Unidad I: Organización, Estructura y Actividad Celular

C U R S O: BIOLOGÍA MENCIÓN
MATERIAL N°03
Unidad I: Organización, Estructura y Actividad Celular
Proteínas y Metabolismo.
Modelos estructurales de proteínas transportadoras de oxígeno
(hemoglobinas) basados en análisis de cristalografía de rayos X.
I) Proteínas.
Las proteínas son las principales macromoléculas de los seres vivos, constituyen más de la
mitad del peso seco de una célula y son responsables de una gran cantidad de funciones. Cada
uno de nosotros tiene más de diez mil tipos diferentes de proteínas, cada una de ellas con una
estructura tridimensional única que le confiere una función específica.
Todas las proteínas están formadas por la misma estructura básica, son polímeros lineales
formados por la unión de monómeros llamados aminoácidos. Los aminoácidos son moléculas
constituidas por C, H, O, N y en algunos casos poseen también átomos de azufre (S).
1. Aminoácidos (TABLA 1)
Son moléculas de bajo peso molecular que se caracterizan por poseer un grupo amino
(-NH2), que tiene características básicas, y un grupo carboxilo (-COOH), con propiedades
ácidas, ambos grupos unidos al mismo carbono central.
La fórmula general de un aminoácido es:
Átomo de carbono α (quiral)
H
H2 N
C
Grupo amino
(Básico)
COOH
R
(Radical)
Grupo carboxilo
(Ácido)
R es el radical, cadena lateral que diferencia a los aminoácidos en cuanto a tamaño, forma,
carga eléctrica, etc., dando origen a alrededor de 20 aminoácidos diferentes que se encuentran
formando parte estructural de las proteínas. Al pH del plasma sanguíneo (7,2) o del líquido
intracelular (7,1) el grupo amino y el grupo carboxilo están ionizados.
H
H
+
H3N
C
R
pH ácido
COOH
+
H3N
H
COO-
C
R
H2N
C
COO-
R
pH neutro
pH básico
Figura 1. Los aminoácidos son anfóteros, es decir pueden actuar como ácidos (dadores de protones) o
como bases (aceptores de protones) dependiendo del medio.
2
Tabla 1. Los veinte aminoácidos proteicos y sus características estructurales.
Grupo R
no polar
Grupo R
Polar sin carga
1.Alanina
(Ala)
9.Glicina (Gly)
H
CH3
Grupo R polar
con carga negativa o positiva
H
-
C
COO
H
+
CH
10.Serina (Ser)
-
C
CH3
COO
OH
CH2
+
CH2
11.Treonina (Thr)
-
+
5.Prolina
(Pro)
CH2
-
CH
C
CH3
NH3
COO
HS
NH3
-
COO
CH2
N H
H2
6.Fenilalanina
(Phe)
14.Asparagina (Asn)
-
COO
C
O
+
CH2
C
N
H
-
C
COO
C
O
CH2
CH2
CH2
CH2
COO
C
NH
H
CH2
CH2
CH2
COO
H
C
HN
CH2
NH
COO
+
NH3
Concepto de aminoácido esencial.
La mitad de los aminoácidos necesarios
para armar proteínas deben ingerirse en la dieta
debido a que los animales no los podemos
sintetizar, recibiendo el nombre de aminoácidos
esenciales (Tabla 2).
3
COO
+
NH3
C
H
-
Tabla 2. Necesidades diarias
de aminoácidos esenciales (g)
-
COO
-
C
COO
C
COO
+
+
C
-
C
NH3
HC
+
-
C
-
C
NH3
-
NH3
H
S
CH2
+
H
NH2
8.Metionina (Met)
CH3
CH2
NH2
15.Glutamina (Gln)
+
NH3
C
H
CH2
NH3
H
CH2
CH2
+
NH3
7.Triptofano (Trp)
H3N
20.Histidina (His)
C
COO
H
H
NH2
C
+
H2N
COO
+
NH3
H
CH2
-
C
H
HO
-
C
+
19. Arginina (Arg)
NH3
+
CH2
+
H
13.Tirosina
(Tyr)
CH2
+
+
C
H2C
OH
CH2
H
NH3
COO
+
H2
C
H2C
C
O
-
C
COO
+
18. Lisina (Lis)
CH
12. Cisteína (Cys)
H
CH3
COO
H
CH3
COO
NH3
4.Isoleucina
(Ile)
-
C
-
C
17. Ácido glutámico (Glu)
O
+
C
CH3
CH2
NH3
NH3
H
CH
C
O
H
NH3
3.Leucina
(Leu) CH3
H
O
COO
+
H
CH3
-
NH3
NH3
2. Valina
(Val)
-
C
16.Ácido aspártico
(Asp)
Arginina
0(1)
Histidina
?(2)
Isoleucina
1,30
Leucina
2,02
Lisina
1,50
Metionina
2,02
Fenilalanina
2,02
Treonina
0,91
Triptófano
0,46
Valina
1,50
(1) Necesario para bebes y niños
en crecimiento
(2) Esencial pero en cantidades
inferiores a las expresadas
2. Polipéptidos.
Los aminoácidos se unen entre sí mediante
R
enlaces peptídicos para construir los polipéptidos.
