1 Introducción • El atributo más sobresaliente de los

Introducción
• El atributo más sobresaliente de los seres vivos, es su complejidad y su grado de
organización.
• Poseen estructuras internas intrincadas, que contienen muchas clases de moléculas
complejas.
• Cada una de las partes de un organismo vivo, cumple un propósito o función específicos,
no solamente en lo referente a estructuras intracelulares, como el núcleo y la membrana
celular, sino también para los compuestos químicos individuales de la célula, como son los
lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.
• Los organismos vivos poseen la capacidad de extraer y transformar la energía de su
entorno, que utilizan, juntamente con materias primas sencillas, para construir y
mantener sus propias e intrincadas estructuras.
• El atributo más extraordinario de los organismos vivos, es la capacidad de producir una
réplica exacta de si mismos.
Bioquímica y el estado vital
• La meta de la bioquímica, consiste en determinar de qué modo el conjunto de moléculas
inanimadas que constituyen los organismos vivos, se influyen mutuamente para mantener
y perpetuar el estado de vivencia.
• Las moléculas que integran los organismos vivos, se rigen por todos los principios
químicos familiares. Además ejercen acciones mutuas, de acuerdo con otro conjunto de
principios, a los que nos referimos de modo colectivo, como la lógica molecular de la vida.
Biomoléculas
• La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestos
orgánicos de C, en los que se halla, relativamente, reducido o hidrogenado.
• Muchas biomoléculas orgánicas, contienen también N.
• Las proteínas y los ácidos nucleicos, son moléculas complejas (macromoléculas).
• Cada especie de organismo posee su propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos
nucleicos químicamente diferentes.
• Las proteínas están formadas por cadenas de 100 o más restos de aminoácidos
(compuestos menores de estructura conocida, unidos covalentemente).
• En las proteínas solo se encuentran 20 aminoácidos diferentes, pero están ordenados en
muchas secuencias distintas, de modo que forman numerosos tipos de proteínas.
• Los ácidos nucleicos están formados por moléculas largas y poliméricas, constituidas a
partir de conjuntos de solamente 4 unidades estructurales, los nucleótidos.
• Los 20 aminoácidos diferentes que integran las proteínas y los 4 nucleótidos diferentes
que integran los ácidos nucleicos, son idénticos en todas las especies vivientes.
• Las moléculas sillares con que están construidas todas las macromoléculas, tienen varias
características:
o Cada una de ellas desempeña más de una función en las células vivientes.
o Los aminoácidos, también actúan como precursores de las hormonas, los alcaloides,
las porfirinas, los pigmentos y otras muchas biomoléculas.
o Los mononucleótidos, también actúan como coenzimas y moléculas transportadoras
de energía.
• Las células vivas, sólo contienen las moléculas más sencillas posibles en el mínimo número
de tipos diferentes.
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Transformaciones energéticas en las células vivas.
• Los organismos vivos absorben de su entorno, formas de energía que les son útiles en las
condiciones especiales de temperatura y presión en que viven. La forma aprovechable de
energía que absorben las células es la energía libre, definida como, el tipo de energía
capaz de realizar trabajo, a temperatura y presión constantes.
• Y que devuelven después al entorno, en cantidad equivalente, pero en alguna otra forma
menos útil, consiste en mayor parte, en calor, que rápidamente se distribuye al azar en
el entorno, de modo que aumenta su desorden o entropía.
• La maquinaria de transformación de energía de las células vivas, está construida por
moléculas orgánicas relativamente frágiles e inestables, incapaces de resistir
temperaturas elevadas, corrientes eléctricas intensas o concentraciones extremas de
ácidos o de bases.
• La célula viva es isotérmica, en un instante determinado, todas sus partes tienen,
prácticamente, la misma temperatura. No existen diferencias importantes de presión.
• Las células extraen energía química de sus nutrientes orgánicos o de la luz solar, y la
utilizan para realizar el trabajo químico implicado en la biosíntesis de los componentes
celulares, en el trabajo osmótico necesario para el transporte de los materiales al
interior de la célula, o en el trabajo mecánico de la contracción y de la locomoción.
Enzimas y catálisis de las reacciones químicas en las células vivas.
• Las células poseen enzimas, catalizadores capaces de aumentar mucho la velocidad de
reacciones químicas específicas.
• Los enzimas, son moléculas proteicas muy especializadas, elaboradas por las células a
partir de aminoácidos sencillos.
• Cada enzima puede catalizar solamente un tipo específico de reacción química.
• Las reacciones catalizadas enzimáticamente, bajo condiciones suaves de temperatura y
de concentración de iones hidrógeno, son muy efectivas, extremadamente rápidas (en
milésimas de segundos pueden catalizar reacciones muy complejas) y tienen lugar con un
rendimiento del 100 % y no dejan subproductos.
• Los organismos vivos, pueden llevar a cabo de modo simultáneo, muchas reacciones
químicas diferentes, relacionadas entre sí, esto hace que sea posible la transferencia de
energía química desde una biomolécula a otra.
El ciclo de la energía en las células.
• Los organismos vivos recuperan y utilizan la energía, en su mayor parte en forma de una
molécula específica, el trifosfato de adenosina o ATP, el cual actúa como el
transportador de energía química más importante en las células.
• A medida que el ATP transfiere su energía a otras moléculas, pierde su fosfato
Terminal y se transforma en difosfato de adenosina o ADP, que puede, a su vez, aceptar
energía quimica de nuevo, por recuperación de un grupo fosfato, para transformarse
otra vez en ATP, por la energía solar, por la fotosíntesis (células vegetales) o por
energía química (células animales).
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Tema 1 – Composición elemental de los seres vivos.
• Las propiedades químicas de los átomos son debidas a los electrones de la última capa,
llamados ‘electrones de valencia’.
• Al formar enlaces los átomos tienden a adoptar la estructura electrónica del gas noble
más cercano.
o El Li tiene tendencia a perder un electrón y parecerse al He.
o El F tiene tendencia a ganar un electrón y parecerse al Ne.
• Tipos de enlace:
o Covalente:
! Hay fusión de orbitales y se comparten electrones.
! Une moléculas de electronegatividad similar.
! El C, O y N, al formar enlaces sencillos, los orbitales forman híbridos sp3.
! En los enlaces dobles, se forman híbridos sp2.
! En los triples, sp1, pero no son frecuentes en las moléculas biológicas.
! Los orbitales están orientados hacia el vértice de un tetraedro para que
haya menos repulsión.
! Enlaces más cortos y muy difíciles de romper.
o Iónico:
! Un átomo cede un electrón a otro átomo.
! Se da en compuestos formados por elementos muy electropositivos con
elementos muy electronegativos.
! Elementos + electronegativos tendencia a coger electrones.
! Elementos - electronegativos tendencia a dar electrones.
• Las biomoléculas tienen estructura tridimensional, moléculas muy grandes que
interaccionan entre ellas debido a interacciones débiles (enlaces débiles).
• Principales fuerzas débiles:
o Interacciones iónicas:
! Atracción entre grupos de diferente carga.
o Interacciones hidrofóbicas:
! Debido a la fuerte tendencia del agua a
excluir moléculas o grupos apolares.
! Tienen tendencia a ir al interior de la
molécula y agruparse entre ellas.
! Dan estabilidad a las proteinas.
o Puentes de hidrógeno:
! Se forma entre un átomo electronegativo y un hidrógeno unido a otro átomo
electronegativo.
! Se rompen muy fácilmente, mucho más débiles que los enlaces covalentes.
! En las proteínas hay muchos y mantienen su estructura muy estable.
! Forman enlaces altamente direccionales.
! Se pueden formar entre moléculas de agua y otras moléculas polares o
entre moléculas polares.
Entre un grupo
carbonilo y agua.
Entre dos cadenas
peptídicas.
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! En el hielo cada molécula de agua forma puentes
de hidrógeno con 4 moléculas, forma una
estructura reticular regular.
• Las propiedades del agua son debidas a las interacciones
entre sus moléculas:
o Posee puntos de fusión, ebullición y calor específico,
superiores a los de la mayor parte de los líquidos
corrientes.
o El agua es una molécula bipolar, se convierte en un dipolo
eléctrico.
o Es un buen disolvente.
• Equilibrio químico, si tenemos un bote cerrado con producto A, con el paso del tiempo,
observamos que la concentración del producto A disminuye y aumenta la del producto B,
llega un momento en que ambas concentraciones son iguales y es cuando hablamos de
equilibrio químico.
• En el equilibrio las dos velocidades son idénticas.
K1 – Constante de proporcionalidad
• La ionización del agua, es una reacción reversible.
La concentración del agua es constante y se puede incluir dentro de la
constante de equilibrio, dando entonces:
Kw, que es el producto iónico del agua.
o Hay pocas moléculas de agua que se ionicen.
o El producto iónico del agua, Kw, es la base para la escala de pH, constituye un
método para expresar la concentración de iones H + y de OH - .
! pH = 7 - Neutro.
! pH > 7 - Básico.
! pH < 7 - Ácido.
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• Ácidos y bases:
o Teoria de Bronsted-Lowry (1923)
! Ácido – tendencia a perder o dar un protón.
! Base – tendencia a aceptar o incorporar un protón.
o Un par ácido-base conjugado se define como un dador de protones y su
correspondiente aceptor de protones, entre los cuales pueden transferirse los
protones.
CH3COOH
Ácido
H+
+
CH3COO
–
Base
o La tendencia de cualquier ácido a ceder un protón, viene dada por su constante de
disociación, para el ácido AH, la constante de disociación, a una temperatura dada:
! Cuanto más fuertemente disociado se halle el ácido, menor es su pK.
! Cuanto más fuerte sea la base, mayor será el valor del pK de su forma
protonizada.
! Ácido fuerte es aquel que al mezclarlo con agua, se disocia mucho.
! Ácido débil es aquel que al mezclarlo con agua, no se disocia tanto.
o Curvas de tritación:
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! Son representaciones del pH, después de la adición de una determinada
cantidad de disolución estándar de una base de concentración conocida, al
ácido de que se trate.
! El pH inicial de una disolución de un ácido HA, antes de la adición de base,
da la concentración de iones H + en la disolución, a partir de la cual, se puede
calcular la constante de disociación del ácido que se valora.
! A medida que se efectúa cada adición de base, los iones hidroxilo añadidos,
se combinan con los de protones libres para formar agua, y de este modo,
obligan al ácido a disociarse de nuevo, para mantener su propio equilibrio de
disociación.
! En el punto medio de la valoración, en el que se han añadido exactamente
0,5 equivalentes de base, la mitad del ácido original se ha disociado de modo
que la concentración de HA es igual, en este momento, a la concentración de
A -. En dicho punto medio, el pH de la disolución es exactamente igual al pK
del ácido valorado.
! Si se continua la valoración, por adición de nuevas cantidades de base, el
resto del ácido HA, se convierte finalmente por completo en A – al
disociarse los protones y reaccionar con el OH – añadido.
o La forma de la curva de valoración de cualquier ácido viene expresada por la
ecuación de Henderson-Hasselbalch.
! Esta ecuación expresa adecuadamente la curva de valoración de todos los
ácidos débiles, ya que el pK de un ácido débil es igual al pH de la disolución
en el punto medio de la valoración, en este punto la concentración de AC – es
igual a la concentración de HAc.
! Con esta ecuación también es posible el cálculo del pK de cualquier ácido a
partir de la relación molar de las especies dador de protones y aceptor de
protones, a un valor de pH determinado
! También el cálculo del pH de un par conjugado ácido-base cuyo pK sea
conocido y para una relación molar determinada.
! Y también puede calcularse la relación molar del dador y del aceptor de
protones, cuando son conocidos el pH y el pK.
o Soluciones tampón:
! La curva de tritación de cada ácido, posee una zona relativamente plana, que
se extiende alrededor de una unidad de pH a cada lado de su punto medio.
! En esta zona, el pH del sistema varía relativamente poco, cuando se añaden
cantidades de H + o de OH -.
! Esta es la zona en la que un par conjugado ácido-base actúa como un tampón,
un sistema que tiende a resistir el cambio de pH cuando se añaden pequeñas
cantidades de H + o OH -.
! Para valores de pH fuera de esta zona, exixte mucha menos capacidad para
amortiguar las variaciones de pH.
! El plasma sanguíneo tiene una gran capacidad de tamponamiento.
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Tema 2 – Principios de bioenergética.
• La bioenergética es el estudio quantitativo de las transformaciones energéticas que se
dan en los organismos vivos, así como de la naturaleza de los procesos químicos
implicados.
• Universo:
o Sistema, es el conjunto de la materia bajo estudio.
! Aislado, sin intercambio de materia ni energía.
! Cerrado, con intercambio de energía pero no de materia.
! Abierto, con intercambio de energía y también de materia.
o Entorno, es el resto de la materia del universo, que no es el sistema.
• Función de estado, son las propiedades del sistema con un valor definido para cada
estado y que es independiente de la forma en que se llega a este estado.
• Propiedades de las funciones de estado:
o Al fijar los valores de algunas de estas funciones, automáticamente quedean
fijados los valores de las otras.
o Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios en las funciones de estado,
dependen unicamente de los estados inicial y final del sistema y no de cómo se
hace el cambio.
