditivo permite el
acoplamiento entre reacciones. Este acoplamiento es un fenómeno tan generalizad
, en 10s procesos bioquímicos que forma el contenido esencial del principio de
-acoplamiento.
Los catalizadores son sustancias que tienen la propiedad de disminuir la enerdade activación con lo cual aumentan la velocidad de las reacciones. Estos pueden
bióticos o abióticos. Los bióticos son proteínas, con especificidad por la reac&jn y el reactante, con una alta eficiencia catalítica.
Ejercicios
1. Señale para la reacción siguiente:
Ala + Gli
-+
Ala-Gli + H 2 0
a. ¿Cuáles son los enlaces que se rompen y cuáles los que se forman?
b. Escriba la ecuación de velocidad.
c. Si AG"= -3 kcal.moll ;cuál será el sentido más probable de la reacción?
d. Escnba la ecuación de Ke y deduzca si es mayor o menor que la unidad.
2. Calcule la velocidad de la reacción:
A+B
si partimos de una solución 0,s M de A y a los de 3 minutos la concentración de A
es de 0.3 M.
3. Si colocamos un pedazo de hielo sobre una mesa a temperatura ambiente, el hielo
se demte de manera espontánea lo que indica que el AG" es negativo. ;Cuál de los
2 componentes de AG (AH ó AS) cree usted más importante en este proceso? ¿Cómo
varía cada uno de ellos?
4. Si sabemos que la Ke de una reacción es de 84,3. ¿Cómo será el AG de la reacción?
¿Qué puede deducirse de la velocidad de la reacción?
5. Calcule la ecuación de velocidad (v=kc7)para la reacción:
si sabemos que
6. Eslablezca una hipótesis para explicar por qué los cataliradores dismiiiuyeii la
energía de activación.
7. ¿Es posible esperar algún cainbio en el valor del AG de la reacción si a ella se le
aiiade uii catalizador? ¿Por qué?
8. Una reacción ocurre a una velocidad de 25 rnM.sl. Si se le ariade un catalizador
(M) la velocidad aumentd hasta 25 000 inM.sl,pero si se le aiiade un cdtalimdor (Q) la velocidad llega a 2 500 000 mM.sl. Calcule la eficiencia de cada cataiizador y deduzca cuál de ellos es más probable que sea abiótico y cu61 biótico.
Todas las l'uiicioiies que r c a l i ~ a i lii i b seres \¡\os Lieiieii s u l ' u i i d a i ~ i c i i t cc~i l un
número extraordinario de reacriones qnimicss. que se ngriipan de manera fiinrional y
dan lugar a los proccsos l l i n l 6 g i i o i fiicai~gadosde iilailtciicr. ricsarroiiar p c i p c t i i a r a
cada i i i d i r i d i i o .
Todas las i-eaccioiiis qiiíiiiir;i~ q i i i o r i i r r e n en lo\ o r ~ a i i i s i i i \.¡vos
~ ~ s <lepeiiden d i
l a existencia de iiii cata!irx!t!r. Ihi p o r q i i e ella5 st.tii cnt;i!iratln~. b i r i i porque su
reactante.sii p r u d u c l ~ o
a i i i l ~ o br i q i i i r r a i ~
de iiiicatalicadur p a r a producirse o coiihiin i i n e r e s p t i v a n t r i i l e . El f e ~ i ~ i i i ~ ede
i i i ,l a catáli\is presenta carwterístivas t a n especiales en los seres v i w s quc Iiciiios ~ s i g i i a d uc l t6rniiiio de biocatiílisis p a r a dcscril>irlo; su
preseiicia universal eii los prtbcesiis i i ~ o l e r i i l a r e sIiace qiie l a Iiiocalálisis ~ n i i s t i I i i ? a
una categoría ceiilral eii el i s t ? i ~ l ido i l a I>i~it]iiíniica.
1.0s c a t a l i z a ~ l o r r sq u e a r 1 h 1 1en lm w r i 4 vivws son It>sI>iocalalizadores, qiie se
caracterizan p o r presentar u n a estructura molccular complcja y tbncionar con eficicncia y cspcrifirid;id ciciwias. c f ~ r n o
se vio r n c l c : i p i t u l ~:interior.
~
Elfuncioiiaiiiiciitu de los I>iocatUlLadoresdepende n o súlo de su estructura ) de
las propiedades d c r i i a d a s d c ésta. t a i i i l ~ i & ide
i bus iiilcraccioiies ani el rcsto de I i ~ s
coniponeiitcs celulares. intcraccioiics que en ocasioiics son dctc;.iiiiiiaiitcs.
E n e s t e r a l ~ i l i i l o s eI i a l a el r ~ i i i d i o < la
I i rrlrii<.tiii.ii d i lo- I>ii,ratalirn<II~res.
de si!
niwaiiisiii~,.:riieraI de ;icci<iii!.YYI p r i i i r i ~ ~ o pri,piecl:~<ler.
lri
FI c o i i o r i i i ~ i r i ~de
t ~estos
i
aspectos es imprcscindihle p a r a el cst:idio adccriado, n o sólo dcl mctnholisino celular
sino de casi tudab l a i I ' u n c i ~ m edel orraiiibiiio.
Las protciiias cspe~.ializadascri l a ftiiici6i1 catalítica recil>ciiel iioiiibre de e i i d i i i u
Y
sustancias s o ~ i r ciiic u i i ~ c h
a c ! í i ~ i ii c i i ~ ~ i o i i ~ isnt i si ~ ri i i t ~ h .
h q u e d i s t i i ~ ~ au iilr
e rii/,iiiiabde ias ileiiii, pil,teiiiase, precisaineiile que. tina w z
PrO(hi(lo el r e ~ o i i < i r i i i i l ~miiec.ii!aii~~o
di! siistrato: se realiza l a traiisf1>rmaci61ide l a
reconocida, ;
x a , c a n o cocscc:icnc,:r dc difcrcntc.~
intcracciones cntrc 12 p r o teína Cnnmática '.:SI riistrnto, 6stc cvpcrimcnta i r n rcordenamicnto dc sus clcmcntos
constituyentes debido a la mptura y formación de algunos enlaces químicos. La sustaiiciiI
que resulta de la acción de la enzima sobre el sustrato recibe el nombre de producto.
Las reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos presentan casi skinpre una energía de activación tan elevada, que en condiciones compatibles con la \.ida
ocurrirían a velocidades casi nulas, con lo cual la vida (al menos en las condicioiies
actuales) sería prácticamente imposible.
Como consecuencia. una de las principales adquisiciones evolutivas de los seres
vivos fue la aparición de proteínas con actividad catalítica, que al disminuir la encrgía
de activación de las reacciones Iiacen posible no sólo que éstas se produzcan a graii
velocidad, sino que se lleven a cabo en condiciones moderadas de temperatura, pH.
etcétera, compatibles con la vida.
Un ejemplo puede ilustrar mucho esta situación, la hidrólisis del enlace peptídici,
es energéticamente favorable (A(?=-2 kcal.moll); sin embargo. la energía de activación para la reacción no catalizada en condiciones normales -solución acuosa neutra y
temperatura ambiente- es tan elevada, que la velocidad de reacción puede demorarse
algunos nieses antes que se puedan detectar los productos. Esto hace que los procedimientos empleados para la hidrólisis de proteínas sean realmente drásticos. Los
bioquímicos pueden hidrolizar de forma química las proteínas mediante una solución
6 M de ácido clorhídrico en un ánipula al vacío a 100 "C durante 24 b; sin einbargo.
algunas enzimas como la quimotripsina o la tripsina catalizan la hidrólisis a 37 "C. en
pH neutro y según la proteína utilizada como sustrato cada molécula de enzima puede
hidrolizar hasta 100 enlaces peptídicos por segundo. Prueba de ello es el proceso
digestivo, pues apenas una hora después de ingerir una comida rica en proteínas, es
posible detectar sus aminoácidos en la sangre.
En muchas ocasiones para la realización de estas transformaciones es suficiente
con la participación de la proteína enzimática, pero en otros casos se requiere el concurso de otros elementos que reciben el nombre de cofactores, que pueden ser iones
inorgánicos o compuestos orgánicos de bajo peso molecular; en este último caso
reciben el nombre de coenzimas. Si bien la proteína enzimática vuelve al estado inicial
al final de la misma reacción, las coenzimas requieren de una reacción posterior. Las
proteínas eiiziniáticas y sus cofactores correspondientes coiistitiiyen los sistemas
biocatalíticos.
Las especificidades de acción y de sustrato están determinadas fundamentalmente
por la parte proteínica del sistenia biocatalítico, como lo demuestra la existencia de
cofactores que actúan con enzimas que difieren en el tipo de reacción que catalizaii y
en el sustrato que transforman; también la sensibilidad a la temperatura, a los cambios
de la concentración de H+y la solubilidad corresponden a la parte proteínica y no a los
cofactores; sin einbargo, los cofactores influyen de forma importante en la eficiencia y
las propiedades cinéticas de los sistemas biocatalíticos.
Mecanismo básico de acción de las enzimas
Fig. 15.1. El coinplcjo rnriciia sustrato.
Durante l a ieucciúci catalizadv por
una cnzimii. ésta forma u n coniplejo intermediario con el suslrato.
La u n i ó n d e la enzima con el
suslrato es muy rspecíficii y constituye un paso obligado para la
formación de los productos.
Aun cuando cada enzima al catalizar una reacción lo hace de una fornia particular,
existen algunos hechos que son de tipo general y que se manifiestan en todas les
enzimas.
Todas las reacciones enziináticas se realizan al menos en 2 etapas, una primera en
la cual se produce la unión física entre la enzima (E) y el sustrato (S), que da origeii al
complejo enzima-sustrato (ES) y se forma de manera reversible, o sea, puede descomponerse nuevamente dando origen al sustrato y a la enzima libre. No debe confundirse
el complejo enzima-sustrato con el complejo activado que fue estudiado en el capítulo
anterior (Fig. 15.1).
Una vez formado el complejo enzima-sustrato éste puede realizar la transformación del sustrato, dando origen al producto (P) y a la enzima libre que está en condiciones de volver a iniciar el proceso.
A la etapa iiuiiiero 1le Ilaiiiaiiioa e h p a de uiiióii, 1 a la uuuiero 2 dc traiisl0riiia-
y&,. La actividad de las eiiziuias puede ser uiodificada j aiectar la etapa 1, la 2 o
Esta es una representación simplificada. pues es posihle suponer la existencia
de otros complejos intermediarios sohre todo cuando en la reacción intervienen
cofactoreso más de un sustrato.
El punlo erucial de este i~iecauisiiiobásico es la existeiicia del coiiiplcjo
enainia-sustra~~,<lue
fue pr11l)uesh1n1rprimera vez por Hcr~i:veii1905) a partir de cse
moniento se Iian reuuido uua serie iinportaiite de indicios acerca de SU presencia:
1. Las propiedades físicas de l a ciiziiiias, como su solubilidad y estabilidad al calor,
cambian frecuenteiiieiite con la foriilacióii del coiiiple,joeiiziina-sustrato.
2.I.a~características especirosci,picas de iniirlias en~iriiasy sustralos caiiihiaii con [a
formación del comple,jo ES, dc la misma forma quc cl cspcctro de absorción dc la
heinuglobiiia cambia al unirse con el oxigeiio. Otras técnicas espectroscópicas
como la resonancia magnética niiclear y la resonancia magnética electrónica son
también muy inti~rmativasacerca de Ias interaccimes ES.
3. Los complejos ES algunas vcccs han podido ser aislados en forma pura. Para una
eniima qiiecataliza la reaczih
a veceses posible aislar un coiiiplc,joEA. hi la eiiziiiia tiene afinidad suficiente por
A y se incuba cn ausencia de U.
1. La formación del coniplejo ES muestra un clewdo grado de especificidad, por
cjeniplolaD-serinano es sustrato de la triptófauo sintetasa, que utiliza L-seriua; el
isúineru D ui siquiera se une a la euziuia; esto supoue que el lugw de uiiión del
sustrato tiene uua forma muy definida.
5. Algunos complejos ES se Iian visualizados directan~eiitepor iiiicroscopia electi.6s
de 6cidos nucleicos y sus eniimas
niia y por difracción de rayos X. I r ~cl~mplejos
polimerasas sc observan dc mancra fácil en microfotografías clcctrónicas.
La comprobación de la existencia del complejo enzima-sustrato orientó la búsquedade lascaracterísticas de las enzimas que permiten su formación: los resultados se
exponen a coiitinuaci.júii.
Centro activo
La existencia del coinple,jo euzinia-sustrato y la caracteríbtica de que la niayuría
delossustratos preseutau un taiiiaíio varias reces menor que la estructura de la enzima.
implican que la eiiziiiia sólo entra rii cimkictocon el siistrato en tina pequefia zona
específicadc su voluminosa estructura: esto se contirma con alyiios experimentos en
~ ~ ~ u a l e s s e r l i i i i i i i a lvarios
i a ~ i aiiiiiin~ci~los
de las eiizinias sin alterar su fuiicióii.
Las proteínas cnrimiticas prcscntau 2 regiones o sitios importantes.uno de cllos
r w O I I ~ ye liga al sustrato (sitiode reconncimirntnl y el otro cataliza la reaccih (sitin
Qfalítico) toda vez que el sustrato se ha unido. Estos 2 sitios están adyacentes uno al
Otro en la forma activa de la enzima y. en ocasiunes. el sitio catalitico es parte del de
rwonocimiento, estas2 regiones en conjunto recihen e1 nombre de centro activo.
Aunque las eiiziinas difieren inuclio en estructura. especificidad y modo de catiílisis. se puede establecer un número de genevalizaciones con respecto a la estructura <ic
los centras activos (Fig. 15.2):
l . El centro activo representa una porción pequeña del volumen total de la eii7iiiia:
tiiiichos de los residuos dc aiiii~ioaciclosde la enzima no entran en contacto con cl
siistrato.
2. El centro activo de unti enzima tiene un conjunto de grupos químicos ordenados
espacialmente de foriiia precisa, esto hace que el sustrato quede unido al ccniro
activo de forma tan íntima que casi ning~inaotra molécula puede unirse.
3. El centro activo es una entidad ti-idiniensiond, éste se presenta generalmente coino
una cavidad constituida según los repliegues que la cadena polipeptidica forma al
establecer su estruct~iraterciaria.
4. Los aminoácidos de las 2 regiones del centi-o activo no iiccesariaiiientc esti11
adyacentes unos a otros en la cadena polipeptídica lineal; el acercamiento se produce como consccuencia del plegamiento de la cadena.
5. El centro activo csiá situado superficialniente en la enzima. permite el acceso de
las moléculas del sustrato con relativa facilidad.
6. Los grupos que intervienen en la formación del cenlro activo realizan diferentes
foiicioiies.
En la estructura del centro activo sc pueden distinguir varios componentes cada
uno de los cuales contribuye a la función general pero de foriiia diferente:
1 . Eje peptídico. Formado por la paste monótona de la estructura polipeptídica. cuyo.;
pliegues y repliegues contribuyen d e manera importante a dar la forma
tridiniensional del centro activo.
2. Gi-upos de arnbientacióii. Son cadenas laterales de ailiinoácidos que se encuentran
en el centro activo y que son de naturaleza apolar, contribuyen a que éste preseiitc
características que no permitan la cntrada del agua; esla característica provoca
cambio en las propiedades catalíticas de otros grupos y además, permite qlic Se
refuerce11las interacciones débiles entre la enzima y el sustrato.
.piientes de hidrógrnf>qiir se rqtahlrcen entre griipnc polares de la- cadenas
laterale< de !nr sminnaridnr ~ e r i o atrenoina. tirwinn ~trGtrra.coi?gr!ipoi polares del sustrato.
.Knlacrs wlinnr o ihirr.; <i;r piicdrn foi-rnxrc ciiii-c2i1qio5 <iic pi-rscntnn cargas
eléclriws de la cailcii~laica! di: lub siiiiiiukidub 2ipirticü. gluljiiiico. Iii&liiia,
s carga ~ p u c s t acn 21 sustrato.
arginina y lisina, con g m p ~ dc
.Tuci-/*~\dcl'aii i l c i K . a k o rui.;.~ahic~lduaic?,que bc cdai~!ccciiciiirc quposdei
C C I I I I Y I ~ Cdel
~~
s iM
i s Il i?~ l ~ ~ ~w! iI~~<.wlimii
ie
iiiti? crwa iiiior de<tli.<is?iio lieiirii
caractcrístic;is quc lcs pcrmitan otro tipo dc intcraccion.
Debido a quc d agua lime uiiü cuiisíaiilc didhii-ica iiiu- cler ada.la auiciiciadc
agua eii el cciitro actito iiacc quc csias iiilei.accioiics, que de por sisoii d&iles,
seeii algo iii& Suert~5q t ~ cu
e !m auibieute p o l : ~ ~
Los puciitcs dc Iiidrúgciiu sou taiiibii.ii uii iactur iiuporlaiilc cii ia uriculaciúii
del hudi-alu cii u iiiiisiia a: cc;;li.ii acíi,o. ~uesclloslicii~iicai-Llcr dii-cccioiiül
qoc no poscin Ins dcmas i;;tiraccioncs.
EsLa3 oriiip;~iic;il~~
l(ejc pcptidiu;. q u p w de aiii!>iciitacióii\ grupos de uiiióiii
.
i~ni(iii
son <lelerniinar!!r~rii 121 e!q,a ik ti ni ti!^ de la riwiina c<mel s u s t r ~ l o1<;slii
está rIrleriiiiii;id.i ~ I 2WI?<-!orcspriiiiipairs. ia c i ~ i i i ~ i l e i i i r i i t a r i ~ lespacial
acl
o
est6rirs qiir se ~ % + I I ~ ? ? Y -??ir?!x ?%+w!l?x%n di! wn!rr> iitlvi! ,' 12 ?rtr!ir!!!r,!
dcl snstrato: así como la comp!erncntaridnd química cntrc los "rupos clcl centro
activo ). los dcl sustrato.
4. C;i-iipmcatalíliu~.
Al igual que los aiilwi~wrrh o i i cadeiias lalc~.alesiIe
~~iiiiiorírid~~s
que participan en la estnictnra dcl crntrn activo; pero son los que están impliradoq
¡Ir li~ril1;l1iircCf:i cii I:i 1i.:iiisfiiriii,iriiiii del sii~lr:ifo:lo\ que ciiiiipl<~ii
c<iiiiii:r!or
! ~ la scrina,
frccucncia cstn f;;nciCn son c! i x i d n x l dc In kistidinn y cl h i d r o ~ l de
taiiibiCii !iau sido dciiiosirados cl grupo sulfiliidrilo (Sil! dc la cisicíiia y c! cnrboxiio
del asp6rtien.o <le¡gliitániic,,.
Estusson los grupus que ii~iri-virnrnrii la segunda ebapade la rt.acciuii u etapa <le
tnnsf'nrmnción; sin cmhnrgo: no .;e p n x k o!~idarqric ~ila primera ctnpn no se renlizó
satisfactoriamente. la ceginda etapa <eserá tnmhién afrctada. pner no puede haher
una adecuada traiisforniación si la uiiióii ha sido dcficicutc.
~ I c e i i t r i i a c l i v ~ ~ e s i i i i a r s l i ~ i i r i i i i n ~ i i i i ~ i i iIasfiiri-rasqt~e
ica.Si
iiianliirir~~
la~li.iictura del ceiilro a d i w soii fuiidaiiieiilaliiiei~LeIiiltirac~ioiirsd&bilrs.rii uii coi!iiiiilo de
moléculas de una iiiisuia cir~iuiacxihlii-áii cciiti-os a c l i ~ oque
r preseiilcii difci-ente
eSladt1sioiiit1rii1arit~i1a1es
ii~teiriiiiv~rtil,Irs.
(Iridr a~liidlosqiie iaciliiaii iiiiirlio Iw
unión al sudrato hasta los que caqi no prrmitcn la entrada dcl irirtrato. paiando por
todos los estados inicrmcdios ima:inablcs.
Formación del complejo enzima-sustrato
Se han po~tiilado2 hip6truis para eupiiinr la furmación del compkjo enzimaStlsIWlt~.las l l a n ~ i : #de
\ la llavv y la c r r r d i ~ w;N
. corno la (Ir ailapIaci(in inducicla.
La uiii<iiidei susirato coii la eiiziiiia puede iiiiplicar ~iiaiiteiier,juntas2 iiioltciilas quc prisriit;iii un:i c>tr;ictui.;i iuiiiplci;ic:ilnri;i ~lesdce! piiiilu d r 5ihl:i cqxicinl o
V h i c n . o amhi~.;.rii iin eomplvjt, qiw sr estnhiliza por iin n í m e r o variado de
int~raccioncsrlCl>ilcs.(.oiun cstc tipo dc ;iw~>l;iiiiieiiti,i-criici-<laal iluc w ~1>ruiIucc
e n t ~ i i n llave!.
a
rii cerradtira: para descrihiresta iinión se dice qoeie prodiice por un
meanismo así llamado lorkand key. Para que este mecanismo se produzca el centro
" C h debe poscer una estructura tridiniciisional coiupleiueiitaria al sustrato aun eii
auseiicia dc fslc.
Sin embargo, en algunas enzimas la estructura complementaria del centro activo
sólo existe cuando está unido el sustrato; la unión de éste induce un carnhio
conformacional en la enzima, hace que los residuos catalíticos adopten la posición
adecuada, lo cual significa que a medida que el sustrato penetra en el centro activo éste
adquiere su forma funcional óptima. Las moléculas que se unen al sitio de recoiiociniiento de la enzima, pero no inducen ese cambio conformacional, no son sustratos de
la enzima; de esta forma una enzima puede diferenciar un sustrato de un no sustrato por
2 factores, priniero, si la sustancia puede unirse a la enzima y segundo, si puede provocar el cambio conformacional pertinente. Cuando las 2 condiciones se c~irnplctise dice
que el mecanismo de unión es por adaptación inducida.
La glucoquinasa es un ejemplo interesante de este tipo de mecanismo; esta etizima cataliza la transferencia de un grupo fosfato del ATP a la glucosa y a l g ~ ~ n otra?
as
hexosas. Alg~inosestudios de cristalografía de rayos X han demostrado que estriicturalinente la enzima está formada por 2 lóbulos; la unión de la glucosa induce un
cambio conforrnacional grande que aproxima los 2 lóbulos y crea un sitio catalítico
funcional (Fig. 15.3). Sólo la glucosa y otras moléculas de estructura muy similar
pueden inducir el cambio conformacional que asegura que la enzima fosforile a susiretos
correctos. Algunas sustancias como el glicerol, la ribosa y aun el agua pueden unirse a
la enzima en el sitio de reconocimiento, pero ninguna de ellas induce el cambio
conformacional requerido y por tanto no son sustratos de la enzima.
Fig. 15.3.
Adaptación inducida en la
glucoquinasii. La enzima está formada por una sola cadena
polipsptidica que adopta una estructura tridiinensiunal formada
pur 2 lóbulos que drlirniian una
profunda depresión donde está
lncalirado el centro activo, al unirse
c o n el sustiato ae prnduce la
tiansconi0imaci6n de la enzima
que provoca u n acercamiento r w
tre los 2 lóbulos. por lo quc el
siistratu queda atrapado como se
mucstra cn a). En h) apiirecen los
grupos del centro activo que fiw
man puentes de hidrógeno con la
glucosa. Obsérvese que estos grupos pertenecen a los aniiiioicidoa
que no ocupaii posiciones c o n s c ~
cutiviis en la cadena polipcptídicu.
h)
Asp 205
AsN 204
Gli 229
OH
Glu 290
AsN 231
Estudios de la formación del complejo enzima-sustrato en numerosas enzimas Iian
puesto de inanitiesto que algunas de ellas funcionan según el mecanismo llave-cerradora.
en tanto, otras lo hacen por adaptación inducida.
Mecanismos de la catálisis
El asombroso incremento de la velocidad de las reacciones que logran las enri~nas
escapa a las explicaciones clásicas de este fenómeno en el mundo inanimado. Ha \id<)
necesario un estudio minucioso de la forma en que actúan e n r i n i ~ específicas.
s
ademic
de modelaciones experimentales y trabajos de investigación teórica para teiiei iiila
explicación aproximada de porqué las enzimas tienen la capacidad de incrementar dc
f«rma tan notable la velocidad de las reacciones; se han identificado numerosos facto-
influir en la acriiin de los mtalira<lores,pero en este iiioiiieiito sólo se
rs4ue
mencio,,&n aquéllos que están más relacionados con el funcionamiento de las cnzimas.
los w a d u s efectos de aproxiiiiacióii. iiinio\ ilidad ) orieiitacibii.
~ ~ ~ n d o e l s i i s t i . a t o s e aen
l ~el
j acentroactivo.lt~Iiarede una manera fnrzada con
cierto grado de distorGm (Ic la estructura. que puede pruiocür la aproxiiiia~ii>ii
de
gnipos reacti~osdel sustralo) fa\orecer el desarrollo delareaccibn; a l e efecto esaúu
ni& evidente en las reacciones ion 2 sustratoh. los cuales al asociarse a ~ h r la
e superfi,+dela ennma quedan mny prnximos v de esta forma se facilita la reacción.
[,as estriictiiras químicas son dinámicas: los grupos químicos poseen mnvimientosde rotación alre<ledorde los enlaces siiiiples: esta iiioviIi(lad piiede dificultar las
pues se reqkiiere qiie 111sgrupos se iiiaiiteiigaii fijos i i i tina posiciú~ial
,,lenos durante un período brcvc. Al unirsc al centro actil-o, la ciiziiiia limita considerablemente la movilidad de los grupos del sustrato. esta inmnvilidad momentánea es
un factor favorable para el desarrdlo de la rrarciún.
Por último, las sustancias para reaccionar no sólo ncccsitan aproximarse, tambicn
se requiere qiie ese accrcamicnto sr realice con tina dctcrminada orientación para qiie
se favorezca la foriiiacióii de los enlaces que dcterniiiiaii el dcrarrollo de la reacción. La
to
que &te quede
íntiina relación que se estal>leceentre la enziiiia y el s u ~ t r ~asegura
situaduco~ilaorieuhcibii ui;W favorüblc para la rcaccióu: de nuevo este erecto es aún
másevideiite en las r ~ a c c i o n c~m
s 2 sustratos.
Algunos análisis teóricos 5- estudios cspcrimcntalcs han demostrado que cada
uno de estos efectos por sí no pueden explicar los iiicreiiieiitt~sde velocidad ohservados en las reacciones enzimáticas, aun cuando al actuar de manera simultánea se
potencializan unos a (~tros.
leniendo en rnenta los efRctns estridiadns anteriormente Ins incrementos de la
velocidad de la r e a c r i h , qiie logran las ei17,iiiias.son iiiiicho inayores que los esperadosdeacuerdocon los mecanismos anteriores. Iiiia Iiipótrsis [>ara sii expli~acióiifiie
enunciada inicialmente por Liniii Paiilingen 1948 y desarrollada más tarde por otros
investigadores; según ellos la enzima en realidad nose une al sustrato propiamente
dicho, sino al estado de transición o comple,joactivado de la reacción. provocando un
aumento en la concentraeióii de éste con lo cual. como fue estudiado en el capitulo 14.
se incrementa la velocidad de la reacción.
Esta situación puedelograrseal menos de2formas. hien la enzima se une directam n t e al estado de transición con una elevada afinidad, o durante el proceso de unión
lae&iaobLigadsustratoüadquii.irla utruclura del estado de trusicióii. al crear en
éste tensiones estéricas que lo obligan a adoptar esta estructura; aunque durautc un
tiempo se pensó que la scgunda npción era la rnrrecta, invertigarioner porteriores
apoyan más la primera alternatiu.