α
H2N C
Estas uniones son enlaces covalente tipo amida, formado
entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino
H
de otro, liberándose una molécula de agua (síntesis por
deshidratación). Los enlaces peptídicos son idénticos a lo
largo de las cadenas peptídicas. Al formarse éstos enlaces
desaparece el carácter anfótero de los aminoácidos.
La unión de dos aminoácidos origina un dipéptido
(Figura 2); de tres, un tripéptido y desde 4 o más
aminoácidos unidos
se les denomina oligopéptidos
(Figura 3). Mayores oligomerizaciones (200 a 300 residuos
aminoacídicos), se les llaman polipéptido. Las proteínas son
consideradas cadenas polipeptídicas, que pueden estar
conformadas por una o varias cadenas dispuestas en una
configuración espacial definida.
La cadena polipeptídica puede mostrar propiedades
ácidas o básicas por los grupos presentes en las cadenas
laterales de sus aminoácidos. Existe un pH particular para cada
Figura 2.
proteína en el que su carga neta es cero.
O
R O
C OH
+
H N C C OH
H H
R O
R O
α
α
H2N C C
N C C OH
H
+ H2O
H H
O
C N
Enlace peptídico
H
Formación de un dipéptido.
Figura 3. Estructura lineal de un oligopéptido. Por ambos extremos de la
molécula se pueden agregar más aminoácidos.
4
α
3. Proteínas.
a) Estructura proteica.
Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos. Cada una de ellas podría adoptar, en
principio, infinidad de formas, pero in vivo sólo presenta una, la más estable y la única que
permite el desarrollo de su función específica. Existen cuatro tipos de organización proteica,
(Figura 4).
Figura 4. Distintos niveles de organización proteica.
Las proteínas no son simplemente polímeros al azar de longitud variable. Cada tipo de
molécula proteica posee una composición química específica (composición cualitativa en
aminoácidos), una secuencia ordenada y única de esos aminoácidos, y un determinado peso
molecular.
La forma específica que determina la función de una proteína está dada por cuatro niveles
sucesivos de estructura, en la cual cada nivel prepara al siguiente.
•
Estructura primaria, es la secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. El
orden de colocación de estos aminoácidos viene determinado genéticamente, es decir, está
“escrito” en el material hereditario.
La estructura primaria es importante porque determina la conformación
tridimensional específica de la proteína, necesaria para su función. Además, como es la
traducción lineal de la secuencia de nucleótidos de los ácidos nucleicos, proporciona
información sobre la contribución genética para la síntesis de proteínas.
•
Estructura secundaria, es la forma en que la cadena lineal de aminoácidos puede
plegarse. Está condicionada por las interacciones entre las cadenas laterales de
aminoácidos y por las posibilidades de rotación alrededor de los enlaces. Resulta de la
formación de enlaces puentes de hidrógeno de manera regular entre las cadenas de
aminoácidos. Existen dos conformaciones más comunes alfa- hélice ó beta- plegada.
•
Estructura terciaria, resulta de las interacciones entre los grupos R de la molécula de
proteína y entre los grupos R y el medio circundante. Estas interacciones pueden ser
puentes disulfuro, puentes de hidrógeno, e interacciones hidrofílicas o hidrofóbicas.
Se han identificado estructuras terciarias formadas exclusivamente por alfa hélice,
por lámina beta y combinaciones entre ambas. En los dos primeros tipos se forman
proteínas fibrosas (muy resistentes e insolubles en agua), como la miosina del
músculo, el colágeno y la elastina del tejido conectivo, las que realizan funciones
estructurales. La combinación de hélices alfa y láminas beta origina proteínas
globulares (solubles en agua).
5
•
Estructura cuaternaria, para ser funcionales algunas proteínas requieren de la asociación
de varias cadenas polipeptídicas o subunidades; se dice que presentan estructura
cuaternaria, refiriéndose a la disposición espacial de los polipéptidos para formar una
proteína de mayor complejidad. Se suelen mantener unidos por enlaces químicos débiles
(interacciones hidrofóbicas o fuerzas de van der Waals).
El número de polipéptidos que pueden formar parte de una proteína varía en cada
caso. Un ejemplo clásico es la hemoglobina, que es un tetrámero formado por cuatro
cadenas polipeptídicas relacionadas entre sí, ligadas a un átomo central de hierro.
b) Propiedades de las proteínas.