• Primera ley de termodinámica:
o En cualquier proceso, la energía total del sistema, más la de su entorno,
permanece constante. La variación de energía total del sistema es:
o Aunque la energía no se crea ni se destruye durante los procesos químicos o
físicos, puede experimentar transformaciones de una forma a otra, tales como
calor, luz, energía eléctrica, energía mecánica y energía química.
o La energía de una reacción equivale al calor a volumen constante.
o La entalpía de una reacción equivale al calor a presión constante y es:
! Reacciones exotérmicas, desprenden calor
! Reacciones endotérmicas, absorben calor
Diferencia de entalpía
• Segunda ley de termodinámica:
o Todos los procesos tienden a realizarse en tal dirección que la entropía del
sistema más la de su entorno, es decir, del universo, aumenta siempre hasta que,
por último se alcanza el equilibrio.
o La entropía será la máxima que pueda alcanzarse por el sistema y su entorno en las
condiciones de temperatura y presión que prevalezcan.
o Entropía de una reacción, es el grado de desorden o de anarquía del universo.
o Estado de equilibrio es aquel en el que no tiene lugar ningún cambio químico o
físico ulterior y en el que la temperatura, la presión y la concentración son
uniformes a través de todo el sistema.
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o En condiciones de presión y de temperatura constante, tales como las que existe
en la célula, el cambio entrópico se halla relacionado con la variación total de
energía por una ecuación que combina la primera y la segunda ley de
termodinámica:
Energía libre de Gibbs
Diferencia de entropía
Variación de energí libre
• Energía libre, es la clase de enrgía que puede realizar trabajo útil a presión y
temperatura constantes. Puede definirse como la energía útil.
• Energía libre estándar, es la variación de energía libre que tiene lugar durante cualquier
reacción química, en condiciones estándar de temperatura, de presión y de
concentracion, puede calcularse a partir de su constante de equilibrio.
o R es la constante de los gases (1,987 calorías por mol grado).
o T es la temperatura absoluta.
o La variación de energía libre estándar de una reacción química es, en realidad, la
diferencia entre el contenido de energía libre de los reactivos y el contenido de
energía libre de los productos.
o Reacciones exergónicas, tienen una variación de energía libre estándar negativa.
! Si se inician con concentraciones 1,0 M de todos los componentes, dichas
reacciones se verifican en la dirección en que se hallan escritas.
o Reacciones endergónicas, tienen una variación de energía libre estándar positiva.
! Si se inician con concentraciones 1,0 M de todos los componentes, dichas
reacciones NO se verifican en la dirección en que se hallan escritas, en
realidad se verifican en sentido opuesto.
o Los cambios de energía libre estándar, son aditivos:
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o Dentro de la célula las condiciones no son las estándar.
o Los cambios de energía libre real, dependen de la concentración de reactivos y
productos.
Variación de energía libre estándar
Variación de energía libre
o Una reacción con una ‘variación de energía libre estándar’ positiva se puede dar si
la ‘variación de energía libre’ es negativa.
• Hidrólisis del ATP:
o El ATP puede experimentar hidrólisis enzimática de su grupo fosfato terminal,
con la consiguiente formación de ADP y de fosfato inorgánico.
o La energía libre estándar de hidrólisis, es una medida de la diferencia de energías
libre entre los reactivos y los productos.
o La reacción está desplazada hacia la formación de ADP, esto es así, por dos
motivos:
o Una razón es, que a pH 7, las
moléculas de ATP, poseen
cargas negativas muy próximas
entre sí y se repelen con
fuerza.
o Cuando el enlace del fosfato
terminal
se
hidroliza,
desaparece algo de ésta
tensión
eléctrica.
Ambos
productos
resultantes,
los
aniones HPO42- y ADP3-, se
hallan cargados negativamente
y tienen, por ello, poca
tendencia a aproximarse de
nuevo, debido a la repulsión de
sus cargas.
3-
o El ADP y el ion hidrógenofosfato2-, no se recombinan con
facilidad para formar el ATP.
Esta rotura da una ‘variación de energía libre estándar’ muy negativa.
La energía libre estándar de hidrólisis el ATP, tiene el valor de -7,3
kcal, solamente bajo un conjunto de condiciones arbitrarias:
o pH = 7,0.
o Concentración de Mg2+ es suficiente elevada.
o Concentración de ATP, ADP y de fosfato es 1,0 M.
o La segunda razón que contribuye al valor más negativo de la ‘variación de energía
libre estándar’ en la hidrólisis del ATP, es el hecho de que los dos productos, son
híbridos de resonáncia, en los que los electrones pueden descender a estados de
energía inferiores a los que se hallan en el ATP sin hidrolizar. Este hecho provoca
que los aniones HPO42- y ADP3- libres tengan mucha menor energía libre que si
todavía estuviesen combinados como ATP4-.
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o La energía de activación de la hidrólisis del ATP
es alta, por eso es muy estable.
o La rotura rápida del fosfato ∂-terminal, solo se
hace en presencia de enzimas.
o El potencial de fosforilación, se utiliza
frecuentemente para indicar la tendencia
relativa de los grupos fosfato, en diferentes
compuestos fosforilados, para ser transferidos
a las moléculas del aceptor.
o Otros compuestos fosforilados con ‘energía libre estándar de hidrólisis alta.
PEP – Fosfoenolpirivato se transforma en piruvato y se
utiliza para formar ATP. Al haber dos formas
isométricas, hace que se desplace y sea más estable.
El ATP, participa en la reacción.
Esta parte de la molécula, es más electronegativa
y hace al C más electropositivo.
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Interacciones hidrofóbicas y entropía.
• Los compuestos anfipáticos, son sustáncias que
se pueden disolver en agua, son aquellos que
tienen a la vez grupos hidrofóbicos y grupos
hidrofílicos.
Un ejemplo sencillo es la sal sódica del ácido
oleico, ácido graso de cadena larga. A causa de
que su prolongada cadena hidrocarbonada es
intrínsecamente insoluble en el agua, el oleato
sódico (un jabón) tiene muy poca tendencia a
disolverse el agua en forma de una disolución
molecular veredadera.
Se dispersa en ella con facilidad, sin embargo,
con formación de agregados llamados micelas,
en las que los grupos carboxilo del oleato,
cargados negativamente, se hallan expuestos a
la fase acuosa, mientras que las cadenas
hidrocarbonadas,
insolubles,
no
polares,
permanecen ecultas en la estructura.
Las micelas de jabón, permanecen suavemente
suspendidas en el agua debido a que todas
poseen carga negativa y tienden a repelerse
mutuamente.
Las micelas pueden contener centenares y aun
millares de moléculas.
‘Grupo activador’ de
moléculas de H2O en
fase voluminosa.
Hidrofília
‘Cabeza de grupo’
Fuerte unión de las
moléculas de agua por las
cargas, alrededor de la
cadena hidrofóbica
Clatrato
• La localización interna característica de los
grupos no polares en las micelas, es el
resultado de la tendencia de las moléculas de
agua del entorno a unirse entre sí mediante
enlaces de hidrógeno, y a asociarse con los
grupos carboxilo hidrofílicos, obligando, de
este modo, a las cadenas hidrocarbonadas a
orientarse hacia el interior de la micela, en
donde no tienen contacto con el agua.
El agua prefiere al agua más que a las cadenas
hidrocarbonadas, con las que no puede
establecer enlaces de hidrógeno.
Enlace hidrofóbico es la asociación de
porciones
hidrofóbicas
de
moléculas
anfipáticas, en tales micelas.
• Muchos componentes celulares son anfipáticos
y tienden a formar estructuras en las que las
partes no polares, hidrófobas, se hallan ocultas
al agua, en particular en los fosfolípidos, en las
proteínas y en los ácidos nucleicos.
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Tema 3 – Constituyentes de las proteínas: Aminoácidos.
• Los sillares primarios de todas las proteínas, con independencia de la especie original,
son un grupo de 20 –aminoácidos diferentes.
• Cada uno de ellos posee una cadena lateral distintiva, que le confiere individualidad
química.
• Al menos, poseen un grupo carboxilo y un grupo
amino, situados sobre el átomo de carbono- .
Además también una cadena lateral característica, o
grupo R.
o El grupo -amino está libre, o no substituido, en todos
los aminoácidos, a excepción de uno de ellos: la prolina.
• Los aminoácidos se pueden unir a través de enlace peptídico, se forma por eliminación de
una molécula de agua entre el grupo carboxilo de uno de los aminoácidos y el grupo
–
amino del otro, mediante la acción de agentes de condensación enérgicos.
• La formación de un enlace peptídico, es una reacción endergónica (variación de energía
libre estándar positiva).
• Las células para sintetizar proteínas, necesitan mucha energía.
Estereoquímica y actividad óptica de los aminoácidos:
• Con la única excepción de la glicina, todos los aminoácidos obtenidos por hidrólisis de las
proteínas en condiciones suficientemente suaves, muestran actividad óptica, pueden
hacer girar el plano de la luz polarizada.
• Poseen actividad óptica todos los compuestos capaces de existir en dos formas cuyas
estructuras no son superponibles. Son entre sí, como imágenes en el espejo, una de la
otra.
• Cumplen esta condición los compuestos que poseen un átomo de carbono asimétrico o
quiral (un carbono cuyos cuatro substituyentes sean distintos).
• Debido a la naturaleza tetraédrica de los enlaces de valencia del átomo de carbono, los
cuatro grupos substituyentes diferentes, pueden situarse en dos ordenaciones distintas
en el espacio, en torno al átomo de carbono central.
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• Tal compuesto tendrá dos isómeros ópticos, llamados también estereoisómeros o
enantiómeros, uno de ellos hará rotar el plano de la luz polarizada hacia la izquierda
(levógiro) y el otro lo hará girar hacia la derecha (dextrógiro).
Los compuestos que se encuentran en la naturaleza son de la serie L.
• Los símbolos D y L, se refieren a la configuración absoluta y no a la dirección de la
rotación.
• La glicina no posee átomos de carbono asimétricos y no puede existir, en forma de
estereoisómeros.
• La treonina y la isoleucina, poseen dos carbonos asimétricos y tienen, por tanto, 4
estereoisómeros.
Clasificación de los aminoácidos:
Se fundamenta en la polaridad de las cadenas laterales.
Los aminoácidos que tienen grupos OH, se pueden fosforilar.
• Hidrofóbicos.
o Apolares, alifáticos, por lo general estos grupos, se pliegan hacia el interior.
La prolina tiene dificultad de giro debido a su anillo.
Todos tienen cadenas laterales hidrofóbicas.
o Aromáticos. Contienen anillos cerrados y planos.
Los aminoácidos aromáticos absorben luz UV, esto puede servir para medir la concentración de
aminoácidos o de proteínas. es el coeficiente de extinción molar. c es la concentración.
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• Polares sin carga.
o Los grupos R polares sin carga, que poseen estos aminoácidos, son más solubles en
el agua que los de los aminoácidos no polares, ya que contienen grupos funcionales
que pueden establecer puentes (enlaces) de hidrógeno con el agua.
o La polaridad de la serina y la treonina, se debe a sus grupos hidroxilo.
o La de la asparagina y la glutamina a sus grupos amida.
o La polaridad de la cisteína, se debe a su
grupo sulfhidrilo o tiol, además puede
formar puentes disulfuro con otra
molécula de cisteína, dando cistina
(formado por oxidación de sus grupos tiol),
incluso los puede formar dentro de las
proteínas, entrelazando dos cadenas
polipeptídicas y dándole estabilidad a la
proteína.
• Polares con carga positiva (básicos).
Poseen mayor nº de grupos amino que carboxilo.
Los grupos R poseen una carga + neta a pH 7,0.
o La lisina, tiene un segundo grupo amino
en la posición de su cadena alifática.
o La arginina, posee un grupo guanidino
cargado.
o La histidina, contiene el grupo imidazol
débilmente ionizado.
• Polares con carga negativa (ácidos).
Poseen mayor nº de grupos carboxilo que amino.
Los grupos R poseen una carga - neta a pH 7,0.
o Son el ác. Aspártico y el ác. Glutámico.
o Poseen un segundo grupo carboxilo.
o Son los progenitores de la asparagina y
de la glutamina, respectivamente.
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Algunos aminoácidos se pueden modificar:
Aminoácidos no presentes en las proteínas:
Además de los aminoácidos corrientes y de algunos poco frecuentes de las proteínas, se
encuentran biológicamente otros muchos aminoácidos, ya sea en forma libre o combinada,
dentro de la célula, pero nunca como componentes de las proteínas.
Propiedades ácido-base de los aminoácidos:
Los aminoácidos pueden comportarse como
sustancias anfóteras, sustancias que pueden
actuar como un ácido (dador de protones) o una
base (aceptor de protones).
Forma no disociada
Forma dipolar o de
ión híbrido
• Un -aminoácido sencillo, monoamino y monocarboxílico, como por ejemplo la glicina, se
considera que es un ácido diprótico, cuando se halla en su forma totalmente protonizada,
es decir, cuando tanto su grupo carboxilo como su grupo amino, han aceptado protones.
• En esta forma, puede ceder dos protones durante su valoración completa con una base.
• En la curva de tritación de la glicina,
aparecen dos etapas diferentes, que
corresponden a la valoración de los dos
protones
de
la
especie
totalmente
protonizada.
• Cada rama de la curva se parece a la curva de
tritación típica de un ácido monoprótico. Así
cada rama muestra un punto intermedio, en el
que el pH del sistema es igual al pK del grupo
protonizado que está siendo valorado.
• La primera rama de la curva posee un punto
medio a pH 2,34 que corresponde a la
separación de un protón del grupo carboxilo.
• La segunda rama, con un punto medio a pH
9,60, corresponde a la separación de un
protón del grupo NH3+.
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• A pH 2,34 y a pH 9,60, se hallan presentes concentraciones equimolares de las especies
dador de protones y aceptor de protones de cada etapa.
• Cada una de las dos ramas de la curva bifásica, pueden expresarse matemáticamente
mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch, podemos calcular, por tanto, las
relaciones de las especies iónicas a cualquier valor de pH, si se conocen los valores pK1 y
pK2.
• Cuando el pH es 5,97, existe un punto de inflexión entre las dos ramas separadas de la
curva de valoración de la glicina.
• A este pH, la molécula no posee carga eléctrica neta y no se desplazará en un campo
eléctrico.
