,. IN DICE Prólogo ...............................................................................................:........................... VIl Prefacio .......................................................................................................................... IX Agradecimientos ......................................................................................................... XI Presentación de la obra .......................................................................................... XII SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA CAPÍTULO l . Las bases de la bioquímica .................................................. 3 CAPÍTULO 2. Hidratos de carbono ............................................................. 23 CAPÍTULO 3. Lípidos ....................................................................................... 41 CAPÍTULO 4. Aminoácidos y enlace peptídico .................... ;................... 57 CAPÍTULO 5. Proteínas ................................................................................... 75 CAP ÍTULO 6. Nucleótidos y ácidos nucleicos .......................................... 93 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES CAPÍTULO 7. Bioenergética ........................................................................... 113 CAPÍTULO 8. Enzimas y catálisis .................................................................. 131 CAPÍTULO 9. Membranas biológicas y transporte .................................. 159 CAPÍTULO 1O. Señalización celular ............................................................. 175 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR CAPÍTULO 11 . Introducción al metabolismo 199 CAPÍTULO 12. Metabolismo de los hidratos de carbono ..................... 213 CAPÍTULO 13. Rutas centrales del metabolismo intermediario ......... 237 CAPÍTULO 14. Metabolismo de los lípidos ............................................... 255 "· CAPÍTULO 15. Metabolismo de los compuestos nitrogenados .......... · 279 ;' ~ SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA CAPÍTULO 16. Genes y genomas ................................................................ . 303 CAPÍTULO 17. Replicación y reparación del DNA ................................ .. 323 CAPÍTULO 18. Expresión y regulación génica ........................................ .. 343 ... .. 1 Bibliografía ................................................................................................................... . 363 Soluciones ...........................................................:.......................................................... . 365 ~ \' •' • Índice analítico ........................................................................................................... .. 373 1 1· ' ·. .... .· ., LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA o CONTENIDOS o Introducción o Fundamentos químicos o El agua como principal disolvente biológico o Las reacciones químicas en la célula o El contexto celular o OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE o Identificar. los átomos que forman parte de la materia biológica y sus características o Reconocer las características que determinan el orden de los elementos químicos en la tabla periódica o Saber establecer los enlaces entre átomos que forman moléculas o Diferenciar las moléculas polares y apelares y su capacidad de interaccionar en un medio acuoso o Identificar los grupos funcionales que portan las moléculas biológicas y su reactividad o Conocer el papel del pH en la reactividad de los grupos ácido y base o Nombrar los tipos de enlaces de condensación que se establecen entre las biomoléculas y sus niveles de oxidación-reducción Este primer capítulo reúne aquellas nociones básicas necesarias para entender una materia como la bioquímica. Posiblemente, todos estos conceptos habrán sido estudiados por cualquier lector que comience un curso de estas características, sin embargo, existe el riesgo de que puedan hab:er quedado algo olvidados o confusos. Este capítulo pretende adtarar y situar en un contexto biológico aquellos conceptos y fundamentos necesarios para una correcta comprensión de la bioquímica y su aplicación a las ciencias de la salud. A lo largo del libro se volverán a tratar en mayor profundidad muchos de los puntos descritos en este primer capítulo, y en algunos casos, el lector podrá volver a él.a.modo de consulta o repaso. 4 SECCIÓN l. LOS MAT ERIALES DE LA CÉLULA 0 INTRODUCCIÓN El objetivo de la bioquímica es explicar en términos químicos las estructuras y las funciones de los seres vivos. Comprender la química de las biomoléculas es un paso previo para saber qué estructura tienen, cómo interaccionan, y por lo tanto, cuál es su función biológica. Este capítulo se limita a describir los conceptos fundamentales de la química orgánica para poder comprender las características de los compuestos bioquímicos y su reactividad. Habitualmente, se considera la química orgánica como la química del carbono y de sus compuestos, aunque también se tratan algunos compuestos inorgánicos sencillos como los óxidos, los carburos y los carbonatos. Es importante tener en cuenta que la química del carbono constituye la base de la química de los seres vivos. Hay que conocer bien los elementos químicos que componen los seres vivos, comprender todos los parámetros necesarios para que se desarrolle la vida, la necesidad de la presencia del agua y del oxígeno, y las características termodinámicas que definen un sistema biológico. 0 FUNDAMENTOS QUÍMICOS La materia está constituida por átomos O Número atómico (Z): número de protones. Número másico (A): masa relativa del átomo respecto a la del hidrógeno. Es la suma de neutrones y protones. Antiguamente se denominaba peso atómico. c:flsótopo: átomo de un mismo elemento con diferente número de neutrones en su núcleo. Todos los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo Z. Los isótopos pueden ser estables o radiactivos. O Átomo (del latín, atomus, y éste del griego, ároJ.wr;: indivisible). A: Número másico Número másico ~H Z: Número atómico Número atómico A: Número másico: es la suma de neutrones y protones Z: Número atómico = N• de protones Figura 1-1 . Ejemplo de representación de dos elementos químicos de la tabla periódica. La unidad fundamental de la materia es el átomo, una partícula de tamaño muy reducido (del orden de 10~8 cm), a su vez constituida por subpartículas: protón, neutrón y electrón, cuyos valores de carga y masa se muestran en la tabla 1-1. Tabla 1-1. Características de las partículas atómicas Partícula Carga (culombios ) Electrón 19 1,6 · 10- negativa Masa (gramos) 9,1 • 10-28 Protón 1,6 . 