Principios de bioquímica

TEMA 1: Introducción Definición: Química de la vida. Ciencia que trata de la naturaleza de los constituyentes de los seres vivos, de las funciones y transformaciones de estas entidades químicas en los sistemas biológicos y de los cambios químicos y energéticos asociados a esas transformaciones en el cursi de la actividad de la materia viva. Objetivos: 1.‐Análisis químico de los componentes de los seres vivos (bioquímica estática) 2.‐estudio de las interacciones dinámicas espacio‐tiempo de los componentes que dan lugar a la vida (bioquímica dinámica) Desarrollo: Arranca en el XIX y deriva de la fisiología y de la química orgánica y un poco de la física. El científico alemán Hoppe‐Seyler fue el primero en pronunciar la palabra bioquímica. Aparecen las primeras revistas especializadas y las sociedades científicas: Biochemical Society (1911) y Societé de Chimie Biologique (1927). El primer Congreso Internacional de Bioquímica se realiazo en 1949. Y en 1955 se funda la I.U.B. Logros: •
•
•
•
•
Estructura y función de las moléculas biológicas. Principales rutas metabólicas Base molecular de la transmisión de los caracteres hereditarios Sistema de transmisión de señales intercelulares e intracelulares. Desarrollo de la tecnología del DNA recombinante. Frentes abiertos: •
•
•
•
•
•
Ontogénesis Filogénesis Envejecimiento Cáncer Enfermedades mentales SIDA Componentes de la vida: Los componentes de los seres vivos son los llamados bioelementos que son en total 22. Entre ellos destacan el 02, el C, el N2, el H2, el P y el S, hay iones como el Mg2+, el Cl‐, el K+ y el Ca2+, por último los trazas que son el Mn, el Fe, el B, el I, el Si, etc. Los seres vivos estamos formados en un 99,4% por H2, el O2, el C y el N2 ya que forman enlaces covalentes sin ningún tipo de dificultad. Biomoléculas: Son las moléculas que forman los seres vivos. Orden jerárquico: 1 2 Interracciones débiles: Interracciones electroestáticas: entre átomos carrgados. Enlaaces iónicoss. Pu
uentes de hidrógeno: sse forman ccon el H unido a un
n elemento electroneggativo pe
equeño (O, N, P, SS). Hay cargas c
parciales. Interracciones hidrofóbicas
h
s: tienen lu
ugar con ressiduos de moléculas m
h
hidrofóbicass que interraccionan en
ntre sí, al evvitar el aguaa. Fuerzas de Van
n der Waalss: distribución asimétrica de los electtrones de un átomo
o dando lugar a un u dipolo transsitorio que crean otro dipolo en o
otro átomo pero este es un
n dipolo transitorio ind
ducido. Bioquímica y cie
encias de laa salud: las ciencias de la salud valoran los esstados de saalud y n términoss molecularres a travé
és de: la etiología, el diagnósticco, el enfermedad, en
trataamiento y laa evolución del pacientte. 3 TEMA 2: Proteínas Concepto Las proteínas son moléculas orgánicas que más se encuentran en la célula, son aproximadamente el 50% del peso seco. El primero en darle el nombre fue Berzelius en 1838, proteína viene de “probeius” que significa importancia o de primer rango. Las proteínas son heteropolímeros no ramificados, formados por 20 subunidades que son los aminoácidos de longitud variable. Funciones FUNCIÓN Enzimática Proteínas de reserva Proteínas transportadoras Proteínas contráctiles Proteínas protectoras (sangre de los vertebrados) Toxinas Hormonas y sus receptores (control del metabolismo, crecimiento y diferenciación) Proteínas estructurales EJEMPLOS
Hexoquinasa Láctico deshidrogenasa Citocromo oxidasa DNA polimerasa Ovoalbúmina Caseína Ferritina Cliadina Hemoglobina (vertebrados) Hemocianina (invertebrados) Mioglobina Seroalbúmina Lipoproteínas Miosina Actina Anticuerpos Fibrinógeno Trombina Venenos de serpiente Toxina diftérica Toxina cólera Toxina pertussis Toxina clostridium/botulinum Ricina Insulina/glucagón ACTH GH Colágeno α y β queratinas Elastina Glicoproteínas Tubulinas 4 EFECTOS QUE REALIZAN
Degradación de glucosa (obtención de energía) Fermentación de glucosa (obtención de energía) Transporte electrónico Replicación y reparación del DNA Proteína clara de huevo Proteína de la leche Reserva de hielo Proteína semilla de trigo Transporte de O2 en sangre Transporte de O2 en sangre Almacén de O2 en músculo Transporte de ácidos grasos Transporte de lípidos Filamentos estacionarios (miofibrillas) Filamentos móviles (miofibrillas) Formación de complejos con cuerpos extraños Precursor de fibrina en la coagulación sanguínea Componente coagulación Fosfolipasas y 5’ nucleotidasa Toxina bacteriana Toxina bacteriana Toxina bacteriana Envenenamiento alimentos Toxina semilla de ricino Homeostasis glucosas (diabetes tipo I) Síntesis de cortisol, aldosterona Crecimiento huesos (enanismo hipofisario) Tejido conectivo fibroso (huesos, tendones y cartílago) Tejido protector (piel, pelo, uñas, pezuñas) Tejido conectivo elástico (ligamentos) Membrana celular Citoesqueleto Aminoácidos COO‐ H3N+ = Grupo amino COO‐ = Grupo carboxilo + C H R = cadena lateral, grupo R ó residuo H3N
R Clasificación En base a la polaridad de la cadena lateral en el pH fisiológico (pH=7,0), los aminoácidos pueden ser: •
•
•
Apolares o hidrófilos Polares sin carga Polares con carga o Positiva – Básicos o Negativa – Ácidos Apolares •
•
Cadenas alifáticas: son cadenas hidrocarbonadas (CH2, CH3). Son dominios hidrofóbicos (zonas en las que hay muchos restos hidrofóbicos en el interior y los que se quedan entre las capas bilipídicas). Cadenas aromáticas: son cadenas con anillo. Son insolubles. Polares sin carga Son más hidrosolubles. H+ ‐ CH2 – O‐ – H+ |||||| O‐ +
H |||||| O=C Polares con carga Grupos polares con carga que llevan a cabo interacciones electroestáticas. Se sitúan intracelularmente o extracelularmente pero no en la bicapa lipídica. Propiedades •
Acido‐base Son sustancias anfóteras, es decir, se comportan como ácidos y como bases, porque tienen grupos ionizables (‐COOH; ‐OH; ‐NH2; ‐SH). Según Brönsted‐Lowry los ácidos son sustancias que ceden H+ y las bases son sustancias que captan H+. AH A‐ + H+ Ácido fuerte: elevada Ka, baja pKa Ácido débil: baja Ka, elevada pKa Ka AH A‐ + H+ Ka = ([A‐][H+])/[AH] pKa= ‐logKa pH = pKa + log [A‐]/[AH] Ecuación de Henderson – hasselbach 5 0
14 R – CH – COOH R – CH – COO‐ R – CH – COO‐ NH3+ NH3+ NH2 Q = + Q = 0 Q = – pH < pKa PI= (pk1 + pk2)/2 pH > pKa + Punto isoeléctrico – Un aminoácido no tiene carga, tiene carga neta que se comporta de manera diferente dependiendo del pH. •
Estereoquímica – estéreo isómeros Pueden presentar distintas disposiciones en el espacio, a excepción de la GLY (porque no tiene carbonos asimétricos) tienen actividad óptica, capacidad de desviar la luz polarizada. Cuando el grupo amino está a la izquierda del grupo carboxilo se le denomina: L + el nombre del aminoácido. Cuando el grupo amino está a la derecha del grupo carboxilo se le denomina: D + el nombre del aminoácido. NH3+ COO‐ COO‐ NH3+ C C R H H R L D Enlace peptídico Es un enlace covalente. Es un enlace amida (–CO –NH–) Se forma por la unión del grupo carboxilo del primer aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido. R – CH – COOH + H2N – CH – R R – CH – COO – NH – CH – R’ + H2O NH2 NH2 COOH COOH Las proteínas se nombran desde el extremo amino hasta el extremo carboxilo. 6 Estudios de microscopía electrónica y estudios de difracción de rayos X descubrieron que el enlace media 1,32 Å (1 Å= 10) El enlace C‐N 1,49 Å El enlace C=N 1,27 Å Se deduce que tiene cierto carácter de doble enlace, luego es rígido. Hibrido de resonancia Los átomos C, O, N y H son coplanarios (están en el mismo plano), por tanto, hay infinitas conformaciones. Niveles de organización proteica Es una conformación nativa y biológicamente activa. Estructura primaria: secuencia de aminoácidos (enlaces peptídicos); Estructura secundaria: ordenación espacial resultante de la interacción entre aminoácidos que se encuentran próximos entre sí. Suele ser a lo largo de una dirección. Se realiza a través de los átomos del enlace peptídico. Los enlaces que se forman son puentes de hidrógeno. –C=O||||||||||H–N– Los puentes de hidrógeno pueden ser intracatenarios, dando lugar a la estructura α‐
hélice (α‐queratina); o pueden ser intercatenarios que crean la estructura hoja‐β plegado (fibroina de la seda). Estructura terciaria: ordenación espacial resultante de la interacción entre aminoácidos distantes entre sí. Los enlaces que se forman son puentes disulfuro e interacciones débiles (enlaces iónicos, hidrofóbicos y fuerzas de Van der Waals). O=C NH | | | | | | CH – CH2 – SH HS – CH2 – OH ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐|‐ CH2 – S – S – CH2‐| | | | | HN C=O | | Cys Cys Estructura cuaternaria: asociación de distintas cadenas polipeptídicas (siempre son pares), los enlaces no son covalentes sino interacciones débiles. La función de la proteína depende de esas interacciones entre las cadenas. Solo algunas llegan a la estructura cuaternaria, la hemoglobina es un ejemplo. 7 α‐‐hélice See descubrió por difracción de rayyos X cuand
do se esstudio la α‐q
queratina. SSe enrolla ssobre sí missma y see describe una trayecto
oria de sacacorchos. En
n cada vueltta de la hélice hay 3’6 aaminoácido
os. Las cadenas laterales están e
proyeectadas haccia el exxterior de laa hélice. Lo
os enlaces entre e
los am
minoácidos son puentes de hid
drógeno, (–C=O|||||
(
H–N–) sieempre entrre el am
minoácido1 y el aminoácido5; el aaminoácido2 y el am
minoácido6, es decir el aminoácidox y el am
minoácido(x++4). Son in
nteraccionees débiles pero muy numerosas, lo cuall le confieree una estru
uctura esstable. Estab
bilidad de laa α‐hélice Depeende de: •
•
mismo signo
o. Cargas: rrepulsioness entre las ccargas del m
Volumen
n de la cad
dena lateraal: las repu
ulsiones esttéricas provocadas po
or las isoleucin
nas. C
CH3 –C
CH–CH2–CH
H3 •
Rigidez d
del enlace ccontiguo al enlace pep
ptídico: cuando hay un resto de prrolina o hidroxiprolina quee es muy ríggida. Tiposs de hélice Levo
ohelices o le
evógiras (la mayor partte de las pro
oteínas son de este tip
po) Dexttrohélices o
o dextrógiraas Form
madas ambaas tanto porr proteínas L como porr D, pero nunca L y D a la vez. 8 Hoja β‐plegada Se descubre por la difracción de la fibroina de la seda. Son cadenas dispuestas en paralelo describiendo una forma de zig‐zag, con enlaces de puentes de hidrógeno. Las cadenas laterales quedan por encima y por debajo del plano. Dos tipos de hoja: •
•
Paralela: el sentido de las cadenas es el mismo, es decir: NH ‐‐‐‐‐ COOH NH ‐‐‐‐‐ COOH NH ‐‐‐‐‐ COOH Antiparalela: el sentido es alterno, es decir: NH ‐‐‐‐‐ COOH COOH ‐‐‐‐‐ NH NH ‐‐‐‐‐ COOH Estabilidad de la hoja •
•
Cargas: cargas del mismo signo se repelen Volumen de la cadena lateral: impedimentos estéricos espaciales para describir la trayectoria, dando lugar a un segmento de unión. Las α‐hélices pueden pasar a β‐plegadas si se le aplica calor húmedo, pasando de puentes de hidrógeno intracatenarios a puentes de hidrógeno intercatenarios que dan una mayor longitud. Permanente SH–CH2–CH–COOH | Cisteina NH2 Red Ox ‐ CH2 – S – S – CH2 ‐ ‐‐‐‐‐‐‐‐ ‐CH2–SH HS–CH2‐ ‐‐‐‐‐‐‐‐‐ SH – CH2‐ SH – CH2‐ SH – CH2‐ ‐CH2–S–S–CH2‐ Estructura terciaria Aminoácidos distantes entre sí. Interacciones a través de las cadenas laterales con enlaces disulfuro, o débiles (iónicos, Van der Waals, hidrofóbicos). Estas interacciones pueden ser intracatenarias que dan lugar a proteínas globulares y intercatenarios que dan proteínas como el colágeno y la elastina. 9 Tejido conectivo está formado por el fibroblasto y la matriz extracelular (que rodea el fibroblasto) en ella se encuentra el colágeno (tejido rígido) o elastina (tejido elástico). Tanto el colágeno como la elastina son proteínas estructurales que cohesionan células. Colágeno Es la proteína más abundante en los vertebrados superiores (cerca de un tercio del total). Se encuentra en los huesos, los dientes, los tendones, la piel, los vasos sanguíneos, etc. En los huesos y en los dientes se forman mayas para que se deposítenlas sales y los fosfatos. Dos tipos de cadena: ƒ α1 (cinco tipos) diferentes secuencias de aminoácidos (alrededor de 1000 aminoácidos), pero realizan la misma función. ƒ α2 (dos tipos) En total hay 27 tipos de colágeno. Estructura primaria Glicocola – 35% Prolina – 12% Hidroxiprolina – 9% Alanina – 11% Gly – x – y – gly – x – y X=prolina Y=hidroxiprolina o hidroxilisina Cada tres aminoácidos aparece un resto de glicocola. Es una molécula extremadamente hidrofóbica, por tanto, insoluble. Estructura secundaria La llamada hélice del colágeno Por cada vuelta hay 3–3’3 aminoácidos con puentes de hidrógeno intracatenarios. Es una hélice de tipo levógira. Estructura terciaria Tres hélices del tipo levógiras se enrollan entre sí para dar lugar a una superhélice dextrógira que recibe el nombre de tropocolágeno que es la unidad básica del colágeno. Enlaces de puentes de hidrógeno intercatenarios. Estructura cuaternaria (base molecular del envejecimiento del colágeno) Los tropocolágenos se disponen en paralelo y de forma escalonada. Hay un escalonado que es un cuarto del tropocolágeno anterior 10 La asociación de los tropocolágenos da lugar a las microfibrillas que se forman por: ƒ