• Este punto en el pH, recibe el nombre de punto
isoeléctrico (pI) y es la media aritmética de los dos
valores de pK.
• A cualquier valor de pH por encima del punto isoeléctrico, el aminoácido posee una carga
negativa, y cuando el pH es inferior a este punto, posee una carga positiva.
• Todos los aminoácidos que poseen un único grupo -amino y un solo grupo carboxilo, sin
que tenga ningún otro grupo ionizable, presentan curvas de tritación que guardan una
estrecha semejanza con la de la glicina.
• Los aminoácidos tienen capacidad tamponadora a pH’s cercanos al pKa (-log de la
constante de disociación).
• La consecuencia más práctica de la conducta ácido-básica de los diferentes aminoácido,
es el hecho de que la carga eléctrica neta y, como consecuencia, la dirección y la
velocidad de emigración de cada aminoácido en un campo eléctrico, pueden predecirse
conociendo el pH del sistema.
Efecto del entorno químico en el pK.
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Reacciones químicas de los aminoácidos:
• Las reacciones químicas de los aminoácidos son las características de sus grupos
funcionales, tales como los grupos amino y carboxilo, así como la de otros grupos
presentes en las cadenas laterales de los aminoácidos.
• Existen dos reacciones que son utilizadas para la identificación y determinación de los
aminoácidos:
o Reacción de la nihidrina:
! Se emplea en la valoración cuantitativa de cantidades muy pequeñas de
aminoácidos.
! La calefacción con exceso de nihidrina, rinde un producto azul, con todos los
aminoácidos que posean un grupo -amino libre, en tanto que la prolina, en la
que el grupo -amino se halla substituido, rinde un derivado que exhibe un
color amarillo característico.
Nihidrina
o Reacción del fluorodinitrobenzeno:
! Fue introducida por Sanger, para marcar cuantitativamente los grupos amino
en los aminoácidos y en los péptidos.
! En disolución ligeramente alcalina, el fluorodinitrobenzeno (reactivo de
Sanger), reacciona con los -amino ácidos, rindiendo derivados amarillos.
! Esta reacción es muy valiosa para la identificación de los aminoácidos aminoterminales de las cadenas polipeptídicas.
Son compuestos fluorescentes.
Separación de aminoácidos por
cromatografía.
Fraccionamiento cromatográfico
de los aminoácidos.
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Tema 4 – La secuencia aminoacídica de las proteínas.
Péptidos
• Es el nombre que reciben los aminoácidos cuando forman proteínas.
• Los péptidos contienen un grupo -amino y un grupo -carboxilo libres, en sus extremos.
• Estos grupos se ionizan del mismo modo que lo hacen los aminoácidos sencillos.
• Todos los demás grupos -amino y -carboxilo, se hallan unidos mediante el enlace
peptídico, el cual no puede ionizarse.
• Los grupos R de los diversos restos aminoácidos de los péptidos, pueden considerarse
como cadenas laterales que surgen desde el tronco de la cadena.
• Los péptidos también poseen un pH isoeléctrico.
• Los péptidos que difieren en su composición aminoácido, pueden separarse entre sí,
mediante cromatografía o electroforesis, basandose en la diferencia en su
comportamiento ácido-base.
• Pueden hidrolizarse por ebullición con un ácido o con una base fuerte, rindiendo sus
aminoácidos constituyentes en forma libre.
Hidrólisis
Síntesis de proteínas.
A Tª ambiente, el enlace
peptídico es muy estable.
Tipos de péptidos:
• Oligopéptidos, es la suma de sucesivos aminoácidos hasta llegar a 20.
o Dipéptidos, es la unión de 2 moléculas de aminoácidos.
o Tripéptidos, la unión de 3.
o Tetrapéptidos.
• Polipéptidos, la unión de más de 20 aminoácidos.
Se llaman residuos aminoácidos a los aminoácidos que están dentro de una cadena
polipeptídica.
Residuo N-terminal
grupo amino-terminal.
Residuo C-terminal
grupo carboxilo-terminal.
Estructura primaria de las proteínas:
• Se llama así, a la secuencia
aminoácidos de una proteína.
de
• La estructura primaria, determina la
estructura tridimensional de proteínas.
• Las
proteínas
estructural.
tienen
polaridad
• Dos proteínas con la misma estructura
primaria, se despliegan igual.
18
Secuenciación de proteínas:
1.
Determinar si la proteína tiene más de una cadena polipeptídica.
• Identificación del aminoácido amino terminal.
2. Separar las diferentes cadenas polipeptídicas.
• Hidrólisis (en medio ácido) completa de todos los enlaces peptídicos, que rinde
todos los aminoácidos en forma libre.
Se calienta la cadena polipeptídica con
un exceso de HCl, 6M, entre 100 y
120ºC durante 24 h, en tubo de vidrio
cerrado.
3. Romper los puentes disulfuro.
4. Determinar la composición de aminoácidos.
• Identificación de los restos amino-terminal y carboxilo-terminal de cada cadena
polipeptídica.
o Reactivo de edman: el reactivo se une al grupo amino-terminal, formando un
derivado feniltiohidantoínico, que se separará del resto del péptido original.
De esta manera se irán separando todos los aminoácidos, que se analizarán
por cromatografía.
5. Romper la proteína en fragmentos y separarlos, métodos:
• Digestión con la proteasa tripsina (enzima proteolítico).
o El enzima cataliza solamente la hidrólisis de aquellos enlaces peptídicos en
los que el grupo carboxilo es aportado por un resto de lisina o de arginina.
o Todos los fragmentos que aparezcan en la escisión tríptica, poseerán restos
de arginina o de lisina en la posición del carboxilo terminal.
19
• Rotura con bromuro de cianógeno.
Otros métodos:
6. Secuenciar cada fragmento.
• Separación de los péptidos, secuenciación y solapamiento:
Para secuenciar proteínas se utiliza la reacción de Edman.
Ciclos de degradación de Edman.
20
Etapas de la secuenciación:
Ejemplo de secuenciación:
Solapamiento
7. Repetir los puntos 5 y 6 con fragmentos diferentes.
21
Tema 5 – Estructura tridimensional de las proteínas.
• Conformación: Ordenación en el espacio de los átomos de una proteína.
• La conformación de las proteínas, está estabilizada por interacciones débiles
mayoritariamente.
• Conformación nativa: Cualquier conformación funcional.
Niveles estructurales de las proteínas:
• Estructura primaria.
o Secuencia de aminoácidos en el esqueleto covalente de la cadena polipeptídica.
• Estructura secundaria.
o Ordenaciones particularmente estables, de los residuos aminoácidos en el espacio,
que originan patrones estructurales repetitivos.
• Estructura terciaria.
o Estructura tridimensional de las proteínas, en las que la cadena polipeptídica se
encuentra estrechamente plegada y empaquetada, adoptando un forma esférica
compacta.
• Estructura cuaternaria.
o Ordenación en el espacio de las diferentes subunidades de una proteína.
Estructura secundaria:
Enlace peptídico:
• Tiene naturaleza parcial de doble enlace.
• Es un enlace rígido que no permite la libre rotación a su alrededor.
Estructuras resonantes.
Configuración Trans.
El O es más electronegativo
que el N, por tanto el doble
enlace pasa al N y el O puede
romper su enlace.
• Por cada 2 aminoácidos, hay 6 átomos que están en un mismo plano.
22
• Las proteínas se pliegan, pero los giros que permiten
este plegamiento, solo son posibles en los enlaces
simples.
• Por convenio, los enlaces
y
son iguales a cero
cuando están posicionados como en la figura.
• Solo son permitidos unos ciertos valores de ángulos
y .
• En muchos casos hay impedimentos estéricos, dos
átomos ocupan el mismo espacio en un mismo
momento.
Estructura secundaria:
• Hélice
• Conformación
o Fibra
o Hoja
! Paralela
! Antiparalela.
• Giro
• Triple hélice de colágeno.
Hélice
• Los grupos CO y NH de la cadena principal están unidos por puentes de hidrógeno.
• El grupo CO del residuo N (amino-terminal), forma un puente de H, con el grupo NH del
residuo N+4.
• Las hélice
que se encuentran en las proteínas, son dextrógiras.
23
• En las estructuras hélice , las cadenas laterales de los aminoácidos, están orientadas
hacia el exterior de la hélice.
• Son muy compactas.
• Algunas proteínas están formadas mayoritariamente por hélices .
• Las hélice pueden formar superhélices.
Conformación
Fibra
y Hoja
• En las fibras , las cadenas polipeptídicas están casi completamente estiradas.
• Distancia entre aminoácidos adyacentes:
o Hélice
1,5
o Fibra
3,5
Fibra
• Las fibras se pueden unir a través de puentes de H y formar hojas .
• Los puentes de H, se forman entre los grupos CO y NH de la cadena principal.
• Las cadenas laterales de los aminoácidos contiguos, van alternativamente por encima y
por debajo del plano de la hoja .
Hoja
24
• En las hojas , las cadenas, se pueden encontrar en forma paralela o antiparalera.
o Paralela:
! El grupo NH, forma puentes de H
con el CO de un aminoácido de la
cadena de al lado.
! El grupo CO, forma puentes de H
con el grupo NH del aminoácido
situado dos residuos más adelante.
o Antiparalela:
! Los grupos CO y NH, establecen
puentes de H con los grupos NH y
CO de la cadena de al lado.
Giros
• La glicina y la prolina, son aminoácidos
comunes en los giros .
• En los giros , el enlace peptídico que
forma la prolina, se encuentra a menudo
en forma cis.
• En los giros , el grupo CO del residuo i, se
une a través de un puente de H, al grupo NH
del residuo i + 3.
• Los giros , se encuentran en la superficie de
las proteínas.
Posibilidades relativas de que algún aminoácido se presente en los tres tipos de estructuras
secundarias estudiadas.
25
Triple hélice de colágeno.
• El colágeno posee una disposición de hélice especial.
• La unión de 3 de estas hélices alargadas da lugar a una molécula completa de colágeno.
Estructura terciaria.
La estructura terciaria, no es rígida, presenta una cierta flexibilidad.
Las conformaciones que más frecuentemente adoptan las proteínas, son la globular y la
filamentosa.
• Conformación globular:
o La estructura secundaria, se pliega adoptando
formas que en ocasiones parecen esféricas.
o Son solubles en agua y en disoluciones salinas
(polares), se difunden fácil por estos medios.
o Generalmente, en los tramos rectos la cadena
polipeptídica posee una estructura secundaria
de tipo hélice- , y en los codos, presenta una
estructura secundaria de tipo .
o Las conformaciones globulares se mantienen
estables debido a la existencia de enlaces entre
los radicales R de los diferentes aminoácidos.
o Aparecen dos tipos de enlaces:
! Puente disulfuro, enlace fuerte de tipo covalente.
! Puente de H, fuerzas de Van der Waals o puentes salinos, enlaces débiles.
o En las proteínas globulares, las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos
están orientadas hacia el interior de las proteínas.
o Pertenecen a éste grupo, las protaminas, histonas, prolaminas, gluteninas, albúminas y
globulinas.
• Conformación filamentosa:
o Es una forma lineal, en la que la estructura
secundaria es del tipo hélice- .
o Son insolubles en agua y en disoluciones salinas.
o Aparecen sobre todo en animales.
o Pertenecen a éste grupo, los colágenos, las
queratinas, las elastinas y las fibroínas.
Estructura cuaternaria.
• Es la estructura que nos informa de la unión, mediante
enlaces de tipo débil, de varias cadenas polipeptídicas,
idénticas o no, originando un complejo proteico.
• Muchas proteínas globulares de peso molecular a
50.000 son oligómeras, y están constituidas por dos o
más cadenas polipeptídicas separadas.
• El modo característico mediante el cual las cadenas
polipeptídicas individuales encajan, unas con otras, en
la conformación nativa de una proteína oligómera,
recibe el nombre de estructura cuaternaria (se
encuentra en proteínas con más de una subunidad).
26
Estructura supersecundaria.
• Son ordenamientos de varios elementos de
estructura secundaria y las conexiones entre
ellos.
• Estructuras
formadas
por
diferentes
fragmentos estructurales que se ven repetidos
en diferentes proteínas, pero que si se separan
hacen inestable la proteína.
• Son frecuentes en el DNA.
β-α-β Loop
Dominios estructurales.
• Estructura compacta que forma una unidad
estructural independiente, dentro de una
cadena polipeptídica más larga.
• Generalmente tienen funciones diferentes.
• Cada lóbulo o dominio, proviene de diferentes
genes.
Desnaturalización de las proteínas.
• Cuando las proteínas globulares en estado
nativo, se someten brevemente a la acción del
calor, a pH extremos o a la de ciertos solutos,
como la urea y la guanidina, experimenta
desnaturalización, un proceso en el que se
pierde la actividad biológica de la proteína.
• Una
proteína
globular,
se
insolubiliza,
habitualmente por desnaturalización.
• Los esqueletos de sus cadenas polipeptídicas
permanecen intactos, y los enlaces peptídicos
no se rompen.
• Lo que ocurre, es un despliegue de la cadena
polipeptídica, que pierde su configuración
tridimensional y adopta un arrollamiento al
azar.
• Está claro, que la actividad biológica de las
proteínas, no procede directamente de su
secuencia aminoácido, sino más bien de la
configuración tridimensional nativa de la
cadena polipeptídica.
Tm = temperatura de fusió
Renaturalización de las proteínas.
• La desnaturalización es un proceso reversible.
• La
renaturalización
de
las
proteínas,
demuestra que toda la información necesaria
para su plegado, está contenida en la
estructura primaria.
Tema 6 – Las proteínas fibrosas (estructura filamentosa).
27
Son proteínas de sostén, estructurales, que tienen mucha consistencia.
Solo tienen un tipo de estructura secundaria (las globulares tienen más de uno).