1o- 19 positiva 1,67. 1o- 24 Neutrón o 1,67. 10- 24 En condiciones normales, los átomos no presentan carga neta: su número de protones y electrones es el mismo. Sin embargo, existen átomos cargados, denominados iones, con una diferencia de carga. Si pierden electrones, los átomos presentarán mayor número de protones que de electrones y su carga será positiva y formarán cationes; y, si los ganan, tendrán mayor número de cargas negativas y constituirán aniones. Los protones y neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de éste en los orbitales atómicos que se describen más adelante. Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo; este número atómico (Z) define a cada elemento (Fig. 1-1). Sin embargo, un mismo elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia de los isótopos, que son distintas formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su masa. Los orbitales atómicos quedan definidos por los números cuánticos Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones. Para cada átomo concreto existe un número definido de orbitales que se caracterizan por poseer una determinada energía potencial. Sin profundizar en los cálculos matemáticos que los determinan;· podemos afirmar que cada orbital queda definido por un conjunto de tres números, denominados números cuánticos: CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA l. El primero, conocido como número cuántico principal (representado por la letra n) describe el tamaño y la energía del orbital. A medida que aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo. Así, existen orbitales 1, 2, 3 ... 2. El segundo (representado con la letra 1) se conoce como número cuántico azimutal. Representa un subnivel de energía y define la forma geomé- , trica del orbital (esférico, lobulado, etc.). Se representan con las letras s, p, d y f. 3. Un tercer número, denominado número. cuántico magu.ético (m1), define la orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia arbitrarios (x, y, z). Por ejemplo, el orbital tipo p, puede ser Px• Pr y p,. Por tanto, estos tres números definen perfectamente los orbitales atómicos respecto a su energía, tamaño, forma y ·orientación espacial. Los electrones se distribuyen en estos orbitales siguiendo varios principios . En primer lugar, los electrones ocupan inicialmente los niveles de energía más bajos. Además, hay que tener en cuenta que cada orbital alberga un máximo de dos electrones. Por últimO, cuando existen varias posibilidades de localización en subniveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados, según el principio de máxima multiplicidad. Por ejemplo, en el caso de los orbitales p, si hubiera tres electrones se dispondría uno en cada subnivel: p~, p~, p~. Teniendo en cuenta esta distribución, es necesario un cuarto número que permita identificar los dos electrones de un mismo orbital: el número de spín, que refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje imaginario en un campo magnético. ' Debido a la dificultad de dibujar los orbitales atómicos, se utiliza una aproximación simplificada de representar la configuración electrónica a modo de cajas que se irán rellenando de menor a mayor nivel energético según el número de electrones que tenga el elemento (Fig. 1-2). c::fOrbitales atómicos: regiones en el espacio donde existe la mayor probabilidad de encontrar electrones . Niveles de energía: los electrones van ocupando los niveles de menor a mayor energía. En cada nivel puede haber más de un orbital. En cada orbital, definido por_los tres números cuánticos, solo puede haber un máximo de dos electrones. ••••• 1S r:Nl ~ 2py 2p, [IJ[IJ[IJ Nivel de energía 2 [ill Nivel de energía 1 Nitrógeno, ~ ¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica? número atómico 2px 2s r:Nl En la figura 1-3 se muestra una tabla periódica en la que se señalan solamente los elementos químicos presentes en los seres vivos. La posición de cada elemento en la tabla revela sus características. Cada celda de la tabla periódica contiene un elemento identificado con un símbolo, el número másico y el número atómico. El orden de los elementos en la tabla periódica viene determinado por dos ejes: uno, horizontal (períodos); y otro, vertical (grupos) (Fig. 1-4). Los elementos se ordenan en un período, de izquierda a derecha, según aumenta su número de protones y, por lo tanto, de electrones si el átomo es neutro. Al terminar el período, se habrá completado la última capa o nivel de energía de ese período, y se comienza a colocar en el siguiente. El último elemento de cada período tiene completo su último nivel de energía y se denomina gas noble. 5 [ill Oxígeno, N 1s2 2p 2 2p 3 [ill[I][I] Nivel de energía 2 Nivel de energía 1 O 1s2 2p 2 2p4 Figura 1-2. Configuración electrónica de los átomos de nitrógeno y oxígeno. Se muestra la forma de los orbitales y la representación a modo de cajas, así como los niveles de energía que ocupan los electrones. pe~enecientes c::flos elementos a un mismo grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa (capa de valencia). -------- c::flos elementos pertenecientes a un mismo período tienen el mismo nivel de energía (n). Figura 1-3: Tabla periódica donde se indican los elementos químicos presentes principafmente en los seres vivos. 6 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Grupo 1 Hidrógeno Período 1 Figura 1-4. Características que determinan el orden de los elementos de un período y de un grupo dentro de la tabla periódica. A lo largo del período, de izquierda a derecha, aumenta el número de electrones en la última capa hasta completar un nivel de energía. Al descender en un grupo, se aumenta un nivel de energía, pero todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa. Período 2 Período 3 @ (@) <@)@®(@)\® ~ Los elementos se combinan y forman moléculas O la valencia de un determinado elemento químico se puede definir como su capacidad de combinación, y es un dígito que indica el número de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto. Por ejemplo, la valencia del carbono es cuatro, y podrá formar cuatro enlaces. O la definir sentan par de electronegatividad se puede como la tendencia que prelos átomos a atraer hacia sí el electrones compartido. Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrónica en que sus orbitales estén completos. Salvo casos excepcionales, los átomos tienden a asociarse formando moléculas o agregados atómicos. La unión entre los átomos se establece a través de enlaces químicos, y estos nuevos. agregados poliatómicos (moléculas) se comportan como unidades elementales de nuevas sustancias. A veces se asocian dos átomos iguales (como en la molécula de oxígeno, 0 2). Las moléculas que están constituidas por átomos de diferentes elementos se denominan compuestos (como, por ejemplo, la molécula de agua, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno: H 2 0). La mayor parte de las reacciones químicas proceden de la formación y ruptura de enlaces químicos, por lo que resulta necesario conocer la naturaleza de estos enlaces. · La configuración electrónica de cada elemento es la que va a determinar su reactividad. Los electrones de las últimas capas, que ocupan los niveles de mayor energía, son los que van a participar en las reacciones químicas y se conocen como electrones de valencia. Para entender la formación de los enlaces resulta útil la regla del octeto que se basa en el comportamiento químico de los denominados gases nobles. Estos elementos tienen poca tendencia a reaccionar químicamente debido a que su configuración electrónica se caracteriza por tener completa su última capa (la capa de los electrones de valencia, que posee ocho electrones, a excepción del helio, que posee dos). Según esta regla del octeto postulada por Lewis, los átomos son más estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia. Esto puede representarse de forma sencilla utilizando la notación de Lewis, mediante el símbolo químico de cada elemento rodeado por puntos que representan los electrones de valencia (Recuadro 1-1). Antes de estudiar los enlaces hay que definir una propiedad de gran importancia a la hora de explicar su formación y sus posteriores características: la electronegatividad, que es la tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el par de electrones compartido. Cuanto mayor sea el número de electrones, más fácil será completar su última capa; por lo tanto, los átomos que tengan más electrones en su última capa son más electronegativos. En el caso de los elementos presentes en los seres vivos, el oxígeno y el nitrógeno son más electronegativos que el carbono y el hidrógeno, que poseen una electronegatividad semejante (véase Fig. 1-4). Cuando los átomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el enlace se forma porque ambos elementos comparten sus electrones de valencia hasta completar su última capa: este tipo de enlace, denominado enlace cavalente, es el que se dá principalmente eh las moléculas biológicas. En el enlace covalente no hay una transferencia de electrones completa, como ocurre en el enlace iónico (Fig. 1-5). De la combinación de los dos orbitales atómicos surge CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA 7 Recuadro 1-1. La regla del octeto El método de Lewis permite explicar de fo rma simple algunos enlaces; postula que los elementos que se sitúan próximos a los gases nobles tienen tendencia a captar, ceder o compartir electrones hasta completar los ocho electrones que caracterizan a los gases nobles. Según esta regla del octeto, los átomos son más estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia -sean pares solitarios o compartidos- mediante un enlace covalente. En cada enlace covalente simple, cada átomo de la un ión aporta un electrón; por lo tanto, al dibujar un diagrama o estructura de Lewis, hay que evitar asignar más de ocho electrones a cada átomo. Si n embargo, hay algunas excepciones. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un sólo orbital en su capa de valencia, la cual puede aceptar como máximo dos electrones; por eso, solo puede comparti r su orbital con un átomo formando un único enlace. Por ot ra parte, los átomos no metálicos, a partir del tercer período pueden formar "octetos expandidos"; es decir, pueden contener más de ocho orbitales en su capa de valencia, por lo general, colocando los orbitales extra en subniveles. Átomo Número de electrones no apareados (en rojo) Número de electrones en la capa externa completa H· 1 2 H· + H· = ~ H :N : H H = ~ H H: C: H H = :s : H H = 2 8 :o · + 2 H· ~ :N · 3 8 :N · + 3 H· 4 :s · 8 8 2 ·~· :?· + 4 H· + 2 H· = :o : H H :o · · C· H: H ~ ~ H- H O- H 1 H H ' N- H H/ 8 3 3 H· + :p . + 4 · O: Amonio 1 H- C- H Metano 1 H 5- H 1 H Sulfuro de hidrógeno OH :p:: f :g:H ~ Agua H H :o : : P· Di hidrógeno 1 = O= P- OH 1 :o: Ácido fosfórico OH ¡.¡ Átomos Áto mos -· .· ·.. .- ......___,r ·.. _ . / ~nsfe·r~~~;~ ! d~ electrones ·. -Molécu la 1 Enlace covalente ión positivo ión negativo Enlace ión::. J un orbital molecular que determinará las características de la unión. Los orbitales m oleculares p ueden ten er menor en ergía q ue los orbitales atómicos de partida, lo q ue lleva a una estabiliza_ción del sistem a que favorece su· formación. Este tipo de orbital estable se conoce como orbital enlazante. O .pued en p resemar 2Figura 1-5. Representación de un enlace covalente, donde los electro nes de dos átomos que forman el enlace se comparten, y de un enlace ión ico, donde un electrón se transfiere de un átomo a otro, formando iones. ' ' 8 SECCIÓN l. lOS MATERIAlES DE lA CÉlUlA mayor energía que los orbitales atómicos de partida, lo que provoca una desestabilización. Este tipo de orbitales se denomina orbitales antienlazantes y no favorecen la formación del enlace. La distribución específica de los electrones dentro de una molécula se denomina configuración electrónica. En condiciones normales, esta distribución se caracteriza por poseer la mínima energía potencial posible y entonces se dice que la molécula está en su estado basal o fundamental. Pero existen otras alternativas de mayor energía potencial; en este caso, la molécula posee una mayor energía potencial y se dice que se encuentra en un estado excitado. Orbitales híbridos. La tetravalencia del carbono O la hibridación sp 3 permite al carbono establecer cuatro enlaces covalentes. Para los elementos del segundo período de la tabla periódica, entre los que se encuentran el carbono (C), el nitrógeno (N) y el oxígeno (0), los orbitales s y p de