ƒ
Interacciones hidrofóbicas Puentes cruzados: asociación covalente que se establece ente cadenas laterales de lisina. O2 O=C NH4+ | O CH2 – (CH2)3 – CH2 – NH2 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ ‐(CH2)3 – C + Lys | lisinoxidasa NH H Lisina Allisina Condensación ‐CH2 – CH2 – CH2 – C=N – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – Allisina Lisina 11 Puente cruzado Las microfibrillas se asocian con otras por puentes cruzados para dar lugar a una fibra de colágeno. Biosíntesis del colágeno Tiene lugar en el fibroblasto a nivel de los ribosomas (retículo endoplasmático rugoso). 1. Se produce la hidroxilación (unión de OH) de prolina y lisina. Si no lo hacen, se forman superhélices defectuosas que son muy débiles (encías sangrantes sucede cuando no hay vitamina C y da lugar a la enfermedad del escorbuto). 2. Se produce una glicoxilación. Los azúcares se unen a los restos OH, en el retículo endoplasmático liso. 3. Ensamblaje de cadenas primarias en el aparato de Golgi. 4. Se vierten a la matriz extracelular. 5. Eliminación de los dominios N y C terminales por las peptidasas. Una vez sucede esto ya es tropocolágeno. 6. Interacciones que dan lugar a la microfibrilla. 7. Interacciones que dan lugar a las fibras de colágeno. Disposición de las fibrillas de colágeno en diversos tejidos Tendón: haces paralelos, en una sola dimensión. Dan resistencia. Piel: en dos dimensiones. Dan elasticidad. Cartílago y articulación: en tres dimensiones. Córnea: hojas planas aplanadas cruzadas. Sirven para disminuir la dispersión de la luz. Defectos del colágeno Enfermedades hereditarias. Son diez y son poco frecuentes. Tienen tres orígenes: •
•
•
Mutación de la secuencia de aminoácidos; Síntesis insuficiente; Deficiencia enzimática (no se produce la hidroxilación de la prolina y la lisina). Síndrome de Marfan (deformidad) y síndrome de Ehlers‐Danlos (síndrome del hombre de goma). Elastina Forma parte del tejido conjuntivo elástico. Adquiere conformaciones al azar. Tiene mucha glicocola, prolina y lisina pero no hidroxiprolina ni hidroxilisina. Por tanto, es altamente hidrofóbica. Formada por polipéptidos que se entrecruzan covalentemente para dar lugar a una red tridimensional. Dos tipos de enlaces: •
•
Puentes cruzados. Nudos de demosina (confieren mucha flexibilidad), para que se forme una es necesaria la condensación de tres allisina y una lisina. 12 4 CH2 | CH2 | CH2 | C O H 3 CH2 – CH2 – CH2 CH2 – CH2 – CH2 | | C C 2 O H H O 5 1 Nudo de desmosina ¨ NH2 | (CH2)4 | C C C C C N 13 Terciiaria Glob
bulares Son eesféricas y ccompactas. Solub
bles en agua y en lípido
os. Sus ffunciones so
on: •
•
•
•
•
•
Enzimátiica Transportadora Anticuerrpos Canales iónicos Receptores Proteínaas de la coaggulación Miogglobina Es una proteína fijjadora de o
oxígeno. Apaarece tanto en múscu
ulo esqueléético como
o en múscullo cardiaco. En alguno
os cetáceos llega hasta e
el 8% del tottal. Estructtura Dos partes: • Proteica: globina g
(15
53 aminoáácidos que se s disponeen en occho segme
entos α‐hélice). • No proteica: hemo. Esstá formadaa por: protoporfirina IX yy Fe2+. F D E
E G C C
N A
A H B 14 La protoporfirina IX surge de la condensación de cuatro grupos pirroles. Me V O2 N Me Fe2+ N Me N V Pro N His (F 8) Si se oxigena se une a una His (E 7) Pro Me Si la mioglobina se une a un oxigeno, se llama oximioglobina. Si no se une, se llama desoximioglobina. El hierro forma seis enlaces de coordinación, cuatro con los nitrógenos de los pirroles, uno con el oxígeno y otro con una histidina. Los sustituyentes que pueden acompañar a la protoporfirina son: •
•
•
Metilo (Me) –CH3 Ácido propiónico (Pro) –CH2‐CH2‐COOH Vinilo (V) –CH=CH2 El grupo hemo está vallado estéricamente y se encaja en un bolsillo hidrofóbico. La molécula se oxigena, no se oxida porque si el Fe2+ pasa a Fe3+, la molécula se vuelve afuncional. Además, la mioglobina puede interaccionar con otros gases, como el CO, que tiene más facilidad de entrar y desplazar al O2, in vivo tiene una afinidad aproximada de 250 veces superior. 15 CO2 O2 PULMONES ‐NH – COO‐ 4x O2 DESOXIHEMOGLOBINA OXIHEMOGLOBINA ‐NH – COO‐ DESOXIMIOGLOBINA OXIMIOGLOBINA TEJIDOS (CÉLULAS) En las unidades α existe la cadena carbamato (R‐NH2‐CO2 ‐‐‐‐‐‐‐ R‐NH‐COO‐). 16 Desnaturalización y renaturalización La desnaturalización es la pérdida de la estructura nativa y, por tanto, se pierde la estructura biológicamente activa. Sólo se desnaturalizan las estructuras por encima de la primaria. Se produce porque se rompen las uniones de las interacciones débiles. Se lleva a cabo por: •
•
•
Exposición a un pH extremo. Tanto ácido como básico, se produce la desnaturalización porque disminuye la solubilidad de la proteína. Aumento de la temperatura. También disminuye la solubilidad de la proteína. Si se baja poco a poco la temperatura y se deja tiempo para que la proteína se forme de nuevo, tiene lugar el proceso contrario, denominado renaturalización. Agentes desnaturalizantes. Como la urea o los detergentes, estos agentes son los que se utilizan en el laboratorio. Cuaternaria Hemoglobina Es capaz de fijar O2 reversiblemente. En los seres vivos aparece en gran medida, junto con la mioglobina. La hemoglobina, es exclusiva de los vertebrados; en los invertebrados se denomina hemocianina y en los vegetales, se llama Leg‐
hemoglobina. Como aparece tanto, surge la idea de que todas tengan un ancestro común, que aparecería en los organismos que habitaban el planeta antes de que apareciera la biodiversidad. La hemoglobina está formada por cuatro subunidades idénticas dos a dos, dos son α y otras dos son β. La composición de ambas es la siguiente: •
•
Las α están compuestas por 141 aminoácidos en 8 segmentos α‐hélice, y por un grupo hemo. Las β están compuestas por 146 aminoácidos igualmente repartidos, en 8 segmentos α‐hélice, y al igual que las anteriores también tiene un grupo hemo. Otras nomenclaturas •
•
Oligómero: es la estructura final de cualquier proteína que llegue a la estructura cuaternaria. Son proteínas como: ƒ Glucógeno fosforilasa. ƒ LDH ƒ PKA Protomero o monómero: cada unidad del oligómero. 17 Curvas de unión al O2 (Mioglobina (terciaria) y Hemoglobina (cuaternaria)) Mioglobina MbO2 Mb + O2 Kd= ([Mb][O2])/[MbO2] De esta fórmula se puede obtener la siguiente expresión: y= PO2/(PO2 + P50) Donde y es la fracción de saturación de la Mb por el O2, es la afinidad de la molécula por el O2; PO2 es la presión parcial de O2 y P50 es la presión parcial de O2 en la que se observa un 50% de saturación de la Mb. Hemoglobina Hb(O2)4 Hb + 4 O2 Kd= ([Hb][O2]4)/[ Hb(O2)4] De esta fórmula se puede obtener la siguiente expresión: y= (PO2)4/((PO2)4 + (P50)4) Donde y es la fracción de saturación de la Hb por el O2, es la afinidad de la molécula por el O2; PO2 es la presión parcial de O2 y P50 es la presión parcial de O2 en la que se observa un 50% de saturación de la Hb. Cinéticas michaeliana y sigmoidea Mioglobina (Cinética michaeliana) y PO2 Hemoglobina (Sigmoidea o no michaeliana, propia de las proteínas alostéricas) y PO2 18 Cooperatividad o alosterismo Tejidos Pulmones y y 100% 60% O
2 20% La mioglobina tiene más afinidad por el O2 que la hemoglobina. La cooperatividad puede ser de dos tipos: •
Negativa: cuando suelta O2, esto es cuando va desde los pulmones hacia los tejidos. El primer O2 es el que más le cuesta soltar, una vez se suelta provoca un cambio conformacional en la subunidad que lo tenía, y luego se lo transmite a los demás. Los demás O2 se sueltan con mucha facilidad. O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 Conformación R Conformación T Relajada Tensa Oxihemoglobina Desoxihemoglobina Alta y Baja y 19 Un ejemplo sencillo es el de separar cuatro sellos. Al separar el primero, necesitamos hacer dos cortes, al separar el segundo sólo un corte y para separar los dos últimos también se necesita un corte, pero al conseguir dos sellos la eficiencia es mayor. •
Cooperatividad positiva: le cuesta coger el primer O2, esto es cuando va desde los tejidos a los pulmones El primer O2 es el que más le cuesta coger, una vez se agrega provoca un cambio conformacional en la subunidad que no lo tenía, y luego se lo transmite a los demás. Los demás O2 se agregan con mucha facilidad. O2 O2 O2 O2 O2 Estado T Fe2+ Fe2+ ‐ O2 El O2 al unirse al Fe2+, estira de este hacia la derecha, produciendo que el Fe2+ también estire de la His y de la cadena polipeptídica. Por tanto, cambia la disposición de la molécula. 20 Interacciones que se producen •
•
•
Hidrofóbicas; Puentes de H2; Puentes salinos o interacciones electroestáticas. Características de los transportadores Los transportadores tienen que tener: •
•
Gran afinidad por el O2 en los pulmones. Poca afinidad por el O2 en los tejidos. Proteínas alostéricas Una proteína, como la hemoglobina, es alostérica porque la afinidad de cada una de las subunidades por el O2, está regulada por su interacción con el resto de las subunidades y por los efectores alostéricos. Estos efectores son moléculas que se unen a la hemoglobina en un sitio distinto, al de su unión con el O2 e inducen un cambio conformacional que da lugar a una conformación que aumenta o disminuye la afinidad. •
•
Si la aumenta es un efector alostérico positivo. Si la disminuye es un efector alostércio negativo. O2 O2 α
β EFECTOR
α β
O2 O2 21 Modelos de cooperatividad Modelo concertado Estado T Estado R Toda la estructura está en T o en R nunca en los dos. Hay un umbral por el cual se pasa de T a R y viceversa. Modelo secuencial Estado T Estado R Este modelo explica mejor la cooperatividad. 22 Modulación de la afinidad del oxígeno en la hemoglobina Efecto Bohr. Efecto 2,3 – Bifosfoglicerato (2,3 ‐ BPG). Efecto Bohr. A menor pH hay una disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Ideado por Christian Bohr, hijo de Niels Bohr. Anhidrasa carbónica Tejidos: se tiende a una ligera acidificación ‐
+
O2 Glucosa Piruvato CO2 + H2O H2CO3 H + HCO3 Carboxilación Tejido oxidativa y Ciclo de Krebs Sin O
2 Glucosa Piruvato Ácido láctico (CH3 – CHOH – COO‐ + H +) Pulmonar (alta y) Tisular (baja y) Hb(O2)4 + nH+ HbnH+ + 4 O2 Mioglobina Células H+ + HCO3‐ CO2 + H2O Pulmones Transporte de H+ 40% con la Hb (tamponación) 60% con el HCO3‐ (tamponación) Los protones no son efectores alostéricos. Protonan los geupos amino (NH2 pasa a ser NH3+), las histasminas del terminal C de las subunidades β que contribuyen a pasar del estado R al estado T. Transporte de CO2 24% con la Hb a través de –NH‐COO‐ 6% está disuelto en el plasma El resto a través del tampón de HCO3‐ 23 90% 80% pH=7,6 pH=7,4 pH=7,2 40% Efecto 2,3 BPG Es un compuesto intermediario en el ciclo de Krebs. Es un efector alostérico. COO‐ | CH – O – Pi | CH – O – Pi Tiene, por tanto, 5 cargas negativas Se introduce en el hueco que se forma entre las cuatro subunidades, e interacciona con las subunidades β. Da lugar a una conformación de baja afinidad. Ayuda a la eliminación de O2. Entrenamiento de altura Aumenta los glóbulos rojos, la hemoglobina/glóbulo rojo y el 2,3 – BPG/glóbulo rojo. 24 Enzimas Son moléculas que son capaces de aumentar o disminuir la velocidad de una reacción química. Pueden aumentar la velocidad en un millón de veces o más. Características •
•
•
•
Podes catalítico. Especificidad. (si es alta sólo se une a un sustrato, son estereoespecíficos; si es baja se unen a varios sustratos, pero estos deben de tener alguna analogía). Integridad. Catalizan pero no se transforman. (Sustrato + Enzima Enzima+Producto) No afectan a la Ke de la reacción química. (Sustrato Producto; Ke=[S]/[P]). Modos de activación •
•
Sola Acompañada (necesita un elemento químico adicional (cofactor) en reacciones Redox o de transferencia de grupos). Los cofactores pueden ser: •
•