-queratina
Alargada, dura y flexible.
Estructurada en forma de hélice dextrógira.
Las cadenas individuales se enroscan entre ellas de manera levógira.
Tiene un patrón (la vuelta de hélice), que se repite cada 5,4 , esto corresponde a 3,6
residuos por vuelta.
• Las cadenas laterales, salen hacia el exterior.
• Forma el pelo, el caparazón de la tortuga, las uñas…
•
•
•
•
Estructura del pelo
Las 2 hélices se unen
formando protofilamentos
y estos a su vez se unen
para formar protofribrina
que finalmente dan la
estructura del pelo.
Las diferentes cadenas, están unidas por puentes
disulfuro, según el número, darán mayor o menor
dureza (pelo, cuernos).
Fibroina
• Es blanda y flexible.
• Es rica en residuos de glicerina y alanina.
• Está formada principalmente por hojas ,
colocadas unas encima de las otras, esto
da fibras muy flexibles, ya que pueden
deslizarse las unas sobre las otras.
• Estructura rígida y flexible.
• Las cadenas laterales de la glicerina,
quedan en una superficie de la hoja y las
de la alanita en la otra superficie.
Colágeno
28
Se encuentra en la matriz ósea, tendones, piel…
Son filamentos fuertes.
Las cadenas individuales son levógiras.
Tienen 3 aminoácidos por vuelta de hélice.
3 hélices se enroscan entre ellas de manera dextrógira formando tropocolágeno.
Están formadas básicamente por glicina-prolina-hidoxiprolina.
Las glicinas quedan hacia el interior de la triple hélice, si se substituye la glicina por
otra molécula, la proteína se desestructura.
• Las diferentes cadenas estan unidas por enlaces entre lisina.
• El tropocolágeno, forma agregados dentro de la célula.
•
•
•
•
•
•
•
Elastina
•
•
•
•
No tiene estructura definida, pero las diferentes cadenas se une entre ellas por lisina.
Estos enlaces forman una red, dando mucha flexibilidad a los tejidos.
Formada por lisina, desmosina y cadenas polipeptídicas.
Forma la pared de los vasos sanguíneos.
Tema 7 – Proteínas globulares transportadoras de oxígeno.
Las proteínas globulares, transportadoras de O2, son la mioglobina y la hemoglobina, ambas
contienen hierro (Fe), para unirse con el oxígeno.
Funciones:
• Unen el oxígeno de manera reversible.
• La hemoglobina lo transporta desde los pulmones a los tejidos periféricos.
• La mioglobina actúa almacenandolo en los tejidos periféricos.
Estructura:
• Tienen las estructuras terciarias muy parecidas.
• Están formadas principalmente por -hélice.
Mioglobina
•
•
•
•
•
Es una única subunidad formada únicamente por hélice- , tiene 8 fragmentos.
La parte proteica se llama Globina.
La mioglobina es una hemoproteína muscular.
Estructuralmente y funcionalmente muy parecida a la hemoglobina
Es una proteína relativamente pequeña constituida por una cadena polipeptídica de 153
residuos aminoacídicos que contiene un grupo hemo o grupo prostético (parte no
29
aminoacídica de una proteína, esencial para su función, ej. Fe) con un átomo de hierro, y
cuya función es la de almacenar y transportar oxígeno.
• También se denomina miohemoglobina o hemoglobina muscular.
Hemoglobina
• Formada por 4 cadenas polipeptídicas (globinas).
• La forman cuatro cadenas polipeptídicas
(globinas) 2 y 2 , es un tetrámero.
• A cada una de las cuales se une un grupo hemo, cuyo átomo de hierro es capaz de unirse
de forma reversible al oxígeno
• El grupo Hemo, está formado por protoporfirina IX + Fe.
• La protoporfirina IX está formada por porfirina que a su vez está formada por 4 anillos
pirrol.
• El Fe2+ del hemo, puede formar 6 enlaces de coordinación.
• Cuatro de ellos, situados en el plano del hemo, se establecen con los nitrógenos de los
anillos pirrólicos de la protoporfirina IX.
Pirrol
Porfirina
Anillo tetrapirrolico
Grupo Hemo
• Los otros dos, perpendiculares al plano del hemo, se establecen con el nitrógeno de la
cadena lateral de la histidina F8 (histidina proximal) y con el oxígeno.
• A la misma cara del hemo a la que se une el oxígeno se aproxima la cadena lateral de la
histidina E7 (histidina distal), que aunque no establece enlace con el Fe2+ dificulta
estéricamente la unión del CO al sitio del oxígeno.
Histidina proximal
Histidina distal
• La afinidad del hemo aislado por el CO
es 25000 veces la del oxígeno,
30
mientras que en la hemoglobina es sólo
200 veces mayor.
• La presencia de la histidina distal,
disminuye la afinidad del CO por la
mioglobina.
Relación estructura función:
Si la concentración de oxígeno aumenta, la mioglobina lo va cogiendo hasta que llega un
momento que se satura.
• Oximioglobina – Mioglobina con oxígeno.
• Desoximioglobina – Mioglobina sin oxígeno.
Fracció de saturació
La cinética de unión del oxígeno a la mioglobina, es hiperbólica.
La cinética de unión del oxígeno a la hemoglobina,
es sigmoidal (cuando la presión en los pulmones
aumenta, la hemoglobina se satura).
pO2 als teixits
Mb + O2
MbO2
• En la hemoglobina, la unión del oxígeno a una subunidad, aumenta la afinidad del resto
por el oxígeno.
• La unión del oxígeno en la hemoglobina presenta cooperatividad positiva.
• Cuando no hay oxígeno unido, el hierro está situado por debajo del plano de la porfirina.
• La unión del oxígeno desplaza al hierro hacia el plano del anillo y estira la histidina
proximal.
Porfirina
0.4 Å
Ferro
• El movimiento de hélice- , se transmite a
las demás subunidades.
• La unión del oxígeno a la hemoglobina provoca cambios conformacionale:
o Estado T, sin oxígeno.
31
o Estado R, con oxígeno.
• Si se añade urea a la hemoglobina, ya
no encontramos un tetrámero, sino
que se desglosa en dímeros
.
• Al añadir oxígeno, hay un giro de uno
de los dímeros respecto al otro.
• También hay interacciones entre los
aminoácidos.
La hemoglobina como proteína alostérica
• Las proteínas globulares tienen en común el unirse a otra molécula más pequeña llamada
ligando para ser funcionales.
• Hay un sitio de unión perfectamente definido donde se une el ligando de manera
específica y selectiva. Es una parte pequeña de la proteína pero esencial.
• Este sitio tendrá grupos funcionales que establezcan uniones de tipo débil con el ligando
y deberá ser accesible desde fuera.
• Alosterismo: La unión de un ligando en un sitio de la proteína, afecta a la unión de otro
ligando en otro sitio diferente.
• Cuando los sitios interaccionan, se produce un efecto llamado cooperatividad:
o
Cuando se ocupa un sitio activo la unión de un segundo ligando en un sitio igual se ve
afectada, siendo favorecida (cooperatividad positiva) o perjudicada (cooperatividad
negativa).
En el caso de la unión del O2 por la hemoglobina hay cuatro sitios. Las proteínas tienen
poca afinidad por el ligando al principio pero como presenta cooperatividad positiva cada
vez se unen más rápido.
Tipos de enlace del ligando:
• Efecto homotrópico: efecto de la entrada de un ligando sobre la entrada de otro igual.
La mayor parte de las proteínas cuya función hay que controlar son cooperativas en la
unión del ligando son casi siempre oligoméricas..
• Efecto heterotrópico: efecto de un ligando sobre otro distinto. Tienen otros sitios
específicos distintos para unir ligandos distintos llamados moduladores o efectores.
Modelos de unión cooperativa:
• Modelo concertado (MWC)
o
Propone que la proteína puede existir en dos conformaciones, la forma T (tensa) con
poca afinidad por el ligando (sin oxígeno) y la forma R (relajada) con mucha afinidad
(con oxígeno). Las dos formas existen en ausencia de ligando y la proteína es
simétrica, cada subunidad no puede tener conformación distinta a la otra. Todo lo
que favorezca la forma R tendrá un efecto positivo sobre la unión del ligando. Al
añadir más ligando se va estabilizando la forma R y cada vez hay más. En la
cooperación positiva el ligando se une a la forma R y la estabiliza para que no vuelva a
la forma T (como un activador) y en la negativa se estabiliza la forma T.
• Modelo secuencial
32
o
La proteína puede existir en dos
conformaciones, una de alta afinidad por
el ligando y otra de baja. El cambio en la
conformación está inducido por la entrada
del sustrato. Al unirse el ligando cambia
la conformación de la otra subunidad,
afectando a las interacciones entre las
subunidades y permite la unión de otro
ligando.
Puede haber proteínas que sigan un
modelo y otras que sigan el otro.
• La gráfica nos enseña que a medida que
el pH disminuye, la afinidad de la
hemoglobina por el oxígeno también
disminuye.
• Cuando disminuye el pH, aparece la Histidina 146,
que tiene un pH cercano al fisiológico, es decir, que
puede ganar o perder un protón muy fácilmente.
• Cuando disminuye el pH, la Histidina se protona y
forma un puente de H con el Aspartico 94, en este
momento se crea la forma T, que tiene menos
afinidad por el O2, de esta manera la hemoglobina
libera el O2 hacia los tejidos.
Esto sucede cuando el músculo trabaja.
• Los protones disminuyen la afinidad de la hemoglobina por el O2.
• Los protones estabilizan la forma desoxy.
Efecto bohr:
•
•
•
•
•
Es la modulación de la unión del O2 a la hemoglobina, por el pH (los protones) y el CO2.
Se utiliza cuando los músculos trabajan y tienen requerimiento de oxígeno.
Los músculos utilizan glucosa y oxígeno para trabajar y dan CO2 y H2O.
El CO2 que se produce del metabolismo se transforma en bicarbonato y 1 protón.
El protón se une a la hemoglobina y esta vuelve a liberar oxígeno.
HbO2 + H+
CO2 + H2O
HbH+ + O2
+
-
H + HCO3
Anhidrasa Carbònica
33
• El CO2, se une a los grupos amino N-terminales,
en forma de Carbamato.
• La interacción del Carbamato con la Argina
141,
estabiliza la forma desoxi (T).
• El CO2 disminuye la afinidad del O2 por la
hemoglobina.
• Los moduladores alostéricos negativos, desplazan la
gráfica hacia la derecha, como el CO2.
• Otro
efector
alostérico
negativo de la hemoglobina, es
el 2,3-bifosfoglicerato (BGP).
• Se une a la cavidad formada por las 4 subunidades
de la hemoglobina.
• La forma T tiene esta cavidad más grande, por eso el
BPG, estabiliza la forma desoxi.
• Las cargas negativas del BPG, interaccionan con los
aminoácidos positivos de las subunidades .
• La hemoglobina fetal, tiene más afinidad por el O2 que la hemoglobina de la madre, ya
que la fetal, tiene menos afinidad por el BPG.
• Un adulto tiene 2 cadenas y 2 cadenas .
• Un feto tiene 2 cadenas y 2 cadenas Y.
• En la hemoglobina fetal, la His 143, está
substituida por una serina.
Anemia falciforme:
• Es una enfermedad molecular, en la que un individuo se vuelve homocigótico por la
enfermedad, está provocada por el cambio de un solo aminoácido.
• Se ha dado un cambio en la secuencia de aminoácidos, un Glutamato se ha cambiado por
una Valina en la posición 6 de las dos cadenas .
34
• Este cambio provoca que los eritrocitos se vuelvan solubles y formen agregados.
• Las personas homocigóticas, presentan 3 tipos de eritrocitos: normales, estrellados y
falciformes.
• Estas personas, al no tener suficiente O2, se cansan más, tienen vértigo, se ahogan, etc…
• Por otro lado en África, este carácter se ha seleccionado positivamente, se ha
observado que los individuos heterocigóticos, son más resistentes a la malaria.
Glóbulos rojos normales
Glóbulos rojos falciformes
Tema 8 – Las proteínas catalíticas: Los enzimas.
• Son proteínas, con alguna excepción, ya que hay RNA que también tiene actividad
enzimática, los Ribocimas.
• Tiene un gran poder catalítico, aumentan la velocidad de las reacciones.
• Son muy específicos, reconocen isómeros, por eso los aminoácidos son L, que son los que
reconocen a los enzimas.
• Funcionan en soluciones acuosas.
• Funcionan a pH y temperaturas fisiológicas.
• Se pueden regular.
Ej. El glucógeno se forma cuando hay poca glucosa en sangre.
• El proceso de catalisis no los altera.
Características:
• Aplicaciones médicas:
o Deficiencia o ausencia de enzimas.
Ej. Se introduce un gen para un enzima que falta en un embrión.
o Excesiva actividad de algún enzima.
Ej. Cáncer.
Ej. Medicamentos que actúan en la síntesis del colesterol.
(enzimas que son células diana de muchos fármacos).
o Diagnostico de enfermedades, algunos enzimas se ven aumentados en la sangre en
algunas enferemdades.
• Aplicaciones industriales:
o Química y farmaceutica.
o Alimentación y agricultura.
o Limpieza.
Nomenclatura:
El organismo encargado de establecer las bases de la nomenclatura enzimática es el
‘Interntional Comisión on Enzimes’ (1956).
• Tradicionalmente cogen el nombre del sustrato con el sufijo –asa añadido.
Ureasa, Fosfatasa.
• En algunos casos, el nombre no está relacionado no con el sustrato no con la reacción
catalizada.
35
Catalasa, Tripsina, Pepsina.
Clasificación:
Hay 6 clases según la reacción que catalizan:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Oxidorreductores, transfieren electrones en las reacciones redox.