la última capa están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales. Estos orbitales híbridos consiguen que el elemento forme el mayor número de enlaces posible, mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para minimizar las fuerzas de repulsión. Los orbitales híbridos formados por el carbono son los más estudiados y explican la naturaleza de sus enlaces con otras moléculas (Fig. 1-6) . Enlace covalente coordinado o dativo O Un enlace coordinado es un enlace covalente en el que los dos electrones compartidos los aporta el mismo átomo. O se produce un dipolo cuando un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están separadas por cierta distancia (generalmente pequeña). En los enlaces covalentes estudiados hasta ahora cada electrón del par de electrones compartido lo aporta uno de los átomos que participa en el enlace. Sin embargo, en algunos casos, el par de electrones compartido procede exclusivamente de uno de los átomos, mientras que el otro aporta un orbital vacío. El resultado es una molécula con carga positiva que procede del átomo que aporta el orbital sin electrones, y, por lo tanto, con mayor número de protones. Para que se forme este tipo de enlace, un átomo tienen que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par solitario en su nivel más externo (como ocurre en el oxígeno y el nitrógeno) , y el otro debe disponer de un orbital vacío (como en el caso de protón: H+) (Fig. 1-7). Polaridad y enlaces polares Cuando dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos átomos, de forma que serán atraídos con más fuerza por el más electronegativo. En este caso se forma un enlace covalente polar (Fig. 1-8), en el que el átomo más (a) (b) ITIIJD (e) [[[] _ / promoción Figura 1-6. Hibridación del átomo de carbono. (a) Estructura tetraédrica de un átomo de carbono; (b) forma y ángulos de los orbitales híbridos; y (e) configuración electrónica. Carbono e- [IJ[IJ[IJ [IJ hibridación hibridación [IJ [IJ[IJ[IJ CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA electronegativo presenta una mayor densidad de carga negativa (representada como in, mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva (representada como o+) provocada por la ausencia del electrón que neutralizaba la carga positiva del núcleo. El resultado es la formación de un dipolo, es decir, dos cargas de signo opuesto separadas por una distancia determinada. Este tipo de enlaces va a ser muy importante a la hora de entender las interacciones no cavalentes que pueden darse entre diferentes moléculas. La molécula de agua presenta enlaces covalentes polares, fundamentales para explicar la solubilidad de las diferentes moléculas biológicas en agua. H Electrones forman enlace coordinado con el protón 9 H 1 H~N : -- H+ _.. H-N ~ H H/ 1 H ión amonio Figura 1-7. Enlace covalente coordinado dativo en la formación del ión amonio. Los grupos funcionales determinan las interacciones entre biomoléculas Las múltiples posibilidades que tiene el átomo de carbono para formar moléculas diferentes viene determinada por la capacidad de formar cuatro enlaces con ángulos muy abiertos, además de ser enlaces covalentes no polares y, por lo tanto, muy estables. Así, las moléculas biológicas pueden formar largas estructuras lineales, ramificadas e incluso cíclicas, muy firmes. Sin embargo, debido a que la unión entre. carbono e hidrógeno es de naturaleza no polar, será necesaria para las moléculas biológicas -presentes en un medio polar como el agua- la colaboración de otros átomos que les permitan formar y romper enlaces, haciendo que estas moléculas sean más reactivas. Una "molécula viva" o biomolécula debe estar en constante cambio; y así formarán asociaciones muy importantes, bien entre ellas o con el agua, ya que éste es el medio en el que se van a encontrar principalmente. Los elementos químicos fundamentales en la reactividad de las biomoléculas van a ser el O y el N, ambos átomos electronegativos, que harán reaccionar entre sí a las moléculas que los porten. En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente, una serie de grupos funcionales. La naturaleza de estos grupos es determinante en el funcionamiento de la molécula biológica; tanto para el establecimiento de enlaces covalentes entre moléculas y la formación de biopolímeros, o macromoléculas, como para la asociación e interacción mediante enlaces débiles entre ellas y con el medio. En el recuadro 1-2 se detallan los principales grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas; en el siguiente apartado, donde se van a describir las interacciones débiles, se dan las claves para reconocer el papel que juegan estos grupos funcionales dentro de las grandes macromoléculas celulares y así poder entender su comportamiento biológico. grupo~ funcio~ales c JLos son las diferentes asociaciones entre átomos que proporcionan características funcionales a las moléculas. Las interacciones débiles determinan la función de la molécula Todo proceso biológico se produce gracias a las- interacciones débiles establecidas entre moléculas. Las moléculas deben interaccionar para comenzar una acción, y posteriormente separarse. Tanto la unión y reconocimiento único entre una enzima y un sustrato, o de un receptor y su ligando, como el proceso de replicación y transcripción del DNA, todos ellos son procesos que tienen lugar gracias a una determinada orientación y unión entre las moléculas implicadas. Estas interacciones son débiles, pero la suma de muchas de ellas en la posición o + enlace covalente apolar [ en lace covalente polar J enlace iónico ) Figura 1-8. Diferencia de polaridad en los enlaces covalentes e iónicos según la electronegatividad. En un extremo de la escala están los átomos que forman el enlace apolar 'C on electronegatividades similares; en el otro extremo, el enlace iónico con electronegatividades muy diferentes. 