De naturaleza inorgánica (iones metálicos (Zn2+, Mn2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+)). De naturaleza orgánica o metalo orgánica. Dos tipos: ƒ Unido transitoriamente a la enzima (coenzima). FADH2, NADH, NADPH. ƒ Unido covalentemente (permanentemente) a la enzima (grupo prostético). En la Acetil Co‐A carboxilasa existe la biotina que es un grupo prostético. Holoenzima: enzima activa. Apoenzima + cofactor: enzima inactiva. Función del cofactor Contribuye a la correcta alineación o encaje estérico del sustrato en el centro activo de la enzima. Forma un enlace adicional entre la enzima y el sustrato. Por lo que se dice que funciona como un 2º sustrato. Nomenclatura de las enzimas 1. Nombre del sustrato/s + tipo de reacción + la terminación ASA. R‐CH2OH + ADP+ R‐CHO + NADH + H+ Redox La enzima que interviene por tanto se denomina alcohol NAD+ oxidoreductasa. CH3 ‐CH2‐ Ox CH2OH ‐CH‐ CHO red | COOH OH ‐C‐ || O 25 2. Enzyme Comission E.C. 1.1.1.1. El primer dígito corresponde a la clase de enzima en este caso oxidoreductasa, el segundo corresponde a la subclase (OH), el tercero es la subsubclase (NAD+ o NADP+), el último es característico del enzima. 3. Común Alcohol deshidrogenasa o alcohol DH. Clasificación de las enzimas (UIB Unión Internacional de Bioquímica) 6 clases de enzimas: 1. Oxidoreductasas: catalizan la transferencia de electrones. (A++B A+B+) 2. Transferasas: catalizan la transferencia de grupos (AG+B A+BG; donde G no es un H). 3. Hidralasas: rotura de enlaces del agua (AB+H2O AH+BOH) 4. Liasas: dos funciones. • Eliminación de grupos. Dos tipos: ƒ CO2 descarboxilasas. ƒ H2O deshidratasas. • Condensación de moléculas (sintasas (sin ATP)) 5. Isomerasas: catalizan la transformación de isómeros (de Cis a Trans; de aldehído a cetona; de L a D). 6. Ligasas: formación de nuevos enlaces. Son irreversibles y se llaman sintetasas (con ATP). (A+B AB) ADP+Pi ATP Centro activo Es el lugar de la enzima en el que se une al sustrato. Dos sitios: •
•
Sitios de enlace al sustrato. A través de cadenas laterales de una serie aminoácidos. Sitio catalítico. A través de cadenas laterales de una serie de aminoácidos que participan en la ruptura y formación de enlaces. Composición química Su secuencia de aminoácidos. Conformación Como se disponen esos aminoácidos. Tiene que haber un reconocimiento espacial para que se unan la enzima y el sustrato. 26 Características del centro activo. •
•
•
•
•
•
Unión al sustrato. Entidad tridimensional. Es pequeño. Enlaces débiles entre enzima y sustrato. Naturaleza apolar para aumentar la afinidad de la enzima y el sustrato y excluir las moléculas de agua. Complementariedad geométrica entre enzima y sustrato. Modos de unión entre enzima y sustrato •
Fisher (llave cerradura) no hay cambios conformacionales. •
Koshland (ajuste inducido) hay cambios conformacionales. 27 Mecanismo de catálisis enzimática Las enzimas disminuyen la energía de activación de la reacción. G Ea EI
EF
t G=H‐TS G (energía libre). El componente de la energía total de un sistema que es capaz de desarrollar un trabajo a una temperatura y una presión constantes. EI (estado inicial). Toda molécula tiene una energía inicial. EF (estado final). La energía que tiene al final. Tiene menor G. H (entalpia). Contenido calorífico de un sistema. S (entropia). Cantidad de desorden. Ea (energía de activación). Es la diferencia entre el estado de transición y el estado final. No se modifica ΔG. Isoenzimas Son las distintas formas de una enzima pero catalizan la misma reacción. Se diferencian en: •
•
•
La secuencia de aminoácidos pero presentan una alta homología. Presentan distinta Vmáxima. Sus propiedades reguladoras son distintas. Posibilitan un control más exacto del metabolismo. Variación para abastecer las necesidades de un tejido concreto y de una etapa de un desarrollo concreto. Nunca hay un enzima, hay varios isoenzimas. Lactato deshidrogenasa (LDH) Piruvato Ácido láctico o lactato. 28 Es un tetrámero (cuatro subunidades) puede tener dos cadenas: •
•
Cadena H (heart) Cadena M (muscle) Tienen una homología del 75 %. Existen cinco tipos de isoenzimas para la LDH. LDH – 1: tiene las cuatro subunidades del tipo H (H4). Funciona muy bien en condiciones aeróbicas. Aumenta la afinidad entre la enzima y el sustrato. LDH – 2: tiene una subunidad del tipo M y tres del tipo H (MH3). LDH – 3: tiene dos subunidades del tipo M y dos del tipo H (M2H2). LDH – 4: tiene tres subunidades del tipo M y una del tipo H (M3H). LDH – 5: tiene las cuatro subunidades del tipo M (M4). Funciona muy bien en condiciones anaeróbicas. Regulación de la actividad enzimática Las isoenzimas como tales son reguladores, aunque no están considerados como tales. 1. Regulación alostérica: tiene lugar por el efector alostérico, que es una molécula que se una a la enzima en un sitio distinto al centro activo, aumenta o disminuye la afinidad de la enzima por el sustrato. Si la aumenta es un efector positivo que activa la enzima; si la disminuye es un efector inactivo que inhibe la enzima. Un ejemplo es el Feed‐Back o retroalimentación: si se produce producto en exceso, este actúa como efector alostérico de la enzima. S P Ocurre en enzimas como la hexoquinasa. Glucosa Glucosa 6 fosfato Hexoquinasa 2. Regulación covalente: unión de un grupo funcional a la enzima a través de un enlace covalente. Se puede unir: Grupo metilo (CH3): SAMe (metilante). Grupo acetilo (‐ CO – CH3): Acetil CoA CH3‐CO‐ScoA Fosfato: ATP. Las enzimas que unen fosfatos son las quinasas, las que los eliminan son las fosfatasas. A veces se desactiva uniendo el fosfato y otras quitándolo. Un ejemplo es la glucógeno fosforilasa, que participa en el catabolismo del glucógeno. Glucógeno fosforilasa ‐CH2‐OH ‐CH2‐O‐P + Fosfato 29 3. Regulación por proteólisis o activación de Zimógeno Zimógeno: son las formas inactivas de una enzima. Son llamados proenzimas. Un ejemplo son las peptidasas tripsinógeno y quimiotripsinógeno, que son zimógenos que secreta el páncreas exocrino. Colédoco Conducto pancreático Intestino delgado Circulación Si se bloque el conducto pancreático, los zimógenos se regurgitarán y se activarán en el páncreas dando lugar a una pancreatitis agudas. Cinemática enzimática Estudia la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas. Las reacciones se clasifican según su orden de reacción en: Primer orden: S P; V= k [S]. v [S] 30 Segundo orden: A+B P; V=k [A][B] Tercer orden: A+B+C P; V=k [A][B][C]. Muy infrecuente. Orden mixto: intermedio entre primer orden y segundo orden. Orden cero: la velocidad no depende de la concentración de sustrato sino la de la enzima. Ecuación de Michaelis‐Menten K1 K‐1 E + S E – S E + P K2 Llegan a la conclusión de que todos los enzimas se saturan. Constante de Michaelis KM= (K‐1 + K2)/(K1) Esta KM habla sobre la afinidad enzima‐sustrato. Hace referencia a la concentración de sustrato. Es la concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de la velocidad máximo. Si es alta la afinidad es baja. Si es baja la afinidad es alta. Expresión de Michaelis o ecuación de Michaelis‐Menten. V=Vmáxima[S]/(KM + [S]) La velocidad máxima nos informa de la eficacia de la enzima. Si es alta la eficacia es alta. Si es baja la eficacia es baja. Cinética michaeliana. Se distinguen tres tramos: 1. Primer orden. 2. Orden mixto. 3. Orden cero. V Hipérbola Orden cero Orden mixto V/2 Primer orden KM [S] 31 Representación de Lineweaver‐Burk (dobles recíprocos) V=Vmáxima[S]/(KM + [S]) 1/V=(KM+[S])/Vmáxima[S] 1/V=(KM/Vmáxima)(1/[S])+[S]/Vmáxima[S] 1/V=(KM/Vmáxima)(1/[S])+1/Vmáxima (y= ax+b) 1/V 1/Vmáxima 1/[S] |‐1/KM| Alcohol DH CH3‐CH2OH + NAD+ CH3‐CHO + NADH + H+ ETANOL ACETALDEHÍDO Aldehído DH METABOLISMO DEL ETANOL CH3‐COOH ÁCIDO ACÉTICO La constante de Michaelies del acetaldehído, en los asiáticos, es elevada y la afinidad enzima‐sustrato es baja. En los occidentales pasa lo contrario la constante es baja y la afinidad alta. Factores que afectan a la actividad enzimática 1. La concentración del sustrato. Excepto en la saturación que es independiente de la concentración de sustrato. 32 2. La concentración del enzima. E3>E2>E1, es la misma enzima lo que cambia es la concentración. E3
E2 E1
3. El pH. Se obtiene una forma acampanada. El punto de máxima altura es el pH óptimo para la actividad de la enzima. Tiene forma acampanada porque: a) A pH ácido o básico se desnaturaliza. b) Varía la carga neta de la enzima, del sustrato o de los dos. Si se produce este cambio, se produce otro cambio en la afinidad enzima‐sustrato. 4 10 Fosfatasa Fosfatasa ácida alcalina 4. La temperatura. Se obtiene otra forma acampanada. La temperatura ideal oscila entre 40 y 45 ®C. A temperaturas bajas, no se alcanza la energía térmica necesaria para llegar al estado de transición. A temperaturas altas, se desnaturaliza. 40‐45 ®C 33 5. La presencia de inhibidores. Los inhibidores son agentes químicos que disminuyen la velocidad de una reacción química, en este caso, enzimática. Existen dos tipos: a) Irreversibles: se unen por enlaces covalentes o no covalentes muy estables; enlaces muy fuertes. Son los envenenamientos, como en el arsénico, que se une a las células de la cadena respiratoria; o la penicilina que es un inhibidor de una de las enzimas de la síntesis de la pared bacteriana. b) Reversibles: se une por enlaces débiles; enlaces muy débiles. Por ejemplo, la aspirina. Tres tipos: • Competitivos: compiten con el sustrato por su unión en el centro activo de la enzima. • No competitivos: no hay competencia por la unión en el centro activo, se unen en otros puntos. Se puede unir a la forma libre de la enzima o en la forma unida enzima‐sustrato. • Acompetitivos: son iguales que los anteriores. Pero sólo se pueden unir al complejo enzima‐sustrato. Perfiles cinéticos Inhibidores competitivos I2 I1 Sin I [I2]>[I1] La Vmáxima es la misma La 1/KM disminuye. Por tanto, aumenta la KM. 34 Inhibidores no competitivos I2 I1 Sin I [I2]>[I1] La 1/Vmáxima aumenta. Por tanto, Vmáxima disminuye. La KM es la misma. Inhibidores acompetitivos I2 [I2]>[I1] I1 Sin I La 1/KM aumenta. Por tanto, la KM disminuye. La 1/Vmáxima aumenta. Por tanto, Vmáxima disminuye. 35 TEMA 4: GLÚCIDOS Funciones 1. Fuente de energía. Creación de ATP. Triglicéridos Ácidos Grasos Glucosa Piruvato Acetil CoA Cuerpos cetónicos Ciclo de Cadena respiratoria Fosforilación Krebs oxidativa ATP Sin O2 (bajo rendimiento) ATP CO2 Con O2 (alto rendimiento) 2. Sillares biosintéticos. Con la estructura carbonada se crea otra estructura distinta. • Ácidos grasos. • Colesterol. • Cuerpos cetónicos. 3. Almacén de energía. • Almidón. En vegetales. • Glucógeno. En animales. 4. Estructural. • Celulosa. En vegetales. • Pared bacteriana • Glicoproteínas de membrana. Estructura La fórmula general de los azúcares es (CH2O)n, donde n es igual o mayor que tres. Monosacáridos (azúcares sencillos) Número de átomos de carbono. De tres a siete. 3 – triosas 6 – hexosas 4 – tetrosas 7 – heptosas 5 – pentosas Posición del carbono carbonílico (C=O) en la molécula. Posición 1 – aldosas. Posición 2 – cetosas. Oligosacáridos. De dos a diez monosacáridos unidos por enlace O‐glucosídico que es covalente. 2 – disacáridos Polisacáridos. Más de diez monosacáridos unidos por enlace O‐glucosídico. Se clasifican por su grado de ramificación. 36 •
•
Sin ramifficación. Son lineales, com
mo la α‐amillosa. Con ramiificaciones. SSon ramificad
dos, como laa amilopeptin
na y el glucó
ógeno. Tamb
bién se clasiffican por el tiipo de polím
mero. •
•
Homopolímero. Com
mo el almidón
n y el glucóge
eno. olímero. Son
n las glicopro
oteínas que p
pueden ser:
Heteropo
o Pe
eptidoglicanos. Como el componente
e rígido de laa pared bacteeriana. o Prroteoglicanos. Como laa matriz exttracelular del cartílago. Mon
nosacáridos Pued
den ser: •
•
Aldosas.. Cetosas.. Esterreoisomeríaa 1 Por convvenio. Obed
1.
dece a la disposición d
del grupo ––OH del carrbono asimé
étrico más alejado del gru
upo carbonílico (C=O). P
Pueden ser: D, si queeda a la dereecha. L, si qued
da a la izquierda. 2 Actividad óptica. Por 2.
P la presencia de carbonos assimétricos. Son capace
es de desviar la luz polarizada. D‐Glucossa [α]D20®C d
desvía la luzz a +52,7®. P
Por tanto, ees dextrógiro. 20®C D‐Fructo
osa [α]D
d
desvía la luz
z a ‐92.4®. P
Por tanto, ees levógiro. 3 Anomería. Tanto laas pentosas como las h
3.
hexosas, dan lugar a un
na forma ciiclada ución. en disolu
Ataque nucleolíticco
Tanto la α –D osa como – glucopirano
la β – – D – glu
ucopiranosaa son los anómeeros de la gglucosa. Es α cuando el grup
po OH está en el lado contrario del gru
upo CH2OH
H. Es β si está e
en el mismo
o lado. Cabe d
destacar el carbono an
nomérico, que en
n el caso de d las aldo
osas es el primerr carbono. E
Es el carbono donde se encuentra la an
nomería OH
α –D
D – glucopiranosa 37 β
β – D ‐ glucop
piranosa
α‐D‐fructo
ofuranosa β‐D‐fructtofuranosa En esste caso, el carbono an
nomérico ess el segundo
o carbono.
Para saber el nú
úmero de isómeros se aaplican las ssiguientes ffórmulas: •
•
Si es unaa aldosa: 2n‐‐2 Si es unaa cetosa: 2n‐‐3 Oligo
osacáridos Disaccáridos •
Reductores: tienen carbonos aanoméricos libres. Lactosa, maltossa y celobiosa. 38 •
No reducctores: tien
nen carbono
os anomériccos libres. Fructosa. En laas intoleranccias a la lacttosa faltan las lactasass. En laas razas orieental y negra (y en la bllanca en el adulto) tien
nen menos lactasas. Polissacáridos Hom
mopolímeross No raamificados: α‐amilosa. Se une por enlaces α((1‐4) Ramificados: am
milopectinaa y glucógen
no. Se unen
n linealmen
nte por enlaaces α(1‐4) y en las ramificacion
nes por α(1
1‐6). Estos puntos de ramificació
ón aparecen
n en el alm
midón cada treinta restos de gluco
osa y en el gglucógeno ccada ocho.