Esta hipótesis ha recibido evidencias experimentales con el uso de sustancias,
cuyas estmctuns semejan la del estado de transición de a t y n a s reacciones a las cuales
les ha denominado análogos del estado de transicinn. La similitiid estnictnral que
estos análogos tienen con el sustmto natural de la enzima hace qiie piiedan unirse
rápido y con elevada &~n¡dad a IaeiuUiia, w r o sus diferencias les iiiipideiiS r lransformados por la enzima; por tanto, cstos análogos del estado de transición actúan conlo
eficientes inhihidnres competitivos de la enzima. Para el estndio de los inhihidores
enziniáticos debe consultarse el capítulo 16.
.lomando mmo ejemplo la reacción de la ft~marasapneden ilnstrarse Ins conceptns
queSeaiahandeenriniiar; &a enzima mtaliía la hidrntanón reversihledel ácidotiimárim
Y forma ácido 1,-n~álico.eoiila pai7ici~~aiión
de un rarl>aiiiÓn conioestado de transiciún.
.
L
Fumico
Eaiildo de
transición
L-niálico
Modiñcaciones del centro sctivo
1 s ~ 4 r i i c t 1 1 r¡:el
a w i i t r ~acliio<:
,
diiiAiuica i i ~ i i ~ i l ; i ~ ~ l c idiii-i <~,~
! I I~
Y Kl ~c. W . < ~ V
transconformación. par= lo cual conlo :p sc Iin estudiado, no prccica la ruptiii.~dc
eiil~ccbcu\alentcs. d o de iiitcraccioiies dí-bilcs; si11ciiibai-go. debido a eslas niiiu;is
YB
exihlc~~
nunwrostm agenies I ~ I I Vp!w~lw
ciii.iic~rr¡~iicas
esiructuraieh ~ i rCi ~ I I ~ I aciiw~
provocar tranwm?orniacio!>cr inar dristiras, qiieimplicarian alterncioncsy,por t x t o ,
afcctarinn ln función dc 13enzima.
. .
! t t < v ! \ X P ~ ~ Y ! ! ! ? . w ~ I x Y ~ ~ ! ~ riif~iifimrkt
e\!?w!tird t r i d i ~ n e n h i d&b!l
y!!4
niir: al ai.i!ixr s d ~ r Itis
e ennmas priivncarlaii la distor<iiiri (!VI i r n t r o activo. t:~vvvi?o
cc h: visto dcpcndr de In ertrnctura terci::ri:! dc Ins enzimns; es por ello quc todo.; lo?
agcntcs dcsnnturnlizantcr afectan la acti~idadcnzim:itica. Esta cnracterísti~ih.? dckr!:!innclo ?l ninplin tiso d r npentr? dmiiat!irnli7nnte~nnr? ikteiicr rr:!crionei rn~i"!:í!ir::?
e,, rl iai><Wtt~,~!%,,
Por ntra parte. Ins agentes rnmn la cnncrntrarion de innes hi<irn!ym imrdida
romo pH), afectan rl grado de diwri;ici<in 'Ir !o<griipw i o n i i a h l r ~rlr la< r v h w
2atcralcc rlc !os aminoácidos. pucdcn nltcrar la distribución de cargas (.I&ctric:'.i Ic1
k
c w t m ;~c!ivo"p w t;mo u w d i k ~ l;,r aciividac! de las r n h w v : taml?iGn p ~ w :!!fvw
cl rctndo dc ionización del sristrato y traer coniccncnci:is sizlilarcs sohrc !a :,?ir>Ci+?d
<!r In rcnrrión.
1.:) prew!cl:i rii 1:i vil!!ciiiri de aii;il<igm del .ustr;i!t~-sustancias rel:;.i:::::::!:!s
estruciuralineiiir cuii el suslralo de la eiizini~.pero que no son subceptiblcs de ser
.. .
!~~ail.f,~',~,~~~,,.~~~~r~~la-~~ll?,!~.,ca,i<~,~>!~
!tila !G!~<I¡<l'!
<¡el?! a c ! ~ e!l;ia!i*?!!'.?
~ ~ ~ ! &!~ ~ ~
eitas ~ustanciarllegan a nnirce al centro activo y ln mantienen ocupada. Po? nti'a par!P
ia existencia de compuestos quiinicos. capaces de reaccionar específicaniente con
g q x x del ccntro activo y m ~ d i f i c n r l opndicrLi
~
afcctar la acción dc !as cnzimas. Ti1
ocasiones la iuodi:icación que dctcriiiiiiado grupo produce en la enziina pi-oiow la
aIwlici~'mpea~iuai~ei~le
de la a c l i ~ i ~ l catalílic~
ad
de la p r o t e h i ~ I I L ~ I I I G ~ ~ V111Aqiw
. h;~
hccho que cste tipo dc sustancia sc Ic denoniinc sustratos suicidas.
De todo lo anterior sc puedc afirniar quc la a c t i ~ i d a dcatalítica prcscntc e11uua
prcparacióu ciiziriiática dcpendcrá dc la conccntracióii de centros actkos útiles, (is u ,
el uúincro de centros activos por unidad de ioluiiicii unidos al sustrato o <luc11u
presentaii oiiiguna alterociúii que l a iinpida unirse.
Especificidad de las enzimas
Dwdcel puiilu d c \ ibhestruclutd iasei>~iiii~bdiCiereii
del redu de la!, prsilclilu~
por la cxislciicia del centro d i \ o. por cllu. laa propicdiidcs purticulares dc lar e i i ~ i n l a ~
sn!i aq!~bl!as <:ti? driivaii del e n t r o actiso.
Teniendo en cncnta las cnractcrísticas estructurnlcs y funcionales del ccntro :irtiuo se iiiliwe que a un centro x U v o delenninado sóh, podrá unirse un siistrnto (oun
número rnny limitado dc ellos quc prcscnten una cstruchiramuy similar), a s t a prollicdad del ccntro acti\o, j por tanto de las enziniaa, ae le íIcnuiniiit cspccificid;id dc
siisti-ato.
L~ especificidad de sustrato puede ser absoluta, cuando sólo existe un sustrato
capa=
de ocupar el centro activo de la enzima; o relativo, si se trata de un grupo de
sus^^ Aun enesteúltimo casose observa quelauniónde sustratos diferentes no se
produce con igual fortaleza, lo cual manifesta que la enzima presenta una afinidad
d i s m a porcada unode los sustratos, y en la mayoría de los casos se destaca uno de
ellos como el más afín. Como ya fue estudiado. las 2 hipótesis de formación del
complejo enzima-sustrato permiten explicar de manera adecuada la especificidad de
sustrato de las enzimas.
Una w z que se Ii:i prndiicido la 11nii)11del sustrat(~al c c n t n ~activo. sí110 alguno de
los enlaces dcl sustrato qiic<laráal alrmcc de los griipGs cat;iliticos de la c n h i ~de
;
,@forma laenzima podrá realizar una transforniaciún deese sustrato, aunque este sea
suseeptihle de varias transformaciones. a esta propiedad del centro activo v por tanto
de la enzima se le d a el iioiiibrc de cspccilicidad de accibri.
Por e,jeiii()irP.el &cilill gllltiillli~r)pllecle e\perinlrntar una reilccióll de
o
a.d~sc;~rhoxil;icih!pii~dili'irácido;~:iiiiiii<ihiitíi.ico. t;iinlii6n iina <Iesai~iiiiaci¿~ii
m a r n i n a c i ó n para originar ácido a-cetoglutáiico; para cada reacción hace falta una
euzinia específica. tudas cuii la iiiisiiia esr>ecilicidau de susirato (icido glutiiiiico).
pero con diferente especificidad de acciún. Casi siempre las enzimas que tienen una
elevada especificidad de acción y de siistrato resultan ser enzimas claves en el metabolismo celular.
Considerando que la unión enzima-sustrato es muy específica y que una vez
formado el complejo es una de las transforniaciones posibles la que se lleva a cabo,
podemos derivar una característica general del funcionamiento de los biocatalizadores.
En todas las reacciones biocatalizadas se obtiene siempre el número niáximo de inoléculasdel producto a partir del sustrato, sin que en las reacciones qiarwzcan produclos
seeiiii~larioscoino c i Frcciiciite e11 icarcioiw iio i:%talii-xlacpor cniinin.; fqta rr~iilaric ~ w c ~ :rlei
i l i ~ ~ - i i ~ c dc
ipi<;
dad de 111spri~ccw\lhi,!li~cic~~~~
: ~ ~ o I c c n i c,\
; ~<>i
i -coi;ienidc
~
niánima eficiencia.
Centro activo de la quimotripsina y la tripsina
La estructura y nwcsnismc dc acción dc i:i quiniotripsina] la tripsina se conoccn
detdodaiiicirte. miibas cii~iiiiasac aiiitcti~aiicii el piiicrces cii foriiia de prccuisoi-es
inactivos (ziiiiógciios)Ilaiiiados qui;iiotripsiiiúgeiio ) trip~iiiúgciio,rcspectii aiiiciitc.
La activacih del quirniilripsiniiyrni, tirnr Iiirnr en rl inlrstinii <[email protected] donde se
furnia la quiiiiotripsiiia quc fuiicioiia al igual que la tri~~aiiia,
Iiidi.oliraiido ciilaccs
peptiuicos de las pruteíiias iiireridas coiiiu parte del proceso direstiro. Dos i-iipluras protcolíticas irrcyersiblcs actii an :a ciizinia, una elimina la scrina 11 y la
arginina 15 del quimotripsinógcno y otra, la trcoriiria 1.17(fig. 15.4). Esta actil-aciúncn eliiitc~tiiiuiieiie la \ciiia,ja de pre\eiiii. ~ l u la
c eodiiia pueda degradar el lqjidu
pdnireático qiie la prodriie.
La qriimotripsina no hidroliza todos los enlaces peptídieos, más hien es selectiva
Para aquAlus di~iidepwticipa el grupocarl~oxili~
de fenilalaiiiiia. tirosiiia o triptiifaiio
mig. 15.5). La tripsiiia por el coiili-ario es capccifica para los ciilasm. doiide el grul>o
mrhoviln lo aportan la liiina o la arginina.
El iiiwmiisiiio de accióii de la quiiiiotripsiiia fue deteriiuuado a partir de su estructura tridimensional estudiada por rristalografía de rayos X:la enzima coiitienr 3 radcpulipeptídicas A.B y C coi1 13.131 y 97 aiiiiuuácidos cada una. unidas por enlaces
dkuliuros.
En Iamolécula se dcstaciin 1 apcctos estructurales importantes,el centro actiio j
una hendidura o "holsón" creada por las cadenas Interalcs de varios aiiiiiio5cidns
hidrofóhicos: esta hendidura hirlrofóhica sirve de sitin de iinión para reiidiios de
aminofcidos específicos del surtrato. La conform:idÓn de este "holsón" permite n los
resid1los alineado? en él pnrtiripar en interarcinnes hirlrofnhicas ron las cadenas Iate-
Fig. 15.4. Activación dcl quimotripsinóycno.
El pi,,crcas segrega el quitnolrip~
hinúgeno hacia el duodeno. dond e ocurre s u transformacióii en
qi~iinotripsina.Esta activación sc
produce por la separuciún de los
aminoácidos que ocupan las p m cioiies 14, 15 y 147. de esta manera la nioléculu quedi, formada por
3 cadenas polipepridicas unidas
por puentes dirulfuros.
Fig. 15.5. Especificidad dc la quiniotripsina. Lii quirnotripsina ticnc una acciún selectiva sohir. I h
cnliices peprídicos dondc participa cl grupo carbuxilo d e la fcnilalanina a), iiro4nii b) y
triptófano c). La estructura ciclicii, preientc en la cadena R de estos aminoácidos. se i i c o i i m
da en u n profundo ''bolsóti' quc rodea el centro catalitico de la enzima.
rales de fenilalanina, tirosina y triptófano. En estas interacciones no pueden participar
cadenas laterales con cargas eléctricas. ni grupos apolares pequeños.
Los residuos apolares de las proteínas globulares están escondidos hacia el intcrior; cuando esas proteínas están en SLI estado nativo los enlaces peptídicos que unen
aminoácidos apolares no son accesibles a la hidrólisis por la quimotripsina. En condiciones normales el ácido clorhídrico del estómago desnaturaliza las proteínas ingeridas, y las proteasas de este órgano degradan parcialmente las proteínas antes de quedar
expuestas al pH neutro del intestino para su posterior digestión por la quimotripsinn.
~a actividad catalítica de la quimotripsina depende de 3 residuos de aminoicidos:
histidina 57. aspártico 102 y serina 195; estos aminoácidos están distantes unos de
en la estructura primaria de la proteína, pero en la molécula activa el plegamiento
es tal que las 3 cadenas laterales están muy cercas y en posición correcta para catalizar
la hidólisis del enlace peptídico en la proteína que se une a la enzima. Cuando el
quimouipsinógeno se activa, la conformación del polipéptido se altera y distribuye
estos 3 residuos en la organización correcta.
La reacción de hidrólisis comprende varias etapas, entre ellas la formación de un
complejo covalente entre la enzima y el sustrato. Primero, se produce la ruptura del
enlace peptidico y el grupo carboxilo se transfiere al grupo - 0 H de la serina 195
&(SER,195)-OH + R,-NH- CO-R,p-
E-(SER,195)-O-CO-RI
+ R,-NH, ;
segundo, este intermediario acilenzima es hidrolizado
El aspártico 102 y la histidina 57 facilitan la reacción de acilación porque, primero, promueven la separación de un protón de la serina 195 y después lo aíiaden al grupo
amino del péptido producto. De una forma similar el aspártico 102 y la histidina 57
facilitan la hidrólisis del intermediario acilenziina (Fig. 15.6).
Estos pasos catalizados por la enzima -transferencia de un protón desde la enzima
al sustrato, formación de un intermediario covalente acil-serina y la hidrólisis del
acil-enzima- reducen drásticamente la energía de activación total de la reacción de
proteólisis.
Una comparación entre la quimotripsina y la tripsina resulta muy útil para enfatizar en la naturaleza de la especificidad de las reacciones catalizadas por enrimas;
a)
AsplO2
d)
His57
Aspl02
His57
Ser195
%,oH-N
o
)'
Aspl02
Ser195
O'
Asp102
His57
H-N
\-y
N
Ser195
N
O'
His57
h
Ser195
1
F . 15. 6. Mccaniscno d e a c c i h de la
quimotiipsinii. En el ccntro activo
de Iii quiinotripsinu se crea un c o ~
rrirnicnto de cargas que p r o m u e ~
ueci la triinifcrcncia de u n piotúci
entre la enzima y el siistriitu. con
formación de i ~ i i iniernierliario
ucil-enzima; este movimiento dc
electroiies sucede entre 3
amiiioIcidos que forman el centro
activo y, como en otros casos ya
estudiados, no se encuentran localizadoh de forma consecutiva en la
estructura primaria de la enriiiia.
Esta ruta disminiiye d e manera
~oiiaideriiblela eneigia de activaciún d e la rencción. q u e puede
entanccs ocurrir en condiciones
moderadas de temperatura y pH.
aproximadamente el 40 % de los aminoácidos de estas 2 moléculas son los niisrnos, en
particular la secuencia alrededor del residuo clave de serina
La estructura tridimensional y el mecanismo de la catálisis son,tamhién muy
similares, lo cual sugiere que ambos han surgidode formaevolutiva de un polipéptido
ancestral común; la principal diferencia está en las cadenas latedes de los aminoácidos
que se encuentran en el sitio de unión del sustrato. Los aminoácidos con carga negativa que ocupan esta área en la molécula de tripsina facilitan la unión de cadenas
laterales de aminoácidos con carga positiva (arginina, lisina) en vez de los hidrofóbicos.
Clasiñcaaón y nomenclatura de ias enzimas
De lo estudiado hasta el momento se deduce que hay 2 propiedades fundamentales de las enzimas y todas ellas derivan de las características del centro activo: gran
eficiencia catalítica y elevada especificidad; esta última en sus 2 aspectos es la que
sirvede fundamento a la clasificación y nomenclatura de las enzimas.
Se toma como fundamento la especificidad de acción, con lo cual se establecen 6
grupos principales, teniendo en cuenta la reacción global que ellas catalizan; estos
gmpos o clases principales se dividen en subclases y subsubclases,según otras características del tipo de reacción como son los grupos involncrados, los cofactores neccsarios, etcétera.
Los grupos principales y su definición son:
1. Oxidorreductasas. Son aquellas enzimas que catalizan las reacciones de oxidorreducción, o sea, la transferencia de electrones o sus equivalentes entre un donante y
un aceptor.
2. Transferaias. Catalizan la transferencia de un grnpo químico entre un donante y un
aceptor; se excluyen aquéllas que transfieren electrones o sus equivalentes, pues
pertenecen a la clase anterior, y aquéllas en que el aceptor del grupo es el agua, pues
pertenecen a la clase siguiente.
3. Hidrolasas. Catalizan la ruptura de enlaces químicos con la participación de las
moléculas del agua.
4. Liasas. Catalizan reacciones en las cuales se produce la adición o sustracción de
grupos químicos a dobles enlaces.
5. Isnmerasas. Catalizan la interconversión de 2 isómeros.
6. Ligasas. Catalizan la unión covalente de 2 sustratos mediante la energía de hidrólisis
de nucleósidos trifosfatados, generalmente el ATP.
Nomenclatura
Existen 2 tipos de nomenclatura: la sistemática y la recomendada. La sistemática
utiliza los grnpos principales, describe la reacción y sólo se utiliza en revistas y textos
científicos donde se requiere de un elevado grado de precisión; para su uso existe un
código de 4 números donde el primero representa la clase, el segundo la subclase, el
tercero lasubsubclase y el cuarto el número deordendela enzima, que apareceen una
relación publicada por la Comisión de Enzinias (EC) de la Unión Internacional de
*ioquúnica y Biología Molecular, donde los autores deben consultar cada vez que
vana emplearla.
recomendada viene a ser una forma abreviada de la sistemática, su uso es
rom,j,,sobre todo en textospara estudiantes; en ambos casos se tiene en cuenta tanto
laepeeificidad de acción como la de sustrato y el nombre de la enzima termina en el
&joasa; ejemplo, para la reacción:
--
LACTATO
+
-
NAD*
PIRUVATO
+
NADH + H
EL uso de la nomenclatura sistemática nos llevaría al nombre siguiente
lactato:NAD-oxidorreductasa,o sea, que prácticamente describe la reacción.
Lanomenclatura recomendada tiene en cuenta la especificidad de sustrato, en este
para el lactato, y la especificidadde acción, se trata de una deshidrogenación, por
tantoel nombrede la enzima sería lactato deshidrogenasa. Para poder utilizar la nomenclatura recomendada, que se utiliza en este libro, es necesario conocer algunos
subgmpos de enzimas como:
1. Enirelas oxidorreductasas.
- Deshidrogenasas. Sustraen átomos de hidrógeno (casi siempre 2) de los sustratos
y los transfieren a una molécula aceptora que no es el oxígeno.
+ FAD
yH.
+H-C 11
COOH
COOH
COOH
I
1
HO-C-H
l
+ NAD
H-C-H
l
C=O
l
+ NADH+H
CH
I
COOH
-
+ FADH
C-H
~OOH
COOH
En el primer caso se trata de la succínico deshidrogenasa, en el segundo de la
málico deshidrogenasa.
Oxidasas. Oxidan los sustratos mediante el oxígeno como aeeptor de electrones.
COOH
COOH
H,+N-C-H
I
R
Arninoácidu
+ H'O
e
l
C=O
+ NH,
e?
FA D
1
R
Cctoácido
H,O,
01
Esta reacción la cataliza la aminoácido oxidasa.
Airioníaco
- Hidrosilasas. Catalizan la introducción dc funciones hidrosilo en sus sustratos
utilizando oxígeno rnolecular corno donante.
m-(--
I
H
I
+ ATF
'
L
n r ' - !c - ~
1 1 - C 011
FI-C
OH
11~-C- O H
H - C
OH
H-('-
H-(
i)H
l
l
OH
l
l
-
+ AnP
La priiiiera i.eacci611es c a h l i ~ a d apor la fructoquinaaa la srguii<lapor 1"
glicericoqninasa.
El resto de las traiisferasasreciben tioiiihresderivados del grupo que transfiereti
de
(transaniinasasde grupos arniiio. traiisiiietiiazasde iiietiim traiiscarlii~xila;i~
carhnxilns,ctcétcra).
3. ~1grupo de las bidrolasas es el más simple para nombrar, pues basta con hacer
te&nar el nombre del sustrato en el sufijoasa.
Esta enzima se denomina arginasa.
4. Las liasasson las más dificiles de nombrar,ejemplo las hidratasas, que adicionan
agua a los dobles enlaces.
COOH
I
H-C
COOH
I
HO-C-H
II
+ H20
C-H
I
l
A
7H-C-H
I
COOH
COOH
Furnánco
L- málica
Esta enzima se nombra fumanco hidratasa o simplemente fumarasa, aunque este
Último nombre no es correcto. Cuando actúan en reacciones biosintéticas reciben
el nombre de sintetasas.
HI
COOH
CH3-C,
e0
SCoA
Acetil-COA
+
I
y2
COOH
Oxalacético
Se nombra como citricosintetasa.
,
H,O HSCoA
U
H -C-CWH
I
HO-C-COOH
1
H-C-COOH
1
H
Cítrico
5 . Las isomerasas reciben diferentes nombres según los tipos de isómcros quc intcr.
\,ieiieii en la rrucciúii. Cumo regla se reserva el nombre de isornerasas para I;~\
<tii~iiii;~r
que interronvirrteii i~i,nirri,sde F1inri611.
La enzima cs la fosfohexosa isomerasa.
Las que intcrconsicrtcn isómcros dc posición sc dcsignan miltasas.
I n cstc caso sc llama fosfoglncomutasa.
[,as que interconvierteii epimeros se d c n o ~ ~ i i ~epiiiicrasus.
ian
HO-CHI
HO-CH,
En este caso sera la galactosafosfato epimerasa.
6. A las ligasas se les conoce rii general coiiio sintetasas y para nombrarlas generalmcntc sc utiliza el nombre del producto en vcz dcl sustrato, la acctil-COAsintctasa
cataliza la reacción siguiente:
CH,-T
#o
'OH
Acido acéticc
+ HS-CoA
+
Cociiriiiia A
ATP
+ CH,-C,
/,O
SCoA
AcetilbCaA
+
A M P + P-P
+ HO
Hace unos años la Comisión de Enziinas recomendb utilizar el término ligasas
pero como ata recomendación aún
Pestasenzimas y el de sintetasaspara las liwa~,
nosebageneralizado,en este texto se seguirá la denominación anterior.
Siempre se debe recordar que las enzimas son proteínas cuya funciún es la de
reacciones, por tanto, dehe existir una correspondenciaentre el nombre de la
e&a y la reacción que ellas catalhan, pues conociendo la reaccibn se puede deducir
el nombre,y a partir del nomhre puede inferirse la reacciún.
No obstante, existen algunas enzimas que recibieron nombres triviales por sus
descubridores y que la prictica ha consagrado como el caso de la pepsina, tripsina,
quimohipsina,etcétera.
Resumen
Las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos son catalizadas por
pmt&as espeeífieas denominadas enzimas, éstas se caracterizan por presentar un
elevado poder cataiítico y una gran especiñcidad.
Aun criando cada enzima tiene su forma particular de actuar, en todas ellas se
p d e distingair un mecanismo general de acción en 2 etapas: la primera es la
& 6 n de la enzima con el sustrato y la segunda la transformación de éste. Este
M
onipone la existencia de un complejo enzima-sustrato cuya formación
ha sido comprobada por numerosos medios.
En todas las enzimas exkkn 2 sitios importantes que son el de reconocimiento
y el cataiítico, que juntos constituyen el centro acíivo de la enzima. La estructura
del centro acüvo está determinada por el eje wvalente de la cadena polipeptídica
que le da la forma, los grupos de ambientaaón, los grupos de unión y los grupos
cataütiam En launión enzima-sustratointervienen diferentestipos de interaeclones
wmolas hidmf6bicas, saünas, puentes de hidrógeno y hienas de Van der Waals; el
ambiente apolar del centm acíivo facilita el establecimiento de estas interacciones.
Las características estructurales y funcionales del centm activo son las que
conüem la especificidad y eficiencia cataütica a las e w h a s . La espeeiñadad de
Sostratoeoasisteen la propiedad que tienen las enzimas de actuar sobre un número
muy redncido de susúntas, generalmente uno, en tanto la especiñcidad de acción
determina que la enzima cataliza sólo una de las posibles transformaciones del
wstrato.
Moehos agentes físicosy químicas pueden alterar la estructura del centro acíiVO Y con ello el fuoeionamiento de la enzima, los agentes desnahvalizantes de
Pmteinas, las elevadas temperaturas, los cambios de pH y sustancias químicas
son algunos de estos agentes.
La unión enzima-sustrato puede pmduche por 2 mecanismos fundamentales
de m e r d o con el tipo de enzima, bien por el tipo Uave-cerradura o por Guste
hduddo.
La Mpsina y la quimotripsina son enzimas cuyos mecanismos de acción ilustran de manera adeeuada el funcionamientode las enzimas.
La espeeiñcidad de las enzimas sirve de base a su dasiñcaci6n y nomendatuA partir de la especificidad de acción se disünguen 6 grupos de enzimas:
~xidorreduetasas,transferasas, bidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. La nomendabuahduye tanto la espeeiñcidad de sustrato como la de acción. ~xisfene m í m s
que tienen nombres triviales como la pepsina, tripsina, etcétera que aunque no
*basados
en estos criterios se uoluao de manera cotidiana
Ejercicios
1. ¿Qué función desempeña en la formación del centro activo el plegamiento de la
cadena polipeptídica que da lugar a la formación de la estructura terciaria de la
proteína enzimática?
2. ¿Qué importancia tiene el hecho de que en el centro activo exista un ambiente
apolar?
3. ¿Pudiera inactivarse una enzima modificando grupos del centro activo que no
intervienen de forma directa en la catálisis?
4. ¿Por qué para la catálisis enzimática es necesario la formación del complejo enzima-sustrato? Discuta al menos 2 posibilidades.
5. ¿Por qué podemos afirmar que las enzimas funcionan de acuerdo con el principio
de la máxima eficiencia?
6. ¿Qué ventaja representa que el complejo ES se forme por un mecanismo de adaptación inducida y no por el mecanismo de llave y cerradura?
7. En el centro activo de una enzima existen 3 aminoácidos claves queson aspártico,
histidina y glutámico. ;Pudiera esto explicar por qué esta enzima es tan sensiblea
los cambios de pH?
8. Clasifiquey nombre las enzimas que catalizan las reacciones siguientes:
a) GlucosaóP + H_O
b) Alanina
Etilamina
c) Etanol + A
e) Ácido málico
Glucosa
+
+ Fosfato
CO,,
Acetaldehido + AH?.
+B
---f
f) Glutámico + ARNt + ATP
Ácido oxalacético
+
BH,
GlutamilARNt + AMP + PP.
La función fundamental de las enzimas es aumentar la velocidad de las reacciones
quimicasque ocurren en los seres vivos. El comportamiento de esa velocidad y su
moduicación debido a la presencia de diferentes agentes físicos o químicos constituye el objeto de estudio de la cinética enzimática.
Lacaracterística más sobresaliente de estas reacciones es la participación de las
enzimas,lo cual significa que su velocidad está influida no sólo por la concentración
desustrato y producto, sino además y principalmente por la presencia de una molécula
proteíniea que no será alterada por la reacción en que participa.