10 SECCIÓN l. lOS MATERIALES DE lA CÉLULA Recuadro 1-2. Grupos funcionales comunes en bioquímica COMPUESTOS CON NITRÓGENO Fórmula H 1 R- C- H 1 H Metilo Alcano Etilo Alqu eno Eteno (Etileno) Naturaleza quím ica · R- CH3 R-CH2 - CH3 H H 1 1 R-C = C- H R-CH= CH2 Fórmula Naturaleza química primari a H R-N / " H R-N H2 Pola r (base) secu ndaria R-N- R' 1 H R- NH-R Polar (base) R-CH= NH Polar (base) R- CO- NH 2 Polar Ami no No polar H H 1 1 R-C-C - H 1 1 H H Estructura Grupo funcional 1 N-H 11 ~ mi n o R-C 1 H No polar o 11 / H R-C-N " H Ami do H HYyHR -0-o No pol.c Fen ilo R YH COMPUESTOS CON FÓSFORO H Grupo funcional Estructura COMPUESTOS CON OXÍGENO Grupo funcional Est ructura Hidroxilo (alco hol) Fórmula R-0-H Aldehído e primario o Naturaleza química R- OH Polar R-C(=O) H Polar Carbonita 1---- - - - - + - - - - - - + - - - - - + - - - - - l o Cetona R- C(= O)-R' 11 Pola r e secundario R-C - R' Carboxilo R-COOH o Éster 11 R-C-0 - R' R-COO-R' Naturaleza química Fórmula Polar (ácido) No polar 11 R- 0- P-OH Fosfori to Polar (ácido) 1 OH COMPUESTOS CON AZUFRE Grupo funcional 5u lf hidrilo (Tiol) Estructura Fórmula R- 5-H R- 5H o 5ulfuri lo (Ac. sulfú rico) 11 R- 0 -5 =0 Naturaleza química Polar + R- 0 -50 3H Polar (ácido) 1 OH ENLACES NO COVALENTES D~BILES EN EL AGUA PUENTE DE HIDRÓGENO Hidroxilo INTERACCIÓN HIDROFÓBICA -OHIII IO( H -- H Carbonita Carboxilo (Cualquier ácido protonado) " c=O IIII H / 'o H/ o OIIII H, -e1! H/ ·o \ PUENTE SALINO ( OHIII IO- H 1 H -e Ami no " o~ Alifát icos Aromáti cos o - OI III H- 0 ~ 11 Ami do ,r- 0 H H 1 1 H- C-C -H 1 1 H H - C-N - H 1 HII II O- H 1 H -Y, / .y o -5--/ \ -5-- / "(-. o ~ CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA 11 correcta, hará que la unión sea altamente específlca y fuerte, además de ser vital para la vida en la célula. Las interacciones débiles pueden ser de naturaleza electrostática o hidrofóbica. Las primeras incluyen los puentes de hidrógeno, los puentes salinos (enlace iónico) y las fuerzas de van der Waals. Puente de hidrógeno Este tipo de interacción es de naturaleza relativamente fuerte. Es muy común entre moléculas polares en un medio acuoso, y es la responsable de las múltiples uniones débiles entre las moléculas de agua. Para que se forme un puente de hidrógeno es necesaria la presencia de un átomo de hidrógeno (H) unido covalentemente a un átomo electronegativo (habitualmente el O y N) que, debido a su carga parcial positiva, será atraído por otro átomo electronegativo presente en una molécula diferente (Fig. 1-9). c fun puente de hidrógeno se establece cuando un átomo de H, unido covalentemente a un átomo electronegativo, es atraído por un átomo electronegativo de un grupo vecino a una distancia y en una orientación óptima. Enlace iónico o puente salino . , En la célula, los iones (por ejemplo, Na+, K+ o Cr) van a establecer entre sí, interacciones de tipo electrostático (entre cargas opuestas), también denominadas puente salino (Fig. 1-10). Además, aquellos grupos funcionales que se comportan como ácidos o bases, es decir, que tengan la capacidad de ceder un protón al medio o de captarlo, van a presentar una carga real (un electrón de más o de menos del que le corresponde al átomo neutro), lo que les convierte en unión. Los iones, en solución acuosa, pueden atraerse o repelerse según la carga que porten. Este tipo de atracción electrostática se comportaría como un enlace iónico, sin embargo, se considera una interacción débil, ya que al estar el ión en solución acuosa se encuentra solvarado (rodeado de moléculas de agua) reduciendo la fuerza del enlace entre los iones de carga opuesta. (a) (b) - Puente de hidrógeno __________. : l carbonita Aceptar de puente de H J "e / Enlace covalente 11 o carbonita ami n.o ~/ puente de H / ami no ~/ 11 N o H H H 1 1 o 1 1 N N 1 1 o 1 Donador de .l "e 1 hidroxi lo N H amino 1 Figura 1-9. Representación del enlace o puente de hidrógeno. (a) Entre dos moléculas de agua, y (b) entre grupos funcionales. Se indica el átomo aceptar y el donador del puente. er ión ohidratado Figura 1-10. Enlaces iónicos en el agua: puente salino. Los cristales iónicos del cloruro sódico se disuelven en agua, debido a la capa de solvatación de moléculas de agua que rodea cada ión. 1,..... 12 - SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA :.1 i ¡ Figura 1-11. Interacciones hidrofóbicas. Las gotas de aceite, mediante interacciones hidrofóbicas, tienden a asociarse para minimizar la superficie de contacto con el agua. Debido a que la capacidad que tiene un ácido de ceder o de captar protones depende de la concentración de H+ que haya en la solución en la que se encuentra, los grupos ácidos o básicos no siempre van a estar en su forma ionizada. Entre los grupos funcionales que se comportan como iones a pH fisiológico, se encuentran los grupos amino y carboxilo, que utilizan este tipo de enlace débil para interaccionar con el agua y con otras moléculas. Los puentes salinos no son tan dependientes como los puentes de hidrógeno, de la distancia ni de la orientación entre átomos. Fuerzas de van der Waals O los iones en solución acuosa van a establecer interacciones electrostáticas o puentes salinos. Este tipo de interacción iónica es débil, debido al apantallamiento que se produce en la interacción por las moléculas de agua que rodean al ión. O Hidrofóbico: fobia, odio al agua. O Hidrófilo: atracción por el agua. (a) s- o s+H ~ s+ . H Son interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente átomos o moléculas no polares. También son interacciones de tipo carga-carga, pero dependen de la distancia entre átomos. Son "dipolos temporales", solo en el momento en que el electrón de un átomo se acerca o aleja del átomo con el que está enlazado. Este tipo de dipolos temporales se están formando continuamente entre moléculas en solución, y no es necesario que las moléculas sean polares. Puede establecerse, por lo tanto, un dipolo temporal en un enlace covalente no polar. Su constante movimiento y redistribución de los electrones en la molécula produce cambios complicados y fluctuantes en su atracción o repulsión. Interacción hidrofóbica Las fuerzas hidrofóbicas difieren de las anteriormente descritas en que no presentan naturaleza electrostática. Por lo tanto, se darán entre moléculas y grupos funcionales no polares. N o va a haber tampoco entre ellos ningún tipo de interacción: la unión se basa únicamente en la imposibilidad que tiene la molécula hidrofóbica en interaccionar con el agua. La fuerza que mantiene unidas a las moléculas apolares o hidrofóbicas se basa en la tendencia de expulsar el agua de su entorno, debido a su repulsión (insolubilidad) con los grupos polares del agua (Fig. 1-11). Las interacciones hidrofóbicas son fundamentales en bíología, ya que la naturaleza apolar de muchos componentes, les obliga a mantenerse unidos, formando distintas estructuras, para alejarse del agua y así formar verdaderas barreras hidrofóbicas, como las membranas lipídicas que definen las células y sus orgánulos. 