Hete
eropolímero
os Glico
oproteínas ((peptidogliccanos y proteoglucano
os). α‐am
milosa Unidades de glu
ucosa unidas por enlacee α(1‐4) Desccribe una dissposición helicoidal. Amilopectina Ramificaciones cada treintaa restos de glucosa, co
on enlaces α
α(1‐6) 39 Glucógeno Es un homopolímero de glucosas con enlaces: •
•
Lineales en α(1‐4) Ramificados en α(1‐6). Cada ocho residuos de glucosa. Está en casi todo el cuerpo, sobre todo, en el hígado (10% del peso seco) y en el músculo esquelético (1‐2% del peso seco). Es un sistema de regulación de la concentración de la glucosa en sangre ya que: •
•
Si aumenta la concentración de glucosa se activa la glucogenogénesis Si disminuye la concentración de glucosa se activa la glucogenolisis. Heteropolimeros Peptidoglicanos Componente rígido de la pared bacteriana Formado por un heteropolímero de unidades alternas de N‐acetilmurámico (NAM) y N‐acetilglucosamina (NAG). Se unen por enlaces β(1‐4). NAM‐NAG‐NAM‐NAG | | NAM‐NAG‐NAM‐NAG | | NAM‐NAG‐NAM‐NAG Los NAM se unen entre sí por puentes de pentaglicina. Que están formados por cinco GLY. Tanto el NAM como el NAG son muy parecidos a la glucosa pero: El NAG tiene en el segundo carbono un grupo ametilacetilado. El NAM lo tiene en el segundo y en el tercero. Curiosidades La penicilina inhibe irreversiblemente a las transpeptidasas (son las enzimas que catalizan la formación de los puentes de pentaglicina). Se une por enlace covalente. Por la rotura de estos enlaces quedan agujeros en la pared. Las bacterias sintetizan penicilinasas que son enzimas que rompen las penicilinas. La enzima lisozima rompe las uniones β(1‐4), generando agujeros. Esta enzima se encuentra en las lágrimas y en la saliva. También la sintetizan los virus. Proteoglicanos Proteoglicano de la matriz extracelular del cartílago Tiene forma de cepillo de limpiar tubos de ensayo. Está compuesto por: • Un filamento central (ácido hialurónico) • Ramificaciones del filamento, que son la subunidades de proteoglicanos. Formados por una proteína central y otra de unión. 40 •
Glucosaminoglicanos. Los más cortos son sulfato de Queratán, las más largos son sulfato de condroitina El condroitin sulfato y el Queratán sulfato tienen carga negativa. Es, por tanto, una molécula de naturaleza polianiónica. Es muy ramificada. Como consecuencia, es una estructura muy hidratada. El cartílago de las articulaciones tiene dos problemas: •
•
No está irrigado. No está inervado. Es como una esponja. Agua y nutrientes Agua y sustancias de desecho Si un paciente está encamado la estructura se atrofia y degenera. Se vuelve delgada y frágil. Base molecular del envejecimiento del cartílago Cuando envejecemos cambia algún sustituyente de los glucosaminoglucanos. Cambia la longitud de las cadenas de los glucosaminoglicanos. Se acortan las cadenas de sulfato de condritina. Como se acortan el cartílago tiene menos agua y disminuye su elasticidad. 41 TEMA 6 LÍPIDOS Los lípidos son conjuntos heterógenos de moléculas que tienen unas características: •
•
Su insolubilidad en agua. Su solubilidad en medios apolares (éter, acetona) Pueden ser: •
•
•
Esteres. Alcoholes. Ácidos. Funciones 1. Función energética. Porque tiene eslabones de CH2. Producen moléculas de ATP. 2. Función estructural. a) Celular. En las membranas. b) No celular. Como la cera o el caucho. 3. Función vitamínica. Las vitaminas K (antihemorrágica), E (antioxidante. Su déficit provoca fragilidad muscular y esterilidad), D (antirraquítica. formación de estructura ósea. Se sintetiza a nivel de la piel) y A (antixeroftálmica. Su déficit produce esterilidad masculina). 4. Función hormonal. Hormonas esteroideas. a) Hormonas sexuales. Progestágenos, andrógenos y estrógenos. b) Hormonas de la corteza suprarrenal. Cortisol y aldosterona. 5. Función digestiva. Los ácidos biliares que se sintetizan con la bilis (ácido cólico y ácido desoxicólico) son lípidos. 6. Función de regulación hormonal. Son el grupo de los eicosanoides. a) Prostaglandinas. b) Tromboxanos. c) Leucotrienos. Los lípidos no son polímeros, son un conjunto heterogéneo de sustancias de bajo peso molecular. Son de naturaleza anfipática. Se distinguen dos partes: •
•
Polar. Apolar. 42 Pueden formar varias estructuras: Monocapas Bicapas
Micelas Clasificación de los lípidos a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Ácidos grasos. Triglicéridos. Fosfoglicéridos. Esfingolípidos y glicoesfingolípidos. Ceras. Isoprenoides. Eicosanoides. Ácidos grasos Cadena alifática
Grupo carboxilo
Dos zonas: 43 Pueden ser: •
•
Saturados: si no tienen dobles enlaces. Insaturados: si tienen dobles enlaces. Funciones 1. Energética. Producción de ATP. 2. Forma parte de los lípidos complejos. Triglicéridos Son los esteres de la molécula de glicerol con tres ácidos grasos. HOOC‐(CH2)n‐R1 CH2‐O‐CO‐R1 CH2‐OH | | CH‐OH + HOOC‐(CH2)n‐R2 CH‐O‐CO‐R2 | | CH2‐OH HOOC‐(CH2)n‐R2 CH‐O‐CO‐R3 Glicerol Ácido graso Triglicérido Se pueden romper por: a) Lipasas. Son enzimas que dividen al triglicérido en glicerol junto con sus tres ácidos grasos. b) Hidrólisis ácida. Con ácido sulfúrico. c) Hidrólisis básica o saporificacion. Con NaOH o con KOH. Siempre se realiza en caliente. K+ ‐OOC‐ R1 Glicerol + K+ ‐OOC‐R2 K+ ‐OOC‐R3 Sales potásicas de los ácidos grasos. Dan lugar a jabones que dispersan las moléculas no solubles en agua. Funciones 1. Energética. Producción de ATP. 2. Aislante térmico. En los adipocitos, sobre todo en las especies animales sometidas a temperaturas frías extremas. 3. Tejido adiposo marrón. En los invernantes y en la base de la nuca de los recién nacidos. Es de color marrón porque tiene una gran cantidad de mitocondrias. Sirve como termorregulador. Posee proteínas como la termogenina que es un desacoplador de la cadena respiratoria. Provoca la disipación de la energía metabólica en forma de calor. 44 Fosfoglicéridos CH2‐O‐CO‐R1 | CH‐O‐CO‐R2 | O CH2‐O‐O‐P‐O‐X | O Están compuestos por la unión de un glicerol, dos ácidos grasos, un fosfato inorgánico y una sustancia X, que puede ser: a) Un aminoácido y una serina (‐CH2‐OH). Fosfatidilserina. b) Una base. Etandamina –CH2‐CH2‐NH3+. Fosfatidilcolina. CH3 | +
Colina –CH2‐CH2‐N ‐CH3. Fosfatidilcolina. | CH3 c) Azúcares. Inositol. Fosfatidilinositol. Es el segundo mensajero, se activa dentro de la célula y regula el metabolismo. Todos forman parte de las membranas celulares. Esfingolípidos y glicoesfingolípidos Compuesto por una esfingosina y un ácido graso, formando una ceramida. OH‐CH‐CH=CH‐(CH2)12‐CH3 | CH‐NH‐CO‐R1 | CH2OH En el carbono del grupo CH2OH pueden pasar dos cosas: a) Que se una un fosfato inorgánico. • Etanolamina: esfingofosfatidiletanolamina. • Colina: esfingofosfatiflcolina CH3 | CH2O‐P ‐CH2‐CH2‐N+‐CH3 | CH3 Forman las esfingomielinas que se encuentran en las vainas de mielina. 45 b Que se u
b)
una un mon
no u oligosacárido. • Cerrebrósidos ((membranaa del tejido nervioso) • Aglutinógenoss (componeente lipídico
o de los grup
pos sanguín
neos) • Sulffáticos (son
n derivados de los cere
ebrósidos. Forman partte del cereb
bro) • Glaangliosidos (lípidos con muchas moléculas m
d ácido siálico. Interviene de en los proceso
os de la fluid
dez de mem
mbrana y en la proliferaación celular) Ceras Funcción protecttora. Son la esterificación de un alcohol alifáttico y de un ácido graso
o. R‐(CH
H2)n‐CH2‐O‐CO‐(CH2)n’‐R’ Isoprrenoides Desccienden del 2‐metil‐1,3
3‐butadieno
o o isopreno
o. a) TTerpenos Normalm
mente el iso
opreno está en su form
ma isopenten
nilpirofosfato. Son: •
Los aceites esenciales e
c
como el ge
eraniol, el mentol, eel alcanfor o el limoneno. •
Lass (ferom
monas) 46 hormon
nas de los insectos • Las hormonas vegetales (liberelinas)
• El ccaucho (poliiisopreno)
b) Colesterol C
Descciende del ciclopentano
oferhidroferantreno La paarte polar, eel OH, se qu
ueda fuera d
de la doble membranaa, el resto see introduce en el interrior. Si se esterifica (ccambio del OH por un R1‐CO‐O), la molécula es apolar completame
ente. Los d
derivados deel colestero
ol son: • Las horm
monas isoprrenoides o esteroidicaas • Las saless biliares • La vitam
mina D3 C
eos c) Carotenoide
Son llos pigmenttos naturalees que le daan el color aa las flores yy a las frutass. a Caroteno
a)
os. β‐caroteno o provvitamina A. A Es el pro
omóforo dee los pigme
entos visulaes.. b Xantófilo
b)
os. Dan el co
olor amarilllo y el rojo. Forman lass células fottosintéticas.. β‐Caroteno 47 La prrovitamina A
A se divide en dos por el carbono 15, dando lugar a dos vitaminas A
A que uedeen ser: •
•
Retinol ssi acaba en un CH2OH.
Retinal ssi acaba en un CHO. La su
uma del retinal y de la opsina da llugar a la ro
odopsina qu
ue forma lo
os bastones de la retin
na. Paso
o de la form
ma 11‐Cis a la forma tod
do‐trans Luz visiblee (reacción fotoquímica) Tras esto se llevva una señal al cerebro, a la cortezza. 48 Eicossanoides Son rreguladoress fisiológico
os. Son tres: a Prostaglandinas (PG
a)
G). Se parecen al ácido
o protanoicco. Produceen la contraacción uterina, la vasodilatación, la inflamación, el dolor y y aumentan
n la temperratura corporal. b Tromboxxanos (Tx). Se aislaron
b)
n de los trom
mbocitos o plaquetas. Participan en la agregación plaquetaria. c Leucotrienos (LT). Se c)
S aislaron de los leuccocitos. Tieene tres enlaces doble
es. Se encargan
n de la resp
puesta inmu
une. Todos derivvan del ácid
do araquidó
ónico. La aaspirina inhibe los procesos de formació
ón de las prrostaglandin
nas y de loss tromboxan
nos. Mem
mbrana plassmática •
Separan el contenid
do de una célula del exxterior. • No
o es imperrmeable. Regula la compo
osición intrracelular co
on el paso de nutrientess, sustanciaas de desecho, agua e iiones a ambos lados de lla membran
na. • No
o son estructurass o sistemas pasivos son sistemas bioquímiccos dinámiccos que llevvan a cabo una serie de funciones: o
La sínttesis de ATP
P. o
El ttransporte de moléculas. o
Unir hormonas y neurotran
nsmisores. o
Se llevan a cabo reaccionees enzimáticcas. o
Dotan
n de especificidad antiggénica a las células. o
Permiiten la comunicaación intercelular. 49 Propiedades físicas de las membranas •
•
•
Son duras pero flexibles. Tienen que tener flexibilidad para cambiar de forma y crecer, y para moverse y dividirse. Tienen capacidad autoseyante. Gracias a ello llevan a cabo los procesos de endocitosis y exocitosis. Permeabilidad selectiva. Las moléculas polares no pueden atravesarla, a no ser que sean ayudadas de un transportador. Composición •
•
•
Lípidos. Triglicéridos, fosfoglicéridos, glicoesfingolípidos, esfingolípidos y colesterol. Proteínas. Superficiales e integrales. Hidratos de carbono. Glucolípidos y glucoproteinas. Sólo varía la proporción relativa de cada uno de los componentes. Por ejemplo: Las vainas de mielina tienen un 20% de proteínas. La membrana mitocondrial interna tiene un 70% de proteínas. Tiene mayor proporción porque presenta una mayor actividad enzimática. Proteínas •
•
•
Superficial. Están unidas a ambos lados de la membrana. Se unen por enlaces débiles y por puentes de hidrógeno. Un ejemplo es el citocromo C de cadena respiratoria. Para separarlos se utilizan métodos químicos poco agresivos: o ΔpH. o Aumento de la fuerza iónica del medio. o Agente quelantes. Como el Zn2+. Integral. Están en la propia membrana. Son cualquier receptor o canal. Se arrancan a través de métodos químicos muy agresivos que rompen la membrana: o Agentes desnaturalizantes. o Disolventes orgánicos. Transmembrana. Son las que atraviesan la membrana de lado a lado. Propiedades de la membrana a) Asimetría Las membranas no son simétricas. No coinciden especularmente las mismas proteínas. Por ejemplo, la exterior es rica en cerebrósidos y en gangliosidos, mientras que en la interior no hay. b) Fluidez Proporción de ácidos grasos saturados sobre los insaturados más el colesterol. Los saturados están muy empaquetados y la cadena está estirada. Los insaturados pueden tener o no la cadena estirada. 50 Si hay una relación superior de saturados sobre insaturados, disminuirá la fluidez de la membrana. Pero, si se mete el colesterol en la molécula y abre espacios aumenta la fluidez. Si hay una relación inferior de saturados sobre insaturados, aumentará la fluidez de la membrana. Pero, si se mete el colesterol cerrará los espacios que existen, provocando un descenso de la fluidez. También a mayor temperatura, mayor fluidez. Movimientos de la membrana Los lípidos tienen tres difusiones: •
•
•
Rotacional: gira alrededor de sí misma. Lateral: se desplazan a lo largo del eje de la membrana. Transversal: pasa de una cara de la membrana a otra. A veces, desencadenan una señal que llega al núcleo. Las proteínas solo tienen dos: •
•
Rotacional Lateral Transporte a través de la membrana Transporte pasivo. A favor de un gradiente electroquímico. No necesita energía. a) Difusión simple. Sin intervención de proteínas. o Grietas hidrofóbicas temporales. o Poros formados por discontinuidad en la membrana. b) Difusión facilitada. Con intervención de proteínas. o Proteínas formadoras de canales. Canal de Cl‐/HCO3‐ tiene lugar en la membrana del eritrocito. o Proteínas transportadoras. Transportador de glucosa hacia el interior del eritrocito. Transporte activo. En contra de un gradiente electroquímico. Necesita energía. 51 a) Transporte activo primario. Necesita energía que proviene del ATP, de una reacción redox que libere energía o de la luz. Por ejemplo, la bomba de iones Na+/K+ ATPasa. b) Transporte activo secundario. Necesita energía que proviene del gradiente electroquímico generado en el transporte activo primario. Por ejemplo, el transporte de la glucosa a través de la mucosa intestinal, es un cotransporte con Na+. 52 Receptor‐canal de acetilcolina La comunicación a través de la cavidad sináptica tiene lugar cuando la acetilcolina liberada por la célula presináptica difunde hasta receptores específicos en la postsináptica. La fijación de la acetilcolina cambia la conformación del receptor, lo que da lugar a la abertura de un canal iónico asociado al receptor. El Na+ penetra al interior a favor de su gradiente de concentración transportando carga positiva y despolarizando la célula. La despolarización inicia una señal eléctrica, el potencial de acción, que se desplaza a través de la neurona postsináptica a una gran velocidad y es conducida a las sinapsis siguientes, en donde se puede repetir el proceso. 53 TEMA 7 ÁCIDOS NUCLEICOS Flujo de información genética El primer paso es la replicación que se lleva a cabo gracias al ADN o ácido desoxirribonucleico. La información que lleva el ADN se copia en el ARN o ácido ribonucleico, en el proceso de la transcripción. Por último, el ARN sintetiza la proteína. Nucleótidos Son la suma de un nucleósido (base nitrogenada con azúcar) y un grupo fosfato •
•
•
•
•
Son moléculas intracelulares de bajo peso molecular y de gran importancia para las células. Llevan a cabo las siguientes funciones: Es una fuente de energía, ya que dan lugar a los compuestos energéticos como el ATP y el GTP. Señalización intercelular con la adenosina monofosfato cíclica (AMPc). Son coenzimas (NADH, NADPH y FADH2). Son enzimas (ribonucleasas). Estructura Un nucleótido está formado por uno o más grupos fosfato, bases nitrogenadas y por un azúcar. Bases nitrogenadas Pueden descender de: •
La purina ‐ Adenina 54 ‐
Guanina Forma ceto Forma enólica El paso de una a otra se denomina tautomería cetoenólica •
La pirimidina ‐
Citosina Forma ceto Forma enólica ‐
Uracilo (ARN) Forma ceto 55 Forma enólica ‐
T
Timina (ADN
N) Fo
orma ceto
Azúccar •
R
Ribosa (ARN
N) •
D
Desoxirribos