Transferasas, reacciones de transferencia de grupos químicos, Po, H, …
Hidrolasas, reacciones de hidrólisis.
Liasas, adiciona grupos al doble enlace, o forma dobles enlaces al sacar un grupo.
Isomerasa, forman isómeros, transfiriendo grupos entre moléculas.
Ligasas, formación de enlaces covalentes que necesitan energía en forma de ATP.
Dentro de cada clase hay subclases.
A la clase y las subclases se le añade un número.
A cada enzima le corresponde un número de 4 dígitos precedido por las letras EC (Enzyme
Comisión)
EC: 1.2.3.4
Glucokinasa (EC: 2.7.1.2)
•
•
•
•
Es una transferasa.
Cataliza la transferencia de grupos fosfato.
El aceptor del grupo fosfato es un grupo OH.
El grupo OH, está unido al C6 de la glucosa.
Nom sistemàtic
Nom comú
Número EC
ATP:D-glucosa-6-fosfotransferasa
Glucokinasa
EC:2.7.1.2.
ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa
Hexoquinasa
EC:2.7.1.1.
ATP + D-Glucosa
ADP + D-Glucosa-6-fosfat
Algunos enzimas, para ser activos necesitan componentes no proteicos llamados cofactores
(moléculas de estructura no proteica que ayudan a llevar a cabo la reacción de los enzimas).
Cofactores:
• Iones orgánicos
• Coenzimas (moléculas orgánicas o metaloorgánicas).
o Grupos prostéticos, unidos fundamentalmente a la parte proteica, no se pueden
desenganchar de ella.
o Cosubstratos, se pueden desenganchar de la proteína.
Los enzimas pueden ser:
• Holoenzima: proteína + cofactor, catalíticamente activo.
• Apoenzima: parte proteica del holoenzima, catalíticamente inactivo. La globina de la
hemoglobina.
• Isoenzima o isozima: muchos enzimas aparecen en más de una forma molecular en una
misma especie, tejido o aún dentro de la misma célula.
Metal ions
Enzymes
Cu2+
Cytochrome oxidase
Zn2+
Carbonic anhydrase
Mg2+
Hexokonase, pyruvate kinase
K+
Pyruvate kinase
Coenzymes
Enzymes
36
• Los enzimas no modifican el equilibrio de
las reacciones.
• Los enzimas aumentan la velocidad de una
reacción disminuyendo la energía de
activación.
• No afecta a la cantidad de substrato o de
producto.
• Durante la catálisis, los enzimas forman un complejo con el substrato.
E+S
ES
E+P
• Los enzimas son proteínas, pero no toda la proteína tiene actividad catalítica, solo la
tiene el centro activo.
• El centro activo, es una región muy pequeña, es el sitio donde se une el substrato y
donde se produce la catálisis.
o Está formado por aminoácidos que pueden estar muy alejados en la estructura
primaria.
o Está situado en la superficie de los enzimas, formando un surco.
o Contiene aminoácidos que unen el substrato y aminoácidos catalíticos.
Teorías de la unión de un enzima al substrato.
• Teoría de la cerradura y la llave (Emil Fischer, 1894)
o Fue la primera de las teorias.
o Los enzimas tienen el centro activo igual que el
del substrato, de esta manera se acoplan
perfectamente.
• Teoría del
(Koshland)
acoplamiento
inducido
‘induced
fit’
37
o
El centro activo, no tiene la forma
complementaria del substrato, cuando el
substrato se une al enzima, este se queda con
la forma complex.
• En la actualidad
o Los centros activos son complementarios al estado de transición
Tipos de catálisis:
• Catálisis ácido base general
o Una molécula diferente del agua (aminoácido), actúa como donador o aceptor de un
protón durante la catálisis.
Cadenas laterales que pueden actuar
en catálisis ácido base general.
• Catálisis covalente
o Durante la reacción se forma un enlace covalente temporal entre un grupo del centro
activo del enzima y el substrato.
• Catálisis metálica
o En aquel tipo de catálisis donde participa un ión metálico presente en el centro
activo, que generalmente estabiliza las cargas negativas.
38
Tema 9 – Cinética enzimática
• Mide la velocidad o la actividad enzimática.
• Se mide la formación de producto o la desaparición de substrato en función del tiempo.
E
S
Ley de Lambert-Beer
P
A = εcl
Espectrofotómetro
• Unidades de actividad enzimática
µ mols / min.
• Una unidad internacional, es la cantidad de enzimas que cataliza la transformación de un
µ mol de substrato en un minuto.
• Actividad específica: es la actividad de un enzima dividida por los mg de proteína.
µ moles / min · mg
La actividad específica aumenta durante la purificación de un enzima.
Efecto de la concentración del substrato sobre la catálisis enzimática.
• En cinética enzimática, siempre se mide la velocidad inicial.
• Cuando la concentración del enzima se mantiene constrante, se observa que:
o A concentraciones de substrato bajas, la velocidad de la reacción aumenta en
proporción a la concentración del mismo.
o A medida que aumenta la concentración del substrato, los sucesivos incrementos de
la velocidad de la reacción, son cada vez menores.
o Cuando la concentración del substrato aumenta todavía más, se alcanzará un punto,
más allá del cual, ya no se observa ningún incremento de la velocidad de reacción.
o Al alcanzar este punto, no importa lo que pueda aumentar la concentración del
substrato, la velocidad de reacción permanecerá constante, es la velocidad máxima
Vmax. En estas condiciones el enzima se encuentra saturado de su substrato y no
puede actuar con más rapidez.
Teoría de Michaelis-Menten:
• El enzima E se combina en primer lugar con el substrato S, de modo reversible, para
formar un complejo enzima-substrato ES, en una reacción rápida.
• El complejo ES, se escinde en una segunda reacción reversible, mucho más lenta, y
regenera el enzima libre liberando el producto de la reacción P.
• Si la concentración del substrato es elevada, el enzima libre así formado se combinará
de nuevo, inmediatamente, con otra molécula de S.
• La velocidad global de la reacción catalizada enzimáticamente, debe ser proporcional a
la concentración del complejo enzima-substrato ES, ya que la segunada reacción es la
limitante de la velocidad.
• La velocidad de la reacción catalizada será máxima cuando todo el enzima presente se
halle en forma de complejo ES y la concentración del enzima libre será pequeñísima.
• En estas condiciones se alcanza un estado estacionario, en el que el enzima se halla
siempre saturado con su substrato y la velocidad de reacción es máxima.
E+S
ES
E+P
39
v0 = k2 [ES]
v0 =
Vmax[S]
Km + [S]
V0
Vmax
Km
Velocidad inicial
Velocidad máxima
Constante de Michaelis
Km = k-1 + k2
k1
Vmax
2
=
Vmax[S]
Vmax (Km + [S]) = 2Vmax[S]
Km + [S]
VmaxKm + Vmax[S] = 2Vmax[S]
• La Km es la concentración del substrato,
donde V0 es igual a Vmax/2.
• La Km es una medida de la afinidad entre
enzima y substrato.
VmaxKm = 2Vmax[S] – Vmax[S]
Km = [S]
VmaxKm = Vmax[S]
La velocidad de la reacción es proporcional
a la concentración del enzima.
Representación gráfica de Lineweaver-Burk
La ecuación de Michaelis-Menten puede transformarse algebraicamente en otras formas
que son más útiles para la expresión de los datos experimentales.
La ecuación de Linewaver-Burk, es muy útil para la representación de la inhibición
enzimática.
v0 =
1
=
v0
Vmax[S]
Km + [S]
Km + [S]
Vmax[S]
Km
[S]
1
=
+
v0 Vmax[S]
Vmax[S]
K
1
1
1
= m
+
v0
Vmax [S]
Vmax
Eqüació de Lineweaver-Burk
40
Inhibición enzimática
La mayor parte de los enzimas pueden resultar envenenados o inhibidos, por cierto número
de reactivos químicos específicos.
Muchas de las drogas útiles en medicina, actúan debido a que pueden inhibir a algunos
enzimas en los tejidos.
• Inhibición irreversible:
o Se produce cuando un grupo funcional que es necesario para la actividad, resulta
destruido o modificado.
o La inactivación del enzima es tiempo dependiente.
o No se puede revertir por diálisis o dilución de la mezcla enzima-inhibidor.
• Inhibición reversible:
o Competitiva:
! La inhibición es competitiva, cuando el inhibidor compite con el substrato por la
unión al centro activo del enzima.
! Este tipo de inhibición depende de la concentración relativa del inhibidor y del
substrato.
! Un inhibidor competitivo, guarda habitualmente, una íntima relación estructural
con el substrato, pero es incapaz de experimentar la reacción catalítica.
! En la inhibición competitiva, el
enzima se combina reversiblemente
con el inhibidor I, para formar un
complejo enzima-inhibidor, EI.
! El inhibidor y el substrato no están
nunca unidos al enzima al mismo
tiempo.
! Aumentan la Km, sin modificar la Vmax.
Km (app) = Km 1 + [I]
Ki
41
o No competitiva:
! El incremento de la concentración del substrato no invierte la reacción.
! El inhibidor no se une al centro de unión del substrato, sino más bien con algún
otro grupo, situado sobre la molécula del enzima, que es esencial para su función,
en un lugar diferente al centro activo del enzima.
! Se forma un complejo ESI no productivo.
! Disminuye la concentración de enzima libre.
Ks
E+S
+
I
ES
+
I
Ki
E+P
Ki
EI + S
ESI
Ks
! Disminuyen la Vmax, i no modifican la Km.
Vmax (app) =
Vmax
1 + [I]
Ki
• Inhibidores suicidas:
o Dependen de la acción catalítica del enzima,
para convertirse en inhibidores.
o Se genera un grupo muy reactivo que forma
un enlace covalente con algún grupo funcional
cercano al centro activo del enzima.
o La penicilina es un inhibidor suicida de la
glicoproteína peptidasa.
42
Efecto del pH sobre la actividad enzimática.
• Los enzimas poseen un pH óptimo, característico, al cual su actividad es máxima.
• Por encima o por debajo de éste pH, la actividad desciende, los aminoácidos pierden la
capacidad de ionitzación, si se protonan no son funcionales.
• Este efecto es reversible, si sometemos un enzima a pH 6, y después lo devolvemos a pH
7, recuperamos la actividad. Pero si nos alejamos mucho del pH óptimo, el enzima se
desnaturaliza y aunque lo devolvamos al pH óptimo, éste no se vuelve a renaturalizar.
• El pH óptimo de un enzima no es necesariamente idéntico al pH de su entorno
intracelular normal.
• El pH óptimo, es el fisiológico.
• Una excepción, es la pepsina, que actúa a pH 2.
Efectos de la temperatura sobre los enzimas.
• A temperatura fisiológica, por
debajo de 40 ºC, funcionan bien,
predomina el aumento de la velocidad
con la temperatura.
• A más temperatura, entre 40 y 80
ºC, predomina la desnaturalización,
proceso irreversible.
43
Tema 10 – Mecanismos de regulación de la actividad enzimática
La regulación de la concentración de los enzimas dentro de la célula, se produce de dos
formas:
• Regulando la síntesis.
o Esta regulación se produce en el ribosoma.
o Más importante es regularla en el DNA, aquí están codificadas todas la proteínas,
pero no todas se expresan constantemente, porque solo son necesarias en momentos
concretos.
• Regulando la degradación.
o A las proteínas se les engancha una molécula que da señal de degradación.
• La mayor parte de los enzimas en la célula, actúan en cadenas secuenciales llamadas
sistemas multienzimáticos.
• El producto de uno de los enzimas, es el substrato del siguiente.
• Cada sistema multienzimático realiza una tarea metabólica específica.
• En la mayor parte de estos sistemas, el primer enzima de la secuencia actúa como
regulador de la velocidad de todo el sistema, y recibe el nombre de enzima regulador o
alostérico.
• Este enzima es inhibido, habitualmente por el producto final de la secuencia, de modo
que siempre que éste se acumula por encima de una concentración crítica, inhibe al
primer enzima, o regulador, de la secuencia e interrumpe, de este modo, la vía
metabólica.
Modulación de la actividad de los enzimas.
• Efectores alostéricos.
o Aumentan la Km.
o Disminuyen la afinidad del enzima por el substrato, por lo que se necesita más
substrato para saturar el enzima.
o También hay efectores alostéricos positivos, que disminuyen la Km.
o Hay otros efectores alostéricos que afectan a la Vmax.
44
• Modificaciones covalentes reversibles (fosforilación).
o La más habitual es la fosforilación.
o Proteínas Quinasa, hay muchas, las quinasas actúan en secuencias específicas.
La proteína quinasa activa
la fosforilación.
Proteïna quinasa
ATP
La proteína fosfatasa
elimina el fosfato.
ADP
P
Pi
Proteïna fosfatasa
45
• Interacciones con otras proteínas.
o La proteína quinasa está formada por 4 subunidades, 2 reguladoras y 2 catalíticas.
o Este enzima se activa cuando las subunidades catalíticas quedan libres, esto pasa en
respuesta al AMPc.
o El AMPc, se une a la subunidad reguladora y le cambia la conformación, así permite
que la catalítica se desenganche.
o El AMPc activa a la proteína quinasa A (PKA).
o La concentración intracelular del AMPc, aumenta en respuesta a algunas hormonas.
o El AMPc es un mensajero segundario.
OUT
AC
Receptor
ATP
R
Adenilat ciclasa
IN
AMPc
C
C
PKA
Fosforilació
AMPc
• Modificación covalente irreversible (proteólisis).
o
o
o
o
Muchos enzimas son sintetizados en forma de zimógenos o proenzimas.
Son precursores inactivos de un enzima.
Su activación se hace a través de la hidrólisis de enlaces peptídicos.
Este mecanismo solo se da una vez en la vida de un enzima.