0 EL AGUA COMO PRINCIPAL DISOLVENTE BIOLÓGICO La molécula de agua es un dipolo Figura 1-12. la molécula de agua. (a) Representación del dipolo de una molécula de agua; y (b) los puentes de hidrógeno que se establecen entre varias moléculas. El agua es el medio líquido fundamental en el que se va a desarrollar la mayor parte de las reacciones químicas de la célula. Es, por lo tanto, el principal disolvente biológico. La moléc4la de agua presenta la característica química de comportarse como un dipolo: el átomo de O, con una carga parcial negativa Un, y los dos átomos de H con una carga parcial positiva (é¡+). Esta disposición es debida a la diferente electronegatividad entre los átomos de H y el átomo de O (muy electronegativo puesto que tan solo le faltan dos electrones para completar su última capa). La distribución de las cargas y la geometría de la molécula posibilitan la gran interacción entre una molécula y sus vecinas. Las interacciones débiles que establece una molécula de agua con las de su alrededor se realiza mediante puentes de hidrógeno (Fig. 1-12). Este tipo de enlace débil es de vital importancia, no solo por permitir la formación y rotura de los enlaces y, por lo tanto, dar la naturaleza líquida al agua, sino también porque gracias a este tipo de interacción se van a disolver muchas moléculas biológicas en este medio. La formación y la rotura de los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua es constante a la temperatura fisiológica (37 oC); sin embargo, muy rara vez una molécula de ag4a se disocia en dos especies iónicas denominadas iones hidronio e ión hidroxilo (Fig. 1-13). Habitualmente se habla de protón (H+) como el catión disociado de una molécula de agua: CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA 13 + El protón se desplaza de una molécula a otra ión hidronio ] H 20 hidroxilo H+ +OH- Sin embargo, en la naturaleza el protón se encuentra asociado a otra molécula form ando un ión hidronio: H zO + H zO Recuadro 1-3. Proceso de disociación del agua ~ 2~ Velocidad de formación= k 2 [W] [OW] v de formación y disociación se igualan: k, [Hp] c:fHidronio es el catión formado al hidratar cationes de hidrógeno W (protón). Estos cationes no se presentan libremente; son extremadamente reactivos y resultan solvatados inmediatamente por las moléculas de agua circundantes. W+OW Velocidad de disociación= k, [Hp] Equilibrio de la reacción : las c fla autoionización del agua solo ocurre en una de cada 109 moléculas de agua a temperatura ambiente. H 30+ + OH- Por lo tanto el número de protones va a ser igual al número de iones hidronio (Recuadro 1-3). HO Figura 1-13. Disociación de la molécula de agua en sus dos especies iónicas: el ión hidronio y el hidroxilo. = k 2 [W] c fEn química, el ión oxonio co.rresponde al catión Hp+, también denominado hidronio. [OW] k, [W][OW] K = - = -,----,-eq k2 [H20J c:fProtón: del griego protos, primero (W). Kw de disociación del agua: Kw = K,q [Hp] = [W] [OW] En el agua pura a 25 °C: [W] = [OW] =10- 7 M Química de los ácidos y de las bases El comportamiento de la ionización del agua es la base para comprender el concepto de ácido y base. Actualmente se acepta la definiCión de Lewis, según la cual una base es una sustancia con un par de electrones disponibles para formar un enlace covalente dativo, mientras que un ácido es una molécula en la que existe un átomo capaz de aceptar un par de electrones ya que posee un orbital externo libre. Sin embargo, en muchos casos resulta útil la antigua definición de BronstedLowry en la que un ácido se define como una sustancia que puede ceder un protón y una base es aquella que puede aceptar un protón al reaccionar con un ácido. Cuando el ácido pierde el protón se convierte en una sustancia que tiende a recuperarlo y, por ese motivo, esta segunda forma se denomina su base conjugada. De igual forma, una base que capta un protón tendrá tendencia a perderlo y, por tanto, tendrá carácter ácido. Existen sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases, y se denominan sustancias anfóteras. El agua pertenece a este tipo de sustancias y, en las· disoluciones acuosas,- el agua actúa como ácido en presencia de una base o como base en presencia de un ácido. Dentro de las moléculas biológicas solo unos pocos grupos funcionales van a comportarse como ácido o base. Es importante conocer su comportamiento en el medio fisiológico · dadas las implicaciones que puede tener para los seres vivos (Fig. 1-14). c:flón hidróxido: también den ominado ión hidroxilo (OW) . c:fsegún Bronsted-Lowry, un ácido se define como la sustancia capaz de ceder un protón y una base aquella que puede aceptar un protón al reaccionar con un ácido. c:flos grupos ácidos o básicos van ' a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la solución, por lo tanto las uniones por puente salino son muy dependientes del pH del medio en que se encuentren. O las sustancias anfóteras, como el agua, son las que pueden comportarse como ácido o base. 14 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 1-4. Recuerda ... el logaritmo -70 R-C Se puede escribir una fracción como un exponente negativo: _1_ = 10-1 10 'o-H - + o· o• Grupo carboxilo (ácido) -7H H-0 ~ "H Grupo carboxilato (base conjuga9a) Hidronio (ácido conjugado) El logaritmo es la función matemática inversa de la función exponencial. El logaritmo de un número x es el exponente (n) al que hay que elevar la base dada (usualmente 10) , para que dé dicho número x. Log10x=n = Figura 1-14. Ionización de un grupo carboxilo. A pH fisiológico, el carboxilo se comporta como un ácido débil. y dona un protón al agua que actúa de base. El grupo carbox ilato será la base conjugada y la molécula de agua capta el protón convirtiéndose en un ión hidronio que será una especie ácida. x= 10" Ejemplo: 1 Log10 10=1 =x=10 =10, n=1 7 Log 10 = 7 = 7 Log 10- =-7 7 x = 10 , = n=7 7 x= 10- , n = -7 Cuando la base es 1O el subínd ice se omite. c:fEl pH de una disolución es una medida de la concentración de los protones; como los protones reaccionan con el agua para dar iones hidronio, se puede considerar el pH como la concentración de esta última especie química. El pH y el pKa La acidez de una solución se mide por la concentración de iones hidronio o protones, que presente. Esta concentración abarca el rango desde 1 molar (1 M) en una solución muy ácida, hasta