sa (ADN) 56 Nomenclatura de los nucleosidos y de los nucleótidos BASE (d) NUCLEOSIDO (d) NUCLEÓTIDO Adenina Guanina Citosina Uracilo Timina ATP (d) adenosina (d) guanosina (d) citosina (d) uridina (d) timidina (d) AMP (d) GMP (d) CMP UMP d TMP OTRA NOMENCLATURA (d) Adeninato (d) Guaninato (d) Citidinato Uridinato d Timidinato ADN ARN Sí Sí Sí No Sí Sí Sí Sí Sí No AMP ADP ATP dTPM 57 ADN La unión entre dos nucleótidos de una cadena se produce por un en lacee fosfodiester 5’ o extremo OH a 3’ o extremo fosfato. La estructura fue descubierta por Watson y Crick en 1953. Recibieron el premio Nobel en 1962. •
•
•
•
Es una doble hélice. Constituida por dos hebras que se enrollan casi siempre en dextro. Los azúcares y los fosfatos están hacia afuera. Las bases nitrogenadas hacia adentro. Son hebras antiparalelas. El apareamiento de las bases se produce por puentes de hidrógeno, dos en la unión adenina‐timina y tres en la unión guanosina‐citosina. Los enlaces glucosídicos que unen las bases a los azúcares se encuentran describiendo un ángulo, por el cual no están opuestas ni en ángulo llano. Dando lugar a dos surcos uno mayor y otro menor. •
•
Las bases forman prácticamente un ángulo recto con el eje de la doble hélice. Los aparecamientos de las bases se producen en su forma ceto. Fuerzas que estabilizan la doble hélice del ADN •
•
•
•
Puentes de hidrógeno entre bases. Interacciones hidrofóbicas entre bases. Fuerzas de Vander Waals entre bases. Las interacciones electrostáticas desestabilizan la cadena porque los fosfatos a pH fisiológico tienen una carga neta negativa. Pero no llegan a desestabilizarse por los iones covalentes y por las histonas que tienen carga neta positiva. 58 Conformación del ADN Son la disposición espacial del ADN Tiene tres conformaciones que dependen de: •
•
La secuencia de bases. Las propiedades del medio en las que se encuentra. Las tres conformaciones son la A, que aparece en humedad baja, por lo tanto sólo existe in vitro; la B, que es la descubierta por Watson y por Crick, que aparece en humedad elevada; y la Z que tiene una disposición en zig‐zag. Tanto la A como la B son dextro, mientras que la Z es levo. Las más normales son la B y la Z, pero aparece en mayor medida la B. Pero en las zonas con mucha guanina y citosina hay también Z. Desnaturalización o desenrollamiento del ADN Es la ruptura de los puentes de hidrogeno entre las bases nitrogenadas. In vitro se realiza elevando la temperatura. 59 Disposicion del ADN en las células En las procariotas (bacterias, cloroplastos, mitocondrias y en algunos virus) A. DNA lineal. No es frecuente. C. DNA circular. Sus ventajas son: •
•
Mayor empaquetamiento. Lo que produce que una mayor cantidad de contenido genético entre en menos espacio. Preserva la integridad del material genético. Es decir, impiden que funcionen las exonucleasas, que rompen la cadena por los extremos. Pero si actúan las endonuclasas que la rompen por el centro. D. DNA superenrollado. En las eucariotas Genoma es el conjunto total de los genes, que se pueden resumir en el material genético hereditario que hay en una célula. Puede ser: nuclear o exonuclear; codificante, da lugar a proteínas; o no codificante. En una célula diploide (2n) hay 46 cromosomas y en las haploides (n) sólo hay 23. La cromatina está compuesta por un 50% de ADN y por otro 50% de proteínas que pueden ser histonas (H1, H2A, H2B, H3 ó H4) muy ricas en lisina y en arginina y tienen carga neta positiva a pH fisiológico; o pueden ser no histonas. Empaquetamiento de la cromatina 1er nivel de empaquetamiento o nucleosoma. Cada nucleosoma está compuesto por: a) 200 pares de bases, de los cuales 145 enrollan a un octámero de histonas. b) Un octamero de histonas. Formado por 2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y por 2 H4. 60 2o nivel de empaquetamiento o solenoide Es una estructura helicoidal constituida por los nucleosomas. Con 6 nucleosomas por vuelta. 3er nivel de empaquetamiento Asociación de solenoides en forma de lazos que se unen a proteínas no histonas. Son la estructura de los cromosomas. Muerte celular Necrosis. Por la ruptura de la membrana. Los orgánulos se vierten al exterior. Apoptosis o “suicidio celular”. Comienza en el núcleo, con la ruptura de los linker. Se rompe de adentro hacia afuera. No se vierte nada al exterior. Experimento en el laboratorio Patrón. ADN normal
ADN necrótico ADN apoptosis Línea continua formada por bajo peso molecular y alto peso molecular “Escalera del ADN”
ARN Es un polímero lineal formado por ribonucleótidos unidos por enlace fosfodiester. Diferencias con el DNA •
•
•
Es monocatenario. Aunque a veces aparecen bucles de DNA donde hay complementariedad de bases. Tiene ribosa. Tiene uracilo. Tipos En procariontes •
•
•
RNAm. Transporta el DNA a los ribosomas. RNAr. Forma parte de los ribosomas. Representa el 75% del total de la célula. RNAt. Transfiere los aminoácidos a la cadena polipeptídica naciente. En eucariontes •
•
•
RNAm RNAr RNAt 61 •
•
hnRNA. Precursor del RNAm. snRNA. 62 TEMA 8: Introducción al metabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones enzimáticas que tienen lugar en una célula. Teniendo en cuenta que deben estar altamente coordinadas. Funciones •
•
•
•
Obtener energía química desde las moléculas combustibles o de la energía solar absoluta. Conversión de los nutrientes (hidratos de carbono, lípidos, proteínas) en precursores macromoleculares (aminoácidos, ácido graso más glicerol, monosacáridos). Ensamblaje de los precursores macromoleculares en las propias macromoléculas (aminoácidos para dar proteínas, ácidos grasos más glicerol para dar lugar a triglicéridos, nucleótidos para dar lugar a ácidos nucleícos). Biosíntesis y degradación de otras biomoléculas necesarias para la vida. Ciclo del C y del O2 O2
Productos orgánicos (glucosa) HETERÓTROFOS (Se alimentan de otros seres vivos, son los organismos superiores) AUTÓTROFOS (Se autoalimentan, son las células fotosintéticas y algunas bacterias) CO2
H2O
Por tanto, debe existir un equilibrio entre autótrofos y heterótrofos. Ciclo del N2 Bacterias fijadoras de N2 (Son las cianobacterias o N2 atmosférico las bacterias que tienen relación con las raíces de las leguminosas) Bacterias nitrificantes
Nitritos y nitratos NH3
Plantas
De esta forma se recicla una gran cantidad de O2. 63 Aminoácidos (compuestos nitrogenados más complejos) Fases del metabolismo •
•
Catabolismo=degradación Anabolismo=síntesis CATABOLISMO (Oxidación) NUTRIENTES (hidratos de carbono, lípidos y proteínas) ADP NAD+ NADP+ FAD ATP NADH NADPH FADH2 MACROMOLÉCULAS (proteínas, ácidos nucleicos, triglicéridos) PRODUCTOS FINALES POCO ENERGÉTICOS (CO2, H2O, NH3, lactato, piruvato ) ANABOLISMO (Reducción) Coenzimas reducidos que se incorporan a la cadena respiratoria y a la fosforilación oxidativa para dar ATP. PRECURSORES MACROMOLECULARES (aminoácidos, nucleótidos, ácidos grasos más glicerol) Metabolitos Son los intermediarios metabólicos. Son cada una de las sustancias que aparecen desde una primera antes de llegar a su producto. Además, por lo general, este producto puede ser un intermediario si da lugar a otro producto. 64 Vías metabólicas Tres fases: •
•
•
Fase I Fase II Fase III 65 Compuestos ricos en energía Las reacciones que se pueden dar en las células son las reacciones exergónicas que desprenden energía, y las reacciones endergónicas que absorben energía. Se produce un acoplamiento de ellas gracias a los compuestos ricos en energía que son compuestos que tienen un potencial de transferencia de grupo (PTG) menor o igual a ‐
7 kcal/mol. Este potencial es la energía interna que un compuesto transfiere a otro a la vez que le transfiere un grupo. Los compuestos liberan la energía que transportan por la ruptura de un enlace iónico en energía. Porque el compuesto tiene tensiones internas de tipo estructural que al romperse se libera la tensión en forma de energía. Pueden ceder los siguientes grupos •
Fosfato. Como el ATP o el GTP. •
Acilo. Como el acetilo del acetil‐CoA •
Metilos. Como en el SAMe (S‐Adenosil‐L‐Metionina) 66 Reacción de oxidoreducción Son la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa. Son reacciones en las que algo se oxida, pierde electrones; y algo se reduce, gana electrones. Por tanto, en el metabolismo hay un flujo continuo de electrones que sigue el siguiente esquema: FUENTE (GLUCOSA)
INTERMEDIARIOS METABÓLICOS
TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS ACEPTORES COMO EL O2 DE LA CADENA RESPIRATORIA Transportadores electrónicos Formas reducidas •
•
•
•
NADH (Nicotinamida adenina dinucleótido) NADPH (Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) FAD (Flavina adenina dinucleótido) FMN (Flavina mono nueclótido) Formas oxidadas NAD+ + 2e‐ + 2H+ NADH + H+ NADP+ + 2e‐ + 2H+ NADPH + H+ FAD + 2e‐ + 2H+ FADH2 FMN + 2e‐ + 2H+ FMNH2 67 Formación del NADH Coenzima Q Es una proteína de bajo peso molecular y muy hidrofóbica y no tiene ninguna dificultad en atravesar la membrana interna de la mitocondria. Proteína ferrosulfurada El hierro en su estado de oxidación II se encuentra unido a restos de azufre que puede ser inorgánico o de un resto de cisteína, formando un complejo de coordinación. Citocromo C Puede tener hierro o cobre que están dentro de un grupo hemo. Está situado en la cara externa de la membrana mitocondrial interna. Es una proteína superficial unida a la membrana por asociaciones electroestáticas. Cadena respiratoria Los transportadores están en la membrana mitocondrial interna formando complejos que son el complejo I, el II, el III y el IV. Complejo enzimático Grupo prostético Reacción catalizada Complejo I NADH‐Q N x FMN NADH + CoQ NAD+ + CoQH2 deshidrogenasa N x Fe‐S Complejo II Succinato‐Q N x FAD Succinato + CoQ Fumarato + CoQH2 deshidrogenasa N x Fe‐S Complejo III Citocromo C‐
Hemo b‐562 CoQH2 + 2Cit cox CoQ + 2Cit cred + 2H+ Q oxidoreductasa Hemo b‐466 Hemo c1 Complejo IV Citocromo Hemo a 2Cit cred + 2H+ + ½O2 2Cit cox +H2O oxidasa Hemo a3 CuA y CuB En el complejo I comienzan reacciones de oxidacionreducción en cadena que al llegar al final se pasarán directamente al complejo III. La función del Citocromo C es la de llevar los electrones del complejo III al IV. Una vez los electrones llegan al aceptor se empieza a crear agua. Hay otro complejo que se encarga de la creación de ATP introduciendo protones al interior de la matriz. Los complejos III y IV son bombas de protones que funcionan con energía. Como hay una salida de protones se crea un gradiente electroquímico. 68 La membrana mitocondrial interna es impermeable, sólo la atraviesa aquello que tenga un transportador específico. A lo largo del metabolismo se crea NADH y FADH2. El primero le da cuatro protones al primer transportador que activa una serie de reacciones redox. Los protones los coge el citocromo Q que también coge los del complejo II que los lleva al complejo III que se los pasa al citocromo C que los lleva al complejo IV. Por último, los protones llegan al aceptor, el oxigeno, que los transforma en agua. Los protones se sacan de la matriz al espacio intermembranoso. Hay un gradiente electroquímico, es decir, se alcaliniza la matriz produciendo un déficit de protones o carga positiva. De aquí hay que destacar la teoría quimiosmótica de Mitchell que es impulsada por la fuerza protón‐motriz. Fosoforilación oxidativa Es una reacción endergónica que crea ATP a partir de ADP más Pi. Gracias a la ATP sintasa. Dos tipos: • F0: tiene cuatro cadenas polipeptídicas que forman un canal de protones. • F1: tiene seis cadenas polipeptídicas que forman sitios de unión de ATP, sitios de unión de ADP y sitios catalíticos donde se produce la transformación. Los protones van a favor de gradiente, ceden energía que utiliza la ATP sintasa. Hay moléculas que inhiben algunas de las redox, como el cianuro que actúa sobre el complejo IV. Rendimiento de una molécula de NADH Un NADH produce 2,5 ATP. Un FADH2 produce 1,5 ATP. Termogenina (en la membrana mitocondrial interna) es otro canal de protones. Cuya energía se disipa en forma de calor. 69 TEMA 9: METABOLISMO DE GLÚCIDOS Digestión y absorción de glúcidos Las dietas occidentales tienen entre un 50% y un 80% de hidratos de carbono. Se ingieren a través de polisacaridos, disacáridos y monosacáridos, como el almidón, la sacarosa, la lactosa, la fructosa, la glucosa, que se degradan a fructosa, glucosa, galactosa, manosa, etc. También por las glucosidasas como las α‐amilasas que se degradan en la saliva y en el páncreas; y las oligosacaridas que se degradan en la mucosa intestinal (α‐dextrinasa, α‐
glucosidasa, lactasa, sacarasa) Absorción de la glucosa Dos fases: 1. Difusión facilitada. 2. Transporte activo secundario 70 Glucolisis Es una ruta catabólica cuyo fin es la producción de ATP. Se realiza en todos los tejidos y concretamente en el citosol. Objetivos •
•
Producir energía en forma de ATP. Suministra precursores biosintéticos. Reacciones Las reacciones irreversibles son puntos de control de las mismas. Todos los compuestos intermedios se fosforilan, es decir, adquieren grupos fosfato. De esta forma, se impide que puedan salir de la célula porque los grupos fosfato son de carga neta negativa y para conservar la energía. En el paso del gliceraldehído 3‐fosfato al 1,3 bisfosfoglicerato se gasta NAD+ que se recupera a través de la acidosis láctica. 71 72 Reacción global Glucosa+ATP+ATP+2Pi+2NAD++2ADP+2ADP 2Piruvato+ADP+ADP+2ATP+2ATP+2NADH+2H++2H2O Glucosa+2ADP+2Pi+2NAD+ 2Piruvato+2ATP+2NADH+H++2H2O En condiciones anaeróbicas se producen 2 ATP. En condiciones aeróbicas se producen 2 ATP y 2 NADH que pueden dar, por el mecanismo de la lanzadera, de 3 a 5 ATP. Por tanto, se producen de 5 a 7 ATP. Regulación de la glucolisis Regular: hacer que la ruta vaya más rápido o más lento. a) En la reacción Glucosa a Glucosa 6‐fosfato producida por la enzima hexoquinada. o Si aumenta la concentración de Glucosa 6‐fosfato, disminuye la afinidad de la glucosa por la hexoquinasa. b) En la reacción Fructosa 6‐fosfato a Fructosa 1,6‐bisfosfato producida por la enzima fosfofructoquinasa. o El ATP si aumenta en concentración se transforma en un efector alostérico negativo ya que hace que la reacción no se produzca. o Al contrario, si aumenta la concentración de AMP que es un efector alostércio positivo, hará que la reacción vaya más rápido. Porque si se tiene mucho producto final (AMP), se deduce que hay poco producto inicial (ATP). o Por otra parte, los protones también son efectores negativos porque si no hay oxígeno no se produce la acidosis láctica que aumenta los protones produciendo una saturación y un descenso en la actividad de la reacción. Por lo general, el ácido láctico se dirige al hígado para sintetizar glucosa. o El citrato también actúa como un efector negativo ya que si se produce un exceso de citrato, se producirá un exceso de precursores biosintéticos que al igual que antes producirán una saturación que hará que la reacción vaya más despacio. 73 o A veces se produce fructosa 2,6‐bisfosfato que manda una señal alertando de que hay un exceso de glucosa, por tanto, es un efector alostérico positivo. c) En la reacción Fosfoenolpirúvico a Piruvato producida por la enzima piruvato quinasa. Hay que destacar que esta enzima puede funcionar tanto en su forma desfosforilada como en su forma fosforilada. o Al igual que en la anterior reacción, si hay un exceso de ATP se producirá un descenso en la actividad de la reacción. o Ya que el producto final de la glucolisis es el piruvato, que posteriormente se transforma en Acetil‐CoA, que también puede aparecer a partir de los ácidos grasos, si hay un exceso de Acetil‐CoA o de ácidos grasos, se enlentecerá la reacción, ya que no es necesaria la formación de más piruvarto. o Además el piruvato también puede aparecer por la alanina, por tanto y al igual que en el anterior apartado, si hay un exceso de alanina también se enlentecerá la reacción. o Por último, si hay un exceso de fructosa 1,6 bisfosfato se producirá un aumento en la actividad. 