Enzimas digestivos.
Coagulación de la sangre.
Prohormonas – Hormonas.
Metamosfosi (procolagenasa)
Apoptosi o muerte celular programada (caspases)
o Las proteasas digestivas son sintetizadas en forma de zimógenos (gástricos o
pancreáticos).
Lloc de síntesi
Zimogen
Enzim actiu
Pancreas
Quimotripsinogen
Quimotripsina
Pancreas
Tripsinogen
Tripsina
Pancreas
Procarboxipeptidasa
Carboxipeptidasa
Pancreas
Proelastasa
Elastasa
Estomac
Pepsinogen
Pepsina
Secreción de zimógenos por
las células del páncreas.
46
o La tripsina es el activador común de todos los zimógenos pancreáticos.
o La formación de tripsina por la enteropeptidasa es la etapa primordial.
Activación de los zimógenos
pancreáticos.
o La rotura de un solo enlace peptídico provoca la activación de la tripsina.
Activación de la tripsina.
Activación de la quimotripsina
Interacción de la tripsina con su inhibidor.
47
ESTRUCTURA DE LOS NUCLEOTIDOS
Los nucleótidos participan en reacciones de:
• Oxidorreducción
• Transferencia de energía
• Señales intracelulares
• Reacciones de biosíntesis.
• Aunque también tienen papeles estructurales y catalíticos en la célula.
Nucleótidos:
• Pentosa (azúcar)
• Base nitrogenada (unida al C1)
• Grupo fosfato (unida al C5)
Nucleósidos:
•
Pentosa (azúcar)
•
Base nitrogenada
Enlace N-glicosídico
Enlace fosfodiester (unión entre nucleótidos individuales,
el fosfato está esterificado con dos unidades de ribosa).
Los nucleótidos pueden unirse unos a otros para formar los polímeros que conocemos como:
• DNA (ácido desoxirribonucleico)
• RNA (ácido ribonucleico)
Sus polímeros, los ácidos nucleicos, son primordialmente, los que almacenan y decodifican y
transfieren la información genética.
Bases de los nucleótidos
Son moléculas planas, aromáticas, heterocíclicas.
Derivan estructuralmente de la purina o la pirimidina.
Purinas más comunes
Las purinas forman enlaces con un azúcar de
5 C (pentosa)
Principales Pyrimidinas
48
Formas tautoméricas de las bases:
Las bases púricas y pirimídicas de los ácidos nucleicos pueden asumir diferentes formas
tautoméricas (los tautómeros son isómeros que se convierten fácilmente y difieren sólo en
la posición de los hidrógenos).
Hay dos formas, enol y ceto, son isómeros, se les llama TAUTÓMEROS.
Pasan de la forma ceto a enol, aunque el equilibrio está desplazado hacia la forma ceto.
Cambian de una forma a otra porque hay cambios de protones y dobles enlaces.
Hay más formas ceto que enol, porque enol, no puede formar puentes de Hidrógeno.
Forma ceto o lactámica
Forma enol o lactímica
Forma doble lactímica
A pH 7.0 la forma lactámica (forma ceto) es la predominante.
Los nucleótidos, tienen la propiedad de absorber la luz UV, su punto máximo de absorción
está a 260 nm.
Conformación de las pentosas:
En el C2 y el C3, existe movilidad:
• Por encima del plano se les llama endo.
• Por debajo del plano se les llama exo.
Los azúcares se encuentran en forma ciclada.
49
DESOXIRIBONUCLEÓTIDOS
Las bases del DNA son Adenina, Timina, Guanina, Citosina.
El DNA tiene números iguales de residuos de adenina y timina (A = T) y números iguales de
residuos de guanina y citosina (G = C), según las reglas de Chargaff (1940).
En el DNA, la modificación más común de sus bases, es la metilación, añadir un grupo metil.
RIBONUCLEÓTIDOS
Las bases del RNA son Adenina, Guanina, Citosina, Uracilo.
En el tRNA, son especialmente abundantes las bases modificadas.
50
OTRAS FUNCIONES DE LOS NUCLEÓTIDOS
ATP - Adenosin trifosfato, formado por Adenina, Ribosa y 3 Fosfatos.
Transporta energía química dentro de las células, la rotura de los fosfatos desprende
energía.
La hidrólisis del enlace anhídrido produce más energía que la hidrólisis del enlace ester.
Los nucleótidos de adenina son componentes de algunos cofactores enzimáticos.
El NAD y el FAD actúan como coenzimas en reacciones de oxidación-reducción.
Transportan electrones.
51
El CoA actúa como transportador de grupos acil (acetatos), en el metabolismos de ácidos
grasos. Formado por adenina + ribosa + 2 fosfatos + vitamina ( ac. pantoteico, B5…).
Algunos nucleótidos actúan como mensajeros secundarios.
• AMPc: Las hormonas hidrosolubles no pueden
atravesar la membrana celular, se acoplan a un
receptor de membrana, esto hace que el Adenilato
Ciclasa sintetice AMPc a partir de ATP. Dará
AMPc y dos fosfatos inorgánicos que servirán para
activar la Kinasa cuando la concentración de AMPc
sea abundante.
• GMPc: Es muy importante en el impulso nervioso de la retina.
• ppGpp: Se sintetiza en bacterias en respuesta al
déficit de aminoácidos. Inhibe la síntesis de
rRNAy tRNA.
El DNA es la molécula de la herencia.
En los ácidos nucleicos, los nucleótidos
están unidos por enlace fosfodiester.
Este enlace se hace entre los carbonos 5 y
3 de la pentosa, ya que los ácidos nucleicos
tienen extremos 5 y 3.
Oligonucleótidos: menos de 50 nucleótidos.
Polinucleótidos: más de 50 nucleótidos.
52
En 1940, se creía en general que los genes estaban formados por proteínas.
En 1944, tras los experimentos de Avery, MacLeod y McCarty, se demostró que el DNA,
es quien lleva la información genética. Sus experimentos mostraron que el DNA (no las
proteínas), extraído de una cepa virulenta (patógena) de la bacteria Diplococcus
pneumoniae, era la sustancia que transformaba (cambiaba de manera permanente) una cepa
no patógena del organismo en otra virulenta.
El experimento de Hershey y Chase:
• Las proteínas se marcan con azufre (35S).
• El DNA con fósforo (32P) radioactivos.
En 1940, Chargaff, influenciado por los anteriores,
estableció las conocidas como reglas de Chargaff,
ideó los primeros métodos cuantitativos confiables
para el análisis de la composición del DNA:
•
•
•
•
La composición de bases del DNA, varía entre especies.
El DNA de diferentes tejidos de una misma especie, tiene la misma composición.
La composición de bases del DNA de una misma especie, se mantiene constante.
En todos los DNA celulares se cumple la siguiente relación:
A = T (2 puentes H)
G = C (3 puentes H)
A + G = T + C
Estructura del DNA
Esta fotografía de difracción de rayos X, tomada por
Rosalind Franklin, brindó la evidencia clave para la
dilucidación de la estructura de Watson y Crick:
• La estructura central en forma de X indica una
hélice, las moléculas eran helicoidales.
• Los arcos oscuros en las partes superior e
inferior muestran el espaciamiento de las bases
apiladas (3,4 ).
• Indicó que el DNA es una doble hélice.
53
El modelo de Watson y Crick tiene las características principales siguientes:
1. Las dos cadenas de polinucleótidos se enrollan alrededor de un eje común para
formar una doble hélice.
2. Las dos cadenas de DNA son antiparalelas (corren en sentidos opuestos), pero cada
una forma una hélice dextrógira.
3. Las bases ocupan el centro de la
hélice y las cadenas de azúcares
y
fosfatos corren en la
periferia, lo que vuelve mínimas
las repulsiones entre los grupos
fosfato, cargados.
La superficie de la doble hélice
contiene dos hendiduras de
ancho desigual: las ranuras
mayor y menor.
4. Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta
para formar un par de bases plano.
La doble hélice se estabiliza por puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas.
La doble hélice
dextrogira.
es
En cada vuelta hay 10
pares de bases.
Forma B del DNA (Watson y Crick)
54
La estructura de la doble hélice sugiere el mecanismo de
la replicación del DNA.
Las cadenas se separan y actúan como moldes.
Se sintetizan dos nuevas cadenas hijas, complementarias a
las cadenas madre.
Este tipo de replicación se llama semiconservativa.
Diferentes formas:
Forma A
• Tiene 11 pares de bases por vuelta de hélice.
• Más compacta, un poco más ancha.
• No existe dentro de las células como tal, aparece en cristales anhídros.
• Es predominante en los RNA o en los híbridos DNA-RNA.
Forma B
• Es la forma en la que se encuentra el DNA dentro de las células, forma más
hidratada.
Forma Z
• Es levógira y tiene 12 pares de bases por vuelta de hélice.
• Se encuentra en regiones con secuencias tipo pGpC pGpC pGpC.
55
Desnaturalización del DNA
260 nm es la máxima absorción de luz del DNA.
La desnaturalización del DNA se puede ver según el grado de absorción de la luz.
Permite medir como las hélices del DNA se pueden separar, cuando la doble hélice se
calienta, los puentes de hidrógeno se rompen y las cadenas se separan.
tm = temperatura de fusión.
Efecto hiporcrómico:
Las bases son anillos aromáticos que absorben luz.
Las bases libres absorben más luz que las que se encuentran en el DNA y si se forma una
doble hélice aún absorben menos luz.
Efecto hipercrómico:
Es el aumento de absorbancia que se observa al desnaturalizar el DNA.
La tm depende de la composición de las bases.
Los pares A=T estan formados por 2 puentes H, mientras que los pares G=C por 3.
Contra más pares G=C, mayor es la tm.
Hibridación de los ácidos nucleicos:
La habilidad que tienen dos cadenas sencillas de ácidos nucleicos para hibridar, es una
medida de su complementariedad.
La hibridación es una técnica utilizada para determinar relaciones evolutivas.
56
Cromosoma: es cada uno de los pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se
organiza la cromatina del núcleo celular en la mitosis y la meiosis, cada uno de los cuales se
divide longitudinalmente, dando origen a dos cadenas gemelas (iguales).
Su número es constante para una especie determinada.
Cromatina: es el material microscópico constituido del ADN y de proteínas especiales
llamadas histonas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas en las cuales los
cromosomas se ven como una maraña de hilos delgados.
Cuando la célula comienza su proceso de división, la cromatina se condensa y los
cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. La unidad básica de la
cromatina son los nucleosomas. Los cromosomas se suelen representar por pares, en
paralelo con su homólogo.
Definición de gen
Fragmento de cromosoma que afecta o determina un único carácter (Mendel, s.XIX).
• Fenotipo: caracteres observables de un individuo.
• Genotipo: características genéticas de un individuo.
Fragmento de material genético que codifica para un enzima (Beadle & Tatum, 1940).
Fragmento de material genético que codifica para una cadena polipeptídica.
Fragmento de DNA que codifica para un polipéptido o un RNA.
• Genoma: conjunto de material genético de un individuo o una especie.
• Proteoma: conjunto de proteínas expresadas para un organismo.
Organización del genoma
En procariotas, los genes y las proteínas son colineales.
Los genes y cromosomas de eucariotas son muy complejos.
• Exón: parte de un gen que codifica para proteínas.
• Intrón: regiones de los genes que no codifican para proteínas.
Solo las mutaciones en los exones afectan la secuencia de las proteínas.
Las secuencias de los exones están conservadas pero las de los intrones son más variadas.
En genes homólogos, las posiciones de los intrones están conservadas.
Muchos exones codifican regiones de proteínas con funciones determinadas.
57
La mayor parte del DNA humano está formado por secuencias repetidas de nucleótidos.
Los genes constituyen menos de 1/3 parte del DNA humano.
DNA no repetitivo: formado por secuencias únicas.
DNA repetitivo: formado por secuencias presentes en
más de una copia.
Moderadamente repetitivo: Transposons.
Altamente repetitivo: Simple sequence repeats.
Segmental duplications.
Tipos de secuencia del genoma humano.
El DNA altamente repetitivo forma parte de:
• Centrómeros: secuencias de DNA donde se unen
las proteínas del aparato mitótico durante la
segregación de los cromosomas.
• Telómeros: secuencias de DNA que se
encuentran en los extremos de los cromosomas.
Superenrollamiento del DNA:
El DNA celular está superenrollado.
El superenrollamientos del DNA es la manifestación de
una tensión estructural.
La tensión es el resultado de un desenrollamiento
(superenrollamiento negativo).
En las células el DNA presenta superenrollamiento
negativo.
El superenrollamiento negativo facilita la compactación
del DNA, así como la separación de las cadenas.
DNA relajado
Las enzimas que inducen este enrollamiento son las topoisomerasas.
• Topoisomerasas I: introducen un superenrrollamiento negativo.
o Rompen una de las cadenas de DNA.
o Pasan la otra cadena a través del agujero.
o Vuelven a unir la cadena rota.
58
• Topoisomerasas II: introducen 2 superenrollamientos negativos.
o Rompen las dos cadenas de DNA.
o Pasan la doble hélice por el agujero.
o Vuelven a unir las dos cadenas.
El DNA con superenrollamientos negativos puede adoptar dos formas:
• Formas plectonémicas: son dextrogiras.
o Es la más estable en solución.
• Formas solenoidales: son levogiras.
o Permite más compactación del DNA.
o En la célula eucariota el DNA se
encuentra
en
esta
forma,
estabilizada a través de la unión a
proteínas.
Las dos formas son interconvertibles.
Estructura de los cromosomas:
Las bacterias tienen un cromosoma circular.
El material genético está empaquetado en una región llamada nucleoide.
Cuando las bacterias se rompen el DNA aparece como fibras unidas a proteínas.
El DNA bacteriano está organizado en forma de lazos asociados a estructuras
desconocidas.