Cada proteína presenta propiedades físico - químicas derivadas de su composición
aminoacídica y su conformación espacial. Son propiedades propias de todas las proteínas:
•
•
La especificidad y
la desnaturalización.
El hecho que la función de una proteína dependa de su forma específica se hace evidente
cuando se alteran. En un proceso llamado desnaturalización (Figura 5), las cadenas de los
polipéptidos se desenroscan, por lo que pierden su forma específica y, como resultado de ello
su función. Por ejemplo, imaginemos lo que ocurre cuando freímos un huevo. El calor
desnaturaliza a las proteínas de la clara (Ovoalbúmina), volviéndola de apariencia sólida,
blanca y opaca. Los cambios en el pH celular también pueden desnaturalizar a muchas
proteínas.
Figura 5. Desnaturalización de una proteína
C) Clasificación de las proteínas
Las proteínas se pueden clasificar según diversos criterios, por ejemplo:
c.1. Según su configuración espacial pueden ser:
•
Fibrosas: Son insolubles en agua; presentan gran resistencia física, por lo cual están
generalmente vinculadas con acciones mecánicas o de protección, por ejemplo, colágeno
(en tejidos conjuntivos, cartilaginosos, parte orgánica de los huesos), elastina (en
tendones y vasos sanguíneos), queratina (piel, pelos, uñas, plumas, pezuñas, etc.).
•
Globulares: Formadas por cadenas plegadas que pueden adquirir formas esféricas o
globulares, generalmente son solubles en agua. Las proteínas globulares desempeñan
papeles muy dinámicos en el organismo; pertenecen a esta categoría todas las enzimas,
anticuerpos, algunas hormonas (insulina, somatotrofina (GH), prolactina, etc.).
6
c.2. Según su composición química se pueden clasificar en:
•
Proteínas simples (holoproteínas): cuando su hidrólisis produce
aminoácidos. Por ejemplo; insulina, colágeno, albúminas, histonas, etc.
solamente
•
Proteínas conjugadas (heteroproteínas), presentan un grupo proteico simple y otro
componente, llamado grupo prostético, que pueden ser aniones, cationes,
carbohidratos, lípidos, etc.
Ejemplos de heteroproteínas:
¾ Glucoproteínas: poseen hidratos de carbono como grupo prostético. Ej.
mucoproteína con función protectora; anticuerpos con función defensiva.
¾ Cromoproteínas: poseen un pigmento como grupo prostético. Ej. hemoglobina,
hemocianina y mioglobina, que transportan oxígeno; los citocromos que transportan
electrones.
¾ Fosfoproteínas: posee fósforo como grupo prostético. Ej. caseína.
¾ Lipoproteínas: tienen un lípido como grupo prostético. Ej. HDL (“colesterol
bueno”), LDL (“colesterol malo”) que transportan lípidos en la sangre.
¾ Nucleoproteínas: son proteínas asociadas a ácidos nucleicos. Ej. nucleosomas de
la cromatina; los ribosomas.
d) Funciones de las proteínas
Las proteínas dirigen prácticamente la totalidad de los procesos vitales, incluso aquellos
destinados a la producción de ellas mismas. Determinan la forma y la estructura de las células.
Sus funciones se relacionan con sus múltiples propiedades, que son el resultado de la composición
de aminoácidos, de la secuencia y del modo en que la cadena se pliega en el espacio (Tabla 3).
FUNCION
Tabla 3. Funciones proteicas.
EJEMPLOS
ƒ
Estructural
Hormonal
Homeostática
Defensiva
Las proteínas del citoesqueleto, de las fibras del huso, de los cilios,
flagelos y de los ribosomas.
Proteínas que confieren resistencia y elasticidad a los tejidos:
ƒ
El colágeno del tejido conjuntivo fibroso.
ƒ
La elastina el tejido conjuntivo elástico.
ƒ
La queratina de la epidermis.
ƒ
La insulina y el Glucagón (que regula la glicemia), la hormona del
crecimiento, la Calcitonina (que regula la calcemia)
ƒ
La albúmina (Mantención del equilibrio osmótico).
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Transporte
ƒ
Contráctil
ƒ
Reserva
Enzimática
Ciertas Glucoproteínas forman parte de las membranas y participan
como receptores o facilitan el transporte de sustancias.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Inmunoglobulinas actúan como anticuerpos.
La trombina y el fibrinógeno participan en la formación de coágulos, y
evitan las hemorragias.
Transportan O2, la hemoglobina, en vertebrados y la mioglobina, en el
interior de la célula muscular.
Lipoproteínas transportan lípidos en la sangre.