74 Incorporación de otros azúcares a la glucolisis A la glucolisis se pueden incluir otros azúcares como: La lactosa que se divide en glucosa y en galactosa que a su vez se degrada a glucosa 1‐fosfato. La sacarosa que se divide en glucosa y en fructosa que se fosforila pasando a fructosa 6‐fosfato. La manosa también se fosforila a manosa 6‐fosfato que se convierte en fructosa 6‐fosfato. Lanzaderas Son rutas cíclicas y cerradas que sirven para transferir el poder reductor originado en la glucolisis, en el citosol; al oxígeno de la cadena respiratoria, en la membrana mitocondrial interna. La membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH. Para que pueda atravesarla es necesaria la existencia de una lanzadera. El NADH se incorpora a una reacción, se forma un compuesto que produce una serie de reacciones en la membrana, y dentro de la mitocondria se vuelve a regenerar el compuesto reducido. Esta es la razón por la que a veces se crean 5 ATP y otra 7 ATP. Existen dos tipos de lanzaderas: a) Lanzadera glicerol 3‐fosfato: es la más rápida. La utiliza el músculo esquelético, el cerebro y el riñón. Se generan 1,5 ATP ya que se ceba a partir del complejo II de la cadena respiratoria, perdiendo de esta forma el bombeo de protones del complejo I. En estas el NADH + H+ del citosol cambia a FADH2 en la membrana. b) Lanzadera malato‐aspartato: es más lenta, se produce en corazón e hígado. Produce 2,5 ATP, ya que se ceba a la cadena respiratoria desde el complejo I, que necesita de NADH + H+ para empezar a funcionar. Aunque el compuesto del citosol como el que aparece en la membrana es el mismo, el NADH + H+, cabe destacar que no es la misma molécula. 75 Las lanzaderas liberan NAD+ al citosol cebando a la glucolisis, este proceso en condiciones anaeróbicas se denomina fermentación láctica, con la formación de ácido láctico a partir del piruvato. Rutas metabólicas de hidratos de carbono en distintos tejidos a) Eritrocito. Es una ruta del tipo GluT‐1. Los eritrocitos son bolsas de hemoglobina, sin ninguna mitocondria ni núcleo, por tanto, tienen una ruta muy simple. La glucosa pasa a glucosa 6‐fosfato que puede degradar a lactato o incorporarse a la ruta de las pentosas fosfato. b) Cerebro. Es una ruta del tipo GluT‐3. La glucosa pasa a glucosa 6‐fosfato que puede unirse a la ruta de las pentosas fosfato o degradar a piruvato y de ahí pasar a acetil CoA que se incorpora al ciclo de Krebs. No puede utilizar las grasas, porque no pueden atravesar la barrera hematoencefálica. c) Adipocito. Es una ruta del tipo GluT‐4. A partir de la glucosa se pasa a glucosa 6‐fosfato que puede pasar a piruvato o a glucógeno (en una ruta que es reversible) o al igual que antes unirse a la ruta de las pentosas fosfato. El piruvatl pasa a acetil CoA que sintetiza grasas. d) Músculo esquelético y cardiaco. Es otra ruta del tipo GluT‐4. La glucosa pasa a glucosa 6‐fosfato, que como antes puede pasar a glucógeno, entrar en la ruta de las pentosas fosfato o degradarse a piruvato que pasa a lactato (en una ruta que tambien es reversible) o a acetil CoA que se une al ciclo de Krebs. e) Hígado. Es una ruta del tipo GluT‐2 y reune las características de los anteriores apartados. La glucosa pasa a glucosa 6‐fosfato que puede pasar a glucógeno, entrar en la ruta de las pentosas fosfato, en la de los glucuronidos o pasar a piruvato (este es el único caso en el que esta reacción es reversible), por otra parte, este piruvato puede pasar a lactato o convertirse en acetil CoA que se une al ciclo de Krebs o genera grasas. Destinos del piruvato La glucosa a través de la glucolisis pasa a piruvato que puede sufrir dos tipos diferentes de fermentaciones o una descarboxilación oxidativa. Los dos tipos de fermentaciones son la fermentación láctica y la fermentación alcohólica, ambas se dan en situaciones anaeróbicas y en el citosol. Por el contrario, la descarboxilación oxidativa se produce en situaciones aeróbicas y en los eucariontes en la mitocondria. Fermentación láctica Priman las condiciones anaeróbicas. El agotamiento muscular se debe a la bajada del pH y no a la precipitación de cristales de ácido láctico. El aumento de la concentración de protones favorece la necrosis. También la pueden llevar a cabo microorganismos como los lactobacilus. 76 En el humano se lleva a cabo sobre todo en la retina, en el cerebro y en el músculo en contracción activa. Regenera NAD+ ayudando a que no se pare la glucolisis. La enzima que cataliza la reacción, la lactato deshidrogenasa (LDH) abunda en los ejercicios fuertes donde no hay oxígeno suficiente para abastecer al músculo. Fermentación alcohólica La primera parte del proceso, el paso de piruvato a acetaldehído se utiliza en los procesos de panificación y en la creación de cavas. También regenera NAD+. Descarboxilación oxidativa Tiene lugar en la mitocondria. Se lleva a cabo por un antitransporte a medida que entra ácido pirúvico en la mitocondria, se expulsan al citosol protones. Se lleva a cabo por un complejo enzimático, la piruvato deshidrogenasa (PyrDH), formado por copias multiples de tres enzimas distintas y por cinco coenzimas (TPP (pirofosfato de tiamina), NAD+, FAD, ácido lipoico y coenzima A). Es un proceso aeróbico que tiene como fin la creacion de acetil CoA. Se crea NADH + H+ que se une al complejo I de la cadena respiratoria. Regulación de la piruvato deshidrogenasa Dos tipos de regulacion: •
•
Regulacion alostérica o Inhibidores: ATP, NADH, acetil CoA, ácidos grasos. o Activadores: AMP, NAD+, Coenzima A, Ca2+. Regulación covalente (fosforilación/desfosforilación). Se tiene que formar un enlace con un grupo fosfato para que la piruvato deshidrogenasa esté inactiva. Piruvato deshidrogenasa inactiva H2O Pi
77 ADP ATP Piruvato deshidrogenasa activa Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs Se produce en la matriz de la mitocondria. Sus funciones son: primero conservar la energía del catabolismo de proteínas, hidratos de carbono y lípidos en forma de NADH y FADH2. En segundo lugar, se encarga de suministrar precursores biosintéticos para la biosíntesis de molécular clave para la célula. Por ejemplo, el oxalacetato y el α‐
cetoglutarato dan lugar a aminoácidos. Consiste en nueve reacciones: •
•
•
•
•
•
•
•
•
Primera reacción: condensación. Segunda reacción: deshidratación. Tercera reacción: hidratación. Cuarta reacción: descarboxilación oxidativa. Quinta reacción: descarboxilación oxidativa. Sexta reacción: fosforilación a nivel de sustrato. Séptima reacción: deshidrogenación. Octava reacción: hidratación. Novena reacción: deshidrogenación. 78 Se crean, por tanto: 9 3 NADH: que equivalen a 7,5 ATP. 9 2 FADH2: que equivalen a 2,5 ATP. 9 1 GTP: que equivale a 1 ATP. En resumen, se crean 10 ATP. Rendimiento de la oxidación completa de una molécula de glucosa En el paso de glucosa a dos piruvato se crean: 9 2 ATP. 9 2 NADH que pueden dar 2 NADH y en su caso dar 5 ATP por la lanzadera malato‐aspartato; o pueden dar 2 FADH2 y en su caso dar 3 ATP por la lanzadera glicerol 3‐fosfato. En resumen, se crean de 5 a 7 ATP. En el paso de dos de piruvato a dos de acetil CoA se crean: 9 NADH que dan 5 ATP. Por último, en la introducción de esos dos acetil CoA en el ciclo de Krebs, se crean: 9 20 ATP. Por tanto la oxidación completa da entre 30 y 32 ATP. Regulación del Ciclo de Krebs Reacción Inhibición Citrato sintasa NADH ATP Succinil CoA Citrato Isocitrato deshidrogenasa ATP Activación ADP ADP Ca2+ Ca2+ α‐cetoglutarato NADH deshidrogenasa Succinil CoA Características del ciclo de Krebs Tiene naturaleza anfibólica, es decir, también es una ruta anabólica. Es catabólica porque crea ATP y es anabólica porque los intermediarios sirven de precursores biosintéticos, por ejemplo, el citrato da lugar a los acidos grasos y a los esteroles, el α‐
cetoglutarato da lugar la glutamato que a su vez da lugar a las purinas y a la arginina, a la prolina y a la glutamina, el succinil CoA da lugar a las porfirinas y a los hemo, por último, el oxalacetato da lugar al aspartato y a la aspargina que da lugar a las pirimidinas. Tiene reacciones anapleróticas o de relleno que sirven para que el ciclo no se pare, son reacciones como el paso de piruvato a malato, el paso de piruvato a oxalacetato, y el paso de fosfoenolpiruvico a exalacetato. 79 Gluconeogénesis Síntesis “de novo” de glucosa a partir de precursores distintos a hexosas. El metabolismo del glucógeno junto con la gluconeogénesis regulan la homeostasis de la glucosa en sangre. Se lleva a cabo en el hígado y en la corteza renal (minoritario a no ser en un caso de patología hepática). Concretamente se lleva a cabo en el citosol y en la matriz de la mitocondria. Hay tejidos en el organismo que sólo usan glucosas, estos tejidos son: •
•
•
•
•
•
Tejido embrionario. Eritrocito. Testículos. Cerebro y SN. Médula renal. Músculo en contracción activa. Al día se necesitan 160 g de glucosa, 120 g son sólo para el cerebro. Es una ruta de emergencia ya que no es rentable para el organismo, además es una ruta universal, se lleva a cabo en: •
•
•
•
Plantas Animales Microorganismos Hongos Se diferencian por la regulación. Precursores de la gluconeogénesis •
•
•
•
•
Piruvato (hígado y corteza renal) Lactato (hígado y corteza renal) Glicerol (hígado y corteza renal) Alanina (hígado) Glutamina (corteza renal) Los intermediarios metabólicos que se producen son los mismos que los de la glucolisis. Se diferencia de ella en: •
•
•
La dirección de las reacciones Gasto de NADH Es una ruta reductora que necesita energía química. Hay tres reacciones que son irreversibles: 80 81 82 Por tanto, la reacción global sería: 2Piruvato+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O Glucosa+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+ En resumen, se necesitan dos piruvatos y seis enlaces ricos en energía. Regulación de la gluconeogénesis Dos tipos de regulación: •
Regulación alostérica. Es recíproca a la glucolisis. o Paso de fructosa 1,6 bisfosfato a fructosa 6 fosfato, regulado por la enzima fructosa 1,6 bisfosfatasa. ƒ Se inhibe por la presencia de: 9 Fructosa 2,6 bisfosfato 9 AMP ƒ Se acelera por la presencia de: 9 Citrato o Paso de oxalacetato a fosfoenolpiruvato, regulado por la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. ƒ Se inhibe por la presencia de: 9 ADP o Paso de pirúvico a oxalacetato, regulado por la enzima piruvato carboxilasa. ƒ Se inhibe por la presencia de: 9 ADP ƒ Se acelera por la presencia de: 9 Acetil CoA 83 Regulación hormonal •
•
Si desciende la concentración de glucosa en sangre, se activa la hormona glucagón que acelera la glucogenolisis y la gluconeogénesis. Si aumenta la concentración de glucosa en sangre, se activa la insulina (hace la glucosa entre en la célula), se acelera la glucolisis y se inhibe la gluconeogénesis. Sustratos gluconeogénicos •
•
•
•
•
Lactato Glicerol Piruvato Alanina Glutamina Lactato Ciclo de Cori o ciclo de la glucosa‐lactato Se produce cuando hay contracción activa. Como la velocidad de la glucolisis es mayor que la del ciclo de Krebs: •
•
•
Se acumula gran cantidad de piruvato. Falta oxígeno. Se comienzan a agotar las reservas de NAD+ (parando la glucolisis). Glicerol En la hidrólisis de los triglicéridos se libera glicerol y tres ácidos grasos. Ese glicerol se libera a una ruta. 84 Piruvato Los índices en sangre son muy bajos, por tanto es muy poco importante. Alanina Ciclo de la glucosa‐alanina Ruta de las pentosas fosfato Es una ruta catabólica de los hidratos de carbono. No genera ni utiliza ATP. Tiene lugar en el citosol de los tejidos en los que la síntesis de lípidos sea muy activa (hígado, tejido adiposo, corteza adrenal, glándula mamaria). Comparte enzimas con la glucolisis y la gluconeogénesis. Funciones •
•
•
Da lugar a NADPH o Síntesis de lípidos o Regeneración del GSH Síntesis de ribosa y desoxirribosa, para la síntesis de ácidos nucleicos. Degradación de la ribosa y la desoxirribosa procedentes de la degradación de los ácidos nucleicos. 85 •
Nos proporciona azúcares de 3 a 7 carbonos. En las plantas existe el ciclo de Calvin, de la fotosíntesis. Regeneracion del GSH o glutation Es un tripéptido formado por glutamina, cisteína y glicocola. Es un detoxificante celular. Elimina radicales libres de células o elementos como el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). Fases de la ruta de las pentosas fosfato Tiene dos fases: 1. Oxidativa: se encarga de la creación de NADPH. 2. No oxidativa: es la fase donde se produce la interconversión de los azúcares. En esta fase se lleva a cabo las reacciones de isomerización, de epimerización, de transcetolización y de transaldolización. En las dos últimas es necesario que el compuesto esté fosforilado en el último carbono Reacciones de transcetolización (transferencia de dos átomos de carbono) 86 Reacciones de transaldolización (transferencia de tres átomos de carbono) Fase oxidativa Fase no oxidativa Todas las reacciones de esta fase son reversibles. 87 Modos de actuación de la ruta de las pentosas fosfato Modo 1 La célula se está dividiendo y por lo tanto no necesita ácidos grasos, asique no necestita NADPH. Lo que necesita es formar ribosa 5‐fosfato. Va por la ruta glucolítica hasta la formación de gliceraldehído 3‐fosfato, a partir del cual y a través de la ruta de las pentosas fosfatos sintetizan ribosa 5‐fosfato. Modo 2 La célula ahora si necesita ácidos grasos luego si necesita formar NADPH, asique realiza la fase oxidativa completa. Además necesita formar más ribosa 5‐fosfato. Modo 3 La célula sigue necesitando NADPH, luego sigue realizando la fase oxidativa. También necesita la formación de glucosa 6‐fosfato, para lo cual emplea la gluconeogénesis. 88 Modo 4 La célula también necesita NADPH, por tanto como en los modos anteriores emplea la ruta oxidativa. Lo que lo diferencia de los demás modos es que la célula necesita ATP por tanto desde la ribosa 5‐fosfato y por la glucolisis llega hasta piruvato liberando ATP. Regulación de la ruta Metabolismo del colágeno Se almacena en casi todos los tejidos del cuerpo pero sobre todo en el hígado y en el músculo. En unos gránulos en el citosol que además tienen las enzimas de la síntesis y degracion del glucógeno. El sentido fisiológico es distinto tanto en el hígado como en el músculo, el primero lo reparte a los tejidos extrahepáticos (porque tiene la capacidad de formar glucosa), de ahí que podamos vivir durante 24 horas alimentándonos sólo del colágeno que halla en él, pero si estamos en una actividad física fuerte gastamos las reservas en sólo 90 minutos; el 89 músculo por el contrario se queda con todo el colágeno (porque nunca va a tener glucosa desfosforilada) La variación del glucógeno en ambos órganos también depende de dos factores distintos en el hígado depende de la dieta y en el músculo del ejercicio. Gluconeogénesis Síntesis de moléculas de glucógeno. La insulina se encarga de activar este proceso. En el centro (núcleo) del polímero hay una proteína, la glucogenina que actúa como cebadora. El UTP que se ha perdido es necesario recuperarlo. En total se pierden cuatro ATP, en los siguientes procesos: 1.