En la medida que la reacción progresa la concentración del sustrato va disminuyendo y la del producto aumenta, pero la concentración total de la enzima permanece
invariable.
El objetivo final de la cinética enzimática es aprovechar los estudios de velocidad
paraesclarecer los diferentes mecanismos por los cuales las enzimas realizan su función y correlacionar éstos con la estructura tridimensional de la proteina enzimática.
En este capítulo se hará un estudio de las características principales de la velocidaddelas reacciones en que intervienenlas enzimas, así como de los diferentes factoWque pueden modificarla.
Condiciones para los estudios cinéticos
Para el estudio de la velocidad de las reacciones catalizadas por una enzima y la
interpretación adecuada de sus resultados se requieren algunas condiciones.
Teniendo en cuenta que son varios los factores que pueden modificar la velocidad
de la reacción sólo puede estudiarse un factor a la vez, con cuidado de que todos los
demás permanezcan constantes; sin embargo no pueden mantenerse contantes, la
Concentración del sustrato ni la del producto, pues su variación es el índice que asegun q u e l a reacción está ocurriendo; parasalvar esa dificultad se introdujo el concepto
de velocidad inicial (va) que es la velocidad de la reacción cuando aún no se ha
Wnsumido el 10 % del sustrato inicial. Esto obliga a realizar primero algunos ensayos
en diferentes tiempos de incnbación, de forma tal que pueda Q a r r el intervalo necesario Para estar seguro de que en el estudio se miden velocidades iniciales.
Además, la medida de la velocidad inicial evita que las determinaciones estén
intluidas por otros factores como:
1. Si la reacción es reversible, la velocidad de la reacción inversa aumentará el1 la
misma medida que la concentración del producto y descenderá la velocidad de
transformación del sustrato.
2. Si uose proporciona sustrato en exceso su concentración descenderá con el tienipo,
lo que provocaría una disminución progresiva de la velocidad.
3. El producto de la reacción puede inhihir la actividad de la enzima.
La velocidad de una reacción catalizada por una enzima, puede medirse por 2
tipos de procedimientos, utilizando una técnica discontinua (de muestreo) en la que se
toman muestras de la mezcla de reacción en diferentes tiempos, se detiene la reacción
y se analiza el contenido de sustrato o producto en las muestras. Tainhiéii puede
aplicarse una técnica de observación continua en la que se hace uso de una propiedad
física distintivadel sustrato o prodncto u otro participante de la reaccioii quese puede
medir cuantitativamente sin interferir el desarrollo de la reacción, corno puede ser el
cambio que se produceen el espectro deabsorción debido ala formación del producto.
Este tipode procedimiento es elmás aconsejable, pero no siempre es factible.
La velocidad inicial dehe medirse por la variación de la concentración del producto por unidad de tiempo, siempre que ello sea posible, pero en ocasiones no se
dispone de los procedimientos necesariamente exactos y se hace midiendo la variación de la concentración del sustrato.
En la práctica los estudios cinéticos se realizan de la forma siguiente: en primer
lugar se procedea determinar el tiempo deincnbación como ya fue explicado, después
se prepara un conjunto de tubos de ensayo dondese encuentran todos los conipoiientes de la mezcla de reacción (buffer,sustrato, activadores, etcétera) menos la enzima;
esta mezcla se coloca en baño de temperatura regulable, fijando ésta en un valor
determinado, donde también se incuba por unos minutos la solución que contiene la
enzima. Por último, se añade a cada tubo la solución de enzima; auxiliados de un
cronómetro se mide el tiempo de reacción a partir del momento en que se añadió la
enzima, al transcurrir el tiempo indicadose procedea detener la reacción para añadir
algún agente desnaturalizante de proteínas, uno de los más empleados es el ácido
tricloroacético (TCA), se procede entonces a determinar la concentración del producto
(o del sustrato), se calcula la diferencia con la concentración inicial (que en el caso del
producto es cero) y este resultado se divide entre el tiempo de incubación, con lo cual
se obtiene el valor de la velocidad; después se construye una gráfica cartesiana donde
se representa la velocidad inicial en el eje de las ordenadas y el factor que se ha variado
en el eje de las abscisas, la curva que se obtiene es la variación de la velocidad en
función de la variación del factor estudiado.
Los factores que pueden modificar la velocidad de la reacción son la concentración de la enzima, del sustrato, de los cofactores y de iones H+ (expresadas conio
unidades de pH), asícomo la temperatura, la presencia de inhibidores y activadores. Se
estudiará a continuación cada uno de ellos.
Efeeto de la concentración de enzima
Fig. 16.1. Efecto de la concentración d e
enzima. La recta que se obtiene
indica una relación de pruporiionalidod directa entre la velocidad
de la reacri6ii y la concentración
de la enrima, lo cual es el fundamento d e toda la ein6tiia
mriniitira.
Si se procede de la forma indicada pero haciendo que cada uno de los tubos de
ensayo contenga una concentración diferente (creciente) de enzima, al procesar los
datos obtendremos una gráfica (Fig.16.1).
La obtención de una línea recta que pasa por el origen de las coordenadas indica
que existe una relación de proporcionalidad directa entre la velocidad de la reacción S
laconcentración de la enzima, que puede expresarse por la ecuación
lo quesignüica que la reacción es de primer orden con respecto a la concentración de
e&a; esta relación constituye el fundamento de toda la cinética enzimática.
~~t~resultado era de esperar, si la concentración de sustrato está en exceso, a
quese aumentala concentración de la enzimase incrementa la formación del
mmplejoES y una vez formado éste se producirá la transformación del sustrato.
La actividad~atalíticade las enzimas se expresa en unidades de enzima, g ésta es
*&ente
igual ala cantidad de enzima que catalizala transformación de 1micmmol
desustrato por minuto, bajo condiciones específicas. Cuando no se posee la enzima
sino una preparación impura, puede medirse en unidades por mL o su actividad
P"B7
epeeíf~caen la preparación como unidades por mg de proteína total.
La relación de proporcionalidad directa entre la velocidad y la concentración de
enzimapermite la determinación de la concentración de alguna de ellas en los líquidos
otejidos corporales. Basado en este principio se determinan en el laboratorio clínico
lasconcentraciones séricas de transaminasas, quinasas, peptidasas, etcétera.
Efecto de la concentración de sustrato
Enestecaso laúnica diferencia entre los tubos de ensayo radica en que el sustrato
estáen cada uno de ellos en concentración diferente (Fig.16.2).
La primera explicación convincente para este comportamiento fue expriesta por
LeonorMchaellis y Maud Menten en 1913, que según ellos la reacción se produce en
Zetapas: la unión de la enzima (E) con el sustrato (S) para formar un complejo enzima-sustrato (ES)de manera rápida, y la transformación del sustrato en producto (P)con
laliberación de la eniima, que resulta la etapamás lenta
E
+
k,
S +
k,,,
ES & P + E
k2
donde k,, k, y k c ,son las constantes de velocidad específica para cada etapa de la
reacción. k_,se conoce también como número de recambio de la enzima.
Comola segunda etapa es el paso limitante, la velocidad dela reacción depende
dela descomposición del complejo ES según la ecuación:
sise puedemedir [ES] en diferentes momentos es factible calcular la velocidad, pero
esto no siempre es posible, lo cual obliga a deducir una ecuación que permita calcular
la velocidad en función de variables que se puedan medir.
Comola formación de ES es reversible y se descompone lentamente en producto,
se establecerá un equilibrio entre E, S y ES cuando su velocidad de formación (vJ sea
igual a su velocidad de descomposición (v,) y éstas vienen dadas por las conocidas
~uacionesde velocidad:
cuando vr=vdtendremos que:
Fig. 16.2. Efecto dc la conceiitració~ide
sustrato. En In mctliila que la concentración dc sustrato es mayor, la
velocidad d e la reacción cs niayor, sin embargo, los incrementos
en la velocidad no son uniformes,
sino cada vez menores; cuando se
alcanza un deterniinado valor de
la coneentraciún de sustrato, la velocidad se Iiaee prácticarnentc constante, en ese momento la reacción
Iia alcanzado la Vni. La coneentraelón de sustrato para la cual la
velocidad de la reacción cs igual a
VmIZ es la constante dc Michaellis
(Km), qiie es un índice de In nfinidad de la enzima por el sustrato.
el cociente de las 2 constantes, que es la constante de disociacion del complejo ES
recibe el nombre de constante de Michaellis (Km).
La enzima libre (E) será igual a la enzima total (EL) menos la quese encuentra en
forma de ES. Si se introducen estas consideracionesen la ecuacion (S),se tiene que:
si se despeja [ES]
[ES] = [Et][S]/(Km +[S]),
(6)
sustituyendo [ES] por su equivalente en (1)se obtiene:
v, =
-
k,,, [E,] [SI
Km + [S]
En esta ecuacion cabe considerar 3 casos:
1. Cuando [S] >>> Km: en este caso el denominador Km + [SI es casi igual a [S] y
simplificandoobtenemos:
Las concentraciones muy elevadas de sustrato producen un efecto de saturación,o
sea, todos los centros activos de las enzimas han sido ocupados por el sustrato y
casi toda la enzima se encuentra en forma de ES. Teniendo presente la ecuación (1)
es posible inferir que en ese momento se habrá alcanzado la mayor velocidad
posible para la reacción que se denomina velocidad máxima (Vm). En estos momentos la velocidad se hace independiente de la [S],o sea, es de orden cero. Así se
obtiene la forma habitual de la ecuación de Michaellis:
v, = Km
v m [SI
+ [S]
2. Cuando [SI <<Km: en este caso el valor del denominador será prácticamenteigual
a Km y la ecuación se transforma en
v,= Vm
-.
Km
[SI
el cociente de las 2 constantes VmIKm es una constante y por lo tanto, la velocidad
de la reacción es directamente proporcional a la concentración de sustrato o, dicho
de otra forma, es de primer orden con respecto a la concentración de sustrato.
3. Cuando [S]=Km: en este caso el denominador pasa aser 2 [S] que al simplüicar nos
queda:
esto significa que el valor de Km es igual a la concentración de sustrato,
la velocidad inicial es igual a la mitad de la velocidad máxima; en
momento la mitad de las moléculas de la enzima está en estado libre y
la otra en forma de ES.
silacurva tienesiempre la misma forma la diferencia entre ellas estarádada por
losvalores de Vm y Km, de ahí que éstos se conozcan como los parámetros cinéticos de
heeuaeión de Mihaellis. Analicemos brevemente el significado de rada uno de ellos.
Vm se alcanza cuando las moléculas de sustrato han ocupado todos los sitios
B,.&vos de todas las moléculas de la enzima, por lo que la velocidad de reacción en ese
momentosólodependede la capacidad que tenga la enzima para transfomar el sustrato.
A parür del valor de Vm se puede calcular el número de recanibio de la enzima; si una
solución 10dM de anhidrasa carbónica que cataliza la formación de 0,6 M de H.CO,
por segundo cuando eskí completamente saturada de sustrato según la ecuación
podemos calcular ke,,pues
Vm = kcal [Et]
esto significa que la enzima produce600 0OOinoléculas de H,CO, por seguiido y éste
es precisamente el significado del número de recambio.
La Km, como la hemos definido (otras definiciones pueden originar otros significados),esigual a laconstante de disociación del complejo ES y por ello representa una
medida de la afinidad de la enzima por el sustrato, de forma que mientras mayor sea la
afuiidad menor seráel valor de la Km. En la tabla 16.1 se relacionan los valores de Km
y de k_, de algunas enzimas.
Tabla 16.1. Valores de la Km y la kcz,,de algunas enzimas
Enzima
Anhidrasa carbónica
cu?,
1.2 x 10-z
1.0 x 10h
Acealcoiima estearasa
Acetilcolina
9,s x 10.'
1.4 x 10'
Catalasa
%O2
2,s x 10.'
1 , x~10'
lhalas
Fumarato
5,0 x 10~"
8,O x 10'
hmma
Malato
2,s x 10'
9.0 x 10'
Ureara
Um
2,s x 10.'
1,0 x 10'
Para determinar de manera experiniental los valores de Vm y Km resulta niuy
engorroso el empleo de la curva hiperbólica, pues sería muy difícil dibujarla ajustada
si los puntos experimentales están muy dispersos, además resulta difícil coiisegi~i~
concentracionessuficieiitementeelevadas de sustrato para alcanzar Vm, o casi iiiiprac.
ticahle medir las bajas velocidades iniciales con pequeñas concentraciones de sustrato,
Todas esta5dificultades se evitan con el método de deterniinación de Lineweaver y Burk,
este procedimientoresulta de una tramfomación de la ecuación de Micliaellis y consiste
en tomar los inversos de ésta, representar el inverso de la velocidad inicial Wv,,)en el rje
de las ordenadas y el inverso de la concentración de sustrato (l/[S1) en el eje de las
ahscisas; la transformación de una ecnación a la otra es muy sencilla.
Al tomar los inversos en la ecuación de Michaellis se obtiene
descoinponiendo el sumando y simplificando se obtiene
Ol~sérvesela Iio~nologíaconla ecuación general de niialinea recta del tipo y=ai+b.
cuya pendientees KmNni y con el intercepto igual a 1Nin para las ordenadas y -l/Kin
para las ahscisas (Fig. 16.3).
Esta línea recta, la gráfica doblemente recíproca, se debe preferir a la gr6fica
hiperbólica comométodode detcriiiinacióii de Vm y Km,ya que una línea recta piiedc
dibujarse y extrapolarse de forma más rigurosa que cualquier curva. Este conociniiento
es niny importante a la hora de analizar los inliibidores enzimáticos.
Reacciones con 2 sustratos
Fig. 16.3. Ke1irescnlaciÚii de I.iriewca\er
Uiirk. lin la ~ r á f i c a ,dohleniriite
rrcíprora al ploteai. llr,, centra 11
[S], se ubticiie uria iinca verla cnn
i~itcrreptosdc IWni vara las ordcn u d a y - l l K r n pai-n la al~cisas,)
periiiite la detcrrninaiióii de IUS
parámcti-os riiiéfiros de blichaillis
ron nijs ~ r a c t i l a dque la gráfica
IiiperI>Úlira.
En mucha7 reacciones enziniáticas de iniportancia biológica se utilizan 2 sustiñtoS
sustrato y una coenzima)para forniar 2 productos, por lociral la ecuacibn general
( 0un
sena
A+R
-
P+Q
El mecanismo de estas reacciones es más comple,jo que aquéllas en que iiiter\iene
un solo sustrato y sus eiuaciones cinéticas más difíciles de deteniiinar.
El Iieclio más sobresaliente es el orden en que los sustratos se coinhinaii con la
eiiziina y el orden en que se liberan los productos. Atendiendo a este aspecto se Iiali
distinguido 3 inecanisnios ixásicos de reaccioiies bisustrato.
Mecanismoordenado. Los sustratos se enlazan y los productos se lihcraii en ilil
orden obligado como se muestra a continuación:
donde EAB (coniple,jo enziina-siistratos) y EPQ (complejo enzima-prodiictos) se
intercoiivierten rápidamente (Fig. 16.4).
El ejemplo más abundante son las desliidrogenasas que funcionan con NAW
como coenziiiia aceptora de Iiidrúgenos, en las cuales la enzima se une primero a la
E
EA
EAR
EPQ
P
w.16.4. Mecanismo ordcnado con 3 sustratos. La eiilinin (El debe iinirsc primer<,cun rl sustrato \
y formar el compleio EA, pies el sitio de iiiii<inde B ne es acccsihle a sic sirstrata. La iiriiún
de B da lugar a la formación del cotiipleji, Irriiario B\ll que se transforma lentanienle en cl
complejo enzima-productos (EPV). qur deqiiifr lihmi tambifn suc pridurtos dc fornia
ordenada.
coenzima y con posterioridad a1 sustrato, liberan primero el producto oxidado y despnésla coenzima reducida.
E + N A D ' d E:NAD'
+ LACA
E:NADH:PIR d P I R + E N A D H +E
E:NADA:LAC
+ NADH
Esta reacción está catalizada por la enzima lactato-deshidrogenasa que oxida el
lactato (LAC) en piruvato (PIK) con la reducciónsimultánea del NAD'a NADH.
Este mecanismo desde el punto de vista estmctural se fundamenta en que el centro
activo noestá totalmente forniado en ausencia de los sustratos y la unión del prinicro de
40s produce un canibio conforniacional en la enzima que casi crea el sitio de reconocimiento para el segundo, de esta manera el orden de unión de los sustratos es obligado.
Mefanismode orden azaroso. Los sustratos pueden unirse a la enzima en cnalqGe~orden,loque hace suponer que existe un sitio de unión diferente para cada uno
de ellos (Fig. 16.5).
Un ejemplo típico de estas enzinias son las quinasas, que en el caso de la
hexoquinasa sería:
En esta reacción la enzima transfiere un grupo fosfato del ATPa la glucosa (GLC)
Paraformarglucosa-6-fosfato(GLP)y ADP. Como se muestra, la enzima puede unir
Primero a la glucosa o al A'I'Py liberar la glucosa-6-fosfatoantes o después que el ADP.
EQ
0
E
Fig. 16.5. Meeanisnio de orden aleatorio ron 2 surtratos. La enzima (E) presenta sus 2 centros ;rtivor
xcesibles s sus respectivos sustratos A y B , por eso cualquiera de ellos puede unirse ~irirnero
para formar los compkjos EA ó EB: a estos complejos se une el otro sustrato ) se forma rl
iomplc,jo tcrniirio EAB, que se transforma en el complejo enzima-productos EPQ que
puede liberar sus productos cn cualquier ordcn.
Mefanismopingpong. Se caracteriza porque un producto se forma y libera antes
de la incorporación del segundo sustrato; esto puede explicarse por la existencia de
una enzima en 2 formas (E y E*), una capaz de unir al primer sustrato y la otra al
segundo. El paso de la ennma de una forma a otra de manera constante fue lo que quiso
denotar Cleland cuando denominó pingponga este mecanismo.
Este mecanismo se ilustra en la figura 16.6.
E
EA
E
E'B
E
Fig. 1 6 6 . Mecanismo ping pong. La enzima ( l i ) s6lo piwdc iinirse al sustrato A foriiiaiirl~~
e'
complejo EA que lihera el producto P y dqja niodifieada la enzima (E*), s61a etitiillccs
puede unirse al sc~iindosustrato B y formar el cenipleja E*U que libera el producto Q
quedando la enzima en su forma inicial para comenzar un nuevo cielo iatalítico.
290
ihqufmica Uedjca
~1
gniPOS -o),
más característico es el de las transaminasas (enzimas que transfieren
en el caso de la transaminasa glutámico-pirkico tendremos
E: ALA,
E*: PIR
p + K G A * E : K G -E*:GLU-E+GLU
E + ALA
--.
E* + PIR
Enesta reacción la enzima se une primero a la alanina (ALA) formando el complejo-aminasa-alanina
(E:ALA), que al convertir la alanina en pirúvico (PIR) deja
modificada también a la enzima (E*), esta forma E* puede unirse al ácido
a&gluíárico
(KG) que al hmsformarse en glutámico (GLU) regenera la forma oride la hansaminasa. La deducción de las ecnaciones de velocidad para cada uno
de estos tipos de reacciones va más allá del alcance de este texto.
Laconcentración de cofactores suele tener un efecto similar a la concentración de
svstrato.
Lacoincidencia de las 2 gráficas es un hecho experimental importante para afirmarque los cofactores se unen a la enzima por un sitio específico y en una relación
estequiométricaque explica el fenómeno de saturación observado; este sitio pudiera
ser el eentro activo.
Efeeto del pH
Si realizamos una experiencia como la descrita pero haciendo que la mezcla de
incubación contenga soluciones hufferde diferentes valores de pH, se obtendrá una
g~%cacomola quese muestra en la figura 16.7.
Como se observa, la curva tiene una forma acampanada con una zona central
estrecha que se corresponde con los mayores valores de la velocidad; al valor de pH
dondese obtiene la mayor velocidad se le denomina pH óptimo. Esta gráfica se explica
teniendo en cuenta que el pH modifica el estado de disociación de los grupos químicos
presentes en la enzima o en el complejo enzima-sustrato, con lo que puede modificarse
unasvecesla unión y otras la transformación.En valores extremos de pH (cerca de 0 ó 14)
puede producirse desnaturalización de la proteína enziniática, lo que contribuye a la
Pocaactividad observada en esta zona.
El pH óptimo es un valor caracteristico para cada enzima y expresa que en ese
valor la enzima se encuentra en su conformación más activa. Supongamos que los
D'Upos que forman el centro activo puedan existir en 3 estados de disociación dependientes del pH,
siel estado más activo es EH-ohtendremosla curva descrita que es la dela mayoría de
las enzimas; si fiiera EH, la curva carecería de la rama ascendente, como siicede con la
Pepsina; si fuera E=carecería de la descendente, como sucede con la tripsina; estas 3
sihiacionesse representan en la figura 16.8.
Fig.
16.7. Efecto
del pH. Se obtiene una
figura en forma arnnipaniida B m de se puede determinar la zona dc
pH iiptinio. Obsérwse que In dianiiniiriím o aumento del pll en
relaeiiin con el pH 6ptimo provoca iiiia disiiiinuci6n de la vcloiidad de la rencri6n.
Efecto de la temperatura
I'igiirn 16.8. Difereiirias en el pH ólitiniu.
I>cpciidi~ii<lo
d e lii forma iónica
donde la enzima tiene su mayor
actividad sc pueden ohtenrr curvas diferentes que reflejan qinr
rada enriim tiene u n pH 6ptinio
rili.actcristire,eitiisedebea la preseniiia en rl centro activo de la enrima de Crupas químicos que ticneii dil'ci-cnir reacción ante los
ranibios de pII.
Un experimento semejante a los descritos, pero esta vezcon los tubos de ensayo
bajo temperaturas diferentes, muestra sus resultados en la f i p r a 16.9.
La influencia de la temperatura sobre la velocidad dela reacción es un problema
complejo en el cual intervienen variosfactores,entre ellosel aumento de la energía del
sistema alaumentar la teiiiperatiira,locual hace que los reactantes posean una [email protected]
cinética mayor y por tanto estén más próximos al estado activado,además, los efectos
desestabilizantes de la temperatura sobre la estructura tridimensional de la proteína
enzimática son imprescindibles para su acción.
Teniendo en cuenta al menos estos 2 factores puede resuniirse el comportainiento
de la velocidad en función dela temperatura comosigue.
El aumento de la temperatura refleja un aumento de la energía cinética de las
moléculas,lo cual favorece la colisión entre las moléculas de enzima y sustrato, rnieii.
tras mayor sea la temperatura mayor es el número de choques y mayor la velocidad de
la reacción; pero a partir de un valor de temperaturacomienza la desnaturalizaciónde
la proteína enzimática y con ello la pérdida de la actividad que se observa en los
valores elevados de temperatura.
Efecto de los activadores
Kg. 16.9. Efecto dc la teniperatura. La velocidad de la rcncrión auineiiia ron
la temperatura, pues ésta es im rcfleje del sun>ento rlc la energía
cinetira rlc los componentes de la
reaeri6n. lo cual favorece los chuques lnternioleeulares: después dc
cse incremento de velocidad al aumcnwr la teniprriitura, se producen alteraciones cn la estructura
tridimensional d e la proteína
cnrimática que detfrminan una
disminución cn la velocidad d e
reacción.
Como activadores enziináticos se definen a las pequeñas moléculas, generalmente iones inorgánicos, que son requeridos, o al nienos estimulan, la actividad catalitica
de una enzima, y al contrario de los cofactores, no son participantes explícitos de la
reacción. Aun cuando pueden plantearse diferentes formas de actuar, nos limitai-ernos
a los 2 casos mejor conocidos: la interacción obligatoria con la enzinia libre y la
interacción obligatoria con el sustrato libre. En el primer caso se encuentran muclias
enzimas que poseen iones metálicosen su centroactivo como la carboxipeptidasa que
contiene Zn"; otras enzimas parecen requerir la presencia de un ion para estabilizar su
conformación de máxima actividad catalitica.
La reacción general puede ser descrita de la forma siguiente:
E
EA
+
+
S
A
-+ EAS
-
EA
EA
+P
En el segundo caso se encuentran enzimas que catalizan reacciones en las cuales
intervienen nucleósidos di y trifosíatados, que requieren de la participación siniultánea de un catión divalente (especialmente Mgz+)en cantidades estequiométricds. Las
investigaciones sobre estas reacciones han mostrado que un mecanismo probable para
esta activación es la combinación del ion con el sustrato previo a sninteracción conla
enzima. El verdadero sustrato de la reaccion sería el complejo sustrato-catión, el esquema de reacción sería:
SA
+
E -+ ESA
-+E +
PA
La deducción de las ecuaciones cinéticas para estos casos rebasa los marcos de
este texto.
a&
de los inhibidores
inhibidores enzimáticos son sustancias que tienen en común la propiedad de
disminuir la velocidad de las reacciones catalizadas por las enzimas. Casi siempre se
distinguen 2 tipos generales de inhihiciúo, la reversible y la irreversible, en el primer
easoel inhibidor forma con la enzima un complejo enzima-inliihidor (El) unido por
fuenm no covalentes y que por tanto puede disociarse; en el segundo, se producen
modificaciones covalentes de la enzima que no pueden eliminarse fácilmcnte. En este
c a p f ~sólo
o se tratará de los primeros.
para estudiar el efecto y tipo de los inhibidores se realira una experiencia igual a
ladeterminación del efecto de la concentración de sustrato sohre la velocidad, pero
&oraencadaunode los tnbos de ensayo se ha añadido un inhibidor en unaconcentrafija. Como en los casos anteriores los resultados se llevan a una gráfica y de
amedocon ésta se clasifican los inliihidores; sólo se estudiarán los casos más típicos.
En la figura 16.1Use presenta una gráfica en la que aparecen también los resultadosobtenidos sin el inhibidor.
La gráfica nos indica que para casi todas lai concentraciones de sustrato utilizada?
lavelocidad de la reacción siempre es menor en presencia del inhihidor, sólo en concentraciones muy elevadas del sustratose logra superar la inhibiciún y eso hace que la
Vmseaigual en ambos casos; esto implica que se niodifique el intercepto del eje de las
abscisasquecomo sabemos es una hiiciúii de la Km.
Si laKm está aumentada y la Vni está sin niodificaciún,sc dice que el inhibidor es
de tipo competitivo. El hecho de que la Vm no se altere significa que la capacidad
catalíticade laennma es la misma con inhibidor osin él. El aumento de Km indica que
existeuna disminuciún de la afinidad de la enzima por el sustrato; estos hechos son
compatibles si suponemos que el inhihidor es capaz de unirse al centro activo para
impedir la entrada del sustrato; si el sustrato no entra al centro activo no puede ser
transformado por la enzima y esto explica la disminucih de la velocidad, o sea, se
establece una competencia entre el sustrato y el inhibidor por ocupar el centro activo
de laenzima. Cuando las concentraciones de siistrato son elevadísimas la probabilidaddeuniónenzima-sustratoes muy alta y por ello se alcanza la velocidad ináximade
la reacción.
El esquema de la reacción en presencia de un inhibidor competitivo sería:
Y para ello se definen 2 constantes de disociación,la Km que ya conocemosy la Ki para
la disociación del comple,joE1 y resulta
el valor aparente de KmkLque se obtiene con el inliibidor,se relaciona con la Km sin el
inhibidor por la ecuación
Nótese que parte de la enzima se encuentra en forma de complejo E1 que no da
producto, pues no puede unir al sustrato, lo que significa que existe una disminución
del número de centros activosútilesy, por tanto, una menor velocidad de la reacción.