Proteínas transportadoras de la membrana plasmática que regulan el
paso de solutos.
Actina y miosina son parte de las miofibrillas, responsables de la
contracción muscular.
La Ovoalbúmina del huevo.
la gliadina del grano de trigo, entre otras, son la reserva de aminoácidos
para el desarrollo del embrión.
Catalizan las reacciones químicas dentro de la célula. La más importante
es la Ribulosa bifosfato carboxilasa.
7
II. Enzimas y metabolismo.
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos que aceleran las
reacciones químicas dentro de la célula sin transformarse ellas mismas en una molécula diferente.
Las células transforman la energía que toman del entorno en energía química la que les resulta
útil para realizar trabajos químicos, mecánicos, etc.
El metabolismo celular, comprende a todas las reacciones químicas que suceden en la
célula, permitiendo que ésta pueda:
9
9
9
Obtener energía química del entorno, como por ejemplo: de la luz solar, de sustancias
orgánicas, de reacciones exotérmicas, etc.
Convertir los nutrientes ingeridos en precursores de macromoléculas orgánicas.
Sintetizar y degradar biomoléculas propias de la fisiología celular.
Mayoritariamente las reacciones químicas que determinan el metabolismo están ligadas a
secuencias llamadas rutas metabólicas, así el producto de una es el sustrato de otra, estas
ocurren en un determinado orden, controlado por:
9
9
9
La regulación de cada reacción por proteínas catalizadoras (enzimas).
El acoplamiento de las reacciones, donde la energía requerida para las reacciones
endergónicas se desprende de las reacciones exergónicas.
La síntesis de transportadores energéticos que capturan la energía de las reacciones
exergónicas y la conducen a las endergónicas.
Existen dos grupos de rutas metabólicas las anabólicas y las catabólicas.
El catabolismo es la degradación enzimática de moléculas complejas a moléculas
sencillas. Principalmente ocurren por reacciones de oxidación donde se libera energía libre de las
grandes moléculas orgánicas y parte de esa energía se almacena en los enlaces fosfato del ATP.
El anabolismo es la construcción enzimática de moléculas orgánicas complejas a partir de
moléculas precursoras sencillas. Para esto se requiere un aporte de energía aportado por el ATP.
Ambos procesos, catabolismo y anabolismo suceden simultáneamente y son interdependientes,
pero las etapas de ambos procesos son distintas.
1. Regulación del metabolismo.
La velocidad del catabolismo y del anabolismo está regulada por las necesidades
energéticas celulares en cada instante y está controlada principalmente por las enzimas y las
hormonas.
Las reacciones químicas para su inicio requieren siempre un aporte de energía llamada
Energía de activación. Las enzimas son un tipo especial de proteínas que aceleran las
reacciones químicas tanto en el medio intra como en el extra celular. Esta aceleración se debe a la
capacidad que tienen las enzimas en disminuir la Energía de activación (Ea) de la reacción
química, es decir, permiten que una reacción ocurra en un breve lapso de tiempo. La energía de
activación (Ea) representa la energía mínima necesaria que deben alcanzar los reactantes
(sustratos) para pasar a productos (Figura 6).
La Ribozima es la única enzima no proteica
8
Figura 6: Las enzimas aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.
2. Propiedades de las enzimas:
•
•
•
•
•
•
•
•
Son de naturaleza proteica.
Tienen una acción específica (actúan sobre un determinado sustrato).
Actúan en pequeñísimas cantidades.
Permanecen inalteradas al final de la reacción, por lo que son reutilizables.
Aceleran las reacciones químicas.
Sólo aceleran reacciones favorables, o sea, que pueden ocurrir espontáneamente.
No modifican el equilibrio de la reacción.
Son sintetizadas en el retículo endoplasmático rugoso.
3. Estructura de las enzimas.
La molécula sobre la cual actúa una enzima recibe el nombre de sustrato, que puede ser
uno o más, dependiendo de la enzima y la reacción catalizada. El lugar enzimático al que se une el
o los sustratos se denomina sitio o centro activo. El sitio activo no sólo reconoce al sustrato y lo
acopla, sino que también lo orienta en una determinada dirección. Las moléculas de sustrato se
unen al centro activo de la enzima formando un complejo activado enzima-sustrato. Este sitio
contiene los grupos funcionales que se unen al sustrato y efectúan la acción catalítica. Su
geometría y su carga eléctrica están relacionadas con la conformación del sustrato y con el tipo de
reacción, siendo responsables de la especificidad de la enzima.
Producida la reacción química, la enzima queda libre para efectuar una nueva reacción, así
pocas moléculas de enzima procesan muchas de sustrato.