2.
3.
4.
En el paso de glucosa a glucosa 6‐fosfato. En el paso de URP a pirofosfato. En el paso de pirofosfato a dos fosfatos separados. En la regeneración del UTP. La ramificación del polímero se lleva a cabo a través de la enzima ramificante (glucosil 4,6‐transferasa), es capaz de transferir de cinco a diez restos de glucosa a otra glucosa que se encuentre a una distancia de un enlace α(1 6) de aproximadamente ocho restos de glucosa. 90 Glucógenolisis Intervienen las enzimas a) Glucógeno fosforilasa que rompe los enlaces α(1 4) y que es capaz de degradar hasta un límite, aquel que sea una distancia de cuatro restos de glucosa hasta el próximo enlace α(1 6) Cabe destacar que casi siempre las glucosas están fosforiladas así no se pierde energía, ATP, de manera inútil, además constituye una reserva de energía. Es la principal fuente que se utiliza en pruebas de esfuerzo corto pero intenso, por ejemplo, carreras de 100 m lisos, 110 m vallas, 100 m vallas, 200 m, etc. b) Enzima desramificante que rompe los enlaces α(1 6) que tiene dos centros catalíticos: 1. Transferasa: se encarga de transferir glucosas, es decir, coge los tres últimos restos de glucosa y los lleva al extremo de la cadena. 2. Glucosidasa: suelta glucosas sin fosforilación, no como glucosa 1‐fosfato. Regulación del metabolismo del glucógeno Es una doble regulación ya que la enzima responsable de la lisis, la glucógeno fosforilasa, regula a la enzima responsable de la génesis, la glucógeno sintasa, y viceversa. También el metabolismo es regulado por las hormonas pancreáticas, la insulina y el glucagón. La primera activa la glucógeno sintasa e inhibe a la glucógeno fosforilasa cuando haya un exceso de glucosas, a través de una inhibición de los fosfatos. El glucogagón por el contrario inhibe la glucógeno sintasa y activa la glucógeno fosforilasa cuanfo haya un déficit de glucosa a través de la fosforilación. 91 Hay que tener en cuenta que la glucógeno fosforilasa debe estar fosforilada para ser activa, mientras que la glucógeno sintasa necesita estar desfosforilada. 92 Deféctos congénitos del metabolismo del glucógeno Tipo Nombre común Déficit enzimático Estructura del glucógeno I Enfermedad de Glucosa 6‐fosfatasa Normal Von Gierke II Enfermedad de α(1 4) glucosidasa Normal Pompe III Enfermedad de Enzima Cadenas externas cortas Cori desramificante IV Enfermedad de Enzima ramificante Cadenas no ramificadas Andersen muy largas V Enfermedad de Glucógeno Normal McArdle‐Schmidt‐ Fosforilasa muscular
Pearson VI Enfermedad de Glucógeno Normal Hers Fosforilasa hepática
VII Fosfofructoquinasa Normal muscular VIII Fosfofructoquinasa Normal hepática 93 Órgano afectado Hígado, riñón, intestino Generalizado Hígado, corazón y
Músculo Hígado y otros Órganos Músculo esquelético Hígado, leucocitos
Músculo Hígado TEMA 10: Metabolismo de lípidos Digestión y absorción de lípidos Los lípidos del organismo se dividen en dos grupos: a) Exógenos. Son los de la dieta. • En un 90% son triglicéridos • El 10% restante son esfigolípidos, glucoesfingolípidos, esteres, colesterol, etc. b) Endógenos. • Lípidos biliares • Lípidos de las células descamadas de la mucosa intestinal ¿Dónde se produce la absorción? 1. En la boca tenemos la enzima lipasa lingual 2. En el estómago tenemos la enzima lipasa gástrica Estas dos lipasas actúan en el estómago es decir, lo hacen en un pH muy bajo. Se encargan de romper los enlaces ester del triglicérido en posición α. 3. Por último, la última absorción se produce en el intestino delgado, órgano en el que hay que destacar varias cosas: • Que aumenta el pH. • Que existe el peristaltismo. • Que hay sales biliares o lípidos anfipáticos, como la lipasa intestinal. • Que existe el jugo pancreático. Que tiene las siguientes enzimas: a) Lipasa pancreática: rompe los enlaces α. b) Fosfolipasa A2: rompe los enlaces β. c) Colesterol esterasa: rompe los esteres de colesterol. 94 Lipoproteínas Son agregados moleculares de lípidos y proteínas. La única que se crea en el enterocito es el quilomicrón, las demás se sintetizan en la sangre. Se clasifican de según la densidad en un determinado medio tras una ultracentrifugación. De menor a mayor densidad se clasifican de la siguiente forma: 1. Quilomicrón 2. VLDL (Lipoproteínas de muy baja densidad) 3. IDL (Lipoproteínas de densidad intermedia) 4. LDL (Lipoproteínas de baja densidad). Tienen una gran concentración de colesterol. Son peligrosos por la alta cantidad de colesterol y por el sentido de la ruta ya que van del hígado a los tejidos. Son las responsables de los infartos. La diferencia entre infarto y angina es que en la primera hay muerte celular mientras que en la segunda no. 5. HDL (Lipoproteínas de alta densidad). Retiran grandes cantidades de colesterol de la membrana y de las células epiteliales. También esta es la clasificación de mayor a menor tamaño, esto quiere decir que el quilomicrón es el más grande y el que menor densidad tiene de todos. Apoproteínas Son señalizadoras del tejido al que se tiene que dirigir las lipoproteínas. Activan la lipoproteína lipasa de los capilares. Ruta de las lipoproteínas 95 El tejido adiposo es el principal reservorio energético del organismo. Si le quitamos toda el agua en un 90% está compuesto de lípidos. De estos lípidos, el 90‐98% son triglicéridos. El tejido adiposo, está compuesto por los adipocitos. En ellos, se llevan a cabo las siguientes reacciones: Lipogénesis Se realiza en el citosol del hígado, del tejido adiposo, de la glándula mamaria o del riñón. Fuentes de acetil CoA y de NADPH Las principales fuentes de acetil CoA son los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos grasos. La principal fuente de NADPH es la ruta de las pentosas fosfato Transporte de acetil CoA al citosol Principalmente por la lanzadera de citrato aunque también por la carnitina. 96 Reacciones Antes de explicar las reacciones de la lipogénesis hay que explicar qué son los ácidos grasos sintasas o AGS. Estos AGS son complejos multienzimáticos que está compuesto por dos subunidades idénticas cada una de ellas tiene en su interior una ACP (Proteína transportadora de grupos acilo) que tiene un grupo prostético de panteteína con un restos sulfidrilo que denominamos SHp; y 7 enzimas, 1 de ellas es una sintasa con un resto de cisteína que también tiene un resto sulfidrilo que denominamos SHc. 97 Elongación Desaturación 98 Regulación a largo plazo de la ácido graso sintasa Una dieta rica en hidratos de carbono, pobre en grasas, la realimentación y la insulina activan la ácido graso sintasa. Por el contrario, una dieta rica en grasas o la inanición inhiben esta enzima. Esterificación Tiene lugar en el citosol del hígado y en el tejido adiposo. Consiste en la asociación de ácidos grasos para dar lugar a glicerol 3‐fosfato. Los ácidos grasos pueden conseguir a partir de la lipolisis, por la captación de VLDL y por la síntesis endógena de ácidos grasos. 99 Lipolisis Consiste en la degradación de triglicéridos. Se lleva a cabo en el citosol del hígado y del tejido adiposo. Los triglecéridos exógenos o de la dieta se degradan en el intestino por las lipasas lingual, gástrica y pancreática. La lipolisis es intracelular a través de las enzimas triglicérido lipasa o TG lipasa y la monoglicérido lipasa o MG lipasa. Regulación de la TG lipasa Esta enzima necesita estar fosforilada para estar activa y es sensible a las hormonas pancreáticas que actúan sobre ella de la siguiente manera: •
•
La insulina la inhibe a través de la acción de una fosfatasa. El glucagón la activa a través de la adición de fosfatos. 100 Activación de los ácidos grasos en los tejidos Transporte a la mitocondria a través de la carnitina 101 β‐oxidación También existen la α‐oxidación y la ω‐oxidación. Es una reacción mitocndrial. Se realiza en el músculo esquelético, en el cardiaco y en la corteza renal. Se llevan a cabo cuatro reacciones: 1.
2.
3.
4.