una concentración de 10- 14 M en una sol!lción muy alcalina o básica. Para evitar el uso de números tan pequeños, se decidió convertir estas concentraciones a una escala logarítmica (Recuadro 1-4), denominada escala de pH, que comprende el valor de O al 14 (Tabla 1-2). Se define pH = -log 10 [H+], donde [H+] es la concentración molar: número de moles de H+ por litro de disolución. Debido a que el pH solo es una manera de expresar la concentración del ión hidronio, las disoluciones ácidas y básicas a una temperatura de 25 oc; pueden identificarse por sus valores de pH como sigue: Disoluciones neutras: [H+] = 1,0 X 10-7 M, pH = -log [1 ,0 x 10-7} = -(-7) = 7 Disoluciones ácidas: [H+] > 1,0 X 10-7M, pH<7 X 10-7M, pH>7 Disoluciones básicas: [H+] < 1,0 * 10-2 2 10-12 12 10-3 3 10-11 11 10-4 4 1o-1o 10 10-5 5 1o-• 9 1o-6 6 1o-a 8 1o-7 • 7 1o-7 7 1o-a 8 1o-6 6 10-9 9 10-5 5 1o-10 o 1o-• 4 10-11 11 10-3 3 10-12 12 1o-2 2 10-13 13 10-1 1o-1• 14 10° (1) Como ya se ha comentado, la disociación del H 2 0 es: H 20 + H 20 Por tanto, f-------1 H 30+ + OH- [H30+] = [OH-] = 1 x 10-7 mol/litro pH = -log [H30+] = -log [H+] pH = -log [1 x 10-7] pH = 7 o pOH = -log [OW] . La expresión pOH es análoga a la expresión de pH . En todos los casos pH + pOH = 14. A 25 oc , el pH del agua pura y de cualquier solución acuosa que contenga concentraciones iguales de ión hidronio y de ión hidroxilo es 7. Las soluciones tampón regulan el pH de la célula Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o bases débiles. Por ello, su estado de ionización dependerá de la concentración ·de protones del medio. Si se tiene en cuenta que la mayoría de las enzimas van a presentar este tipo de grupos ionizables en su centro activo, se comprenderá el importante papel que puede jugar una pequeña fluctuación del pH celular. Por ejemplo, si un"grupo amino de un residuo de una enzima presenta carga positiva a un pH 7, un ligero aumento del pH, puede forzar a que el H+ del grupo amino sea cedido al medio y, por lo tanto, pierda esa carga. En muchos casos, esta carga es fundamental para que la enzima interaccione con el sustrato; entonces, la enzima dejará de funcionar. La importante CAPÍTULO 1, lAS BASES DE lA BIOQUÍMICA 15 repercusión de la ionización de los grupos de los aminoácidos presentes en las proteínas y, en particular, en las enzimas, se revisará detenidamente en los capítulos 4 y 8 respectivamente. Tanto en el medio intracelular como en el extracelular, será por lo tanto imprescindible una regulación del pH para que las moléculas puedan operar de m anera óptima. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar , los cambios que se producen en el pH, cuando se añaderi pequeñas cantidades de ácido (H+) o de base (OH-). Estos sistemas tampón están constituidos por un ácido débil y su base conjugada, o bien por una base débil y su ácido conjugado. C uando la concentración de ambas especies es similar, entonces el sistema tiene una gran capacidad amortiguadora. En esta situación, cualquier aumento de la concentración de H+ podrá ser absorbida por la base conjugada, y si se increm enta la concentración de OH-, será el ácido débil del sistema tampón quien ceda un protón al medio que neutralice el ión hidroxilo. Según la ecuación de H enderson-Hasselbalch (Recuadro 1-5) cuando el valor del pH de la solución es igual al p.K,_ del sistema, entonces las concentraciones de las dos especies que definen el sistema serán iguales. Por lo tanto, eñ la célula aquellas sustancias que tengan un p.K,_ próximo a 7 (pH fisiológico) serán buenos tampones. El principal tampón biológico intracelular es el tampón fosfato, que presenta un p~ de 6,86, y por lo tanto, es capaz de resistir los cambios de pH entre 5,9 y 7,9. Recuadro 1-5. Cálculo de La constante de disociación de un ácido y ecuación de Henderson-Hasselbalch Una reacción general de disociación de un ácido puede escribirse mediante la reacción general: HA~ A- + W , 9 , - - - - -- - - - -- - -- - - - - . 8 Esta reacción se caracteriza por una constante de equilibrio, que en el caso de un ácido se denomina K, o constante de disociación del ácido y se expresa mediante la fórmula: 7 T 6 5 Un ácido fuerte como el HCl tendrá un valor de K, elevado, puesto que, al estar muy disociado, las concentraciones de los productos de la reacción serán mayores que las de los reactivos. De igual forma que el pH se definía como -log [W]. se puede expresar el grado de disociación de un ácido como -log K,. Esta expresión se denomina pK, y su valor es inversamente proporcional a la fuerza del ácido. El pK, de ácidos débiles se puede calcular realizando una curva de titulación y se puede ver ver el significado de este valor si se observa la variación en la concentración de las diferentes formas moleculares a los distintos valores de pH, representados en la gráfica. pH 5,76 región tamponante 4 3 pH = pK, = 4,76 j_ pH 3,76 1 1 2~: 1 1 1 1 1 QL--L~--~~--L__L~L__L~~ o 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 OW (equivalentes) Curva de titulación del ácido acético A un pH bajo dominan las formas protonadas (en este caso CH 3 -COOH, sin carga) que van disminuyendo a medida que sube el pH hasta llegar a un pH en el que la forma dominante será la disociada (CH 3 - Coo-. con carga negativa). En el punto medio de la valoración se pasará por un estado en el que las concentraciones de ambas formas coinciden ([CH 3 -COOH] = [CH 3 -COO-]). Podemos relacionar el pH con el pK, mediante la fórmula de Henderson-Hasselbalch [K] (aceptor de protones) pH = pK, + log - [HA] (dador de protones) Esta relación permite observar que cuando coinciden las concentraciones de A- (aceptor de protones) y HA (dador de protones) el pK, = pH , ya que el log de 1 es cero. De esta relación se pueden extraer dos conclusiones: 1. El valor de pH que coincide con el pK, es aquel en el que el par ácido-base conjugada presenta mayor poder tamponante, ya que la concentración de aceptor de protones que puede neutralizar los protones si se añade un ácido coincide con la de dador de protones, que puede neutralizar los grupos OW que aumentan al añadir una base. 2. A un pH inferior al valor de pK, dominan las formas protonadas, y por encima de ese valor serán mayoritarias las formas desprotonadas; y, como consecuencia, cambia la carga neta de la molécula. 