Una característica de los inhibidorescompetitivos es quesu estructura es semejante a la del sustrato. En la figura 16.11 se muestra cómo la succinato desbidrogenasa
puede ser inhihida de forma competitiva por el malonato, cuya estructura es muy
similar a ladel succinato, que es el sustrato naturaldela enzima.
Fig. 16.11. Mecanismo de la inhihiciún competitiva. La similihid estructuraldel
inhibidor con cl sustralo hace que
aquél pueda unirse al centra activo, pero sus diferencias le impiden la transformación. La enzima
auccinato-deshidrogenasa une al
ácido sucrinico y actúa sobre los
hidrógenos colocados eii carbonos
adyacentes. C u a n d o el ácida
malónieo, que tiene una estructura similar, se une al centro activo
de la enzima produce una inhibición, pues no puede ser transfarmado, quedando unida al centro
activo y, por tanto, impide la entrada y transformación del sustrato
verdadero.
Wbieióo no competitiva
I
Y"
,.
,/'
,/
I
7
VM
.,'
,
,
1
.-
~d
-':,
,/
"
,
'.
, !
En la figura 16.12 al igual que en el caso anterior semuestran además los resultados del experimento sin el inhibidor.
Los efectos de este inhibidor sobre los parámetros cinéticos son contrarios al
anterior, se observa una disminución de la Vm sin alteraciones de la Km; ni siquiera en
concentracioneselevadísimas de snstrato se logra eliminar la inhibición.
Si la Km no se ha modificado quiere decir que no existe impedimento para la
unión de la enzima con el sustrato.,oero la afectación de la Vm indica aue el inhibidor
disminuyede alguna forma la capacidad catalítica de la enzima. Se acepta que la unión
enzima-inbibidor se produce en un sitio diferente del centro activo y que esa unión
modifica las propiedades catalíticasde la enzima, posiblemente modificando la conformación del centro activo de forma que no impide la unión del sustrato pero dificulta grandementesu transformación.
El esquema de la reacción con la participación de un inhibidor no competitivo será
.
',
"M
1
1%
Fig. 16.12. Inhihidares no competitivas. El
inhibidor no competitivo no se aloja en el centro activo y no puede
impedir la entrada delsustrala,pera
de alguna forma dificulta su transformación; en supreaencialaseurvas que se obtienen difieren en el
valor de I N m , pero no alteran el
valor de -1lKm. Variaciones en la
concentración del inhibidor dan
origen a una familia de curvas que
se cortan en cl eje de las abeisas en
el punta -I/Km.
E + S +ES+
E + I d E I
ES + 1 +EIS
E1 + S +EIS
E
+
P
La enzima existe en un estado libre y en forma de varios complejos (EI, ES y EIS)
de los cuales sólo ES da productos. Si suponemos que la unión de S a la enzima no
i d u y e sobre la unión de 1y viceversa,entonces la constante de disociaciónde E1 será
igual a la de EIS y viene dada por cualquiera de las ecuaciones siguientes:
El valor aparente de Vm' que se obtiene en presencia del inhibidor se relaciona
con la Vm de la reacción sin el inhibidor por la ecuación
[Il
~ m ='Vm. (1+ -)
Ki
En este caso también la enzima existe en forma de varios complejos de los cuales
sólo ES puede dar productos, pero no existe ningún impedimento para la unión con el
sustrato; la existencia de esos complejos determina una disminución del número de
centros activos útiles en la preparación y, por tanto, una disminuciónde la velocidad
de reacción.
Los inhibidores no competitivos no son análogos estructurales del sustrato; el
iodoacetato es un potente inhibidor no competitivode las enzimas que poseen grupos
sulfibidrilos en, o cerca de, su centro activo.
Algunos medicamentos utilizados diariamente en la práctica médica son
inhibidoresennmáticos, como el caso de las sulfamidasque se emplea en el tratamiento de infeccionesbacterianas.
En general las armas químicassuelen ser también inhibidores enzimáticosque al
bloquear determinadas reacciones puedeu dañar un órgano o tejido específico. si la
enzima que resulta inhibida está presente sólo en él, o al organismo en su totalidad si
la enzima inbibida está muy distribuida en la economía.
La lucha contra la producción, almacenamientoy utilización de las armas químicas debe constituir una posición de principio de todo científico, pues es parte del
comportamiento ético impedir el uso de los avances de la ciencia en perjuicio de la
humanidad.
Resumen
La einética enzimstica es la parte de la enzimologh que se ocupa del estudio de
la velocidad de las reacciones enzimáüeas v de las factores aue la modiscan.
En los &dias einéüeos se deben obsekar algunas reglas que permitan hacer
una interpretación ademada de las resuliadas, wmo son medir siempre velddades ini&es y variar en cada experimento sólo uno de las factores que pueden
alterar la velocidad. Los principales factores que iníinyen sobre la velocidad de la
reaeO6n son las concentracionesde etuimas, mistraios y wfactores, la temperatura, el pH y la presencia de activadores o inhibidores.
La velocidad de las reacciones enzimátieas es diredamente proporcional a la
wnceniraci6n de enzima, lo cnal consütuye el fundamento de toda la cinética
enzimática.La wncentraci6n de sustrato M u y e sobre la velocidad de forma muy
característica.A medida que la wncentraci6n de mistrato aumenta se produce un
aumento de la velddad, pero en concentraciones muy elevadas de mistrato se
produce un estado de saturaci6n de la enzima que no permite mayores incrementas
de velocidad. Para explicar este comportamiento se emplea la teoría deMiehaellisMenten, según la cnal bastan 2 parámetms para explicarlo, uno, la Km define la
&dad
de la enzima por el sustratoy el otm, Vm es un indicador de la capacidad
cataüoca de la emima
Cuando en la reaceión intervienen 2 susiratos, uno de los mpeetosmás importantes que se debe determinares el orden en que seiigsnlm sustratosy seliberan los
productos. Atendiendo a este punto de vista se describen los mecanismos ordenados, los azarow y el ping pong.
La inilueneis de la mncentraeión de los whctores es similar a la del sustrato.
La velocidad varia con el pH y existe una wna de pH ópümo donde la velocidad es la mayor. Variaciones del pH en ambas lados de esta wna determinan una
disminución de la velocidad.
Al aumentar la temperaturala velocidad de reaeeión aumenta, pero pasado un
limite comienza a disminuir, pues se producen alteraciones de la estructura
tridimensonal de la emima.
Los activadoresproducen un aumento de la velddad de la reacción, se distinguen 2
principales, aquélios que se unen a la enzima libre y los que se unen al
nishsto. Por su parte los inhibidores disminuyen la velocidad de la reacción, bien
porque modiñean la Km, en cuyo caso son de tipo competitivo, o por alteraciones
de la Vm, que reciben el nombre de no competitivos.
Los eshidioseinéticm son importantespara el conocimiento del meraniSrno de
Muchos media d n de las enzimas, con el propósito de conocerlo y modiñ~~rlo.
eamenios y algunas armas químicas suelen ser bbibidores enzimáticosespeeífim.
..
Ejercicios
1.¿Cuáles son las razones por las que en los estudios cinéticos debe siempre medirse
velocidades iniciales?
2. En una experienciacinética se observa que al aumentarla concentración de enzima
no se produce el esperadoaumento proporcional de la velocidad. ¿A qué factores
pueden deberse estos resultados?
3. Si 2 enzimas actúan sobre el mismosustrato con Km de 4 x 10" v 7 x 10.",resnectivamente ¿Qué conclusiones pueden derivarse deestos valores?
4. Calcule el número de recambio de una enzima que al estar en una concentración de
10" M forma 3 x 10.' M del producto en un segundo.
5. Una enzima cataliza la reacción:
.
Alanina -----Etanolamina
,
+ Co,
en un experimento realizado a pH=8 y a 30 "C se obtienen los datos siguientes:
V"(pmol de CO, min-')
Calcule la Km para la reacción
6. En el estudio de la reacción:
L-aspártico
-,
L-ala + Co,
se encontró que el P-hidroxi-aspártico era un inhibidor de la enzima. Al tratar de
determinar qué tipo de inhibidor era se obtuvieron los datos siguientes:
[L-aspártico]
mmol 1.'
vo(mmol de CO, min-') (mg de proteína)-'
sin inhibidor
con inhibidor
Constmya una gráfica de l/vu vslI[S] y determine de qué tipo de inhibidor se trata.
En el capítulo anterior se estndiaron algunos de los factores que iniluyen sobre la
velocidad de las reacciones enzimáticas, lo cual permitió hacer un estudio detallado
de las características cinéticas de las enzimas. Muchos de estos factores son estudiados
in viho y contribuyende una manera importantea la profundizaciónde nuestro conocimiento sobre las enzimas; pero en condiciones normales en el organismo humano,
tanto en las células como en el espacio extracelular, donde las enzimas realizan su
actividad de manera constante muchos de esos factores pueden tener un menor significado.
Los cambios de velocidad observados al variar la temperatura no se perciben en
nuestro organismo que mantiene una temperatura constante; lo mismo sucede con los
cambios de pH, pues cada órgano tiene un pH relativamente constante que se corresponde aproximadamente con la zona de pH óptimo de sus enzimas; igual ocurre con
los compartimentossubcelulares.
Los inhibidores estudiadosson por lo general materiales de laboratorio que sólo
entran al organismo accidental o criminalmente. Con excepción del intestino y el
hígado las células presentan un medio de composición casi constante, por lo cual no
experimentan grandes variaciones en la concentración de sustratos,éstas y su iniluenciasobre las velocidades de reacción son más manifiestas en dichos órganos; no obstante, existen mecanismos intracelulares que permiten mejor adaptación de las velocidades de reacción a las condiciones celulares.
En este capítulo se estudiarán los principales mecanismos de que dispone la célula para regular la actividad de sus enzimas y se discutirán las ventajas que cada uno de
ellos presenta, así como las característicasestructurales de las enzimas que los hacen
posibles.
Formas básicas de la regulación enzimátiea
Cuando un sistema o proceso es capaz de variar su comportamiento como respuesta a cambios que se produzcan en su entorno, de forma que la respuesta directa o
indirectamentetiende a modiEcar el estímulo para volver a la situación inicial, se dice
que este sistema o proceso está regulado.
En estos sistemasexiste un patrón estmctural o funcional que tiende a mantenerse
establefrente a los cambios que se operan en el entorno. El sistema de regulación está
encaminado a mantener ese patrón estructural o funcional, que cuando este último se
mantiene, gracias a mecanismos intrínsecos, se dice que el sistema está autorregulado,
y es el caso de los sistemas vivientes.
En la regulación tanto el estímulo como la respuesta tienen carácter específico,
estos cambios de comportamiento generalmente se manifiestan por un aumento o
disminución de la velocidad de algunas etapas que componen el proceso, aunque
pueden manifestarse deotras formas.
La regulación existe como posibilidad antes quecomo realidad, osea,los componentes del proceso deben poseer características estructurales y funcionales que les
permitan responder a los cambios del entorno cuando éstos se produzcan.
La regulación enzimática se refiere a la posibilidad que tienen las enzimas de
variar la velocidad de las reacciones que ellas catalizan al producirse determinados
cambios en el medio; esa posibilidad viene dada por características estructurales de
las enzimas y que son una vez más manifestaciones del vínculo qiie existe entre la
estructura y la función de las biomoléculas.
Los cambios de velocidad observados durante el proceso de adaptación son debidos a cambios cuantitativos o cualitativos de los centros activos, y atendiendo a esto
las formas básicas de la regulación enzimática se manifiestan por variación en la
cantidad o la actividad de las enzimas.
Si se considera que el volumen celular no cambia apreciablemente durante el
uroceso, un aumento de la cantidad de enzima simifica un aumentode su concentración y ya sabemos que la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la
concentración de laenzima. Modificar la cantidad de enzimaes variar la cantidad de
centros activos presentes y ésta es la causa de los cambios de velocidad.
Existen 2 mecanismos básicos que producen modificaciones en la cantidad de
enzimas, conocidos como inducción y represión. En el primero, la presencia de una
sustancia en la célula puede activar el proceso de síntesis de la enzima y por tanto
aumentar su cantidad. En el segundo, el estímulo determina la disminución de la
síntesis enzimática por lo cual la cantidad de enzima disminuye. Estos mecanismos
serán estudiados detalladamenteen el capítulo34. Si la cantidad de enzima no varía,
sólo es posible modificar su actividad aumentando o disminuyendo la fracción de
centros activos útiles, pueselnúmero total nocambia; esto se logra mediante2 mecanismos conocidos como modificación alostérica y modificación covalente, respectivamente, que son objeto de estudio en este capítulo. También serán estudiadosotros
mecanismos reguladorescomo: proteólisis limitada, variación en el estado de agregación, interaccionesproteína-proteína,translocalización,cambios en la especifcidad e
isoenzimas.
Antes de estudiar cada tipo específicode regulación es bueno señalar que existen
enzimas que están sometidas a varios mecanismos de regulación simultáneamente, lo
cual puede ser un índice de su significación para el metabolismo celular.
-
v
,
. .'\
Respuesta
Fie. 17.1. Com~onentcsde un sistema de
regulación. La señal (S) existe generalmente coma la concentración
dc una sustancia esoeeífiea cuya
variación la convierte en estímulo
(E) que es captado por el receptor
iR). El transductar iT)
. . convierte
al estímulo en una señal interna
del sistema que bien puede
trasmitirse al am~lifieadar(Al aue
aumenta la intensidad de laseñal o
pasar de manera direela al efeetor
(E), que da lugar s la aparición de
la respuesta. Esta respues<&,Larde
a temprano, modifica el estímulo
inicial cerrando el cielo de regulación.
Componentes de un sistema de regulación
Aun cuando existen diferencias notables entre un sistema de regulación y otro, un
análisis detallado de todos ellos implica que a pesar de sus diferencias presentan un
grupo de componentes que son esenciales para su funcionamiento (Fig. 17.1).Así
sucede con los sistemas de regulación de la actividad enzimática.
La mayoría de las enzimas se encuentra en el interior de la célula y su actividad
puede modificarsecomo respuesta a un cambio que se produzca en esa célula, en otra
célula del organismo y aun en el medio.
El primer componente de un sistema de regulación es la señal, que es un portador
material de información. En la célula, el organismo y en el medio existen numerosas
señales que pueden ser de natnraleza fisica o química, cuando esas señales varían de
intensidad de forma que son capaces de generar una respuesta, se dice que se han
convertido en un estímulo; e a transformación señal-estímuloes el primer componente
de todo sistema de regulación.
Para que el estímulo pueda provocar una respuesta debe existir una estructura
capaz de captarlo y ésta es el receptor. Casi siempre las señales extracelulares no
pueden directamente provocar respuestas, por lo que se hace necesario convertir esa
serial-estímuloen otra reconocible por los componentes celulares, esa función la desarrolla el transductor. Por último, debe existir una estructura que genera la respuesta
directamente y ese es el efector. En los sistemas de regulación enzimática el efector es
una enzima específica; que como resultado de su acción aparece la respuesta que es el
resultado final del sistema. En muchas ocasiones entre el transductor y el efector existe
un componente que tiene como función potencializar la acción del estímulo, de manera que la respuesta presente una intensidad mucho mayor que el estimulo el cual le dio
origen, esa estructura es el amplificador.
Los receptores y algunos transductores serán estudiados en el tomo 11,aquísólo se
harán algunos comentarios sobre los demás componentes del sistema.
La señal más empleada en el interior del organismo es la concentración de alguna
sustancia en un líquido o tejido corporal; la variación de la concentración puede ser el
estimulo. Hay sustancias que sólo desarrollan el mecanismo cuando su concentración
aumenta, unas cuando disminuye y otras tanto al aumentar como al disminuir su
concentración.
Las enzimas son los efectores de estos sistemas,existen 2 formas fundamentales de
su actuación: la primera es variar la velocidad de las reacciones que ellas catalizan,
aumentándola o disminuyéndola de manera que toda la vía metabólica en la cual
participan se adapte a la situación reflejada por el estímulo; la segunda es variando su
especificidad donde sólo se conocen algunos casos que serán discutidos.
Como el efector es una (o varias) enzima, la respuesta que se obtiene es siempre de
unaintensidad mayor que la del estímulo que dio origen,debido a la elevada capacidad catalítica de las enzimas, pero se ha incluido en el esquema la existencia del
amplificador porque en ocasiones existe un componente del sistema cuya función
fundamental es la de amplificar la respuesta; más adelante se puede ver un ejemplo en
el acápite de modificación covalente.
La característica sobresaliente de la respuesta es que tiende a modificar el estímulo que le dio origen, tratando de que éste vuelva a su situación inicial, con lo cual el
sistema de regulación quedaría desconectado; si el sistema se conecta cuando la concentración deunasustanciaen sangreaumentaJa respuesta tiende a provocar la dimiinución de ese componente en la sangre, con lo cual el sistema se desconectaría.
En algunas enfermedades metabólicas el organismo no es capaz de responder de
forma adecuada a un estímulo y pueden aparecer los llamados círculos viciosos, donde
por ejemplo la elevación de la concentración de una sustancia genera una respiiesta
que tiende a aumentar esa concentración, locual estimula otra vez el mecanismo y así
sucesivamente.
Regulación alostérica
Cada vezesmás numerosa la cantidad deenzimas que al estudiarse el comportamiento de la velocidad de las reacciones, por ellas catalizadas en función de la
concentración de sustrato, se obtienen curvas diferentes a la hiperbólica de Michaellis
YMenten, que en la mayoríade los casos tienen un aspecto sigmoidal (en forma de S
alargada). Estas curvas se desplazan a lo largo del eje de las abcisas cuando se añaden
ala reacción algunas sustancias específicas como se muestra en la figura 17.2 para la
enzima fosfofructoquinasa. Se observa que para la misma concentración de sustrato
6,)pueden obtenerse diferentes velocidades de reacción al variar la concentración de
las sustancias añadidas, luego una característica esencial de estas enzimas es presentar
una actividad variable. Las enzimas que así se comportan reciben el nombre de
alostéricas.
Fig. 17.2. Modificación de la actividad de
una enzima alostérica. La fosfofruetoquinasr es una e n ~ i n i aalostériea como se deduce del comportamiento d e su velocidad al
variar la coiicentraeión de sustrato
(en negro). La presencia de ATl'
desplaza la curva hacia la derecho
(en rojo)y por tanto actúa como
un inhibidor. La concentración d e
ADP desplaza la curva hacia la izquierda (en azul), actúa como un
activador.
Un concepto muy ligado al fenómeno alostérico es el de cooperatividad aunque
existen diferencias entre ambos; se dice que hay cooperatividad cuando la unión de un
ligando a una enzima (y por extensión a cualquier macromolécnla)influyesobre la
unión posterior de otros ligandos. La cooperatividad puede ser positiva cuando la
unión del primer Ligando aumenta la afinidad por otros Ligandos, o negativa cuando la
disminuye. La cooperatividad positiva puede identificarse,en los estudios de velocidad en función de la concentraciónde snstrato, por la aparición de una concavidad
hacia arriba en la gráf~cadoblemente recíproca l/v vs lI[S] (Fig. 17.3). Por el contrario,
la cooperatividad negativa (o anticooperatividad)puede demostrarsepor la aparición
de unaconcavidad hacia abajo en la gráfica doblemente recíproca.
Estas interacciones de los ligandos dan lugar a 2 tipos de efectos, el bomotrópico
y el heterotrópico. Se llama efecto homotrópicocuando la unión de un ligando influye
sobre la unión subsiguientedel mismo ligandoa la enzima, y heterotrópico cnando la
influencia se realiza sobre un ligando diferente.
Cuando la unión de una molécula de sustrato aumenta o disminuye la afinidad de
laenzima por otras moléculas del mismo sustrato, el efecto es de tipo homotrópico, y
cuando la unión de un activador aumenta la afuiidad por el sustrato, entoncesel efecto
es heterotrópico.
Se estudiarán ahora los modelos propuestos para explicar el fenómeno del
alosterismo.
Modelo simBírica o ooncertado
Fig. 17.3. Efectos cooperativos. Al construir la gráfica doblemente r e d
proea, si no existen efectos cooperativos se obtiene la recta quc aparece en (a). La aparición de una
concavidad inferior cn el inicio de
LI curva (h) indica un cfe~?o cooperativo negativo, mientras que
la concavidad superior de (e) indica que el efecto cs positira.
Se han propuesto varios modelos para explicar las causas del comportamientode
las enzimas alostéricas; desarrollaremos aquí una exposición sobre los 2 modelos
principales, el simétrico o concertado y el secuencial. El modelo simétrico o concertado fueelaborado en 1965por Jacquesnfonod, J e f f k Wyrnany Jean-Pierre Chanpeux
del Instituto Pastenr de París, fue el primer modelo propuesto en términos moleculares
y el más sencillo.
Según este modelo, las enzimas alostéricas existen en 2 estados conformacionales
interconvertibles, que denominaron R (relajado) y T (tenso). Estas enzimas son
oligoméricas, están formadas por varias subunidades (estmctura cuaternaria)y todas
éstas se encuentran en el mismo estado conformacional,-de ahí el nombre de simétrico.
El tránsito de una subunidad,en un estado conformacional hacia otro, se trasmite a las
otras subunidades haciendo que todas ellas adopten la misma conformación, por lo
que reciben el nombre de concertado, si existen 4 subunidadesen una enzima alostérica
pueden darsesólo2 situaciones: la forma RRRR ÓTTTT, ya que las formas híbridas
RTTT, RRTT y KRRT no son posibles según este modelo.
A la enzima puede unirse no sólo el snstrato, sino algunas sustanciasespecíficas
(ligandos),pero la enzima presentará diferente afinidad para cada uno de ellos de
acuerdo con el estado conformacional en que se encuentre. Conio cada estado
conformacional presenta diferente afinidad por cada uno de los ligandos, puede
simplificarsemucho el análisissi se parte del supuesto caso que en uno de esos estados
la afinidad para alguno de los ligandos es cero y, por lo tanto, los ligandos podrán
unirse a la enzima en sólo uno de sus estados conformacionales; éste es un caso
extremo para adecuar la explicación a los estudiantes. Si el sustrato puede unirse al
estado R y no al T, entonces R representa la conformación activa, pues no puede haber
transformación sin unión,lo que indica que en el estado R existe una conformación del
centro activo que facilita la unión del sustrato, mientras que en el estado T la unión del
sustrato al centro activo no es posible.
Ademásdel centro activo, existen en lassubunidades otrossitiosde unión específicos para los ligandos, pero también cada sitio presenta una conformación adecuada
para cada ligando sólo en una de sus 2 conformaciones, nunca en las 2. Estos sitios son
muy específicos, en lo cual se parecen al centro activo pero en ellos no se produce la
transformación del ligando; los ligandos se unen a esos sitios por fuerzas no covalentes
y de forma muy reversible; cuando la concentración de un ligando aumenta en el
medio, se favorecesu asociación, y al disminuir ocurre la disociación. La existencia de
estos sitios es lo quedeterminó la denominación de alostérico,palabra que proviene
de las voces griegas allos que significa otro, diferente y esterm que significa espacio,
sitio, lugar; por tantolas enzimas alostéricasson aquéllas que presentan otros sitios
diferentes al centro activo. Como puede colegirsede su descripción, los sitiosalostéricos
al igual que el centro activo son sitios de reconocimiento molecular; nn caso bien
sencillo permitirá analizar ahora el funcionamiento del modelo: una enzima con 3
ligandos, uno de los cuales es el sustrato (S),los demás son el ligando A que sólo puede
unirse al estado R y el 1que sólo lo hace al estado T.
En ausencia de los 3 ligandos la enzima existe en un equilibrio entre los 2 estados
conformacionales, caracterizados por una constante de equilibrioque recibe el nombre de constante alostérica (L).
Al comenzar a añadir el sustrato, éste se une a la forma R formando el complejo
RS,equivalenteal complejo ES ya estudiado, en este momento se produce una disminución de la concentraciónde R y el equilibriose desplaza, aumentando la concentración de R y disminuyendolade T; mientras más aumenta S, también R y con ello la
velocidad de la reacción. El paso de T a R significa un aumento de la fracción de
centros activos útiles y de ahí el efecto sobre la velocidad; esta situación explica por
qué la unión del sustrato a la enzima favorecela unión sucesiva de los sustratos, o sea,
un efecto cooperativoque es bomotrópico positivo.
Si añadimos al sistema la sustancia A, ésta se unea la forma R formando el complejo RA, que aumenta el desplazamiento del equilibrio hacia la conformación activa.
Como A y S se unen por sitios diferentesse darán las situaciones siguientes:
R+T
R +S+RS
R + A-RA
RA+ S +RAS
RS + A +RAS
Se observa que existen 4 formas para el estado activo y sólo la forma R está en
equilibriocon T, por lo que los incrementosde velocidad son considerables.
A las sustancias que como A se unen al estado activo y con ello favorecen un
incremento de la velocidad de reacción se les llaman efectores positivos o activadores
alostéricos.
Si en vez de A, al sistema en equilibrio se le añade el ligando 1éste se une al estado
T,fonnando el complejo TI que provoca un desplazamientodel equilibrio en el sentido contrario al observado anteriormente, con lo cual la concentración del estado T
aumenta y la del R disminuye; mientras mayor sea la concentración de 1 añadido,
mayor será la fracción de enzima en estado T, lo cual implica un decremento en la
velocidad de reacción, pues es menor el número de centros activos con la conformación favorable para la unión con el sustrato.
provocan una disminuA las sustancias quecomo he unen al estado inactivoy
ción de la velocidad de la reacción,se les con= como efectoresnegativoso inhibidores
alostériros;estos aspeetoc en forma generalizada aparecen en la ñgura 17.4.
.eqnra eel ap sapepynqns syuiap se1ap oiegsns la ~ o pep!up
d
el i ! n u y q o n q u a u ~ a ~ ~ u !
apand o)eqsns [e opesg e q anb pep{unqns el ua ep!unao uo!xmuojuoasueye7
:saiua!nZi!s
so~aadsesol ua eseq as anb ?['puelqso~p!uea ~ o opello.uesap
d
IepuanJas oppom
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o OJ!JI
la sa solla ap aun :solapotu SOJJO olsando~dueq as lena o1 ~ o 'opeyaJuoJ
[email protected] olapoui [a que!paui sepm!ldxa Jas uapand seJ!Jgso{e seui!zua se1sepa3 o~
'a opava ua e i w a n x a as anb eui!zua ap u p p m q
el ap apuadap UOp>saJ el ap leqoa pep!qaA e? 'u9!3Jeal el ap peppopn el abnu!uis!p
[en2 01 U ~ J e w q sl qaeq o!~q!l!nba la szeldsap (1) lop!q!qu! lap e p u a s a ~ de? .soc
-a{duim saplaJ!p ap uo!~cuim~
e[ e lean, o p u ~ 'a
p eur~ojel q x q o!~qg!nba la uszeldsap
1ap o (S) o$eqsns lap ugp!pe e? .? a s u e w m el [email protected] ayq!l!nba ua uelsa
ua muasa~das sui!zua 87 'apewaxm o a~pl?ui!sappom 13.P.LI
(v) .iopen!pe
anb (J.L 8 ) sauo!muimjm>
z
.a!a
Este modelo difiere del anterior en varios aspectos, primero, no se postula la
existencia de un equilibrio entre las conformaciones de la enzima, previo a la unión
con el sustrato,sino que la transición T - A es inducida por la unión del sustrato. El
cambio de conformación T+R en las diferentes subunidades es secuencial y no
concertado, de forma que los estados conformacionales híbridos inaceptables en el
modelo concertado tienen en el secuencial una función oredominante.