El DNA de los lazos está unido a proteínas básicas.
Cada lazo tiene unas 40 kb (kilo pares bases).
Hay 100 lazos en el genoma.
En eucariotas, prácticamente la totalidad del DNA,
está organizado en nucleosomas.
Core:
•
•
•
•
•
2 x H2A
2 x H2B
2 x H3
2 x H4
146 pb DNA
59
La longitud del DNA linker varia entre 8-114 pb.
Aproximadamente la mitad de la masa de la cromatina está compuesta por proteínas, y la
mayoría de estas proteínas está representada por las histonas.
Las histonas, son proteínas básicas (ricas en Arg y Lis), tienen un bajo peso molecular.
El nucleosoma está formado por 4 histonas:
• 2 x H2A
• 2 x H2B
• 2 x H3
• 2 x H4
Las ocho forman un octámero donde se enrolla el DNA.
Las cinco clases principales de histonas son:
Las histonas H3 y H4 se han conservado mucho a lo largo de la evolución.
La histona H1 es la menos conservada.
La localización de la histona H1 es externa a la partícula nucleosomal.
La histona H1 está asociada al DNA linker.
Las histonas del nucleosoma tienen estructuras muy parecidas.
El DNA da 1,8 vueltas al octámero de histonas.
Un octámero se podría considerar como formado por:
• Un tetrámero de H3 y H4
• Y dos dímeros de H2A y H2B.
60
Las regiones N-terminales de las histonas salen por fuera del nucleosoma.
Las histonas son modificadas por mutilación, acetilación y fosforilación.
La modificación de las histonas está relacionada con cambios estructurales.
El enrollamiento de la hélice de DNA alrededor del nucleosoma, reduce siete veces su
longitud de contorno.
A concentraciones de sal fisiológicas, la cromatina continúa condensándose mediante su
plegado en forma de zigzag, para formar un filamento de 30 nm de diámetro.
Fibra de 30 nm:
• Es un solenoide con 6 nucleosomas por vuelta de hélice.
• La presencia de la H1 es necesaria para su formación, el solenoide se encuentra
estabilizado por medio de las interacciones de las moléculas de histonas H1 en los
nucleosomas adyacentes.
• Las colas N-terminales de las histonas H2B, H3 y H4, son necesarias para su
formación. Pasan entre los giros (vueltas) de DNA de la superhélice. Los segmentos
N-terminal de estas colas son muy básicos y contienen los sitios de acetilación de las
histonas. Es muy probable que las colas estabilicen la formación de los filamentos de
cromatina por medio de su interacción con los nucleosomas vecinos.
• La fibra de 30 nm, compacta el DNA unas 100 veces.
• Estas fibras se asocian a proteínas que forman el andamio o esqueleto central del
cromosoma.
• Las topoisomerasas abundan en estas estructuras proteicas.
Compactación del DNA en eucariotas
61
Replicación del DNA
La replicación del DNA es semiconservativa: las 2 cadenas se separan y cada una sirve de
molde para las dos nuevas cadenas.
Experimento de Meselson-Stahl (1957). La densidad del DNA aumentaba al marcarlo con
15
N, un isótopo pesado del N (el 14N es el isótopo abundante en la naturaleza).
Los DNAs se pueden separar en función de su densidad, con cloruro de cesio (CsCl) se
centrifuga y se separa el DNA de diferentes densidades.
La replicación del DNA se hace en la fase S del ciclo celular.
Las bacterias tienen un cromosoma circular.
Las dos cadenas se replican simultaneamente.
La replicación empieza siempre en el mismo sitio: el
origen de replicación.
Los cromosomas bacterianos tienen un único origen de
replicación.
En eucariotas hay más de un origen de replicación por
cromosoma.
Experimento de John Cairns.
62
John Cairns observó la replicación del DNA a través de la autorradiografía de los
cromosomas de E. coli crecidos en un medio de contenía [3H] timidina. Estos cromosomas
circulares contenían “ojos” o “burbujas de replicación” denominados estructuras que se
forman cuando las dos hebras parentales de DNA se separan para permitir la síntesis de
sus hebras hijas complementarias. La replicación de DNA que involucra la estructuras , se
denomina replicación .
Se nombra horquilla de replicación al punto de ramificación en un
ojo de replicación en el que se lleva a cabo la síntesis de DNA.
Una burbuja de replicación puede contener una o dos horquillas
de replicación (replicación unidireccional o bidireccional). En los
estudios autorradiográficos se demostró que la replicación
es
casi siempre bidireccional.
La síntesis del DNA procede en ambas direcciones desde el punto
donde se inicia la replicación.
El DNA es sintetizado por las DNA polimerasas, las que necesitan una cadena molde y una
cadena cebadora.
En procariotas y eucariotas hay más de una DNA polimerasa, solo una de ellas actúa en la
replicación, el resto tienen otras funciones.
Las DNA polimerasas (enzimas), ensamblan los desoxinucleósidos trifosfato entrantes
sobre un molde de hebra simple de DNA. El grupo OH en el extremo 3’ de una hebra de
polinucleótidos creciente es un nucleófilo que ataca el grupo -fosfato de un dNTP
entrante que se aparea con la hebra molde de DNA, y en consecuencia, la hebra creciente
se alarga en la dirección 5’ → 3’. A pesar de que la formación de un nuevo enlace
fosfodiéster es reversible, la hidrólisis subsecuente del producto PPi hace que la reacción
global sea irreversible.
En la horquilla de replicación una cadena se sintetiza de forma continua y la otra de forma
discontinua (cadena retrasada).
La cadena retrasada se sintetiza en forma de fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki).
El DNA se sintetiza en la dirección 5’ → 3’.
63
La cadena continua en una horquilla de replicación, es la retrasada en la otra.
Mecanismo de reacción de la DNA polimerasa:
Las estructuras de una variedad de DNA polimerasas comparten un mecanismo catalítico
común de transferencia del nucleotidilo. Sus sitios activos contienen dos iones metálicos,
usualmente Mg2+, que se encuentran ligados o unidos por las cadenas laterales de los Asp
conservados en el dominio de la palma. Un ión metálico, está unido por los tres grupos
fosfatos del dNTP unido, mientras que el otro ión metálico forma un puente entre el grupo
-fosfato de este dNTP y el grupo 3’-OH del cebador. El segundo ión fosfato
presumiblemente activa al grupo 3’-OH del cebador para realizar un ataque nucleofílico
sobre el grupo -fosfato, mientras que el primer ión fosfato tiene como función orientar su
grupo trifosfato unido y escudar electrostáticamente sus cargas negativas así como la
carga negativa adicional del estado de transición que lleva a la liberación del ión PPi.
La polimerasa I, además de su actividad polimerasa, tiene dos actividades hidrolíticas
independientes que ocupan sitios activos separados:
• 3’ → 5’ exonucleasas: permite a la Pol I corregir los errores producidos durante la
replicación. Si la Pol I incorpora en forma errónea un nucleótido mal apareado en el
extremo de una cadena de DNA creciente, la actividad polimerasa se inhibe y la
actividad 3’ → 5’ exonucleasa escinde por hidrólisis el nucleótido equivocado. Luego,
la actividad polimerasa reanuda la replicación del DNA. Este mecanismo de
corrección explica la alta fidelidad de la replicación del DNA por la Pol I.
64
• 5’ → 3’ exonucleasas: ésta se une al DNA de doble hebra en las mellas de gebra
simple (roturas). Ésta escinde la hebra de DNA mellada en una región apareada más
allá de la mella para escindir el DNA como mononucleótidos u oligonucleótidos de
hasta 10 residuos.
Su función mas importante (y sólo esencial), es la síntesis de la hebra retrasada, en
la que elimina el RNA cebador y lo reemplaza por DNA.
El RNA cebador es escindido del extremo 5’ del nuevo fragmento de Okazaki,
sintetizado mediante la acción de la función 5’ → 3’ exonucleasa de la Pol I y
reemplazado por medio de su función polimerasa, que adiciona desoxinucleótidos en
el extremo 3’ del fragmento de Okazaki previamente sintetizado. Esto traslada la
mella que originalmente estaba en el extremo 5’ del RNA a la posición que estaba
ocupada por su extremo 3’ (desplazamiento de mella). La mella se sella por la acción
de la DNA ligasa.
Replicación del DNA:
1.
Iniciación:
En el E. coli la región del cromosoma correspondiente al origen se llama OriC, es una
zona formada por 245 pb.
Los elementos de esta secuencia son muy conservados en las bacterias gramnegativas
(diferentes especies bacterianas).
La abundancia de A/T en el origen de replicación facilita la obertura de las cadenas.
Mecanismo de inicio de replicación:
1. Las proteínas DnaA i HU torsionan el DNA y hacen que las dos cadenas se
separen en las regiones ricas en A/T.
2. La proteína DnaB es una helicasa que separa las dos cadenas, forman dos
horquillas de replicación. Para que se una la helicasa se necesita una DnaC.
3. Las cadenas sencillas se mantienen separadas por las proteínas SSB.
o La primasa interacciona con la helicasa y con las proteínas SSB.
o La primasa sintetiza un único cebador para la cadena continua y en la
retrasada, un cebador para cada fragmento de Okazaki.
4. Al separarse las cadenas, el DNA se superenrolla por detrás de la horquillas de
replicación.
5. Los superenrollamientos son deshechos por la DNA girasa una topoisomerasa
de tipo II, que corta la cadena y la vuelve a unir quitando los
superenrollamientos.
65
2. Elongación de las cadenas de DNA:
En E. coli la holoenzima Pol III cataliza la síntesis de las hebras adelantada y
retrasada.
1. El replilsoma, que contiene dos holoenzimas de DNA polimerasa III, sintetiza la
hebra adelantada y la hebra retrasada. La hebra retrasada molde debe hacer
un bucle para permitir que la holoenzima extienda la hebra retrasada cebada.
2. La holoenzima libera la hebra retrasada molde cuando encuentra al fragmento
de Okazaki previamente sintetizado. Esto puede señalizar al primosoma para
iniciar la síntesis de un cebador de RNA de la hebra retrasada.
3. La holoenzima se une nuevamente a la hebra retrasada molde y extiende el RNA
cebador para formar un nuevo fragmento de Okazaki.
66
La elevada procesividad de la DNA polimerasa III es debida a la subunidad .
Dos subunidades forman una grapa que envuelve el DNA.
La síntesis de las dos cadenas se hace de una manera coordinada.
El complejo multienzimático responsable de la síntesis se llama replisoma.
El replisoma avanza en el mismo sentido que la horquilla de replicación.
La cadena discontinua forma un lazo.
Periodicamente la DNA primasa se une a la
helicasa, sintetiza un nuevo primer y se
disocia.
El primer es transferido
polimerasa (subunidad ).
a
la
DNA
Cuando se acaba la síntesis del fragmento
de Okazaki se añade la nueva subunidad al
complejo catalítico.
Se carga una subunidad .
Los cebadores de RNA son eliminados y
substituidos por DNA.
Los extremos 3’ y 5’ libres son unidos por la
DNA ligasa.
67
La reacción de ligación tiene dos partes.
Mecanismo de reacción de la ligasa:
La DNA ligasa es activada por NAD+ o ATP.
La energía libre para la reacción de la DNA ligasa se obtiene, de un modo dependiente
de la especie, por medio del acoplamiento de la hidrólisis de NAD+ a nicotinamida
mononucleótidos (NMN+) + AMP, o de ATP a PPi + AMP. La DNA ligasa de E. coli, un
monómero de 77 kDa que utiliza NAD+, cataliza una reacción de tres pasos:
1. El grupo adenililo del NAD+ se transfiere al grupo -amino de un residuo de Lys
de la enzima para formar un aducto fosfamida poco común.
2. El grupo adenililo de esta enzima activada se transfiere al 5’ fosforilo terminal
de la mella para formar un DNA adenililado. Aquí, el AMP se une al 5’-nucleótido
por medio de un pirofosfato en lugar del enlace fosfodiéster usual.
3. La DNA ligasa cataliza la formación de un enlace fosfodiéster por medio del
ataque del 3’-OH sobre el grupo 5’-fosforilo, para sellar de este modo la mella y
liberar el AMP.
Las DNA ligasas que requieren ATP, como la de los eucariotas, liberan PPi en lugar de
NMN+ en el primer paso de la reacción.
3. Finalización:
La topiisomerasa IV es necesaria para
separar las dos cadenas de DNA
circular.
68
Mutaciones:
Alteraciones del DNA que provocan cambios permanentes en la información genética.
Se pueden dar en células:
• Somáticas: rara vez tiene efecto más allá de la célula, a menos que la mutación
contribuya a una transformación maligna (cáncer).
• Germinales: el cambio pasa a todas las células del organismo de la descendencia.
Las mutaciones se pueden producir durante la replicación del DNA.
Las mutaciones más simples son las substituciones.
• Transición: purina/purina ó pirimidina/pirimidina.
• Transversión: purina/pirimidina ó pirimidina/purina.
Las mutaciones pueden ser:
Espontaneas:
• Desaminaciones:
o La Citosina se desamina en Uracilo (hay sistema de reparación).
o La Adenina pasa a Hipoxantina.
• Depurinizaciones: Se rompe el enlace O-glucosídico (enlace purina-pentosa) y se
marcha la base, se llaman lugares apurínicos (también existe reparación).
Inducidas por mutágenos:
Químicos:
• Análogos de bases
Muy parecidos al DNA.
El 5-bromouracilo es un análogo de la timina.
• Agentes alquilantes
Metilan bases y ya no forman puentes de H y se aparejan desigualmente.
La O6-metilguanina se aparea con la timina.
• Agentes hidroxilantes
• Agentes desaminantes
Precursores del ácido nitroso.
Adenina → Hipoxanthine.