Enzima + Sustrato
Complejo Enzima-Sustrato
9
Productos + Enzima
El primer modelo sugerido para explicar la interacción enzima-sustrato fue propuesto por el
químico Emil Fisher, denominado modelo llave-cerradura, que supone que la estructura del
sustrato y la del sitio activo son exactamente complementarias, de la misma forma que una llave
encaja en una cerradura ( Figura 7a).
Estudios posteriores sugirieron que el sitio activo es mucho más flexible que una cerradura.
La interacción física entre las moléculas de enzima y sustrato produce un cambio en la geometría
del centro activo, mediante la distorsión de las superficies moleculares. Este modelo llamado
encaje inducido impondría cierta tensión a las moléculas reaccionantes, facilitando aún más la
reacción (Figura 7 b).
a)
b)
Figura 7. (a) En el modelo llave-cerradura los sustratos interactúan en forma precisa con el sitio activo.
(b) En el encaje inducido, la forma del sitio activo es complementaria del sustrato sólo después
que éste se une a la enzima.
4. Clasificación enzimática:
a) enzimas simples, están compuestas solamente por proteínas;
b) enzimas conjugadas, tienen una parte proteica llamada Apoenzima, que es
inactiva, y una estructura o factor adicional, denominado cofactor enzimático. La
proteína unida al cofactor se llama Holoenzima, que es la enzima activa (Figura 8).
El cofactor puede ser un ión metálico, como por ejemplo: Mg2+,
Mn2+, Cu2+, Zn2+, Cl-, Na+, K+, y otros; ó una molécula orgánica (coenzima).
La mayor parte de las coenzimas están hechas a partir de vitaminas, o bien son
vitaminas en sí.
¾ De la riboflavina (Vit. B2) derivan las coenzimas FMN (flavina
mononucleótido) y FAD (Flavina adenina dinucleótido).
¾ Del ácido nicotínico o niacina (Vit. B3) derivan las coenzimas NAD
(nicotinamida adenina dinucleótido) y NADP (nicotinamida adenin
dinucleótido fosfato).
¾ Del ácido pantoténico (Vit. B5) deriva la coenzima A (CoA).
10
Figura 8.Componentes y mecanismo
de reacción de una enzima. Apoenzima es
la enzima inactiva que requiere de un
cofactor para activarse a Holoenzima.
5. Factores que afectan la actividad enzimática.
La velocidad de la reacción enzimática depende de la concentración de enzimas y sustrato,
de la concentración de las coenzimas, del pH, de la temperatura y de la presencia o ausencia de
inhibidores.
a) Efecto del pH, las enzimas actúan dentro de límites estrechos de pH (pH óptimo de la
reacción). Por ejemplo, la pepsina tiene un pH óptimo de 1,5 a 2.
Cuando se grafica la actividad enzimática para valores crecientes de pH, comenzando
desde la zona ácida, se obtiene una curva en forma de campana. El peak de la curva
corresponde al pH óptimo en el cual la enzima tiene su máxima actividad. En medios muy
ácidos o muy alcalinos, la proteína de desnaturaliza y se inactiva la enzima. Algunas
enzimas tienen actividad óptima a un pH ácido y otras en un pH alcalino (Figura 9a).
b) Temperatura, la velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta por lo general con la
temperatura, dentro del intervalo en que la enzima es estable y activa. La velocidad por lo
general se duplica por cada 10°C de aumento térmico. La actividad enzimática máxima se
alcanza a una temperatura óptima, luego la actividad decrece y finalmente cesa por
completo; la actividad enzimática disminuye a causa de la desnaturalización progresiva de
la enzima por acción de la temperatura. A bajas temperaturas, las reacciones disminuyen
mucho o se detienen, pero la acción catalítica reaparece cuando la temperatura se eleva a
valores normales para la enzima. (Figura 9b)
11
Actividad de la enzima ß–Glucosidasa de Penicillium purpurogenum (un hongo filamentoso).
Figura9a: Efecto del pH.
Figura 9 b: Efecto de la temperatura.
c) Concentración de sustrato: principalmente la velocidad de la reacción o catálisis varía
de acuerdo a la concentración del sustrato.
A baja concentración, la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la
concentración del sustrato.
A concentraciones intermedias, la variación de la concentración del sustrato modifica la
velocidad de reacción en una forma que no es proporcional.
A altas concentraciones de sustrato, la velocidad de la reacción no depende de la
concentración de éste.
Cuando las concentraciones del sustrato son bajas, la velocidad aumenta rápidamente. A
medida que el sustrato aumenta, la curva se satura y alcanza un punto de equilibrio en el
cual la velocidad no depende del sustrato. En este caso el exceso de sustrato no es atacado
por la enzima, ya que toda la enzima se encuentra como complejo enzima-sustrato y se
alcanza el máximo de velocidad. (Figura 10)
Figura10: Efecto de la concentración
del sustrato sobre la velocidad de una
reacción enzimática.