El modelo concertado supone que la simetría molecular es esencial para la
interacción de las subunidades y por tanto requiere que esa simetría se conserve durante la transición alostérica; por el contrario, el modelo secuencia1plantea la posibilidad
de interaccionesentre las subunidades aun cuando éstas presenten conformaciones
diferentes.
Por último. este modelo difiere en one las interacciones homotrónicas son siemore
positivas en el modelo concertado, pero pueden ser positivas o negativas en el modelo
secuencial. Si la segunda molécula del sustrato puede unirse de forma más o menos
fuerte que la primera, depende de la naturaleza del cambio inducido por la unión de la
primera molécula del sustrato.
Cabe preguntarse entonces cuál de los 2 modelos es el correcto. Estudios detallados con numerosas enzimas han puesto de manifiestoque en algunos casos el modelo
concertado es el aplicable, mientras que en otros es el secuencial. Sin embargo,existe
un grupo numeroso de enzimas en que no es aplicable ninguno de los 2; esto hace
necesario la aparición de otros modelos que puedan generalizar los conocimientos
existentes y proporcionar una herramienta cognoscitivade gran alcance para el estudio de las enzimas alostéricas.
Características generales de ias enzimas a l d r i e a s
No obstante, independientemente del modelo que se aplique, existen algunas
característicasgenerales de estas enzimas que pudiéramos resumir como:
1. Son proteínas oligoméricasde peso molecular elevado y estructura compleja con
raras excepciones.
2. Las enzimas existen en vanos estados conformacionalesinterconvertiblesy con un
grado de afinidad diferente para cada uno de sus ligandos.
3. Los ligandos se unen a la enzima en sitios específicos por fuerzas no covalentes y
de forma reversible, afectando el estado conformacional de las enzimas.
4. Los cambios conformacionalesen una subunidadse comunican en mayor o menor
grado al resto de las subunidades.
5. La cuwa de velocidad en función de la concentración de sustrato siempre presenta
una forma diferente a la clásica cuwa hiperbólica de Michaelis-Menten.
Lo importante de este tipo de modificación es que los activadores e inhibidores,
no son materiales de laboratorio como en los casos estudiados anteriormente, sino
sustanciaspropias de la célula y cuya concentración vana como consecuencia de la
propia actividad celular. En ocasiones el activador y el inhibidor forman una pareja
cuyas concentracionesvaríande manera contraria, cuando aumenta la de uno de ellos,
disminuye la del otro. Estas variaciones de concentración constituyen estímulos
metabólicos que adaptan el funcionamientode las enzimas a las condicionescelulares
en Constante cambio.
La pareja que con mayor frecuencia cumple estas funcioneses La formada por el
A ~ el ADP,
Y sus concentracionesrelativas controlan un gran número de actividades
e-ticas
y con ello de mtas metabólicasenteras; para comprender esta situación es
conveniente recordar el ciclo general del ATP.
Fig. 17.5. El modelo secuencial. A diferencia del modelo simétrico las formas R y T no están en equilibrio y
la unión del sustrato se produec dc
manera seeueneial, pues sólo afeetala conformación de la subunidad
a la cual se ha unido. El modelo
admite la formación d e híbridos
conformacionales. La velocidad
global de la reacción dependerá
de la fracción de subunidades que
estén en la conformación más artiva.
Formación de ATP:
ADP + Pi
-
ATP
+ H,O
Formación de ADP:
ATP + H,O +ADP + Pi
Fig. 17.6. Ubicación de las enzirnas
reguladoras. La eanvenión de A
en G requiere d concursa de 6
enzirnas, una de ellas tiene prapiedades reguladaras y se encuentra
ubicada al principio de la vía, de
forma que al controlarse la reaeeión en que participa de hecho se
está controlando la vía completa.
En el esquema l a enzima
reguladora es E2 (en rojo) y par
tanto todo el funcionamiento de la
vía dependerá de la velocidad de
fomaciún del intermediaria C.
Como se aprecia en las reacciones, al formarseel uno del otro, las concentraciones
de estos compuestosvarían de forma contraria, así al aumentar las concentraciones de
ATPdisminuyen las de ADP y viceversa.
En el ejemplo de la fosfofrnctoqninasa tratado al inicio, el ATP es un efector
negativo (inhibidor) y el ADP es positivo (activador), como las concentraciones de
ambos no pueden aumentar simultáneamente,en cada momento la enzima sólo estará
expuesta a elevadas concentraciones de uno de ellos y así será so respuesta. Esta
enzima no presentará entonces una actividad fija, por el contrario, su actividad variará
tan amplio como sea la variación de concentración de ATP y ADP; pero como las
concentraciones de ATP y ADP varían como consecuencia dé la actividad celular, y
cada una de ellas representa situaciones celulares diferentes, la actividad de esta enzima estará adaptada a las situacionescelulares y podrá cambiar cuando la situación
varíe.
Otro aspecto importantede estas enzimas es su ubicación en las mtas metabólicas;
para la transformación total de un sustrato se requieren numerosas reacciones quúnicas, cada una produce un cambio gradual en la estrnctura del sustrato (Fig. 17.6). Para
la conversión de A en G se necesitan 6 reacciones cada una de ellas catalizada por una
enzima diferente,que van originando los intermediarios B, C,D, E y F.
Las enzimas alostéricas casi siempre cataüzan una de las primeras reacciones, con
lo cual estas rutas se regulan desde el inicio, permitiendo que éstas funcionen sólo en
condicionescelulares adecuadas. Esta ubicación hace posible que la célula utilice la
cantidad indispensable de sustancia y energía para su funcionamiento, sin gastos
excesivos. Esta situación que se observa como una regularidad en casi todas las rutas
metabólicas es la que hemos expresado bajo la denominaciónde principio de la máxima economía.
Existen otras formasde manifestarse el alosterismoen diferentestipos de enzimas,
hay casos en que los sitios reguladores y catalíticos están en la misma subunidad y
otros en diferentes, destacándose lasubunidad catalítica y la remiladora; los cambios
provocados por el efector pueden influir sobre el estado de asociación de las enzimas
que tienen la posibilidad de existir como monooligómerosy polioligómeros, por lo
que en unos casos puede ser activo el monooligómer~y en otros el polioligómero.Hay
otros casos de mayor complejidad que salen delos marcos deeste texto.
Por último, es bueno señalar que el alosterismono es privativo de las proteínas
enzimáticas y aparece también en proteínas que realizan otro tipo de funciones; la
primera proteína alostérica estudiada fue la hemoglobima, que no es una enzima sino
un transportador de oxígeno en la sangre. Otras proteínas no enzimáticas con propiedades alostéricas incluyen a los transportadores de membrana como se estudiará en el
tomo U y las proteínas represoras que están relacionadas con la regulación de la expresión genética que serán tratadas en el capítulo34.
El alosterismo constituye un fenómeno muy difundido en el comportamientode
numerosas proteínas que realizan funcionesdiversas, y que desarrollan un mecanismo
básico por el cual la acción de esas proteínas es modulada.
Modüicaci6n covalente
Existe otro grupo de enzimas que se regula de forma diferente a las anteriores;
estas enzimas existen en las células en 2 formas que difieren en su composición, lo cual
Existen numerosas pmtehas quinasas pero quizás lamejor caracterizada de todas
ellas es la proteína quinasa A (PK-A) dependiente de AMPc; esta enzima ha sido
localizada en numerosas especies desde la levadura hasta los mamíferos, pero no ha
sido localizada en procariontes y la que está presente en plantas superiores difiere
notablemente de la de los mamíferos.
La enzima de los mamíferos está compuesta por 2 tipos de snbnnidades: la
reguladora (R) y la catalítica (C),cada molécula de enzima contiene2 decada una para
una fórmula subunitariaqC,.
Existen 2 tipos principales de proteínas quinasas dependientesde AMPc que se
distinguen por lascaracterísticas de la subunidad R. Las 2isoenzimas se diferencian
por su distribución hística, la secuencia de aminoácidos, la habüidad para autofosforilarse, la unión con el AMPc y la interacción con las subnnidades C.
La holoenzimase presentacomouna proteína tetramérica inactiva de 150a 170kD.
La subunidad C tiene una masa molecular de 402 kD y las subunidades R (R, y R,,) de 42
y 45 kD,respectivamente. Cuando el AMPc se une a la subunidad R, el complejo se
disocia formando qAMPc4y Zsnbunidades C activas; una vezdisociadala h o l o e h a ,
lasubunidad C es la que cataüza la fosforilaciónde las enzimas (Fig. 17.8).
Fig. 17.8. Aelivación de la proteinaquinasa
dependiente de AMPc. La enzima
se presenta como un tetrámero inactivo formado por 2 subunidades
reguladoras (R) (en rojo) y 2
eatalítieas (C) (en azul). En la
subunidad R se distinguen al menos 4 dominios, 2 para la unión al
AMPc (A y B), una que es el
inhibidar de la actividad eatalítiea
(1) y el último el de dimerización
(D). La unión del AMPc (círculos
verdes) a uno de los sitios de las
subunidades reguladoras pmduce
una transconfomación que expone el segundo sitio que, al ser oeupado por el AMP,, provoca la disociación del tetrámero de forma
que las subunidades catalílicas pasan a su forma disociada activa.
Lasfosfoproteínas fosfatasastambién presentan diferentegrado de especificidad
de sustrato, por lo cual se acostumbra a clasificarlascomo específicase inespecíficas;
entre las primeras se encuentra la pimvato deshidrogenasafosfatasa que es específica
para esa enzima; por su parte las inespecíficas se subdividen en 2 grandes grupos
denominados 1y 2. Las fosfoproteínasfosfatasas 1son generalmente particuladas y
pueden ser inhibidas por péptidos específicos,en tanto lasde tipo 2son solubles y no
seles conocen péptidos inhibidores. Estas úitimas se subdividen asu vez en 3 gmpos
designados A, B y C, atendiendo al tipo de cationes divalentes que requieren para su
funcionamiento; su función es bidrolizar los enlaces ésteres que se forman entre el
grupo fosfato y los residuos de aminoácidos de las proteínas, convirtiendo de ese
modo la forma modificadaen no modificada.
Se han identificado2 proteínas inhibidoras de las fosfoproteínasfosfatasas 1y se
nombran 1 y 11. La proteína inhibidora 1 de las fosfatasas existe en 2 formas, una
fosfatada que es activa y otra no fosfatada que es inactiva. Cuando la proteína quinasa
A se activa no sólo fosforila las enzimas sino que, además, dificulta su desfosforilación
al activar al inhibidor de las fosfatasas.
En ocasiones entre la proteína quinasa y la enzima que realiza el efecto metabólico
existen otras proteínas quinasas con un mayor grado de especificidad.
El sistema de regulación del catabolismo del glucógeno es un ejemplo muy ilustrativo de cómo opera la modificacióncovalente en la regulación del metabolismo. La
enzima glucógeno fosforilasa (GP) cataliza la ruptura de enlaces glucosídicos del
glucógeno por acción del ácido fosfórico; esta enzima presenta una forma fosfatada
(GPF)de elevadaactividad y otra no fosfatada prácticamente inactiva; mientras mayor
sea la concentraciónde GPF mavor número de enlaces dicosídicos serán rotos.
La quinasa que cataliza la conversión de la forma no fosfatada en fosfatadatambién presenta 2 formas de composición diferentes: una fosfatada y otra no fosfatada.
Estaenzima casi específica para la glucógeno fosforilasarecibe el nombre de glucógeno
fosforilasaquinasa (GFK),pues ahora su sustrato es unaenzima; por tanto para activar
la GFK se requiere de otra quinasa y para inactivarla de otra fosfatasa.
Lae~queactivaalaGFKeslapmteínaquinasaA(PK-A)dependientedeAMPc
El mecanismo funciona de la forma siguiente:
-
-El AMPc actúa sobre PK-A y pasa asu forma activa
C,R,
+ AMPc >
-
2C
+ R,:AMPc,
(1)
-La snbnnidad C de la PK-A fosforilala GFK con el ATPcomo fuente de fosfato
GFK
+ ATP
.
GFK-P + ADP
(2)
-La GFK-Pfosforüa a la GP, también con el uso de ATP
GP
+ ATP ---+GP-P + ADP
(3)
. -La GP-P produce la ruptura de los enlaces glicosídicos con ácido fosfórico
Como conclusión podemos decir que la aparición del AMPc provoca, a través de
todo e~mecanismo,unaumento en la velocidad de niphirade los enlaces del glucógeno.
Modiúcaci6n por adeaüaci6n desadenüsa6n
El ejemplomejor estudiado es la enzima glutamina sintetasa de E. coli, esta enzima cataliza la formación de glutamina a partir de glutámico y NH,, dependiendo de la
hidrólisis del ATP. La molécula consta de 12subunidadesde 50 kD, cada una forma 2
estruchuas hexagonalesque se superponen.
Ésta esuna enzima central en el metabolismo, pues regula el flujo de nitrógeno
que una vez incorporado al grupo amida de la glutamina puede ser utilizado en la
síntesis de numerosos compuestos como triptófano, histidina, carhamil-fosfato,
glucosamina-6-fosfato,CTPy AMP. La enzima es inhibida de forma acumulativa por
cada uno de esos productos y además por la alanina y la glicina; parece ser que posee
un sitio de unión especi'fico para cada uno de estos hhibidores, y su actividad cesa casi
por completo cuando está ligada a todos eUos.
Otro hecho significativoes que su actividad también se regula por modificación
covalente alincorporarse un grupo adenilato (AMP)al grupo hidroxiio de una Wsina
espeei'fica en cada suhunidad. La forma adenilada es mucho más sensiblea la inhihición acumulativa que la no adenilada. El grupo AMP puede ser retirado de la enzima
por fosforólisis.
Uno de los hechos más curiosos de este proceso es que tanto la reacción de
adenüación como la de desadenilauónson caíalizadaspor la misma enzima, la adenilato
transferasa. Esta enzima está controlada a su vez por una proteína reguladora -que
habituaimeniese designa como P- que está formada por 2 subunidadesy puede presentarse en 2 formas P, y Y,. El complejo de la adenilato transferasa con P, une el AMPa
la glutaminasintetasa y con ello disminuye su actividad,mientras que el complejo de
la transferasa con Po cataliza la fosforólisisque elimina el grnpo AMP.
Aquí aparece otro nivel de regulación covalente, pues P, es converüda en P,por
la adición de uridinmonofosfato(üMP) a cada suhunidad en una reacción cataluada
por la uridiltransferasa;esta enzima es activada por el ATP y el ácido a-ceto-glutárico
e inhibida por la glutamina; a su vez los p p o s UMF'wn eliminadosde la proteína por
hidrólisis. Un resumen de las principales características de la glutamina sintetasa se
representa en la figura 17.9.
El significado metabólico de este sistema es que la adenilación es inhibida y la
desadenilaciónactivada cuando el aporte de nitrógeno metahólicamenteútil es bajo,
y lo contrario cuando el suministro es adecuado.
P-P
ATP
2 P-P
2 UTP
2 UMP
2 H,O
Pi
ADP
b)
c)
Fig. 17.9. Regulación de la glutaminasintetasa. La enzima esiá formada por 12 subunidades agrupadas en forma de 2 hexigonos (a). La adenilaeión se produce por la acción del complejo
constituido por la adenilatotransferasa (AT) y la proteína P,, y la desadenilación cuando la
transferasa se une s la proteína P, (b). La conversión de P, en P, se realiza por la
uridiltransferasa, mientras la reacción inversa se lleva a cabo por hidrólisis (e).
otros tipos de modificaciones
Hace más de 30 arios se conoce que la actividad de algunas enzimas puede ser
modificada por la formación de enlaces disulfuros en las proteínas enzimáticas; este
tipo de modificación covalente puede ser resultado de la reacción con un agente
externo que queda unido a la enzima
E-SH
+ R-S-S-R
+ R-SH
-E-S-S-R
o por la formación de puentes disulfuro intramoleculares
E-(SH)?
+
R-S-S-R LE-S?
+
2 R-SH
Estas reacciones son similares a las de formación de los enlaces disulfuro que
estabilizan la estrnctura terciaria de las proteínas,difieren de éstos en que, en la enzima
nativa los disulfuros involucrados en la regulación deben estar accesibles a la reducción por tioles externos, ya que la regulación por este mecanismo se realiza como
respuesta a los cambios en el estado redox de la célula y sólo puede ocurrir si la
reacción es muy reversible.
La reacción de intercambio es catalizada por enzimas que están presentes en el
citosol y el sistema de membranas de la célula; entre las enzimas reguladas por este
mecanismo se encuentran la pimvatoquinasa, hexoquinasa y glucosa-6-fosfatasahepáticas y lafusfofructoquinasay fructosa-1-6-bifosfatasadel músculo. Aun cuando ha
sido estudiado minuciosamente el significadometabólico de este mecanismo, no está
edarecido de manera convincente.
Otro tipo de modificacióu descrito en casi todos los eucariontes se produce por la
transferencia a algunas enzimas del grupo 5'-ribosil-ADP proveniente del NAD'. El
significado de esta modificación no está del todo claro aunque parece estar vinculado
de alguna forma con los procesos de síntesis de las macromoléculas informacionales;
un ejemplo de este tipo se trata en el capítulo 30. Menos estudiado es el caso de
algunas enzimas bacterianas que se controlan por acetilación y desacetilación.
Por último, es conveniente añadir que como el alosterismo, la modificación
covalente no es un mecanismo de modulación exclusivo de las enzimas y que se verá
en otros tipos de proteínas como los transportadoresde membrana, etcétera.
Fenómeno de amplificaa6n
La presencia de estos 2 mecanismosde rrgulación puede llevar a la pregunta de ¿cuál
emáseficientepara la célula en el control del metabolismo? Los estudios experimentales
S
han demostrado que ambos íipos de mecanismos son eficaces;estosresultados conducen
a otras preguntas ¿por qué existe la regulación covalente si ella representa un gasto
energéticomayor y se obtiene la misma eficaciaque con el alostérico? ¿No podría lograrse
también con un mecanimioalostéricoque representa i n d w un ahorro de enzimas parala
célula? Realmente así es, pero este mecanismo presenta una ventaja que no es posible
obtenerla con el alosterismo.
Otra vez la regulación de la glucogenólisis proporciona el ejemplo más ilustrativo;
Suponga que las enzimas involucradas en el proceso son capaces de transformar 100
moléculas de sustrato por minuto, -lo cual representa un númerode recambio bajísio
si se trata de enzimas; suponga además, que en una determinada situación se forman
4 moléculas de AMPc por minuto y observe qué sucede (p. 307): según la reacción (l),
en un minuto se activa una molécula de PK-A, que da 2C, pues se trata de un mecanismoalostérico, pero cada una de las moléculas de C en el minuto siguiente activará
100 moléculas de GFK, dando en total (2 x 100) 200 GFK activas. Cada una de las
GFK activará 100 de GP, pero como existen 200 moléculas activas el número total
será (200 x 100) igual a 20 000 mol4culas activas de GF-P. Cada molécula de GF-P
rompe 100 enlaces del glucógeno, luego la ruptura total será de (20 000 x 100)
igual a 2 000 000 de enlaces. En resumen, por cada 4 molécula de AMPc se
rompen 2 millones de enlaces glicosídicos, lo cual no es posible con el mecanismo
alostérico, pues cada efector sólo actúa sobre una enzima en forma estequiométrica.
Cuando a partir de una serial metabólica determinadase produce una respuestade
intensidad considerablementemayor que la intensidad del estímulo, se dice que el
sistema posee la propiedad de amplificación.
La clave de este fenómeno de amplificaciónradica en que los intermediarios del
proceso son enzimas, mientras mayor sea el número de intermediarios enzimáticos
mavor será el grado de amolificación.
La amplificación de sefiales metabólicas es importante para muchos fenómenos
biológicos, como la acción de las hormonas, la contracción muscular, la coagulación
de la sangre, etcétera.
Es bueno señalar queno todas lasmodificacionescovalente poseen un sistema de
amplificación, ni toda amplificación se produce por un mecanismo de modificación
covalente.
-
Otros mecanismos de regulad6n
Aun cuando los mecanismos de regulación alostérica y covalente son los más
ampliamente distribuidos en los seres vivos, existen otros mecanismos que también
contribuyen a la efectividad del metabolismo. En algunos casos tienen rasgos comunes con los mecanismos ya estudiadospero por sus características singularesmerecen
un tratamiento diferenciado. A continuaciónse exponen los aspectos más notables de
esos mecanismos sin pretender agotar el tema.
Algunas enzimas se sintetizan en forma de precursores inactivos denominados
7jmÓgenos; la transformación al estado activo se logra cuando una enzima proteolítica
cataliza la hidrólisis de uno o varios enlaces nentídicos en la molécula de la enzima:
como consecuencia de esta proteólisis limitadase produce una transconformación de
la enzima que la hace activa, este caso no deja de ser una variedad de modificación
covalente,pues se produce mediante la ruptura de enlaces peptidicos, aunque se diferencia por su carácter irreversible. A este tipo demecanismo está asociada una gran
amplificación, pues a veces basta con la ruptura de un solo enlace peptídico para
provocar la transformación de un número considerable de moléculas del sustrato. Este
mecanismo resulta de gran importancia en el proceso de la coagulación sanguínea
(capítulo 63), así como en la activación de las enzimas digestivas (capítulo 54).
..
Variación en el estado de ag~egaci6n
Existen enzimas que se presentan en 2 formas,como monómero y polímero,pero
sólo presentan actividad en una de ellas, casi siempre el polímero. Este mecanismo de
regulación consisteen modular la actividad de la enzima variando su estado de agregación; de esta forma los factures que promueven la formación del munómero o la
inhibición de la polimerización disminuyen la actividad enzimática, en tanto los que
favorecen la polimerización la incrementan. El caso mejor estndiadoes la acetil-COA
carboxilasa, una enzima multifuncional cuya función metahólica se estudia en el
capítulo 49.
La enzima es inactiva en su fonna monoménca, pero es capaz deformar poümeros
de hasta 20 unidades que exhiben una gran actividad catalítica; el ácido cítrico se une
a la enzima y pmmueve la polimerización y es por tanto un activador. Los tioésteres de
la coenzima A con ácidos grasos de cadena larga, especialmente el palmítico, favorecen el estado monoméricoy actúan como inhibidores;es interesante que este estado de
agregación también se regule por modif~cacióncovalente del monómero; la proteína
quinasa A fosforila a la enzima en un residuo específico de serina e inhibe la
polimerización, en tanto La proteína quinasasensiblea La insulina (ISPK)lafosforila en
otro sitio y estimula la polimerización; de esta forma la actividad de la enzima depende de una parte de la concentración de sus efectoresalostéricos (cítrico y acil-COA)y
de otra del nivel de actividad de las 2 quinasas (ISPK y PK-A).
Cada día se conoce un mayor número de enzimas cuya actividad requiere desu
interacción con otra proteína, la cual a su vez está sometida a algún mecanismo de
regulación. No se conoce exactamentecómo esta interacciónproteína-proteína provoca el incremento de la actividad enzimática, tal vez el caso más estudiado es el de
algunas enzimas cuya actividad depende de los iones Ca"; este catión puede actuar
directamente sobre algunasemimasy modularsu actividad, peroen muehoscarosesta
acción reguladora depende de la calmodulina. La caimodulina es una proteína de 148
aminoácidos cuya secuencia está muy conservada de forma filogenética, posee un
residuo de lisina en la posición 115que está trimetilado y es portador de una carga
positiva permanente independientedel pH, su estmctura terciaria se caracteriza por
presentar 2 dominios globulares, uno en cada extremo, unidos por una hélice a de 7
weltas. En cada uno de los dominios globulares existen 2 sitios de unión para el Cah
como se muestra en la figura 17.10.
Fig. 17.lo. Estructura de la ealmodulina El
diagrama muestra la estructura
tridimensional de la ealrnodulina
con sus extremos, formando los
dominios globulares (en azul) y la
unión entre ellas (en rojo). Los cilindros representan estructuras
helieaidales y los círculos verdes
que
los sitios de unión para el CaX*,
como se ve son 2 en cada extremo.
Todo parece indicar que la unión del catión provoca una transconformaciónde la
proteína que hace que alguna zona hidrofóbica críptica quede expuesta y por esta zona
se producela interacción con otras proteinas; esta unión promueve la actividad de la
enzima.
Se conocen numerosas proteínas enzimáticas o no, cuya adividad depende de la
calmodulina; entre ellas existe un grupo de proteínas quinasas con variado grado de
especificidad, como las proteínas quinasas dependientes de calmodulina 1 y 11,
glucógeno fosforilasa quinasa (capítulo43), la quinasa de cadenas ligeras de miosina,
etcétera; almenosuna de las isoformas de la adenilciclasa depende de calmoduüna; un
transportador activo de Caz+que utiliza la energía de la hidrólisis del ATPtambién es
dependiente de calmodulina,con lo cual el catión es capaz de regular su propia concenkación intracelular.
Otros ejemplos de interacciones de enzimas y proteínas que serán estudiados
posteriormente son: la proteína G trimérica con la adenilciclasa y algunasfosfolipasas,
la proteína p21K"con proteinas quinasas y la proteína reguladora de la glucoquinasa
(capítulo42).
Este mecanismo consiste en trasladar la enzima de una localización donde es
inactivaa otradondees activa y viceversa; los agentes que favorecen la translocalización
actúan como activadores o inhibidores según el sentido del desplazamiento, un ejemplo muy estudiado es proteína quinasa C (PK-C), esta enzima se encuentra habitualmente en el citosol donde es inactiva, en condicionesque promueven el incremento de
la concentración intracelular de Caz+,éste se une a la enzima y favorece su
translocalización hacia la membrana nlasmática. donde la enzima es activada nor los
diacilgliceroles producidos por la hidrólisis de algunos fosfolípidos de la membrana;
de esta forma la enzima y su activador sólo pueden entrar en contacto cuando las
concentraciones intracelularesdel catión lo permitan.
Otro ejemplo de este tipo es la citidütransferasaqueseráestudiadaen el capitulo18.
Cambios en la espeeiñeidad
Se conocen apenas una docena de enzimas cuyo mecanismo de regulación implica cambios en la especificidad de acción, de sustrato o ambos. La actividad de estas
enzimas se regula a su vez por diferentes mecanismos como el alostérico,el covalente
y la interacción con otras proteinas, en este capítulo sólo se estudiarán algunos a modo
de ilustración, pues algunos casos serán estudiados con más detalles en capítulos
posteriores.
La lactosa es el azúcar de la leche, la glándula mamaria sintetiza grandes cantidades de este disacándo durante el período de lactancia y casi nada durante los períodos
intermedios. La enzima galactosiltransferasaestá presente en numerosos tejidos del
organismo que cataüza la transferencia de un grupo galactosilo desde el UDP-galactosa
hacia la N-acetil glncosamina para formar N-acetil lactosamina; mediante esta reacción la enzima participa en la síntesis de oligosacáridos que después serán incorporados a proteínas en la formación de glicoproteínas,esta enzima también se encuentra en
la glándula marnana y su concentración se incrementa durante el período de gestación.