Deshidrogenación Hidratación Deshidrogenación Ruptura por una tiolasa 102 β‐oxidación en los ácidos grasos de número impar Rendimiento en ATP de la óxidacion completa una molécula de ácido palmítico 103 Cuerpos cetónicos Son unas moléculas que se obtienen de la degradación parcial del acetil CoA. Se sintetizan en el hígado y en la mitocondria. En las siguientes situaciones: a) Ayuno prolongado. b) Diabetes tipo I. c) “Dieta de los hidratos de carbono”: pocos hidratos de carbono y muchos ácidos grasos. En estas situaciones se produce un aumento de la concentración de acetil CoA. Los cuerpos cetónicos son compuestos ácidos, por lo que aumentan la concentración de protones y la reserva alcalina de los tampones no es suficiente, disminuyendo el pH tisular. Existen tres tipos de cuerpos cetónicos: 1. Acetoacetato 104 2. β‐hidroxibutirato: es la forma reducida del acetoacetato. 3. Acetona: es la forma oxidada del acetoacetato. Es un compuesto volátil. Para medir la anorexia, se hace una analítica de los cuerpos cetónicos, que son indetectables en condiciones normales. El hígado no puede utilizarlos, por lo que lo manda a los tejidos extrahepáticos. Síntesis de cuerpos cetónicos o cetogénesis Utilización de cuerpos cetónicos o cetolisis 105 TEMA 11: METABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS A partir de los aminoácidos podemos formar proteínas ya que son los precursores de estas, podemos conseguir ATP o podemos formar otras biomoléculas. Las proteínas de la dieta a través de la digestión y de la absorción, junto con las proteínas endógenas a través de la proteólisis forman un “pool” de aminoácidos. El 25% de estos aminoácidos se degradan en: a) Ión amonio: que se introduce en la ruta del destino del nitrógeno, posteriormente en el ciclo de la urea formando la urea que se dirige al riñón y que se elimina al exterior a través de la orina. b) Esqueleto carbonado: se introduce en la ruta del destino del carbono que va al ciclo de Krebs hacia la producción de ATP. El 75% restante se encarga de la biosíntesis de: a)
b)
c)
d)
e)
f)
Hormonas peptídicas (insulina y glucagón). Porfirinas Aminos biógenas Bases púricas y pirimídicas Creatina y creatinina Glutation Digestión de las proteínas de la dieta Son los zimógenos o proenzimas que son de la familia de las peptidasas que se dividen en endopeptidasas que rompen los enlaces dentro de la cadena y las exopeptidasas que rompen los en los extremos de la cadena. Los zimógenos son muy selectivos. Los zimógenos se activan en el estómago y en el intestino. En el primer caso se pasa del pepsinógeno a la pepsina en un proceso que eleva la concentración de HCl. Si lo hacen en el intestino se activa la enteropeptidasa que crea un efecto cascada. 106 Digestión de las proteínas endógenas Se produce por el recambio proteico que es el balance entre la biosíntesis y la degradación de las proteínas endógenas. Es necesario su ajuste para la homeostasis del nitrógeno. La biosíntesis es de orden 0 por lo que es independiente de la concentración de proteínas. La degradación es de orden 1 por lo que es dependiente de la concentración de proteínas. La vida de las proteínas es variable puede ser de unos pocos segundos (proteínas reguladoras) hasta de días (proteínas estructurales). En la secuencia aminoacídica de la proteína se sabe si su vida es larga o corta, por ejemplo si presenta unas secuencias ricas en prolina, serina y treonina la vida de esa proteína es corta. Degradación de proteínas Hay dos sistemas de degradación de las proteínas: a) Lisosomal: que se lleva a cabo en el lisosoma con un pH ácido y con las catepsinas (proteasas). Es un sistema independiente del ATP. b) Citosólico: tiene que estar más regulado y es dependiente del ATP. Hay una etiqueta, la ubiquinina de 76 aminoácidos, que se adhiere a la proteína que se tiene que degradar. El proceso recibe el nombre de ubiquitinación. Cuando ya está adherida entran en acción los complejos enzimáticos, los proteosomas, que la degradan. Cuando la proteína tiene un aminoácido u otro en el extremo aminoterminal, la ubiquinina se fija antes o después. Absorción de proteínas A través de un proceso de absorción por transporte activo secundario, los aminoácidos entran en el torrente sanguíneo. El paso al interior de los tejidos, es muy específico. Catabolismo Antes de que se produzca la degradación de los aminoácidos tiene que haber una disociación, que se lleva a cabo por tres reacciones: 1. Reacción de transaminación: transferencia de un grupo amino entre un aminoácido dador y un α‐cetoácido aceptor. 107 Todos los aminoácidos son dadores pero sólo hay tres aceptores: Existen 20 transaminasas distintas, tantas como aminoácidos proteícos. 2. Reacciones de desaminación: disociación del grupo carboxilo del amino. Dos tipos: a) Oxidativa b) No oxidativa. Tiene lugar desde: • L‐Serina • L‐Cisteína 3. Reacción de descarboxilación: se elimina el grupo carboxilo en forma de dióxido de carbono. 108 Ciclo de la urea Es una reacción cíclica, que se lleva a cabo en el citosol y en la mitocondria del hígado. Está conectada con el ciclo de Krebs a través del fumarato. Regulación A largo plazo (aumentar la expresión de la proteína) •
•
Dieta rica en proteínas y baja en hidratos de carbono y en ácidos grasos: aumentan la velocidad de creación de las enzimas del ciclo de la urea. Inanición: tras la utilización de todos los glúcidos y de los triglicéridos se comienzan a utilizar los cuerpos cetónicos y las proteínas endógenas, provocando un exceso de nitrógeno en sangre y un aumento del ciclo de la urea. A corto plazo (control de la enzima cabamoil fosfato sintetasa I) Hiperaminoanemias Afecta a todas las enzimas del ciclo, provocando un aumento del ión amonio en sangre. Se puede mejorar a través de: •
•
•
Dietas bajas en proteínas Agentes quelantes (benzoato sódico) Aminoácidos esenciales. 109 Destino del esqueleto hidrocarbonado La degradación del esqueleto da lugar a siete compuestos que son intermediarios metabólicos del ciclo de Krebs o precursores de estos intermediarios. Estos siete compuestos pueden ser: •
•
Aminoácido glucogénico: que dan lugar a glucosa. o α‐cetoglutarato o Succinil CoA o Fumarato o Oxalacetato o Piruvato Aminoácido cetogénico: que dan lugar a los cuerpos cetónicos. o Acetoacetil CoA o Acetil CoA Todos estos aminoácidos pueden ser: •
•
•
Aminoácidos cetogénicos puros como la leucina y la lisina. Aminoácidos glucogénicos puros como la arginina y la prolina. Aminoácidos cetogénicos/glucogénicos como la fenilalanina y la tirosina. 110 TEMA 12 INTEGRACIÓN DEL METABOLISMO Localización En el citosol se llevan a cabo la glucolisis, la ruta de las pentosas fosfato y la síntesis de ácidos grasos. En la mitocondria se lleva a cabo el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa (membrana), la β‐oxidación y la síntesis de cuerpos cetónicos. Y en los dos se llevan a cabo la gluconeogénesis y la síntesis de urea. Panorámica Glucolisis Se realiza en todos los tejidos, a partir de la glucosa se obtienen dos piruvatos, dos NADH, dos protones y dos ATP. Sirve para conseguir energía e intermediarios metabólicos. La ruta presenta un punto débil que es el paso de gliceraldehído 3‐fosfato a 1,3 bisfosfoglicerato en el que se gasta NAD, que se regenera en la fermentación láctica y en las lanzaderas. Gluconeogénesis Los precursores de esta ruta son el lactato, el piruvato, la alanina, la glutamina y el glicerol. Se lleva a cabo en el hígado y en la corteza renal. El NADH que se utiliza tiene que venir del citosol Metabolismo del glucógeno Se lleva a cabo en todos los tejidos pero sobre todo en hígado y músculo. El glucógeno se guarda en los gránulos del citosol. La glucogénesis se lleva a cabo por la glucógeno sintasa y la glucógenolisis por la glucógeno fosforilasa. Ruta de las pentosas fosfato Se obtiene NADPH para la síntesis de lípidos y para regenerar el glutation. En esta ruta se obtiene ribosa y desoxiribosa para la síntesis de ácidos nucleicos. Se lleva a cabo tejido adiposo, hígado, glándula mamaria, pulmón y riñón. Metabolismo de lípidos Lipogénesis Se lleva a cabo en los mismos lugares que la ruta de las pentosas fosfato. Se necesita acetil CoA y NADPH. Se utiliza la ácido graso sintasa. β‐oxidación Se lleva a cabo en el músculo esquelético, en el cardiaco y en la corteza renal. Se crea NADH y FADH2 y acetil CoA. Ciclo de Krebs Se lleva a cabo en todos los tejidos que tengan mitocondrias. Sirve para conservar la energía del catabolismo de lípidos y proteínas en forma de 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP que equivalen a 10 ATP. Además se obtienen precursores biosintéticos. “Control respiratorio”: el NADH no se oxida a NAD ni a FAD si el ADP no se fosforila para dar ATP. Por tanto, hay un acoplamiento entre la velocidad del ciclo y la necesidad de ATP celular. 111 Cadena respiratoria Se lleva a cabo en la membrana mitocondrial interna, en todos los tejidos con mitocondrias. Es necesario que haya oxígeno ya que es el último acepto. Conexiones clave o encrucijadas metabólicas Hay tres compuestos que unen varias vías son la glucosa 6‐fosfato, el piruvato y el acetil CoA Especialización entre los órganos y los tejidos Cerebro Su principal combustible metabólico es la glucosa, un 60% del total de la ingerida a lo largo del día, aunque también utiliza cuerpos cetónicos, los utiliza sobre todo en situaciones de ayuno prolongado, pero no puede utilizarlos solos, es decir, aun así necesita un aporte de glucosa. Por último, en la patología denominada glucogenosis III utiliza el ácido láctico. Es un tejido muy sensible que no almacena glucógeno, y por tanto no puede llevar a cabo la glucogenogénesis ni la glucogenolisis; tampoco puede llevar a cabo la gluconeogénesis. El cerebro además no puede utilizar los ácidos grasos porque estos están asociados a la albumina que no atraviesa la barrera hematoencefálica. Músculo Los combustibles metabólicos son la glucosa, que puede almacenarla en forma de glucógeno (guarda las ¾ partes del total de glucógeno del organismo) por tanto, puede realizar el metabolismo del glucógeno, pero no puede realizar la gluconeogénesis; también puede utilizar los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos (sobre todo el cardiaco). Se pueden dar tres situaciones: a) Reposo: Se emplean los ácidos grasos, hace β‐oxidación, y después el acetil CoA se introduce en el ciclo de Krebs. El músculo cardiaco emplea los cuerpos cetónicos en esta situación. b) Contracción activa: Se pasa de glucógeno a glucosa 1‐fosfato y de ahí se pasa a piruvato y a ácido láctico, porque no hay suficiente oxigeno para que se obtenga el ATP de forma aerobia. También se forma mucho piruvato y se agota la reserva de NAD+, que se recupera a través de la acidosis láctica. Además se crean muchos protones que son inhibidores de la glucolisis, por tanto, el lactato se elimina a la sangre y va hacia el hígado y se regenera la glucosa (Ciclo de Cori) c) Ayuno prolongado: Se utilizan las proteínas del músculo, y se obtienen los aminoácidos libres. Los glucogénicos, sufren una transaminación y se obtiene piruvato. Ahora, otra transaminación más específica forma alanina y glutamina. Van al hígado, a través del torrente sanguíneo, que forma de nuevo glucosa que van al músculo. 112 Tejido adiposo Hay un equilibrio constante entre la esterificación y la hidrólisis de los triglicéridos. Este equilibrio depende de la disponibilidad de glicerol 3‐fosfato: El tejido adiposo no puede formar glicerol 3‐fosfato a partir de glicerol, le falta la enzima quinasa. Por tanto, necesita glucosa para formar el glicerol 3‐fosfato por medio de glucolisis y a través de la reducción de DHAP. Esto sí lo hace el tejido adiposo. Hígado Es capaz de hacer glucogenogénesis y gluconeogénesis. Recibe todo a través de la vena porta y tiene la facultad de exportar los combustibles a otros tejidos. También es capaz de realizar la cetogénesis y de sintetizar acidos grasos. Actúa como tampón de glucosa, así como de lípidos. Si hay un exceso de combustibles, se forman triglicéridos que salen a la sangre en forma de lipoproteínas (sobre todo VLDL) que van al tejido adiposo. Si hay un déficit de glucosa, se forman cuerpos cetónicos que se exportan al cerebro y al músculo cardíaco. El hígado se alimenta principalmente de α‐cetoácidos, no puede utilizar cuerpos cetónicos. 113 TEMA 16 ADAPTACIÓN METABÓLICA A DIVERSAS PRÁCTICAS FÍSICAS Perfil metabólico de las fibras musculares Fibras musculares de tipo I (fibras de contracción lenta) Se utilizan en carreras de maratón. Tienen una alta capacidad oxidativa, por tanto, una elevada actividad enzimática del ciclo de Krebs, de la β‐oxidación y de la cadena respiratoria. Tienen una baja capacidad glucolítica, por tanto, una baja actividad enzimática de la glucolisis anaeróbica. Gran cantidad de triglicéridos, pero baja de glucógeno y de creatinkinasa. Alta irrigación y gran cantidad de mioglobina y de mitocondrias. Fibras musculares tipo IIA (fibras de contracción oxidativa) Tienen una alta capacidad oxidativa, pero también una alta capacidad glucolítica. El nivel de triglicéridos es normal y es elevado en cuanto a glucógeno y a creatinkinasa. Tienen un elevado número de mitocondrias y un nivel normal de mioglobina. Fibras musculares tipo IIB (contracción glucolítica) Son las que se utilizan en carreras de 100 m lisos. Tienen pocos triglicéridos y mucho glucógeno y cratinkinasa. Poco irrigados y altamente inervados. Tanto los niveles de mioglobina como los de mitocondrias son bajos. Las fibras IIA tienen una plasticidad metabólica, es decir dependiendo del entrenamiento o del ejercicio pueden pasar a ser fibras tipo I o IIB. Este efecto sólo dura durante el entrenamiento y también depende en parte de la genética. Fatiga muscular Depende de las condiciones en las que nos encontremos 114 Energética La fibra necesita mucho ATP en la contracción (unión en la cabeza de la miosina para que esta se adhiera a la actica) y la relajación (unión a la bomba de Ca2+ATPasa para la retirada del Ca2+) El ATP no se acumula y tiene una semivida de menos de un minuto. Existen tres formas de tenerlo a mano: a) Fosfágenos como la fosfocreatina. Son una especie de reservorio que da entre 4 ó 5 veces más de ATP. b) Fosforilación oxidativa en las mitocondrias. c) Glucolisis anaerobia en el citosol. Estado de reposo (mantenimiento del tono muscular) •
Metabolismo de los triglicéridos a través de la β‐oxidación. Actividad de corta duración (carrera normal) •
•
•
En los primeros 5‐10 minutos se realiza un metabolismo de la glucosa ya que está más disponible. En la siguiente media hora se utilizan a partes iguales el metabolismo de la glucosa y el de los triglicéridos. Por encima de esa media hora, cada vez se emplearan más triglicéridos y menos glucosas. Si antes de la carrera el sujeto toma una taza de té o de café, los ácidos grasos llegan antes al pico. Actividad intensa puntual (halterofilia y lanzamiento de disco) •
Se emplea la fosfocreatina. Actividad intensa muy prolongada (carrera de 1500 m) •
Los tres minutos que suele durar la carrera se emplea la glucolisis anaeróbica. Actividad intensa muy prolongada (escalada) Si se encuentran en continuo ascenso durante 18 horas. Preservan el glucógeno y siguiendo este orden utilizan: 1. Los ácidos grasos. 2. A través de la adedinato quinasa fusionan dos ADP para dar un ATP y un AMP. 3. Por último, utilizan las proteínas musculares para conseguir aminoácidos que se incluirán en la gluconeogénesis. 115 Casos especiales (carrera de 100 m lisos) •
•
Los 4 primeros segundo se emplea la fosfocreatina. Los 5 últimos se emplea la glucolisis anaeróbica. Recuperación de los sistemas metabólicos Traumatismos Se producen tras lesiones, operaciones quirúrgicas, quemaduras, insuficiencias renales, etc. Se gasta mucho glucógeno: 1. Se utilizan los ácidos grasos para conseguir ATP 2. No se produce cetogénesis 3. A causa de lo anterior, se utilizan las proteínas endógenas para conseguir aminoácidos con dos fines: a) Gluconeogénesis para conseguir glucosas. b) Síntesis de nuevas proteínas: • Inmunoglobulinas • Hemoglobina • Albúmina Se soluciona con la nutrición parenteral, es decir a través de sueros que contiene glucosa, lípidos y aminoácidos. Se pueden aplicar de manera intravenosa, intraarticular, etc. 116 Depo
ortes y su u
utilización d
de energía d
de manera aaerobia y de manera aanaerobia La sigguiente listaa de deporttes clasifica los deportes desde el 100% anaeerobio (100 m lisos) hastaa el 100% aerobio a
(maratón), tod
dos los dem
más tienen un cierto p
porcentaje de cada uno. 117