• Agentes intercalantes
Los agentes intercalantes se colocan entre pares de bases apilados.
Causan adiciones o deleciones de pares de bases.
Físicos:
• Radiaciones ionizantes
Provocan el rompimiento de las cadenas de DNA.
• Radiación UV
Provocan la formación de dímeros de Timina.
Se forma un anillo de ciclobutano, deforma el DNA y no deja que se dibida bien.
Biológicos:
• Virus
El DNA vírico se inserta dentro del DNA de la célula.
69
Reparación del DNA
A pesar de los sistemas de reparación de las DNA polimerasas durante la replicación del
DNA, se producen errores.
La metilación de las cadenas de DNA sirven para diferenciar la cadena molde (madre) de la
cadena acabada de sintetizar (hija).
Esta función es crítica para poder reparar las bases incorporadas incorrectamente durante
la síntesis del DNA.
Reparación de bases mal apareadas (Mismatch repair):
Se reparan errores provocados durante la replicación del DNA.
La proteína MutS reconoce las bases mal apareadas por la distorsión que provocan en la
doble hélice. Aún así, con gasto de ATP, se fija a ellas.
La proteína MutH reconoce quien es la cadena madre y quien la hija (no metilada).
Sólo corta la cadena no metilada, desde donde está el metilo hasta sobrepasar la mutación.
MutH sólo es activa cuando forma complejos con MutS y MutL.
Dependiendo si corta por 3’ o por 5’, necesitaremos exonucleasas diferentes.
Una vez cortada entra una helicasa (nucleasa) que separa las cadenas.
Una exonucleasa destrulle la base mala.
Y finalmente entra la polimerasa y vuelve a sintetizar.
Reparación directa
La fotoliasa es un enzima muy complejo que se activa con la luz.
Utiliza la energia de la luz para reparar los dímeros de timina.
La metilación de la guanina provoca un apareamiento incorrecto, se aparea con la timina en
lugar de con la citosina..
La metiltransferasa queda inutilizada durante la reacción.
70
Reparación por escisión de bases
Caso típico de la Citosina que se cambia por Uracilo.
Las DNA glucosilasas reconocen estos cambios, bases modificadas y las eliminan.
Cortan el enlace N-glucosídico entre la base y la pentosa generando un agujero (lugar AP).
Las AP endonucleasas reconocen el lugar AP, cortan la cadena con el lugar AP (donde falta
la base) y dejan un extremo 3’ libre.
En este extremo interviene la DNA polimerasa I para reinsertar el trozo.
La ligasa une los extremos.
Reparación por escisión de nucleótidos
Repara mutaciones que provocan distorsiones en la forma de la doble hélice (en el DNA).
En bacterias se llama sistema UvrABC.
Test de AMES para mutagénesis:
Un disco de papel de filtro con un mutágeno, en este caso el agente alquilante etil
metansulfonato, se coloca en el centro de una placa de cultivo que contiene una cepa de
prueba his- de Salmonella tiphimurium, en un medio que no contiene histidina.
Un halo denso de colonias bacterianas de mutantes (his+) aparece alrededor del disco a
partir del cual se difunde el mutágeno.
Las colonias más grandes distribuidas alrededor de la placa de cultivo son mutantes
espontáneas.
Las bacterias cercanas al disco están muertas como consecuencia de la alta concentración
tóxica del mutágeno.
Transcripción
En procariotas la transcripción y la traducción son simultáneas.
Transcripción
DNA
Traducción
RNA
PROT
RNAr (RNA ribosómico)
Constituye 2/3 de la masa ribosómica.
No se traducen en proteínas
RNAt (RNA de transferencia)
Grupo de moléculas compactas y pequeñas que transporta los
aminoácidos a los ribosomas para formar las proteínas.
snRNA
La trancripción es diferente en procariotas y en eucariotas.
Procariotas:
No hay separación entre nucleo y citosol.
71
Mientras el RNA se va sintetizando, éste ya se va traduciendo en proteínas.
La información que codifica para la proteína es lineal.
Un único RNA puede sintetizar para diferentes proteínas.
Eucariotas:
Hay separación física del nucleo.
Primero se sintetiza el RNA y cuando sale del nucleo se sintetiza la proteína.
La información no es lineal, si no que está a trozos.
Se sintetiza como un único mensajero:
• Se quitan los trozos que no codifican: INTRONES.
• Y se juntan los que codifican: EXONES.
Splicing: es la eliminación de los intrones.
En la transcripción solo se copia un trozo de la cadena de DNA.
Solo se utiliza como molde una de las cadenas.
La síntesis de RNA se hace en la dirección 5’ → 3’.
El RNA es complementario a la cadena molde y equivalente a la cadena codificante.
La secuencia entre los lugares de iniciación y de terminación se llama unidad de
transcripción.
Una unidad de transcripción puede incluir más de un gen.
Inicio:
• La RNA polimerasa se une al promotor
(secuencias de DNA que indican el lugar
de iniciación, se encuentran en el ppi del
gen) (complejo cerrado).
• La RNA polimerasa abre la doble hélice en
la región de inicio y se forma la burbuja
de transcripción (complejo abierto).
• Se sintetiza el enlace fosfodiester de los
dos primers NTPs (no hace falta cebador).
Elongación:
• La RNA polimerasa sintetiza avanzando
sobre el DNA, abre la doble hélice y añade
NTPs a la cadena de RNA.
Finalización:
• En el lugar de finalización la RNA
polimerasa libera el RNA y se disocia del
DNA.
TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS
Las mutaciones en los promotores pueden variar la eficiencia de la transcripción.
Las mutaciones en la región -35 afectan a la unión de la RNA polimerasa.
Las mutaciones en la región -10 afectan a la separación de las cadenas.
72
Estructura de la holoenzima RNA polimerasa:
• Cataliza
la
formación
del
enlace
fosfodiester entre NTPs.
• El centro actisvo está formado por regiones
de las subunidades y ’.
• Las subunidades
y
tienen una función
estructural.
• La subunidad reconoce los promotores.
o
o
o
α
ω
β
La subunidad aumenta la afinidad de la RNA polimerasa para los promotores y
disminuye la afinidad por el resto del DNA.
La subunidad
reconoce secuencias específicas en el DNA a través de la
interacción de algunas hélice con las bases del surco mayor.
La subunidad
también participa en el reconocimiento de los UP-elementos
presentes en los promotores fuertes.
!
!
o
β’
4 reconocimiento del DNA.
2 separación de las cadenas.
La subunidad
se disocia de la RNA polimerasa durante el proceso de elongación.
En la burbuja de replicación el DNA se mantiene desapareado 14 pb.
La RNA polimerasa no corrige errores.
La síntesi de RNA es procesiva, una vez que se formó el complejo abierto la transcripción
procede sin la disociación de la enzima del molde. Se realiza procesivamente sin una
estructura similar a una abrazadera (por ejemplo: la abrazadera de la DNA polimerasa
III de E. coli).
Hay varias subunidades que reconocen promotores diferentes:
• Los promotores estándar son reconocidos por el factore 70.
• El factor 32 se une a los promotores que responden al choque térmico.
• El factor 54 es activado cuando no hay amonio en el medio.
La finalización de la síntesis puede proceder de 2 formas:
Finalización independiente de (proteína conocida como
factor Rho, es una helicasa que cataliza el
73
desenrollamiento de las dobles hélices RNA-DNA y RNARNA).
La presencia en el RNA de regiones autocomplementarias
que forman lazos desestabilizan la región híbrida DNARNA.
El apareamiento entre A y U es el más débil, acaba
rompiendose y dejando ir el nuevo RNAm.
Finalización dependiente de (Rho)
La proteína p (factor Rho) se une al RNA en su
secuencia de reconocimiento y luego migra a lo
largo del RNA en dirección a la RNA polimerasa
que está detenida en el sitio de terminación (sin
la pausa, el Rho no podría ser capaz de alcanzar
la RNAP).
Cuando llega al dúplex DNA-RNA actúa como una
helicasa (desenrolla la hebra doble de RNA-DNA
en la burbuja de transcripción, con lo que se
libera el RNA transcrito.
TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS
RNA polimerasas de eucariotas.
• RNA polimerasa I:
Sintetiza 3 tipos de rRNA: 18s, 5,8s y 28s.
• RNA polimerasa II:
Sintetiza rRNA (da proteínas) y snRNA (corta intrones).
• RNA polimerasa III:
Sintetiza tRNA y 5s rRNA
Por tal de que la iniciación sea eficiente y específica, además de la RNA polimerasa es
necesaria la presencia de unas proteínas llamadas factores de iniciación.
Los factores de iniciación generales (GTF) permiten la síntesi de RNA in vitro.
In vivo el DNA forma complejos con histonas y otras proteínas y no hay suficiente con los
GTF para iniciar la transcripción.
Para la óptima expresión de los genes con frecuencia hacen falta otras secuencias
reguladoras.
Por tal de regular la transcripción in vivo hacen falta además de los GTF, el complejo
mediador, reguladores transcripcionales y en algunos casos enzimas que modifiquen los
nucleosomas.
Durante la elongación se unen a la polimerasa una serie de factores diferentes.
Algunos de estos factores estimulan la elongación (factores de elongación) y otros se
utilizan durante el procesamiento del mRNA.
74
Las RNA polimerasas I y III reconocen diferentes promotores.
Inhibidores de las RNA polimerasas
• La actinomicina D y la acridina son agentes intercalantes, se intercalan en el DNA y
bloquean el paso a la RNA polimerasa. Tanto en procariotas como en eucariotas.
• La rifampicina:
o
Es un inhibidor específico de la RNA polimerasa de procariotas.
o Se une a la subunidad y no permite la elongación.
o Se utiliza como antibiotico en el tratamiento de la tuberculosis.
• La -amanitina:
o Es un inhibidor de la RNA pol II.
o En altas concentraciones también inhibe la RNAP III.
o No inhibe a la RNAP I.
Procesamiento de los mRNA en eucariotas:
Algunos factores de elongación actúan como lugares
de anclage para los enzimas que procesan el mRNA.
El CAP (nucleótido de guanina modificado,
metilguanosina) se añade en el extremo 5’ del
mensajero unido por 3 fósforos, cuando el mRNA
tiene unos 20-40 nucleótidos.
El intercambio de los diferentes enzimas que
procesan el mRNA está regulado por la fosforilación
del CTD de RNA polimerasa.
Poliadenilación de los mRNA:
La secuencia AAUAAA es la “poly-A signal”.
El enzima que sintetiza la cola de polli A se llama poliadenilato polimerasa.
La señal de poliadenilación es necesaria para la finalización.
Algunas enfermedades como la talasemia, son consecuencia de mutaciones que modifican
los extremos de los intrones o originan extremos nuevos.
El splicing (eliminación de intrones) se lleva a
cabo a través de dos reacciones de
transesterificación sucesivas.
Dentro del pre-mRNA se rompen dos enlaces
fosfodiester i se forman dos nuevos.
En la segunda reacción se unen los intrones y
se libera el intrón.
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En teoria no hace falta consumo de ATP para
llevar a cabo estas reacciones.
El ATP que se consume es necesario para
efectuar el splicing con precisión.
El splicing de los mRNAs se lleva a cabo por un complejo macromolecular llamado
espliceosoma, formado por 5 snRNAs y unas 150 proteínas.
Muchas de las funciones del espliciosoma son realizadas por los snRNAs.
Procesamiento (splicing) alternativo:
Algunos transcritos primarios pueden originar más de un mRNA y por tanto diferentes
polipéptidos.
Intrones autocatalíticos:
Los intrones de tipo I y II tienen la capacidad de autoparecerse.
Forman estructuras secundarias complejas.
Tipo I: mRNAs mitocondriales, nucleares y de cloroplastos.
Tipo II: mRNAs mitocondriales y de cloroplastos.
Tipo III: mRNAs nucleares.
Procesamiento de los intrones de tipo I:
Tienen estructuras secundarias complejas.
La mayor parte de la secuencia es importante para el splicing del intrón.
Para eliminarlo hace falta un nucleótido de Guanina.
Procesamiento de los tRNA
Algunos tRNA tienen intrones donde no se encuentran secuencias consenso que puedan ser
reconocidas por enzimas.
En los tRNA el splicing depende principalmente del reconocimiento de una estructura
secundaria común a todos los intrones.
El enzima que añade el CCA se llama tRNA nucleotidil transferasa.
EL CODIGO GENÉTICO
Código de dos letras 42 = 16
Código de tres letras 43 = 64
Los tripletes de nucleótidos que codifican los aminoácido se llaman codones.
La secuencia de aminoácidos de una proteina está definida por una secuencia lineal continua
de codones.
En la misma secuencia de DNA hay 3 posibles marcos de lectura.
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El primer codón establece el marco de lectura.
Solo un marco de lectura codifica para una proteína: marco de lectura correcto o abierto.
Entre codones no hay signos de puntuación.
En el código genético hay diferentes tripletes que codifican para stop (terminación).
Características de código genético:
Es degenerado, hay aminoácidos codificados para más de un triplete.
No es ambiguo, cada triplete tiene su significado.
Los tripletes se leen en sentisdo 5’ → 3’
Los codones no se superponen, no comparten nucleótidos.
Es universal.
Experimento de Niremberg & Matthaei (1961)
Los ribosomas se unen específicamente a un aminoacil-tRNA en presencia de trinucleótidos.
Agregaron el polirribonucleótido sintético poli (U) a un sistema de traducción libre de
células que contenían aminoácidos marcados isotópicamente y recuperaron un polipéptido
poli (Phe) marcado. Concluyeron que UUU debe ser el codón dque especifica Phe.
Experimentos similares con poli (A) y poli (C) produjeron poli (Lys) y poli (Pro),
respectivamente, con lo que se identifica AAA como un codón para Lys y CCC como un codón
para Pro.
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