En el momento del parto, por la acción estimulante de algunas hormonas, la
glándula mamaria comienza la síntesis de una proteína denominada lactoalbúmina,
'owJSoJqq-9'z
-esolanq el emd u- e[ ua salqepa~deso!quim u!s sawn p e z ap quaume esqejso~
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ap peppgae el ap
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ou opqsa lap el ap
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%un epm ay SS ap seaguap! sapeppmqns z ~ o epeuiloj
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-!uiJa>ap o)uauioui un ua anb elaueui ap 'oleqsns ap h u?!~aeap sapeppgpadsa se[ a+
-uauieaugpys .ie!quim opuapeq enleas as e u i v a qsa ap u?pspaaa ap ouique~am
13'esqejsoj ap peppgae auag 'o)E~soJ-~-~so)~u.I~
Jeuuoj emd o~ejso~s!q-g'iystq~nr~
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-9'pes0~3Njaeuuoj eaed olejsq-9-esol~~j
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odn.18 un aiasolla ap oun 'se~sandosauopaeaa u e q q m anb soa!pe soguaa z auag e g z u a e l
.ea!ledaq el pe!pnIsa as uqpeqsnl! ap opom v.ouis!ueaaw alsa ua uedpgmd
e m p ~ e el
a h eagydaq el 019s sella ap 'sop!pl sa$uaq!p sol ua eagpadsa eaaueui
ap sep!oqg)s!p uequanaua as anb eui!zua e[ ap semojas! S souaui 01 .~odua)s~x.(pp
olnljdea) esoanl8 el ap ouiqloqelaui lap ~oquoala na anep e y z u a eun sa q s a
Estos datos indican que la enzima en su estado desfosforilado actúa como una
quinasa y en el fosfonladocomo una fosfatasa (Fig.17.12).
Estos cambios deespeciñcidadpermiten la adaptación del metabolismo hepático
de la glucosa a las condiciones del organismo.
Otros ejemplosdeestemeeanismoson: la adenütransferasade E. diestudiada en
este capítulo relacionada con la regulación de la glutamina sintetasa, las quinasas
dependientes de ciclinas que serán estudiadas en el capítulo 24 y la ribonucleótido
rednctasa que se estudiará en el capítulo 57.
Fig. 17.12. Fosfofruetoquioasa-2/fasfofructofosfatas-2.En la figura se esqwmstiza La regulación
de esta enzima bifuncional. En el estado no fosforilada tiene adividad de fosfofructoquinasa
transformando la fruitosa-6-fosfato en fruetosa-2,6-bisfosfato;al ser fosforilada por la
proteína quinasa A (PK-A) se transforma en la fosfofruetofosfatasa que hidrolira el enlace
&ter fosfórico de la posición 2 de la fmctosa-2,6-bisfosfato y la transforma en fructosa4fosfato. Es una de las pocas enzimas conocidas que calaliza Z reacciones contrarias, en este
caso el estado de fosforilaeión de la enzima determina tanto su especificidad de sustrato
como de acción.
En este tipo de enzimas se presenta una situación que las diferencian de los casos
anteriores. Las isoenzimas son proteínas que catalizan la misma reacción, con los
mismos requerimientospero can propiedadescinéticasy fmicoquúnicas diferentes, lo
cual permitió su descubrimientoy estudio.
Aunque existen numemsas enzimas que presentan formas isoenzimáticas, el primer camconocidoy el más estudiado es la lactato deshidmgenasa(LDkl); esta enzima
existe en todos los tejidos y en todos eUos cataliza la misma reacción.
COOH
l
NAD+
+
HO - c
-
H
-
COOH
l
c
Y
l
-H
H-C
=O
1
1
H-
C -H
l
H
Ácido lictico
316
m
Ácido pinivico
+
NADH
+
H'
En este caso el NAD'es un cofactorque acepta los átomos de hidrógeno separados
del lactato por la enzima (capítulo 19).
La iswnzima presente en el corazón tiene una mayor afinidad por el Iactato y está
favorecida la reacción de izquierda a derecha,mientras que la isoenzima del músculo
esquelético tiene mayor afnidad por el piruvato, lo que favorece la reacción contraria.
La respuesta a esta situación surgió cuando sedescubrió que la LDH está formada
por2 tipos de cadenas polipeptídicas y que la molécula contiene en total 4 cadenas.
Como la isoenzima del corazón contiene un solo tipo de cadena se le denominó H
(he&= corazón)y al darse la misma situación en el músculo suscadenas se designaron M
(musfle=músfulo).La fórmulasubunitariadeestas 2 iswnzimas s e o H
M,
4:
rrspectivamente; las procedentes de otros tejidos son híhridos que contienen los 2t1pos
decadenascuyasfÓmulassubunitarias~e&~,~~y
m,ysuspmpiedadescinéticas
y ñsicoquúnicas son intermedias entre las otras 2 primeras,lo que permite separarlasen
-muestra donde exista una mezcla de todas ellas (Fig. 17.13).
o
"4
O
o
Fig. 17.13. lsoeniimas de la lactatadeshidrogenasa. Las isoenzimar de la LDH
están formadas por 2 tipos de cadenas, H y M, que, de acuerda cou
la proporción en que aparezca
cada una de ellas en el tetrámero,
darán origen a las diferentes formas de la enzima.
",M2
H"3
La presencia de determinada iswnzima confiere característicasparticulares a etapas metahólicas en diferentes tejidos, creando un comportamiento diferenteante situadones simiiares,esto introduce determinado grado de regulación en cuanto al metaholismo del organismo como un todo.
Otro ejemplo interesante es la enzima pimvico quinasa de mamíferos, de la cual
existen al menos 3 isoenzimas, la M del músculo y cerebro, la L del hígado y la A que
se encuentra en casi todos los tejidos; esta enzima es un tetrámero de 250 kD y las 3
isoenzimas difieren en sus propiedades cinéticas e inmnnoquímicas. El hecho más
curioso es que las isoenzimas difieren en su forma de regulación,la M no parece estar
regulada, en tanto la A y la L son reguladas de forma alostérica; ambas formas son
inhibidas por el ATP y la alanina y activadas por el fosfoenolpi~vatoy la fructosa-1-6-bisfosfato.
La formación de un número crecientede isoenzimasa partir de un número reducido de componentesestructuralespone de manifiesto una idea que hemos venido desarrollando a lo largo de eitm tenias y que pudiCramos resumir diciendo: "En los 5istemas biológicos la diversidad tiene como fundamento Iü simplicidad.
Resumen
Los organismosvivientespara poder sobrevivir deben ser capaces de adaptarse a las condidones cambiantes del medio nahiral que los rodea, de esta situad6n se
deriva la newsidad de los mecanismos de regulación.
Cuando un sistema o proceso es capaz de variar su comportamiento como
respuesta a los cambios que se pmducen en su entorno, de forma que la respuesta
direeta o indirectamente, tiende a modiñear el estimulo volviendo a la situaei6u
inicial, se dice que este sistema o pmeeso esiá regulado. En la regulaci6n tanto el
estimulo como la respuesta tienen earsicter especf6co.
La regulaci6n edmática se reñere a la posibilidad que tienen las enzimas de
variar la veloddad de las reacciones que ellas eatalizan, al producirse determinados cambios en el medio; esa posibilidad viene dada por earactehticas estructorales de les enpmaS, que son manifestadones una vez m8s de la estrecha vincuiaci6n
entre la estnietura y la funei6n de las b i o m o l ~Las
. mecanismos que regulanla
actividad de las enzimas son muy diversos pero pueden agruparse en 2 tipos
fundamentales, los que varían la cantidad y los que modiñcan la adividad de las
enzmias.
Todo sistema de IPgulaa6n &tira
esiá wnsiitnido por varios wmponen-
fpS:el receptor que recibe el estímulo, el trausductor que wnvierte el estúnulo en
una señal atendible por el sistema, el ampliñcador que aumentala intensidadde la
repuesta y el efeetor que reaüza el cambio adaptativo directamente.
Entre los mecanismo que modiom la actividad se encuentran la modiñeaci6n
a l d r i c a y la eovalente.
Las enzimas alostéricas existen en varios estados conformacionales
interwnvertibles y en cada uno de eUos presentan una añnidad diferente por sus
Ligandos. La uni6n delligando intmduce un cambio conformadonalque se hasmite al resto de la molécula, modificando la fnieei6n de centros activos útiles v con
eUo la velocidad de la reaCEi6n. Las principales modelos propuestos para e x & a r
el meesnismode las enzimas a i d d e a s son el simébim o concertadov el 8efuenciaL
En lamodioeaeión covaiente la enzima existe en 2 formas de difirente wmmsidón, motivada por la adición o sustraeci6n de un pequefio grupo unido de manera wvalente alaprotefna e&tica:
eada forma de la enzima tiene una actividad
euentitativa dif-te
y al pasar de I& estado a otro cambia la fracción de centros
activos 6itües. Los tipos mis difundidos de modificación covalente son la
fodorüad6ndesfodorüaci6n, la adenüación desadenilaci6n y el intercambio de
suifihidrilos dinuPuros,tanto el alosierismo wmo la modiñraei6n mvalente pueden observarse en proteínas que no tienen Carseter edmático.
Casi siempre a los mecanismos de m o d ü í d 6 n covalente esiá asociada una
gran ampliñcaci6n debido a que entre el receptor y el efeetor existen numerosos
intermediarios enzimátiecw.
Otros mecanismos de rrguladónmenosditundidosenlosseresvivosson los de
la prote6üsis limitada, en el cual las enzimas se sinteoZan wmo piefur~oresinactivos y se acüvan por la mptura de enlaces peptidicos, la varia0611en el estado de
agmgaci6n de las enzimas que exisíen como mon6meros y poIímem de diferente
acüvida& por la interaeeión de la enzima con otra proteína no enzimatica que
generalmente la activa, por el cambio de loraüzad6n celular y por cambios en la
espeeifieidad de d 6 n , de gustrato o ambos.
Las LweaPmasson formas diferentes de una misme enzima que se difexencian
en sus propiedades &éticas y üsiwquímicas y hacen que las reacciones que ellas
catalizaa presenten earaeterúlticasdiferentes en los tejidas donde se encuentran. El
caso más conocido es el de la enzima lactato desüidrogenasa que cataliza la conversi6n reversible del lactato en piruvato.
..
Ejercicios
1.¿Por qué para poder asegurar que un sistema esiá regulado la respuestadebe modi-
ficar al estímulo inicial?
2. ;Por qué podemos afirmar que los mecanismos de regulación enzhática son una
expresión del principio de máxima economía?
3. El fenómeno de cooperatividadse asocia generalmente a las enzimas alostéricas.
¿Pudiera usted explicar una situación en que una enzima no alostérica mostrase un
efecto cooperativo?
4. ¿Por qué se afirma que el modelo secuencia1puede explicar los efectos cooperativos heterotrópicos, mientras que el simétrico uo?
5. ¿Cuál es la razón de que los modelos que tratan de explicar el comportamiento de
las enzimas alostéricas supongan que éstas presentan estructura cuaternaria?
6. Haga un esquema que explique la regulación de la fosfofructoquinasa por el ATPy
el ADP,según el modelo a) simétrico y b) secuencial.
7. Dos procesos metabólicos se regulan por modificación covalente y por fosforilación desfosforilacióo, si en uno hay 3 quinasas intermedias con una kv*,
de 120 min-', y en el otro 4 con k C de
, 80 min-', calcule el grado de amplificación para cada uno de ellos.
8. Existe una ruta metabólica en la cual la sustancia A puede ser convertida en D
según varias reacciones, por otra parte D se convierte en A. ¿Pudiera usted diseñar
un sistema de regulación tal que cuando la célula necesite la sustancia D, la vía
-+
D, y cuando necesite la sustancia A
funcionesólo en la dirección A
funcione sólo en el sentido D -+ A?
La función fundamental de las enzimas es su participación en el metabolismo
celular; el metabolismo celular está compuesto por miles de reacciones químicas
catalizadas por enzimasy que ocurren de manera simultánea, estas reacciones se encuentran organizadas en vías o rutas que están en relación con la transformación de
una sustancia, donde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente; cada
vía consta de un número determinado de reacciones y de enzimas. El conjunto de
enzimas que participa en una vía metabólicase encuentraorganizadodeforma característica.
El primer nivel de organizaciónviene dado por la distribución citotopográfica de
las enzimas, por su ubicación en los diferentes compartimentos celulares, que dentro
deéstos cada uno de los conjuntosenzimáticosse organiza en variadas formas, pueden
estar disueltas en el medio o unidas a las membranas, así como presentarse en forma
aislada o en estructnras organizadas con diferente grado de complejidad.
La organizaciónde las enzimas con1ribuyea la eficienciade las vías metabólicas,
eliminando la formación de productos secundarioscon lo que se logra la formación del
mayor número posible de moléculas del producto a partir del sustrato, las vías
metabólicas también funcionan de acuerdo con el principio de la máxima eficiencia.
En este capítulo se estndiarán las diferentes formas de organización de las enzimas
y las característicasque derivan de cada una de ellas.
Citotopograña de las enzimas
Todas las enzimas se sintetizan en el interior de las células y la mayoría realiza allí
sus funciones, pero otras son segregadas y funcionan en la matriz extracelular: la
sangre,el tnbo digestivo u otros sitios del espacio extracelular. El número de diferentes
tipos de reacciones químicas en cualquier célula es muy grande; una célula animal
tipica por ejemplo, puede tener entre 1000 y 4 000 tipos diferentes de enzimas, cada
una cataliza una reacción única o un grupo de reacciones íntimamente relacionadas.
Algunas reacciones catalizadas por enzimas son comunes a la mayoría de las
Células y por eso hay enzhas que están presentes en casi todos los tejidos del organismo. Este grupo incluye no sólo aquellas enzimas relacionadascon la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos y fosfolípidos, también las que catalizan la oxidación total de la
glucosa hasta CO, y H,O, que produce la mayor parte de la energíametabólka utilizada por la célula.
Algunos tipos de células -el hepatocito, las neuronas- llevan a cabo reacciones
químicas que son exclusivas de estas células y, consecuentemente,algunas enzimas
se encuentran sólo en determinados tipos de células. Por último, muchas células
-incluyendo los eritrocitos y las células epidérmicas-han madurado hasta un estado
que ya no son capaces de sintetizar proteínas ni ácidos nucleicos, aun cuando estas
células contienen grupos específicos de enzimas que ellas produjeron en estados
tempranos de su diferenciación.
Ladistribución intracelular de las enzimas constituye sin lugar a dudas un nivel
básicode organización,pues ella está determinada de manera genética, lo que significa que el material genéticono sólo contiene la información sobre el tipo de enzima que
una célula puede formar, sino además de cuál será su ubicación dentro o fuera de la
célula.
En los diferentescompartimentos celulares se agrupan las enzimas que están relacionadas funcionalmenteen un proceso metabólico determinado,de esta manera todas
las enzimas que participan-en el proceso de conversión de glucosa en pirúvico se
encuentran localizadas en el citosol. Un gran número de enzimas hidrolíticas que
intervienen en los procesos de digestión celular se localizan en los lisosomas. Las
enzimas relacionadas con la síntesis de Iípidos se encuentran ubicadas en el retículo
endoplásmatico liso (REL),y las relacionadas con la glicosilación de Iípidos y proteínasse encuentran en el REL y en el aparato de Golgi.
Sm embargo, en ocasiones, para la transformación total de una sustancia se requiere la participación de enzimas ubicadas en más de un compartimento, como el caso de
la síntesis de la urea dondeparikipan enzimas del citosol y de las mitocondrias; estos
compartimentos casi siempre están separados del resto de la célula por una estmctnra
membranosa, aunque en ocasiones no sucede así, las enzimas se encuentran unidas a
componentes del citoesqueletoy mantienen una posición relativamente fija dentro de
la célula.
Aun dentro de cada compartimento puede existir una distribución característica
de las enzimas, de esta forma se sabe que las ARN polimerasas se encuentran en el
núcleo,pero en tanto la polimerasa 1se lofaliza en el nucléolo, la 11y la 111se hallan en
el nucleoplasma. Las enzimas mitocondriales pueden tener distinta ubicación dentro
del organelo, las relacionadas con el ciclo de Krebs se encuentran en la matriz
mitocondrial, asícomo las de la cadena transportadora de electrones y la fosforiiación
oxidativa en la membrana interna, algunas están en el espacio intermembranoso y
otrasaun en lamembrana externa.
Un aspecto interesante es la distribución de las isoenzimas, pues cada tipo se
encuentra en un compartimentodeterminado, existe una malato deshidrogenasa del
citosol y otra de las mitocondrias; lo mismo sucede con algunos grupos de enzimas
a partir de acetü-COAque están
como los que forman el b-hidroxi-B-metil-glutarii-COA
presentes en el citosol y en las mitocondrias; en este caso la citosólica funciona en la
esteroidogénesis,en tanto la mitocondrial en la cetogénesis.
Como todas las membrana3 celulares poseen permeabilidad selectiva muchos de
los intermediarios de vías metabólicas se ven limitados a moverse dentrode un compartimento determinado, sin poder abandonarlo o deben disponer de mecanismos
específicos de transporte; en este compartimento seencuentrala o las enzimas que lo
transforman, asíocurre con el ácido oxalacético o la acetil-COA,que una vez formados
dentro de la mitocondria no pueden salir de este compartimento.
Es bueno señalar que esta distribución de las enzimas ha dado lugar a la aparición
de un mecanismo de regulación denominado compartimentalización que será esiudiado en detalle en el capítulo 61.
Formas básicas de existencia de las enzimas
El trabajo de purificación de las enzimas comenzó hace más de 100 años y alcanzó
su primer éxito notable cuando en 1926 Northropobtuvo la ureasaen formacristalina;
desde entonces se emplean diversos procedimientos para la obtención y purificación
de las enzimas. De acuerdo con esos procedimientos se distinguen 3formas básicas de
existencia de las enzimas en la célula: las enzimas libres -solubles o simples como se
llamarán aquí-, los sistemas o complejos multienzimáticos y las enzimas
multifuncionales.
EazimaF simples
Unaenzima simple es aquélla que cataliza una reacción única como las descritas
enel capítulo 16,a propósito de la clasificación. Estas enzimas pueden estar formadas por una sola cadena polipeptídica como la hexoquinasa animal, que cataliza
la fosforilación de varias hexosas y está constituida por una cadena polipeptídica
de 100 kD, o estar compuestas por varias subunidades. Estas subunidades pueden
ser iguales, como en la glutámico deshidrogenasa que convierte este aminoácido
en ácido a-ceto-glutáricoy está formada por 6 subunidades idénticas de 50 kD, cada
una para un peso total de 336 kD; o diferentes como el caso de la glucógenofosforilasa
quinasa, mencionada en el capítulo 17, que está formada por 4 tipos de subunidades
diferentes, cada una se encuentra representada 4 veces en la molécula con lo cual
contiene de esa forma 16 subunidades con un peso total de 1300 kD. En todos los
casos se trata de una sola reacción.
El término de libres o solubles viene dado por el hecho de que con los procedimientos tradicionales de obtención y purificación de las enzimas éstas se obtenían
separadasdel resto de los componentescelulares, lo que hacía pensar que se encontraban libres en las células, o sea, que durante el proceso catalítico estas enzimas no
entraban en contactofisicocon otras y que la formación del complejo enzima sustrato
era un proceso azaroso, que dependía fundamentalmente de la posibilidad de choque
entre la enzima y su sustrato cuando ambos difundían de forma libre en el interior de la
célula. Investigaciones recientes no parecen confirmar estas ideas.
-
Complejas muitienzim8ticos
El término sistema o complejomultienzimático se refiere a aquellas agmpaciones
de enzimas que son posibles de obtener con los métodos tradicionales y catalizan
varias reacciones relacionadas con una vía metabólica.
En estos casos siempre presentan una estructura compleja compuesta de varias
subunidades y en ocasiones se caracterizan porque, al disociarse el complejo, ninguno
de los componentes por separado presenta actividad catalítica, lo que sugiereIa necesidad de las interaccionesproteína-proteínapara la realización de la catálisis.
En este tipo de organización las diferentes enzimas que forman el complejo se
encuentran unidas por fuerzas no covalentes, lo que hace posible su disociación; este
hecho representa un importante contratiempo en el proceso de purificación.
En estos complejos los intermediariosmetabólicos entre el sustrato y el producto
son transferidos prácticamente del centro activo de una enzima al de la siguiente,sin
que exista la posibilidad de su separación de la superficie de la enzima y el proceso
gana eficiencia (Fig. 18.1).
Un ejemplode este tipo de organización es el complejo pirúvico deshidrogenasa
de los mamíferos,en su organización intervienen 5 tipos de enzimas que están representadas en proporciones diferentes en la estructura del complejo. La boloenzima
contiene 30 moléculas de una descarboxilasa (cada una formada por 2 tipos de
de 152 kD cada una; 60 copias de la lipoil
subunidades para una fórmula
tramacetilasa de 52 kD cada una y 30 de la düiidrolipoildeshidrogenasade 110 kD cada
una; además,contiene de 2 a 3moléculasde la pimvato dghidrogenasa quinasa (formada
por una cadena a de 48 kD y una p de 45 kD)y varias copiasde la pimvatu deshidrogenasa
fosfatasa que intervienen en el mecanismo de modificación covalente de la enzima.
a,$,)
A-
J
multienrimáticos, VaFig, 18,1,
rias enrimas sc unen por fuerzas
no cavalentes y forman un grail
complejo que cataiiaa reacciones
sucesivas en una vía mctnh6licri.
Desde el punto de vista teórico el descubrimiento de estos complejos tuvo una
enorme importancia, pues le proporcionó una base fisica incuestionable al concepto
de vía metabólica.
Se ha podido demostrar recientemente que en eucariontes,y sobre todo en mamíferos,existeuna forma peculiar de organización de las enzimas queintervienen en una
vía metabólica; estas enzimas están formadas por una cadena polipeptídica de gran
tamaño,capaz de realizar varias actividadesenzimátim relacionadas, sonlas Ilamadas enzimas multifuncionales.
Estas em¡maspresentan 2 propiedadescaracterisocas.demaneraestructuralconsian
de una cadena polipeptídica y funcionaimentetienen actividades catalíticas múltiples, lo cual implica que los centros activos de las ~roteínasse generan como consecuencia de los plegamientos de sectores contiguos de la cadena polipeptídica, que
producen estructuras globulares autónomas o dominios. cada uno con una actividad
&ecítica pero diferente (Fig. 18.2).
A
Fig. 18.2. Enzimas multifuncionales. Una sola cadena polipeptidica se pliega de tsl forma que da
origen a varios centros activos, lo que permite cataiizar vanas reacciones sucesivas.
Un ejemplo notable de este tipo de organización es el complejo acetil-COA
carboxüasa de los mamíferos. La enzima activa es un oolímero con un oeso de 4 000 a
S 000 kD que puede ser disociada en protómeros inactivos de 400 kD cada uno; como
el protómero presenta las funciones de biotina carboxilasa, proteína portadora de
carboxibiotina, transcarboxilasa y lazonade regulación alostérica,cadaprotómeroes
por tanto una enzima multifuncional.
Como en el caso de los complejos moltienzimáticos estas enzimas no permiten la
fuga de los intermediarios aumentandola
-ne&
una cadena polipeptidica única la &tesis de todas las actividades enzimátim puede ser
reguladademaneramrsmada,piesse~de~n~h~~demp~~
mássobrrsalientea l a sintetasade ácidosgnmx que será emidiada en el capítnlo 49.
Enzimas unidas a membranas
Los sistemas membranosos constituyen una fracción importante de los componentes celulares, estos sistemas no sólo separan un compartimento celular de
otro sino que muestran diferentes funciones, como actividades enzimáticas, debido a la asociación o integración de algunas enzimas con los componentes estructurales de las membranas.
Las enzimas que forman parte de las membranas se diferencian estructuralmente
de las que aparecen en el interior de los compartimentos,porque en su estructura (al
menos la que está en contacto con la membrana) los residuos apolares se colocan hacia
el exterior y los polares hacia el interior.
De acuerdo con la posición relativa del sustrato y el producto de la reacción, con
respecto a la membrana, podemos clasificar las enzimas membranosas en 2 grandes
grupos: las no vectoriales y las vectoriales.
Las enzimas no vectoriales son aquéllas que ligan el sustrato y liberan el producto
del mismo lado de la membrana, en el interior, o en el exterior (Fig. 18.3).
Fig. 18.3. Enzimas membranosas no
veetoriales. El centro activo de la
enzima está orientado de forma
asimétriea en la membrana.
Un ejemplosobresaliente por su importancia en muchos mecanismos de regulación es la enzima adenüciclasa que cataliza la transformación del ATPen AMPc como
respuesta a determinados estímulos hormonales. Esta enzima está formada por una
cadena polipeptídica que atraviesa la membrana 12 veces con 2 grandes dominios
citoplasmáiicos,uno enhe las hélices transmembmales 6 y 7, y otroenla zonacarboxüo
terminal; se supone que el primero de estos 2 dominios es el responsablede la actividad catalítica de la enzima (Fig. 18.4).
Fig. 18.4. Estructura de la adenil cielasa.
Esta importante enzima está formada por 2 grandes regiones
transrnembranales, separadas por
un gran dominio eitaplasmático y
termina con un largo dominio C
terminal; en cada uno de los dominios trsnsmembranales, la cadena polipeptídicri atraviesa la membrana 6 veces mediante estructuras helieoidales, esta estructura se
asemejaalade los transportadores
membranales de iones.
Las enzimas vectoriales,por el contrario,son aquéllas que ligan el sustrato en una
cara de la membrana y liberan el producto en la otra, de esta forma tienen una doble
función como enzimas y transportadores (Fig. 18.5). A este gmpo pertenecen enzimas
relacionadas con la glicosüación de proteínas en el REL y el aparato de Golgi, que
ligan un monosacárido y su coenzima del lado citosólico y liberan el monosacárido
activado en la cara luminal de estos sistemas membranosos.
.
Fig. 185, Enzimas membranosas veetoriales.
La enzima liga el sustrato de un
lsdo de la membrana y libera el
producto del lado opuesta.
En el capitulo 39 se estudiarán los transportadores de electrones de la cadena
respiratoria, cuya actividad vectorial crea un gradiente de protones imprescindible
para la síntesis de ATP.
Un ejemplo interesantede enzimas que pueden encontrarseunidas amembranas o
libres en el citosol esla citidiltransferasa que participa en la síntesis de fosfátidos
de glicerina y esfingolípidos que tiene lugar en el retículo endoplasmático liso
con 3 enzimas que forman parte de las membranas del retículo. Esta enzima está
regulada de diferentes formas, es activada por fosfolípidos y ácidos grasos e inhibida
por el CTP y la fosfocolina; por otra parte, la enzima puede ser modificada por
fosforilación desfosforüacióny la forma activa es la no fosforüada.La fosforilación de
la enzima determina su disociación de las membranas del retículo. mientras la forma
desfosforiladaestá unida a las membranas, esto hace que la enzimaesté en su forma
activa cuando está con las demás enzimas que participan en el proceso.
En ocasiones en las membranas se forman grandes complejos proteínicos en los
cuales participa al menos una enzima que resulta el elemento fundamental, tal es el
caso del sistema de la glucosa-6-fosfa&a. Como ya se ha estudiado, esta enzima
cataliza la hidrblisis de la glucosa-6-fosfatoy es muy importante en la regulación de la
glicemia, como se verá en los capítulo 42,43 y 44.
Este sistema forma parte del retículo endoplasmático liso y está constituido
por 6 proteínas: una proteínade363 kDcon actividad catalítica (G6P),cuyocentro
activo es accesible desde la cara luminal de la membrana y es el componente principal
del sistema,esta pmteína no sólohidroüzaa la glueosa&fosfato, sinotambién al pimfosfato
y el carbamil-fosfato;el segundo componente es una proteína estabilizadora (SP)
ligante de Caz+de 21 kD, que sóloesaccesibleporel ladocitosólico;el tercer campo-
nente es la proteína T1 que actúa como un transportador de glucosa-6-fosfatopero no
está muy bien caracterizada; el siguientecomponentees el transportador de glucosa
GLUT7 que presenta una elevada Km para la glucosa y además están presentes las
proteínas T2a y T2h que actúan como transportadoresde fosfato,la T2b es una proteína de34 kD que también puede transportar pirofosfato y carbamil-fosfato.