12
d) Inhibición de la actividad enzimática.
Existen algunos compuestos químicos capaces de bloquear o disminuir la actividad
enzimática. Esto ha permitido explicar algunos mecanismos de acción de medicamentos
antimicrobianos, así como también dilucidar mecanismos de acción enzimática. Es una forma de
control de las reacciones químicas. Puede ser reversible e irreversible (Figura 11).
d.1. Reversible. Las regiones funcionales de la enzima no cambian y sus efectos se pueden
eliminar, puede ser a su vez:
¾ Competitiva, el inhibidor (I) y el sustrato (S) se parecen y compiten por unirse al
centro activo de la enzima. Se forma un complejo Enzima-inhibidor reversible. Su
efecto se puede invertir aumentando la concentración de sustrato.
¾ No competitiva, el inhibidor (I) se une a la enzima o al complejo enzima-sustrato de
modo reversible, en un sitio distinto del centro activo, pero esencial para la molécula.
Su efecto no puede invertirse por incremento de la concentración de sustrato.
d.2. Irreversible (Acompetitiva). Las regiones funcionales de la enzima sufren cambios
permanentes. El inhibidor se une tan estrechamente a ella que se disocian con mucha
lentitud y la actividad enzimática disminuye o, incluso, se pierde.
Figura 11. Esquemas de los diversos tipos de inhibición enzimática
6. Regulación de la actividad enzimática.
Las enzimas suelen formar parte de sistemas multienzimáticos secuenciales, que son la
base del control de las vías metabólicas, estas enzimas deben actuar coordinadamente en
tiempos adecuados para que las distintas rutas metabólicas cumplan con su función y no alteren
los procesos vitales.
Una forma de regulación enzimática está relacionada con la disponibilidad de la enzima
para que ocurra una reacción química. Existen tres formas de regular la concentración de las
enzimas activas:
9
9
9
Regulación de la expresión génica, que controla la cantidad y velocidad de síntesis
enzimática.
Proteolisis enzimática, que modifica la cantidad de enzima activa disponible.
Modificación covalente de formas activas e inactivas interconvertibles por acción de
otras enzimas.
13
7. Control genético.
Las enzimas sintetizadas por una célula están determinadas por la información genética
que se expresa en esta célula. Si las enzimas están siempre presentes en cantidades casi
constantes, se denominan constitutivas. Aquellas sintetizadas sólo en respuesta a la presencia
de ciertos sustratos se llaman inducidas o adaptativas. Los genes que codifican las enzimas
inducidas suelen mantenerse reprimidos y se transcriben en respuesta al agente inductor.
El control metabólico en organismos superiores puede también estar regulado por el
sistema endocrino. Las hormonas estimulan o inhiben rutas metabólicas de los tejidos blancos.
8. ¿Qué es el aspartamo?
El aspartamo es un potente edulcorante. Es cerca de 200 veces más dulce que el azúcar
(sacarosa), por lo que sólo se necesitan unas bajas concentraciones para endulzar alimentos y
bebidas. Las cantidades utilizadas son tan pequeñas que el aspartamo casi no aporta calorías. El
excelente perfil de su gusto lo ha convertido en uno de los principales edulcorantes bajos en
calorías de todo el mundo.
El aspartamo es una molécula simple, compuesta por la combinación de dos aminoácidos
(ácido aspártico y fenilalanina) y una pequeña cantidad de metanol. ¿Qué sucede cuando se
toma aspartamo? Al igual que otros alimentos, el aspartamo se digiere en los intestinos
descomponiéndose en sus distintos componentes. Los tres pasan a la corriente sanguínea y se
metabolizan de la misma manera que si estos componentes formasen parte de cualquier otro
alimento. El aspartamo en sí no puede atravesar intacto la pared intestinal y nunca penetra así en
la corriente sanguínea.
La IDA (La Ingesta Diaria Admisible) es una valoración de la cantidad de un aditivo
alimentario que se puede ingerir diariamente durante toda una vida sin sufrir un riesgo apreciable
para la salud. La IDA de 0-40 mg/kg de peso corporal para el aspartamo significa que se pueden
consumir hasta 40 mg de aspartamo por cada kilo de peso corporal de una persona, todos los días
de su vida, sin un riesgo apreciable para la salud. Esto significa hasta un total 2,8 gramos de
aspartamo diarios para una persona normal de 70 kg. En términos prácticos, 2,8 gramos de
aspartamo equivalen al dulzor de 560 g de azúcar, o la cantidad de edulcorante contenido en
catorce latas de 330 ml de una bebida carbonatada endulzada con aspartamo. También es
comparable al aspartamo contenido en 125 pastillas edulcorantes normales.