El funcionamientode este sistema puede ser descrito de la forma siguiente: cuando aumenta en el citosol la concentración de glucosa-6-fosfato,ésta es transportada
por T1 hacia la luz del retículo donde es hidrolizada por la unidad catalítica; la glucosa es transportada hacia el citosol por la GLUT7 y sale al exterior de la célula por el
transportadorde la membranaplasmática(GLUT2 enel hígado); elfosfatoes transportado por T2a ó T2h hacia el citosol donde se vuelve a utilizar por la célula (Fig. 18.6).
~0:~
:aoH
/y
@-O-CH,
HO-CH,
HO
10H
" t
O
Fig. 18.6. El sistema de la glucosa-6fasfatass. Este sistema complejo
está incluido en la membrana del
retículo endoplasrnático lisa y está
formado por 6 proteínas. Las flechas indican el movimiento de
cada una de las sushncias implica.
das en el proceso.
Fenómeno de eanalizaci6n
En muchas vías metabólicas existen sistemas multienzimáticos o enzimas
multifuncionales que catalizan reacciones sucesivas. Evidencias recientes indican que
hay interacciones específicas entre enzimas simples o solubles relacionadas
funcionalmente, estos complejos han sido descritos tanto en procariontes como en
eucariontes.Además se indica que en la célula existen pocas enzima libres si es que hay
alguna; también parece ser que a menudo estos complejos enzimáticosse encuentran
unidos a componentes estnifturales de la célula.
Una consecuencia importantede estos hallazgos es quemuchosmetabolitos pasan
deun centro activo a otro sin equilibrarse con el resto de los metabolitos de la célula,
este fenómeno recibe el nombre de canalización. Desde este punto de vista se distinguen 2 tipos de vías metabólicas, aquéllas que producen intermediariosmulüutüizables
y aquéllas donde sólo el productoñnal es útü, un ejemplodel primer tipoes la glucÓüsiS
donde la glucosa-6-fosfatoy kifosfodibidroxiacetonasonuaüzadmdemúloplesfonnas,
y del segundo la síntesisde proteínas dondelos intermediarios no presentan funciones
metabólicas, pero síel producto terminado.
Un ejemplo hipotético proporcionará una idea más acabada del fenómeno de
canalización; suponga que la enzima E, transforma al sustrato A en el producto B, que
puede ser sustrato de la enzima E,, que lo transforma en C o de la enzima E, que lo
transforma en D (Fig. 18.7).
Fig. 18.7. El fenómeno de canalización. Tres
enzimas eslán relacionadas de manera funcional, pues el producto
de una es sustrato de las otras 2; si
no existe canalización (a), los productos C y D se obtendrán en proporciones casi iguales. En (b) se
observa que al existirinteracciones
entre las enzima8 E, y E, sólo se
forma una de los productos posibles, lo mismo ocurre en (c), pero
o n otra combinación de enzimas.
Si en una mezcla de reacción se colocan el sustrato A y las 3 enzimas (supuestamente de una actividad catalítica similar), al alcanzarse el equilibrio se puede encontrar uno de estos 3 resultados:
1.Se forman cantidades equivalentesdeB, C y D.
2. Se forma sólo el producto C.
3. Se forma sólo el producto D.
En el primer caso no existe canalización, pues el intermediario B se libera de la
enzima E, y difunde libremente, por lo cual tiene igual probabilidad de encontrarse
con E, que con E,. En el resto de los 2 casos existe canalización, el producto B no se
libera de la enzima E, sino que es transferidode forma directa al centro activo de E, en
un caso, o de E, en el otro; esto es posible si las enzimas están unidas físicamente en
forma de un complejo. Algunos experimentos han permitido establecer la existencia
de este fenómenoy de interacciones entre las enzimas en numerosos casos.
Una ventaja de estas agrupacionesestá representada por el hecho de que muchos
de los intermediarios en rutas metabólicas se presentan en forma solvatada, pero la
capacidad de solvatación de la célula es limitada. La canalización "sustrae" esos
intermediarios de manera que mantiene el grado de solvatación de la célula en niveles
muy bajos.
También es posible controlar la actividad de esas enzimas haciéndolas pasar del
estado libre al asociado y viceversa.
Asociaciones sup~nenzimáticas
Muchos ejemplos pueden citarse de este tipo de asociacionesque intervienen los
3 tipos básicos de presentación de las enzimas. Estas asociaciones han sido descritas
en el proceso de replicación del ADN (capítulo25) del fago T4 que consta aproximadamente de 7 enzimas diferentes. En eucariontes se ha aislado un complejo formado
por 6 enzimas que aparece sólo en el momento de la síntesis del ADN.
Un ejemplo sobresaliente lo constituyen los gránulos de glucógeno, extraídosde
músculo esquelético, que están formados por alrededor de 50 % de proteínas. Se ha
podido demostrar que la mayoría de esas proteínas son enzimas del metabolismo del
glucógeno, la glucógeno fosforilasa b, la glucógeno fosforilasa quinasa, la glucógeno
sintasa, la fosfoproteína fosfatasa 1 y la proteína qninasa dependiente del AMPc;
además se ha demostrado que estos gránulos contienen también todas las enzimas de la
glicólisis, pues en ellos es posible la formación de lactato a partir del glucógeno.
Se ha observado que las propiedades cinéticas de algunas de esas enzimas son
diferentes cuando forman parte del gránulo y cuando se encuentran libres en disolución, tal es el caso de la fosfoproteína fosfatasa 1que es activa en la partícula pero
inactiva en solución.
Otro ejemplo muy demostrativo tiene lugar durante la síntesis de nucleótidos de
pirimidina; toda la vía está catalizada por una enzima simple y 2 multifuncionales, la
primera enzima quees trifuncional forma el ácidodibidro-oróticoa partir de NH,, CO,
y aspártico. El dibidro-orótico es oxidado y pasa a ser ácido orótico por una
desbidrogenasa que está unida a la membrana mitocondrial externa, y por último, una
enzima bifuncional convierte este ácido orótico en uridinmonofosfato.
El hecho de que todos los intermediariosse mantengan en una concentración muy
bajadentrode la célula, puede indicar quelas 2 enzimas multifuncionalesse asocian
ala enzima simple en la membrana mitocondrial, de forma que se produzca el fenómeno de canalización. Un complejo similar se forma durante la síntesis de los ácidos
grasos donde intervienen 3 enzimas multifuncionales, la citrato liasa, la acetil-COA
carboxüasay la sintetasa de ácidos grasos; cuando el citosol se somete a centrifugación
en gradiente de sacarosa se obtiene una fracción de elevado peso molecular que contiene a las 3 enzimas.
Ejemplos como éstos se han reportado en el metabolismo de los aminoácidos,la
oxidación de ácidos grasos, síntesis de fosfolípidos y esteroides, en la glicólisis y en el
ciclo de Krebs. El ejemplo más asombroso de estas asociaciones enzimáticas es el
complejo de preiniciación de la transcripción por la ARN polimerasa 11;esta enzima
está formada por 12 subunidadesy a ella se unen durante la formación del complejo
másde 30 proteínas, muchascon actividad enzimática formandoun complejoque por
su tamaño es mayor que la subunidad menor del ribosoma.
Estas formas característicasde organizarse los sistemas enzimáticos en la célula
constituyen una evidencia m& de que los sistemas biológicos operan según el principio de la máxima eficiencia.
TopOgraña de las-e
Como se ha visto, el centro activo es una zona pequeña en comparación con el
tamaño total dela enzima, por ejemplo, la glucosa ocupa un volumen que es aproximadamente el 1% del volumen de la hexoquinasa ¿Cuál es entoncesla función del resto
de la molécula?
En primer momento se pensó que el resto de la molécula sólo tenía la función de
mantener la arquiteciura tridimensionaldel centro activo, pues es sabidoque agentes
desestabilizantes de esta estrnctura afectan de manera notable la actividad catalítica.
Esiudios experimentales,sin embargo, demuestran que en algunasenzimas se puede
eliminar una parteconsiderable desu estmctura sin afectar sensiblemente su capacidad catalítica.
En la zona no catalítica de la enzima es donde radican los sitios de unión para
efectores que regulan su actividad y, como se estudió en el capítulo 17, en algunas
enzimas son varios los sitios de este tipo. Otra función es determinar la localización
intracelularde la enzima, cada proteína contiene en su estrnctura secuencias específifas de aminoácidos que funcionan como señales de localización intra o extracelular.
Sesabe que la secuencia lkina-aspártico-glutámico-lisinadirige a las proteínas hacia
el retículo endoplasmático; otras enzimas (como los zimógenos) poseen zonas de
ple&%niento que no permiten la accesibüidad al centro activo y las mantienen inactivas hasta Llegar al sitio donde desarrollan su función; en ese lugar y generalmentepor
mecanismosdeproteólisislimitada es retirada una pequeña porción de la proteína, lo
que pwmite el acceso al centro activo.
Otrafunción derivada de los aspectos discutidos en este capítuloes que las enzimas
deben contener una zona de reconocimiento, que permita su asociación específica con
otras enzimas las cuales participan en reacciones sucesivas de una vía metabólica, de
forma tal que pueda producirse la canalización de los intermediarios.
Las proteínas que se disuelven en agua se pliegan de manera que los residuos
polares quedan hacia el exterior en contacto con el disolvente.Tanto el centro activo
como otros sitios de la enzima requieren que residuos hidrofóbicos sean accesibles
desde el exterior como sucede con la quimotripsina. La exposición de esos gmpos
hacia el exterior es desfavorabledesde el punto de vista energético y puede provocar
la agregación y precipitación de las enzimas. Para que puedan permanecer solubles
deben poseer gran número de residuos hidrofílicosen la superficie para compensar el
efecto de los hidrofóbicos.
Por úliimo, hay otro factor que contribuyeal gran tamaño delas enzimas y es que
las proteínas presentan regiones que reflejan su proceso evolutivo. Como todas las
proteínas hansurgido de otras proteínas, muchas contienen secuenciasde aminoácidos
de sus antepasados pero que, al parecer,no son imprescindibles para su funciouamiento actual.
Resumen
El metabolismo eelular está formado por miles de reacciones qoímicas que
ocurren de manera simultánea en el interior de las células, todas eUas cataüzadas
por enrimas. Las e d m a s que participan en una vía metab6lica presentan una
forma eeraeterlstica de organi7aciÓn; un primer nivel de organizaciónviene dado
por la ubicación intraeelular de las e d m a s en mmparhentos separados unos de
otros, por membranas o por otsos cnmponentes cslnlares, de esta forma exisien
enzimas nucleares, lisosomales, mitncondriales, etcbtera. Este grado de
cnmpartimentaciónpuede aún ser mayor si existe una topogdik e s p d c a de las
enzimaa dentro de cada wmparümento.
Las e d m a s pueden enmutrarse en 3formas hindamentales: las denominadas
simples, que son aquéiias que catalizan unareaeeión s e n d a aunque mi estructura
puede ser muy compleja; los complejos multieiizimsticns que es& formados por
agrupaciones de enzimas unidas por fuerzasno cmalentes y que catalizan varias
reacciones sucesivas en una vía metabóüca, y las enzima8 multiiüncionales, que
sw emzimas de gran tamaño formadas por una cadena polipeplídica que, en el
plegamiento que da lugar a la eshpciura tereiarig forman varios centros activos
que les permiten la catsilisis de varias reaeOones sucesivas en una vía metab6lica.
Estas formas de las enrimas pueden encontrarse solubles en el c i t o p h a o
unidas a mmpouentes esbucturales de las eélulas, donde las membranas mnstlhyeu el máximo exponente. Las enzimas unidas a membranas pueden ser no
vectoriales, si üganel sustrato y liberan el producto del mismo lado de la membrana, y vectoriales si ligan el wsbato y liberan el producto en lados diferentes de la
membrana aetusndn a la vez mmo enzimas y transportadores.
Estas formas de organización de las enrimas permiten que los intermediarios
mn el mnjoato de mmpuegtcs de
pasen de un centro acíivo a otro sin equüibla eélnla, fen6meno que ha recibido el nombre de cauaüzacióa
Las enzimas simples, los complejos multienzim6ticos y las enzimas
multifuncionales pueden agruparse formando grandes asociacioues
supraeozimaücas que cataüzan una vía metabólica wmpleta y, que en ocasiones,
pueden estar unidas a membranas intraeelulares.
Estas situsaoues estudiadas aportan nuevos elementossobre el problema del
tamaño de las enzima8, pues además de los facture4 ya wnocidos se precisa la
exisiencia de mnas de intemd6n que permitan su amiación con otras enzímas, al
menw en algún momento de su funcionamiento.
1.¿Por qué podemos afirmar que la distribución de las enzimas en el interior y exterior de las células constituye un nivel de organización de éstas?
2. ¿Qué ventajas tienen las enzimas multifuncionales sobre los complejos
multienzimáticos?
3. ¿Cuál cree usted que debe ser la principal característica estructural de las enzimas
vectoriales?
4. ¿Qué ventajas generales presenta el fenómeno de canalización?
5. ¿Por qué la existencia de canalización puede ser un indicio de asociaciones
supraenzimáticas?
6. ¿Por qué son tan grandes las enzimas?
En numerosas ocasionespara poder catalizar una reacción, además de la enzima,
se requiere de otra molécula de bajo peso molecular -en relación con el peso de la
enzima. Estas moléculas realizan diversasfunciones que contribuyen de manera decisiva al desarroiio de la reacción, son los Llamados cofactores enzimáticos. Los cofactores
enzimáticos son necesarios en muchas reacciones, ya que las enzimas poseen en la
cadena R desus aminoácidos un númerolimitado degmpos funcionales que no incluyen todos los necesarios para intervenir en los mecanismos de las reacciones
metabólicas; aunque en algunos casos los cofactores no presentan grupos diferentes a
los presentes en la enzima, como el -SH o el -S-S-, que no son diferentes a los de la
cisteha y la cistina. Las características estmcturales de estos cofactores le confieren
ca~acidadde translocación mover sus gmoos reactivosde un sitio a otro dentro de la
molécula- que no pueden realizar ninguno de los aminoácidosproteínicos; estos movimientos pueden ser esenciales en algunas reacciones metabólicas catalizadas por
complejos mnltienzimáticos.
Aun cuando la función determinante la desempeña la enzima, y de ella depende
tantola especificidad deacción comola del sustrato,la participación de los cofactores
es imprescindible, pues se ha comprobado que sin ellos hay reacciones que no son
posibles.
En este capítulo se estudiará cada uno de los cofactores enzimáticos conocidos
tanto de forma eshuciural como funcional. Este conocimiento es necesario para mejor
comprensión de las miasmetabólicasen particulary de la actividad celular engeneral.
- .
Tipos de cofaetores
Desde el punto de vista de su estmctura química podemos distinguir 2 tipos de
cofactores: los iones inorgánicos y los compuestos orgánicos, a estos últimos se les
denomina coenzimas.
No se ha podido elaborar una clasificaciónfuncional de los cofactores, aunque
algunos participan en un tipo de reacción, otros intervienen en un número tan variado
qnenoes posible atribuirlosa ningún grupo.
Otro criterio utilizado anteriormentefue el grado de fortaleza de la unión entre el
cofactor (especialmente las coenzimas) y la proteína enzimática, designando como
coenzimas aquéllas que se unían débilmentey podían separarse por diálisis, y gmpos
prostéticos a los que se unían de manera fuerte, en ocasiones de forma covalente, que
no eran separables por ese procedimiento. En este caso cabe la misma observación que
en el anterior, ya que hay algunos tipos de cofactores que siempre se unen de manera
fuerte a la enzima, en tanto otros unas veces se ligan con fuerza y otras no. Los ejemplos de cada caso se verán en todo el capítulo.
Formas de actuar los cofactores inorgánicos
Los iones inorgánicos participan en un amplio y variado número de reacciones
bioquímicas; seestima queuna tercera parte de las enzhas requieren de un ion inorgánico en algún momento de la catálisis.
Los cofactores inorgánicos son casi siempre cationes divalentes como el Mg"',
Cah, Mn2+,Znh, Fe2+,etcétera, aunque también pueden ser monovalentes como el Kt
e incluso aniones como el CI-;algunos de estos iones se encuentran unidos tan fuerte
a la enzimaque se pueden obtener juntocon ella en el proceso desu purificación,otros
lo hacen tan débil que una vez purificada la enzima deben ser añadidos para que ésta
recobre su actividad.
Aunque intervienen en múltiples reacciones podemos distinguir 3 formas fundamentales de actnar:
1. Contribuyen a la unión entre la enzima y el sustrato, como si fueran una especie de
"puente iónico" entre estos 2 componentes de la reaccián,como el caso del Mg2+
en las quinasas.
2. Estabilizan la proteína enzimática en su conformación más activa y de esta forma
contribuyen a la catálisis, éste es el caso del Cahen algunas lipasas.
3; Constituyen de por sí el centro catalítico principal, pero al unirse a la proteína
enzimática aumentan su eficiencia y adquieren especificidad, es el caso del Fe2' en
numerosas oxidorreductasas.
En ocasiones resulta difícil distinguir cuándo uno de estos elementos actúa como
cofactor y cuándo como activador.
Formas de actuar las coenzimas
Las coenzimas pueden defuiirse comomoléculas orgánicas que poseen propiedades
fisicoquímicas específicas, que no forman parte de la cadena polipeptídica de las
enzimas y actúan junto con éstas en la catálisis de las reacciones bioqnímicas.
En la mayona de las reacciones, las coenzimas actúan transportando una pequeña
parte del sustrato como electrones,átomos o grupos funcionales. Desde este punto de
vista se distinguen 2 tipos principales: los transportadores interenzimáticos y los
intraenzimáticos.
El mecanismo general de la reacción en el primer caso comprende las etapas
siguientes:
1.Combinación del cofactor (CoF)con una enzima (El).
2. 'kansferencia de parte del sustrato (S-X) al cofactor.
3. Migración del cofactor (CoF-X) deuna enzima (El) a otra enzima (E2).
4. Transferencia del grupo al sustrato (M) de la segunda enzima.
5. Disociación del cofactor (CoF)de la segunda enzima.
Esta es probablemente la forma más frecuente de actuar las coenzimas, como
cofactor de 2 enzimas y como cosnstrato de cada una de ellas.
Los transportadores intraenzimáticos (también Uamados grupos prostéticos)están
unidos de manera covalente ala proteína enzimática y transfieren parte del sustrato de
un sitio a otro dentro de la misma enzima o a otro cofactor.
Los cofactores orgánicos pueden realizar otras funciones que, aunque menos generales que las anteriores, no dejan de ser importantes,como: modificar el estado de
agregación en enzimas multiméricas; molde o plantilla que dirige el orden de incorporación de los precursores en una macromolécnla informacional;iniciador @rimer)de
la síntesis de macromoléculas, e intermediarios intercambiables como sucede en el
caso de las mutasas. En este capítulo trataremos principalmente de coenzimas que
actúan por los 2 primeros mecanismos y para los cuales realmente se introdujo en la
bioquúnica esta denominación.
Las vitaminas son sustancias químicas que deben ser ingeridas por el organismo
para su normal crecimiento y desarrollo. Un estudiodetallado de éstai desde el punto
de vista nutricional se presenta en el capitulo 73 de la sección de nutrición. Es un
hecho comprobado que muchas vitaminas, especialmente las hidrosolnbles, tienen
importancia funcional por ser componentesde la estructura de las coenzimas, por ello
muchas veces se habla de formas coenzimáticas dedeterminada vitamina. En la porción vitamínica de la coenzima en general radica el grupo funcional específico de la
coenzima, aquél que es transformado por la acción de la enzima; pero es necesario
tener presente que no todas las vitaminas forman parte de coenzimas, ni todas las
coenzimas contienen una vitamina en su estructura.
De inmediato se pasará al estudiosistemáticode cada una de las coenzimas.
Estas coenzimaspresentan la nicotinamida,integrantedel complejo vitamínico B
como parte de su estructura, que está compuesta por un nucleótido de nicotinamida y
otro de adenina unidos por un enlace anhídrido fosfórico 5'-5'. Existen 2 formas
coenzimáticas: el nicotinadenindinucleótido (NADA)y el nicotinadenindinucleótido
fosfatado (NADP*)cuyas [email protected] muestranen la figura 19.1.
Fig. 19.1. Estructura de los piridín
nueleótidas. Están formados por
un nucleótido de nicotinamida (en
rojo) y un nucleótido de adenina,
unidos par un enlace anhídrido
fosfórico.
Tanto el NAD' como el N A D P participan en reacciones de oxidación-reducción
cataliadas por deshidrogenasas.Una reacción típica es la catalizada por la alcohol
deshidrogenasa:
CH,-CH,-OH
+
NAD'-
CH,-CHO
+ NADH + H*
La mayoría de las enzimas que utilizan pindíu nucleótidos son específicasparael
NAD' y el NADP, excepcionalmente algunas pueden emplear cualquiera de los 2.
La conversión de NAD' a su forma reducida NADH se acompaña de cambios
evidentes en sus propiedades espectroscópicas. El NAD*tiene una banda de absorción
en 260 nm que disminuye al reüu&e,mientras apareceotraen340 nm. Estacaracterísticase emplea con frecuencia para medir la actividad de enzimas dependientes de NAD'
en ensayos continuos.
El grupo funcional, que es transformado durante la catálisis, es el anillo de
nicotinamida que puede captar o ceder un ion hidruro (H-).
Los piridín nucleótidos funcionan con enzimas que sustraen (o incorporan) al
sustrato 2 átomos de hidrógenos unidos (directa o indirectamente)al mismo átomo de
carbono; como de los 2 átomos de hidrógeno sustraídos al snstrato sólo un ion Wse
incorpora a la coenzima, esto hace que se libere un Ht al medio para crear en las
reaccionesuna dependencia del pH. Las deshidrogenacionesse ven favorecidas en pH
elevado y dificultadasen pH bajo.
Esto se hace más claro si se analiza la reacción de la alcohol deshidrogenasa ya
mencionada:
CH,-CH2-OH
+ NAD' -3 CH,-CHO + NADH + H+
cuya constante de equilibrio (capítulo 15)viene dada por:
Ke=
[CH, - CHO] [NADH] [H']
ICH, - CH, OH] [NAD']
que reordenando tendremos:
[CH, - CHO] [NADH]
Ke = IH'~.
[CH, - CH, OH] [NAD']
como se vio en el capítulo 14,para una temperaiura y presión dadas el valor de Ke no se
altera, por tanto,si el valor de [H+laumenta'. -y por lo tantoel pHdisminuye-,elvalor de
Ke se mantiene constante si disminuye el valor de la fracción quemultiplica a [Hi]. Una
disminución en el valor de la fracción significa una diminución en la concentración de
los productos (que aparecen enel numerador) oun aumento en la concentración delos
reactantes, (que aparecen en el denominador) o ambos, lo cual equivale a decir que al
disminuir el pH,el equilibriose desplaza hacia la formación de los reactantes.
Los piridín nucleótidos transfieren equivalentesde reducción entre 2 sustratos o
entre un snstrato y otra coenzima, por lo cual su funcionamientorepresenta un ciclo de
oxidación-reducción alternante.
16
En el metabolismo,el NAD' funciona generalmente en reacciones de oxidación de
sustratos,y el NADP,en las de reducción; por lo cual el primemeseminentemente una
coenzima catabólica y el segundo anabólica. Existen enzimas llamadas transdeshidrogenasas que caíalizan la transferencia de hidrógenos de una a otra coenzima:
+ NADP'L
NADH
NAD'
+
NADPH
Existen otras reacciones como las de epimerización, aldolizacióno eliminación
de aleunos zruiios del sustrato donde el NAD' actúa en un ciclo de oxidación-reducción del sustrato dentro de la misma reacción, promoviendo la aparición de grupos
reactivos en el sustrato, que facilitan la acción de las enzimas. En estos casos, como el
de la UDP-galacto epimerasa el NAD' actúa como un grupo prostético.
u
H
-E-OH
I
HO-C-
I
A
E- NADH
+
+H
1
I
E NADH
H-C-OH
HO-C-
H
,i<~.>-C- 3
H
c=:;
1
H-C-OH
H - c-OH
1
1
H - C-OH
I
H
Gaiactosa
Glucosa
A d e d de la función del NAD' en las reaccionesde oxidación-reducción, que s i
dudas cu la m i \ importante, esta cwniima participa en otras reacciones. Se conucr su
participación en las reaccionacataliwdas pur la .ADK ligasa (capitulo25J.dondeactÚa
como donante de m w s adenilatos. Por otra arte, también es coenzima en reacciones
donde se t d e ; airoteínas uno o varios &pos ~ribosil-ADPCO~IO
cual se modiñca
la actividad de estas proteínas, como se verá en el capítulo 30. En el caso de los piridín
nucleótidos se evidencia también el principio de multiplicidad de utilización.
Las flavinas constituyen un grupo numeroso de sustancias en la naturaleza, la
riboflavina, o vitamina B,, es la que forma parte de estas coenzimas. Se presentan 2
formas coenzimáticas: el flavinmononucleótido (FMN)y el flavinadenindinucleótido
(FAD) cuyas estructuras se reproducen en la figura 19.2.
HEI
OH
H-C-OH
I
H-C-OH
I
N
H-C-H
-0
1
1
FMN
1
"H
FAD
OH
1
Fig. 19.2. Estructura de los flavin
nucleótidos. Formados por un
nucleótido de riboflavina y otro
de adenina, unidos por un enlace
anhídrido fosfórico; el grupo funcional es la isoalaxaeina (en rojo).
Las 2 formas participan en reacciones de oxidaciún!reducción catalizadas por
deshidrogenasas y oxidasas, un ejemplo de las primeras es la reacción catalizada por
la succinato deshidrogenasa:
HOOC-CH,-CH,-COOH
+ FAD
HOOC-CH=CH-COOH
+ FADH,
y de las segundas la reacción catalizada por la glicina oxidasa:
H,N-CH,-COOH
FADH,
+
FAD --N
HCO-COOH + NH,
+ FADH,
+ 0, ---+
H,O, + FAD
que sumadas dan:
H,N-CH,-COOH
+ O,
A
HCO-COOH + NH,
+ 40,
La reducción del FAD también seacompañade cambios en su espectrodeabsorción que se emplea con los mismos fines que en el caso del NADt.
El grupo funcional de estas coenzimas es el anillo de isoaloxacina, que puede
pasar de su forma oxidada a semirredncida y reducida al captar 1ó 2 átomos de hidrógeno, sin liberar protones al medio.
Los flavín nucleótidos funcionan con enzimas (flavoprotehas) que sustraen
2 átomos de hidrógeno de carbonos adyacentes, originando compuestos insaturados
como en el caso de la snccinato deshidrogenasa.
Los flavín nucleótidos se encuentran generalmente como grupos prostéticos y
actúan entre un sustrato y una coenzima o entre 2 coenzimas.
El ácido lipoico es también un componente del complejo vitamínico B (Fig. 19.3).
Fig. 19.3. Estriictura del ácida lipoica. Una cadena carbonada de 8 carbonos, que presenta 2 grupos
funcionales -SH (en rajo) y el grupo carbaxilo que le permite m i n e a 1s proteína enzimáties
para formar la cstruitura de la caenzima.
Casi siempre se encuentra unido de forma covalente a la enzima por un enlace
amida entre su grupo carboxilo y el grupo amino de la cadena lateral de una lisina
(lipoamida); la parte funcional de la molécula está constituida por los gmpos -SH que
pueden reducirse y oxidarse de manera alternativa.
El tipo de unión coenzima-enzimahace que el grupo funcional (-SH) esté unido a
ima larga cadena carbonada que le permitegran movilidad,por lo que puede trasladarse grandes distancias dentro de la enzima.
La función metabólica de esta coenzima es participar en el complejo proceso de
descarboxilación oxidativa de u-ceto-ácidos, como la reacción de conversión del
a-ceto-glutárico en succinil-COAque se estudia en el capítnlo 38.
El glutatión es un tripéptido que estádistribuido de forma universal en los seres
vivos (Fig. 19.4).
Además, gracias a la presencia de los grupos -SH, el glutatión funciona en reacciones de oxidación-reducción.
Glutatión
Esta coenzima es muy importante en los mecanismos involucrados en el mantenimiento de la estructura de las membranas celulares, especialmente en los eritrocitos,
pues parücipaen los mecanismos de defensa contra el estrésoxidativo; su papel en el
mantenimiento de la forma de los eritrocitos se verá en el capítulo 63.
y- Giu
GYS
Gli
Fig. 19.4. Estructura del glutatión. El ácido
glutárnieo se enlaza por el
rarboxilo de la cadena lateral a una
eisteina que contiene el grupo funcional (en rajo) y por última a la
glicina.
Las porfirinas constituyen un grupo numeroso de sustancias de amplia distribución en la naturaleza, su estructura está formada por 4 anillos pirrólicos sustituidos,
unidos por puentes metínicos y un catión divalente coordinado de manera central y
que con mayor frecuencia es el Mg" -como en la clorofila- o el Fe2+-como en la
hemoglobina-. Posiblementeel representante de este grupo más abundante en la naturaleza es el grupo hemo (Fig. 19.5).
Fig.19.5. Estructura del grupo hemo. Farmado por 4 anillos de pirrol, sustituido por 4 grupos iiietilos en 1,3,
5 y 8; 2 vinilos en 2 y 4, y 2 ácidas
propiónicos en 6 y 7. El átomo de
hierro central se coordina con los
nitrógenos de los pirroles y otros
2 sustituyenles que varían según
la enzima.
Estas cwnzimas se unen a la enzima (hemoproteínas)de forma diversa y pueden
actuar en estadode FP,Feao alternandode una a otra, de esta última forma intervienen como coenzimas de oxidación-reducción, tal es el caso de los citocromos de la
cadena transportadora de electronesque se estndian en e1capítulo 39.
La biotina constituye un compuesto esencial para el crecimiento y desarrollo de
los seres humanos, está compuesta por un anillo de tiazol y un imidazol fundidos y
sustituidos, y una cadena lateral de ácido valérico (Fig. 19.6).
N
Fig. 19.6. Estructura de la biotina. La estructura cíclica formada por el
imidazol sustihddo y el tiofeno y
la larga cadena lateral forman la
estructura de esta coenzims.
o
CH-CH-CH-CH
2
2
2
.
11
2
C~-'\-:::
!
!-!
~
.,;;,
~,
; ! ! - ~ <. .,
-
'~
~
I
:I
c=:i
En general se encuentra unido deforma covalente a la enzima mediante un enlace
amida, enhpsu grupo carboxiioy el amino de lacadena lateral de una lisina (biociüna);
este tipo de unión le confiere al gmpo funcional las mismas propiedades que las
descritas para el ácido Lipoico; participa en 2 tipos de reacciones: la carboxilación
dependiente de ATP que resulta hidrolizado en ADP y Pi, como en la acetil-COA
carboxilasa:
C3IgWS3A
+ CO, + ATP --+ HOOCCI+WSCOA'+ ADP + Pi
y de transcarboxilación, como la catalizada por la metilmalonil:oxalacetato:h.ansearbom
El mecanismo de las reacciones dependientes de biotina incluye 2 etapas; la
primera, que mquiem ATP,el CO, es incorporado al N-4de la biotina Liberando ADPy
Pi; una segunda etapa, el CO, se transfiere al sustrato.
El pirofosfato de tiamina es la forma coenzimáticade la tiamina o vitamina B,; en
su estrnctura presenta un anillo de pirimidina sustitnido, unido por un grupo meoleno
a un anillo de tiazol también sustituido, unido a su vez por un gmpo etilo al pirofosfato
como se muestra en la figura 19.7. La vitamina carece del gmpo pirofosfato.
Fig. 19.7. Estructura del pirofosfato de
tiamina. La cstruetura fstá formada por una pirimidina sustituida,
enlazada por un metileno a un grupo tiazol sustituida, que se une al
pirofosfata par un grupo etilo. El
anilla de tiazol constituye el núcleo funcional de esta coenzima.
1.La descarboxilación no oxidativa de a-ceto-ácidos.
2. La descarboxilación oxidativa de a-ceto-ácidos.
3. La formación de a-cetoles.
El sitio funcional de la molécula es el g ~ p tiazol
o
que puededisociar un protón,
dando origen a un carbanión que reacciona con el grupo ceto del sustrato, que se
descarboxila,y da origen a un compuesto intermediario muy reactivo.
Todas las reacciones que dependen del pirofosfatode tiamina (PPT)son básicamente similares;en cada caso un enlace C-C adyacente al grupo feto se rompe, dando
un intermediario estable; la reacción de esteintermediarioconun H+generaun aldehído
(descarboxilación no oxidativa),con un agente oxidante, como el ácido lipoico, origina un ácido (descarboxilaciónoxidativa) y con un grupo carbonilo,un a-cetol (formación de a-cetoles) (Fig. 19.8).
d . ,
Fig. 19.8. Mecanismo general del pirofosfato
de tiamina. La eoenzima reacciona con el cetoácido y forma u n
intermediario estable (entre earehetes): (a) La reacción con un
can un agente oxidante para la
deaearboxilaeión oxidativa y (c)
can un aldehida en la formación
de a-eetoles.
El ácido tetrahidrofólico (FH,) es la forma coenzimática del ácido fólico, su estruciuraestáfonnadapor unapteridina,el ácido p-amino-benzoicoy el ácido gluiámico
(Fig. 19.9); pueden encontrarse formas que contienen hasta 7 moléculas de ácido
glutámico unidas por enlaces isopeptídicos, aquéllos donde interviene el gmpo
carhoxilo de la cadena lateral.
Fig. 19.9. Estructura del tetrahidrafolato.
Formada por un anillodepteridina
unido al ácido para-amino-benmico y Éste al ácido glutámico.
Los N de las posiciones 5 y 10 son
loa grupos funcionales de la
eoeniima.
P - aminobenzoico
Pteridina
Ácido glutámico
La parte funcional de la molécula está representada por los nitrógenos que ocupan
las posiciones 5 y 10, esta coenzima presenta múltiples formas interconveriihles (Fig.
19.10). Numerosos ejemplos de reacciones en que participa alguna de estas formas
coenzimáticas se presentan en este texto.
N
I
H
H
H
~~
5 10
N N metilen - FHd
5
N - rnetilen - FH
F.
ADP + Pi
5
10
N N - rnetenil FH,
Fig. 19.10. Formas coenzimáticas del
tetrahidrofolato. Distintas formas
caenzimáiicas del kteahidrohlato
y sus interconvenianes.
5
N - formimino -FH,
H
+ I
H,N -c-COOEsta coenzima se forma por la reacción entre la metionina y el ATP, dando como
resultado una estructura que contiene un grupo metüo muy lábil y por tanto puede
cederse fácilmente,como se observa en la figura 19.11.
Presenta una interacción con el NS-metü-FH,,que es necesario para regenerarla
después de cada reacción, un ejemplo es la metilación del ácidoguanidinacético para
la formación de creatina.
Ácida guanidin acético
I
CH.
Fig. 19.11. E s t r u c t u r a de la s-adenosil
metianima. Al unirse la rnetionina
al grupo adenosilo, el metilo (en
rojo) se torna extremadamente Iábil y puede cederse de manera fácil en reacciones de rnetilación.
Creatina
Al ceder el grupo metilo la S-adenosil-metionina (SAM) se transforma en
S-adenosil-homocisteína(SAH) que, al reaccionar con el NS-metil-FH,,regenera la
forma activa de la coenzima.
La coenzima A es la más sobresaliente de las coenzimas que en los sistemas vivientes transfierengrupos
acilos; su existencia universal y la gran variedad de reacciones en que intervienen sus derivados enfatizan su importancia.
La eshiehira de la molécula es muy compleja y presenta numerosos grupos funcionales (Fig. 19.12).
~~
NH.
4 fosfo panteteína
I
1
/
HS -CH.-CH,-N+
'
I,i
P - mercapta i
etilarning
O
II
C-CH-CH~N-
O
l
c
I
H
H CH,
I I
CI
l
OH CH,
O
Ácido pantoténico
OH
1
o - P=
o
I
0-
Entre estos grupos se destacan el ácido pantoténico (componente del complejo
vitamínico B) y la P-mercaptoetilamina,quejuntos forman la Cfosfo-panteteína y un
nucleótidode adenina.
Muchas experiencias han demostrado que la parte reactiva de la molécula es el
gmpo tiol (-SH)final; es común utilizar la abreviatura CoASH para denotar esta
coenzima.
Fig. 19.12. Estructura de la coenzima A.
Está formada por un nucleótido
de adenina unido a un grupo de
4-fosfupanteleina; ésta, a su vez,
se forma por la unión del ácido
pantoténico con la P-mcreaplo
etilaniina.
La formación de los derivadosacMcos se cataliza por enzimas sintetasasy requieren ATPcomo fnentede energía:
R-CH,-COOH
+ CoASH + ATP-
R- CH,. COSCoA+ AMP + PP
Una vez unido el gmpo acilopuedeexperimentar numerosas reacciones, como su
transferencia a un aceptor en la reacción de la citrato sintasa,donde el grupo aceWo de
la acetil-COAse transfiere al oxalacetato con formación de citrato.
Acetil- COA
H
t
. COOII
0,
C-COOH
I
H.C - COOH
I COOH
H:CÁcido cítrica
Ácido oxalacético
Cuando los grupos acilos son grandes su unión con la CoASH proporciona una
ventaja adicional, pues contribuye a la solubilidad de estos compuestos en el seno
celular eminentementeacuoso.
El grupo de Cfosfo-pantetehaseha encontradotambién unido de forma covalente
a una proteína denominadaproteína transportadora deacilos (PTA) que forma partede
la sintetasa de ácidos grasos.
Fosfaio de piridoxal
El fosfato de piridoxal es una de las coenzimas que intervienen en un mayor
número de reacciones enzimáticas,casi todas relacionadas con el metabolismo de los
aniinoácidos; desdeel punto devista nutricional deriva de la piridoxha o viiamina B,.
Como vitamina B, se reconocen al menos 3 compuestos: piridoxol, piridoxal y
piridoxamina; las formasfosfatadasde los 2 últimos presentan actividad coenzimática
(Fig. 19.13).
Fig. 19.13. Formas cocnzimáticas de la
piridoxina. Ambas formas contienen un anillo de piridina sustituida; si en la posición 4 tiene un
gmpo aldehído se forma el fosfato
de piridoxal (PAL), pero si es un
grupo metilamina entqnces será la
piridoxamina (PAN). Estas san las
2 formas coenzimátieas de la
piridoxina o vitamina B,.
1
3 -P-b-cH,
I
0-
o::] o:']
Il
O -P-O-CHI
I
0-
U
..1
UI
..
PAL
PAN
Entre las reacciones que interviene esta coenzima se encuentran:
1.Racemizaciónde aminoácidos,a partir de un enantiomorfo se obtiene una mezcla
de los 2.
cocí
l
H l\'-C-H
cooI
H- C-NH
I
I
CH
CH
L - alanina
D - alanina
2. Descarboxilaciónde aminoácidos con formación de compuestos de gran actividad
biológica denominados aminas biógenas.
coo
+
NH,
1
l
H,N-C-H
CH,
CH,
coo
coo
I
l
Ácida 7- m i n o butírico
Ácido glutdmico
3. La deshidratación de la serina que produce pi~vico.
L - Serina
Ácido pinivico
4. La desaldoüzaciónde la senna que da lugar a la formación de glicina.
coo
coa
I
H,N-C-H
l
H-C-OH
+
m<
PAL
H,N-C
>
1
-H
N - metil - FH
+
1
5. Las reacciones de transaminación son las más importantes,interrelacionan el metabolismodelas aminoácidoscon el delos glúcidas; en estas reaccionesun aminoácido
reacciona con el fosfato de piridoxal (PAL)unido a la enzima y origina el cetoácido
homólogo y la coenzima es transformada en fosfato de piridoxamina (PAN).
y
@\
COOH
I
H3N- c -
l
l
c=o
+
7
CH3
2
@\
COOH
+
1
o\
CH,
L - alanina
Ácido pirúvico
I
1
La reacción del PAN unido a la enzima con un cetoácido dará lugar a un nuevo
aminoácido y la coenzima tornará a su estado inicial.
KHi
COOH
I
@\
C=O
1
CH,
COOH
+
I
H,N-C-H
@
H\
\
I
CH,
CH,
+
I
CH2
I
COOH
Acido ac - cetoglutanco
+
I
N
COOH
Ácido glutámico
/O
Este tipo de reacción fue tomado comoejemplodel mecanismopingpongen las
reacciones con 2 sustratos (capítulo 17).
En experiencias realizadas in vitro donde la enzima era sustituida por un ion
metálico polivalente, con temperatura cercana a los 100 "C, se observó que las reacciones ocurrían de forma inespecífica y de manera simultánea, esto llevó a pensar que
debía existir alguna etapa común en el mecanismo de la reacción.
Se propuso que el paso inicial consistíaen la formación de una base Schiffentrela
coenzima y el sustrato.
H
Esto puede producir el debilitamiento de los enlaces 1,2 ó 3; si la enzima actúa
sobre 1 estaríamos en presencia de una desearboxilación,si lo hacesobre 2 daríalugar
a la eliminación de diferentes grupos de la cadena R de los aminoácidos según el curso
ulterior de la reacción y la actuación sobre 3, así como la hidrólisis posterior del
intermediarioson los caminos para las reaccionesde transaminación.
Otras reacciones en que participa el PALcomo en la glucógeno fosforilasa serán
objeto de estudio en los capítulos correspondientes.
Esta coenzima es un derivado de la vitamina B,,,su estructura consiste en un
anillo de corrina con un átomo centralde cobalto; lacorriua tiene comolas porfirinas
4 anillos pirroles, sólo 2 de ellos (A y D) están enlazados directamente, además, están
unidos a grnpos metilos, propionamida y acetamida. El átomo de cobalto presenta6
valencias de coordinación, 4 de ellas están enlazadas con los N de los pirroles; el
ouinto sustituvente es el nucleótido de 3'dimetilbenzoimidazol monofosfato aue se
une a la cadena lateral de acetamida del anillo D por un grnpo aminoisopmpanol;y el
sexto sustituyente (que en la vitamina puede ser CN-,OH-ó -CH,) en la coenzima es el
S'desoxiadenosilo proveniente del ATP(Fig. 19.14).
Hasta el momento se ha podido comprobar la participación de la coenzima BI2en
4reaccionesenzimáticas: malonil-COAmiitnsn. ~11ii:iiii:it11 mutasa, dio1deshidrogenasa
y la conversión de homocisteína en mcti~iiiiii;i.
Sólo se examinaráhprheraconio ejemplo,dondese pri~duceunreordenamiento
de la molécula del sustrato originado por el cambio de posición de un H y del grupo
CoASH entre carbonos adyacentes.
coo
1
COO
1
H-N
1
,
CH2
1
&JcHN
3
H , C CH
\
0
(,+P.'
O
\
CH,
-
O
\
Esta reacción permite la oxidación del metil-malonil-COAal transformarlo en
succinil-COA,que es un intermediario del ciclo de Krebs; se estudia detalladamenteen
el capítulo 38.
La estructura de estos compuestosse estudióen el capítulo 8 como precursores de
los ácidos nucleicos, de ellos sólo a los ribouucleótidos se les conocen funciones
Coenzimáticas.
AdenoSmhiPosleto (ATP). El ATPparticipa en numerosas reacciones,sirve como
fuente de energía, de elementos estructurales o ambas; al primer grupo pertenecen
aquellas reaccionesdonde los productos no contienen los grupos de la coenzima como
la formación de derivados acilicos de la CoASH ya estudiados.
Fig. 19.14. Estructura de la coenzima B,,.
Sus componentes estructurales son
3: un anillo de earrina muy sustituido (en negra), un nucleótido de
benzaimidazol (en azul) y un
nueleósido de desaxiadenasilo (en
rajo).
Al segundo y tercer grupos pertenecen varios tipos de reacciones:
1.Transferencia de fosfato.
Hc3 -
@ -O-CH2
HO -CH,
+ A F
OH
-OH OH
H
OH
H
+
ADp
OH
Glucora - 6 - P
Glucosa
2. Transferencia de pirofosfato.
Ribosa - l - P
Fosfamibosil pirofosfato
3. Transferencia de gmpos adenilatos como en la reacción de la ADN ligasa de
eucariontes, queseestudia en el capítulo 25.
4. Transferencia de adenosilo, como en la formación de la SAM ya estudiada.
Guanosinbifo&to (GW). Su función es menos generalizada que en el ATP, pues
actúa casi siempre sirviendo de fuente de energía como en la reacción de la
fosfoenolpirúvicocarboxiquinasa.
Actúa como coenzima de transferencia de derivadosde monosacáridos en la sintesis de glicoprotwnas,estosderivadosse forman de manera similar a los derivados del
U T P que se estudian a continuación.
La función del GTP en el proceso de síntesis de protehas sr discute en el capitulo30.
Uridinbifosfaío 0.
Los nucleótidos de uridina mtervienen como coenzimas
que transfieren monosacáridosenformadeUDP-derivados,estw derivados se forman
por la reacción entre el UTP con un monosacáridofosfatado.
En una reacción posterior, el monosacárido se transfiere a un aceptor y el U D P
reacciona con el ATPregenerándoseelUTP.
Las reacciones en que intervienen se estudiarán en la sección dedicada al metabolismo de los glúcidos.
Citidintriffosfio(CTP).Actúa de forma similar alUTP, pero transfiere grupos al
nivel de oxidación de alcohol; interviene fundamentalmente en la formación de
fosfátidos de glicerina y esfingolípidos,su forma coenzimática se origina por reacción
del CTP con un alcohol fosfatado, por ejemplo:
CTP
+ COLINA-P
d CDP-COLINA
+ PP.
en una reacción posterior la colina se transfiere a un aceptor que pudieraser un ácido
fosfatidicoy se libera CDP, que por acción de una qninasa en presencia de ATPregenera el CTP.
Como se puede apreciar el conjunto de compuestos que pueden actuar como
cofactoresenzimáticoses numeroso y de gran diversidad estructural. La relación presentada no los incluye a todos, sólo a los más importantes; algunas coenzimas que
participan en reacciones muy específicasserán estudiadas cuandose analice esa reacción en particular.
Resumen
Los cofactores enzimáticos son sustancias de diferente naturaleza química,
que participan en las reacciones enzimáticasdebido a que las enzimas no poseen en
su estrnctnra todoslos grupos fhaonales necesarios parallevar a cabo la catáüs'i
de todas las reacciones metabólieas; los cofactores no son componentes obligados
de todas las reacciones.
Los cofactores pueden ser iones inorgánicos que facilitan l a unión enzima-sustrato o estabilizan la estrndura tridimensional de la enzima, o cnnstiiuyen por sílos eentros cataüticos que ganan eficienciay especiñcidad al unirse a las
pmteúias.
Las c o e w h a s son sustancias orgánicas que aun cuando pueden funcionar de
formas muy variadas, lo más frecuente es que lo hagan como transportadores
interenzimsticos o intraenzimáticas; muchas coenzimas son formas funcionales de
las vitaminas.
Las comzinuw pueden participar en reacciones de oxidación-reducción
como los piridín y flavin nudeótidos, el ácido üpoiw, el glutatión y las porñrinas.
La bioüna participa en las reacciones de carbonüaaón y transcarboxüaaón;
el pirofosfato de tiamina participa en el metabolismo de los a-do-ácidos en reacciones de descarbnnüauón oxidativa y no oxidativa, así como en la formación de
~ceto1es.
El tetrahidrofolato interviene en reaccionesde transferencia de fragmentos de
un carbono, igual que le S-adenasü-metionina
La ccazima A participa en numerosas reacciones donde se transfieren grupos
acilos, espedalmente con ácidos de cadena larga a los cuales ayuda a solubüizar en
el medio acuoso ciioplasmático.
El fosfaio de piridoxal interviene en ua gran número de reacciones relacionadas con el metabolismo de los aminoácidos, entre ellas la más importante es la
reacción de trailsaminacióu que relaciona el metabolismo de las proteínas con el
de los glúcidos.
La forma cwnzimática de la vitamina B,,participa en un númem reducido de
reacciones, especialmente en las fatalizadas por mutasas.
Por último, pueden señalarse funciones coenzim6ticas a los nucleósidos
trirosfatados, el más sobresaliente de todos es el ATP.
Ejercicios
1. ¿Cómo podría determinarse experimentalmentesi en una reacción de deshidrogenación intervieneel NADt o el FAD, sin necesidad de realizar estudios sobre la
esiructura del sustrato y el producto?
2. Haga un eshidio comparativo íanto estructural como funcional de las coenzimas
que presentan grupos -SH en su estructura.
3. ¿En qué se asemejan la biotina, el ácido lipoico y la Cfosfo-panteteína?
4. ¿Por qué puede afirmarse que las coenzimasfuncionan de acuerdo con el principio
de multiolicidad de utilización?
5. ¿Por qué el estudio de los cofactorespone en evidencia que la especificidad de sustrato y de acción pertenece a la proteína enzimática?
6. Relacione los 6 grupos principales de la clasificación de las enzimas con los
cofactores estudiados en este capítulo.
7. ¿Cuáles son las principales diferencias entre las coenzimils que intervienen en reacciones de transferencia de fragmentos de un carbono?
8. Haga un esquema que refleje el funcionamientode una coenzima que actúa como
un transportador interenzimátim.
Resumen de la secci6n
Los biocatalizadoresconstituyen un grupo importante de componentes de los
sistemas vivientes que permiten el constante y necesario intercambio de sustancia,
energía e información en- el ser vivo y el medio naiural fuera de él. Los biocatalizadores
en general están constiíuidos por 2 tipos de sustancias, las enzimas queson proteínas
especializadas en la catálisis y los cofactores que pueden ser de distinta naturaleza
química y que contribuyenal desarrollo de algunas reacciones ennmáticas.
La nota esencial en la estructura y función de las enzimas es el centro activo, una
formación flexible donde se organizan de manera armónica grupos químicos de las
cadenas laterales de los aminoácidos, en una distribución espacial determinada que
permiten crear las condicionesidóneas para la catálisis enzimática;su ubicación en la
superficie proteínica lo hace accesible al sustrato y le permite liberar fácilmente el
producto.
Los efectos de aproximación, inmovilización y orientación sobre los grupos
reaccionantes del sustrato, que se logran gracias al ajuste perfecto entre éste y la
enzima, favorecen el desarrollode las reacciones a velocidades extremadamente grandes; a su vez, la sensible estructura del centro activo lo hace «blanco, del efecto de
numerosos factores que pueden modificarlo, unas veces lo hacen más eficiente, otras
disminuyendo o aboliendo su eficacia.
Muchos de esos factores son componentes habitualesdela célula y contribuyen
en mayor o menor medida a regular la actividad de las enzimas. Es precisamente a la
estructura y las propiedades del centro activo que las enzimas deben sus propiedades
distintivas como la eficienciacatalítica, la especificidad de acción y la especificidad
de sustrato.
Las enzimas manifiestan su actividad en el incremento notable de la velocidad de
las reacciones y el estudio de éstas ha proporcionado una inestimable información
acerca delos mecanismos de acción de las enzimas. Las variaciones que se observan en
la velocidad de reacción al modificar los factores que en ella intervienenhan brindado
la posibilidad del diseño de fármacos, venenos, tóxicos, etcétera, que pueden ser nsados con diferentes fines según quién o quiénes lo empleen. Los profesionales de las
ciencias para la salud deben estar muy bien informados sobre estos tópicos.
La característica más sobresalientede los seres vivos es su permanente intercambio con el medio exterior, pero las condicionesambientales como la temperatura, la
humedad relativa,la disponibilidad de nutrientes, etcétera, cambian constantemente,
haciendo necesario que el organismo viviente tenga que adaptarsea esoscambioscon
riesgo de perecer. Esos cambios tienen su fundamento último en las variaciones que
tienen lugar en la intensidad y dirección de las vías metahólicas, cuyas reacciones
están catalizadas por ennmas.
La posibilidad de las enzimas de variar la intensidad de su función como respuesta
a estímulos específicos permite esas adaptaciones.La regulación de las enzimas y con
ella la del metabolismoconstituye un aspecto importante de la existencia de los seres
vivos y sus alteracionespueden conducir a la aparición de estados morbosos.
En los organismosplnricelulares existe el fenómeno de la especializacióncelular
y en parte éste se debe ala diferente dotación enzimática en cada uno de los órganos
y tejidos. Asimismo hay una distribución diferenciada de las enzimas en los
compartimentosintracelulares; esta situación crea dn flujo de sustanciasdentro del
organiimo que garantiza el funcionamiento armónico de los millones de células que lo
integran.
La eficiencia de las enzimas es asombrosa, pero puede serlo aún más debido alas
formas en que se organizan. Desde las enzimas sencillas hasta los grandes agregados
supraenzimáticos contribuyen a incrementar notablemente todas las propiedades
catalíticas de las enzimas, estas agrupacionesproporcionan'una base Esica a las vías
metahólicas y hacen que ellas no dependan del encuentro casualentre elsustrato y la
enzima. A pesar dela gran diversidad de grnpos químicos reactivos presentes en las
cadenas laterales de los aminoácidos, éstos son insuficientes para funcionar como
catalizadores en todos los tipos de reacciones en que participan las enzimas; por ello
ha sido necesario la cooperación con sustancias de bajo peso molecular llamados
cofactores,que aportan los grupos de los cuales carecen las enzimas.
Estos cofactorespresentan una gran diversidad estrnctural y funcional de forma
tal que pueden actuar con un buen número de enzima5 con diferentes especificidades.
El hecho de que en la composición deestos cofactores participan vitaminas y minerales vincula a los biocatalizadores con los aspectos más importantes de la nutrición.
Una nutrición deficiente puede producir alteraciones en el funcionamiento de las
enzimas y, por tanto, en el metabolismo celular que crean un grave peligro para la salud
del individuo y semanifiestan por síntomas y signos que reflejan su carencia.
Por todas estas razones los biocatalizadores,y especialmente las enzimas, constituyen uno de los nódulos fundamentalesen el conocimiento de los fenómenosvitales
al nivel molecular.
Pero aún todo ello es sólo una de las caras del problema, la aplicación práctica de
la enzimologia es de gran utilidad en campos tan diversos comolaindustria,la agricultura y las ciencias médicas, en estas últimas las enzimas pueden ser utüizadas para el
diagnósticode numerosas enfermedades y en el tratamiento de algunas; aunque aún el
campo de esta aplicación está limitado.
Mucho queda por conocer sobre las enzimas y su funcionamiento,pero el conoomiento actual nos permite tener cierta precisión de su importante función en el surgimiento y mantenimientodela vida.