Pero, ¿qué sucede con los componentes del aspartamo? ¿Por qué las etiquetas de
productos que contienen aspartamo avisan de que "contiene una fuente de fenilalanina"?.
La fenilalanina es un aminoácido esencial, o sea, que los seres humanos no pueden producir
bastante para mantenerse sanos y deben obtenerla en su dieta. En el cuerpo la fenilalanina no es
sólo un componente de las proteínas, sino también el precursor de los neurotransmisores, como la
dopamina, la noradrenalina y la adrenalina. Algunas personas sufren un extraño mal
heredado, la Fenilcetonuria (PKU), que implica que su capacidad para metabolizar la fenilalanina
se ve seriamente perjudicada. Estas personas pueden tener concentraciones muy altas de
fenilalanina en el plasma, lo que puede producirles daños neuronales y afectar a su desarrollo
cerebral. Por eso en muchos países es un requisito legal hacer un test de fenilcetonuria en los
niños poco después de su nacimiento. El tratamiento de esta condición incluye un cuidadoso
control de todas las fuentes de fenilalanina en la dieta. La fenilalanina es uno de los componentes
del aspartamo y se libera cuando éste es digerido en el intestino. Esta es la razón de que los
productos que contienen aspartamo avisen de que contienen una fuente de fenilalanina,
información útil para personas que padecen fenilcetonuria.
14
III. Glosario:
Catabolismo: Dentro de una célula o de un organismo, la suma de todas las reacciones químicas
en las cuales las moléculas grandes se desintegran en partes más pequeñas. Lo contrario
corresponde a anabolismo.
Catalizador: Sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química formando
una asociación temporal con las moléculas reactivas; como resultado, la velocidad de la reacción
se acelera. Las enzimas son catalizadoras.
Coenzima: Molécula orgánica no proteínica que desempeña un papel accesorio en los procesos
catalizados por enzimas y frecuentemente actúa como dador o aceptor de una sustancia que
interviene en la reacción. NAD+, FAD y la coenzima A son coenzimas comunes.
Cofactor: Componente no proteínico que desempeña un papel accesorio en los procesos
catalizados por enzimas; algunos cofactores son iones
y otros son coenzimas (moléculas
orgánicas).
Desnaturalización: La pérdida de la configuración original de una macromolécula que resulta,
por ejemplo, del tratamiento con calor, cambios extremos de pH, tratamiento químico u otros
agentes desnaturalizadores. Habitualmente está acompañado por pérdida de la actividad
biológica.
Dopamina: neurotransmisor del sistema nervioso central, químicamente corresponde a una
amina biógena (aminoácido modificado y descarboxilado).
Energía de activación (EA): La cantidad de energía que los reactantes deben absorber antes de
iniciar una reacción química.
Enlace peptídico: El tipo de enlace formado cuando dos aminoácidos se unen por los extremos.
El grupo ácido (–COOH) de un aminoácido se une covalentemente al grupo básico (–NH2) del
siguiente y se elimina una molécula de agua (H2O).
Enzima: Proteína que sirve como catalizador biológico, acelerando una reacción química
específica, sin que ella cambie durante el proceso.
Exergónico: Se aplica a las reacciones químicas o procesos que liberan energía.
Noradrenalina: Hormona producida por la médula de la glándula suprarrenal que incrementa la
concentración de azúcar en la sangre, eleva la presión sanguínea y la frecuencia cardiaca y
aumenta la potencia y resistencia de los músculos a la fatiga; también es uno de los principales
neurotransmisores del sistema nervioso autónomo y del sistema nervioso central; llamada
también norepinefrina.
Sitio activo: La región de una enzima que se une temporalmente al sustrato durante la reacción
catalizada por la enzima.
Tejido blanco: Un tejido que responde a una señal regulatoria, tal como una hormona.
Tetrámero: Unidad formada por cuatro subunidades.
15
PREGUNTAS.
1. ¿Qué es lo que define la especificidad de una proteína?
I. El tipo de aminoácidos.
II. El número de aminoácidos.
III. La secuencia de aminoácidos.
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
I
III
I y II
I y III
I, II y III
2. Muchos aminoácidos, precursores de las proteínas, deben llegar a la célula desde el
exterior, pues no son sintetizados por las células. Estos son los aminoácidos esenciales.
Según esto:
I. La síntesis de proteínas depende en gran parte de nutrientes nitrogenados en la dieta.
II. La síntesis de proteínas requiere la presencia simultánea de todos los aminoácidos.
III. La síntesis de proteínas depende de la incorporación de aminoácidos esenciales en la
alimentación.
IV. Solo basta la presencia de aminoácidos esenciales para la síntesis de proteínas.
V. Si el contenido de proteínas en la alimentación desciende a un mínimo, la síntesis
proteica disminuye
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
IV
I y IV
I, II y III
I, II, III y V
II, IV y V
3. ¿Cuántos enlaces peptídicos se encontrarán en un tetrapéptido?
A)
B)
C)
D)
E)
uno
dos
tres
cuatro
cinco
4. Las proteínas son moléculas orgánicas que se caracterizan por:
I.
II.
III.
IV.
Estar formadas por unidades simples llamadas aminoácidos.
En algunos casos, pueden actuar como catalizadores biológicos.
Ser aislantes térmicos.
Formar parte de estructuras celulares.
A) Sólo I y IV
B) Sólo II y IV
C) Sólo I, II y III
D) Sólo I, II y IV
E) Todas son correctas
16
5. ¿Cuál(es) de las siguientes aseveraciones es (son) correctas?:
I.
II.
III.
El enlace peptídico se produce entre dos aminoácidos cuando se les adiciona una
molécula de agua.
La estructura terciaria de una proteína está determina por su estructura
cuaternaria.
La desnaturalización de las enzimas no afecta la actividad catalítica.
A) Sólo I
B) Sólo II
C) Sólo I y III
D) I, II y III
E) Ninguna es correcta
6. ¿Cuál de las siguientes situaciones es la mejor evidencia de la hipótesis “llave-cerradura”?
A)
B)
C)
D)
E)
las enzimas son proteínas.
las enzimas tienen centros activos.
enzima y sustrato tienen formas moleculares características.
la presencia de enzimas es importante en las reacciones químicas.
un compuesto con una forma molecular similar al sustrato puede inhibir la acción
enzimática.
7. ¿Cuál de los siguientes factores influye en la actividad enzimática?
A)
B)
C)
D)
E)
pH
temperatura
concentración de sustrato
concentración de enzima
todas son correctas
8. De la acción enzimática se puede afirmar lo listado, excepto:
A)
B)
C)
D)
E)
requieren de condiciones óptimas para su actividad.
no cambian la condición termodinámica de la reacción.
la enzima disminuye la energía de activación de la reacción que cataliza.
las enzimas catalizan la conversión de cualquier sustrato a velocidad constante.
la velocidad de reacción depende hasta cierto valor de la concentración de sustrato.
9. La lisozima es una pequeña proteína que consiste en una única cadena polipeptídica de 129
aminoácidos. Si Ud quisiera hidrolizar completamente esta proteína, ¿cuántas moléculas de
agua necesitaría agregar?:
A)
B)
C)
D)
E)
127
128
129
130
131
17
10. En la estructura terciaria de una proteína soluble en agua, ¿dónde esperaría encontrar con
mayor probabilidad un grupo R hidrofóbico en un aminoácido?
A)
B)
C)
D)
E)
en el interior, alejado del agua.
en el exterior, en contacto con el agua.
unido covalentemente a otro grupo R.
en los extremos de la cadena polipeptídica.
unido covalentemente al grupo carboxilo.
11. Los llamados endulzantes, como el “NutraSweet”, deben su dulzor a la molécula de
aspartamo, que está constituida entre otras moléculas por:
A)
B)
C)
D)
E)
sacarosa
celulosa
fenilalanina
dopamina
ácido glutámico
12. Las uniones peptídicas, los puentes disulfuro, y los puentes de hidrógeno son distintos tipos
de enlaces que se encuentran en las moléculas de proteínas. En base a esta información,
establezca, ¿ en qué tipo de estructura participan, respectivamente estos tipos de enlaces:
A)
B)
C)
D)
E)
primaria; secundaria y terciaria.
secundaria; terciaria y cuaternaria.
terciaria; secundaria y primaria.
primaria; terciaria y secundaria.
cuaternaria; terciaria y secundaria.
13. La seda es una proteína en la cual las cadenas polipeptídicas están dispuestas en forma de
hoja beta plegada. En estas cadenas, la secuencia peptídica glicina-serina-glicina-alaninaglicina-alanina aparece repetidamente y corresponde a un:
A)
B)
C)
D)
E)
dipéptido.
tripéptido
tetrapéptido.
pentapéptido.
hexapéptido.
14. Una molécula de glucosa está relacionada con el glucógeno como:
A)
B)
C)
D)
E)
un
un
un
un
un
esteroide lo está con un lípido.
aminoácido lo está con un ácido nucleico.
ácido graso lo está con un esteroide.
ácido aspártico lo está con la sacarina.
aminoácido lo está con un polipéptido.
15. Una deficiencia de azufre en el suelo le haría especialmente díficil a una planta, sintetizar:
A)
B)
C)
D)
E)
celulosa
quitina
proteína
sacarosa
aceites
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