16 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA H2PO;; c:flos tampones biológicos resisten fluctuaciones de pH en torno al valor de pH fisiológico, entre 6,9 y 7,4. H+ + HPo¡- El principal tampón sanguíneo es el sistema de tampón bicarbonato, compuesto por el ácido débil carbónico y la base conjugada bicarbonato. H+ + HCO~ H 2C0 3 0 LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA CÉLULA Equilibrio de una reacción química En una reacción química, los reactivos interaccionan para formar productos. Pero, en la mayoría de las reacciones químicas, la reacción no finaliza cuando todo el reactivo se ha convertido en producto. En lugar de ello, llega un momento en el que el producto formado comienza a reaccionar para dar un nuevo reactivo. Es decir, la reacción ocurre de forma reversible. Cuando la velocidad de reacción que va hacia delante (formación de producto) y la velocidad de la reacción marcha atrás (formación de reactivo) se igualan, se dice que la reacción alcanza el equilibrio. La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles, y por lo tanto tienden a alcanzar este equilibrio químico. . La velocidad de una reacción viene determinada por una constante de velocidad (k) y por la concentración de reactivo. Siendo k 1 constante de velocidad de la reacción hacia delante y k_1 constante de velocidad de la reacción marcha atrás, k, A B k_, La velocidad de formación de B: v8 = k 1 [A] La velocidad de formación de A: vA = k_1 [B] k 1 [A] = k_1 [B] En el equilibrio: L uego, k1 k_ [B] . = [A] = Kd e eqm'l'b 1 no 1 c:fEn el equilibrio, la relación de las concentraciones de productos y reactivos es constante (K.q). Pero esto no quiere decir que dichas concentraciones sean iguales. En el equilibrio, las velocidades se igualan, y la relación entre la concentración de productos de reactivos y productos es constante. Los principios de termodinámica ayudan a predecir si una reacción química se produce espontáneamente o no . Si la reacción es espontánea se dice que está · alejada del equilibrio, por lo que tenderá a formar producto espontáneamente hasta que alcance el equilibrio. En este caso, al comienzo de la reacción, a temperatura y presión constantes, la energía del producto será mucho menor que la del reactivo y el cambio de energía que se da en la reacción desprenderá energía del sistema (reacción) al entorno (medio en el que transcurre la reacción), dando un valor menor que cero. El cambio o variación de energía libre de Gibbs (~G) de una reacción se calcula como un incremento; ~G = Gfina! - Ginicia! Si la reacción está en equilibrio, no se moverá, no habrá cambio, la reacción tendrá la misma energía en el estado inicial que en el firial y, por lo tanto, su ~G será igual a O. Si la reacción tiene una ~G positiva, el reactivo tendrá menor energía que el producto y la reacción no se podrá dar espontáneamente. En este caso se deberá utilizar energía de otra reacción que se pueda acoplar a la primera, siempre que la suma de las dos reacciones acopladas sea menor que cero. La variable G es una "función de estado", por lo que su valor no depende de la vía que se utilice para ir del estado inicial al final. Por este motivo es posible hacer que una reacción no espontánea lo sea, gracias a su acoplamiento con otra que sí es favorable, debido a la existencia de un intermediario común. El valor de ~G proporciona información de la espontaneidad de la reacción, pero no aporta información sobre la velocidad de la reacción. Estos conceptos se ampliarán en los capítulos 7 y 8. CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA 17 Reactividad de Las moléculas biológicas La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas van a unirse a otras o a reaccionar y transformarse. Los sitios reactivos pueden ser nucleófilos o electrófilos, según la capacidad de atraer o no electrones. Los grupos funcionales de las moléculas proveen a las enzimas de los "sitios de ataque" donde la enzima convertirá un sustrato en un producto. En el capítulo 8 se clasifican las enzimas en seis categorías dependiendo del tipo de reacción que catalicen. , . La gran cantidad y variedad de reacciones químicas que tienen lugar dentro de la célula (vías metabólicas), involucran a unos pocos sitios reactivos, que invariablemente van a implicar a los grupos funcionales ya descritos. Estos grupos se comportan de forma diferente al resto de la molécula en que se encuentran. Ya se ha descrito la importancia de los grupos funcionales para la "interacción" entre macromoléculas, pero ahora se detallará su determinante implicación en la transformación de dichas biomoléculas, para construir las macromoléculas biológicas. Los sitios reactivos van a portar centros nucleófilos o electrófilos: • Centros nucleófllos (atracción por el núcleo): son grupos ricos en electrones, y pueden tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o "pares solitarios", o poseer una densidad electrónica típica de dobles enlaces. Estos sitios atacarán a grupos cargados positivamente, ya que se sienten atraídos por ellos. • Centros electrófilos (atracción por electrones): tienen atracción por las cargas negativas, es decir, ricas en electrones, debido a su carencia de electrones en capa de valencia. Hay que tener en cuenta que un grupo funcional puede tener . un átomo electronegativo para generar un dipolo, portando tanto un centro nucleófilo como electrófilo (Fig. 1-15). Estos centros reactivos proporcionan la base de los diferentes tipos de reacciones químicas. Las reacciones de condensación o deshidratación son un tipo de reacción química que va a tener un papel fundamental en la formación de las macromoléculas. En este tipo de reacciones participan diferentes grupos funcionales polares y la formación de un enlace covalente va a liberar una molécula de agua al medio. Dado que las reacciones bioquímicas tienen lugar siempre en un medio acuoso (bien el citoplasma o el medio extracelular), este tipo de reacciones van ser determinant~s para la formación de polímeros, es decir, de las macromoléculas como polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos que se estudian a lo largo del libro (Fig. 1-16). · A continuación se describen, en la figura 1-17, los diferentes tipos de enlaces covalentes de condensación que se establecen entre los distintos grupos funcion ales y que van a dar lugar a la gran variedad de moléculas biológicas. Monómero • • Monosacárido Aminoácido 1 Macromoléculas ,r--o -NI Grupo amino no cargado r =R -e- ~~ Átomo de carbono de un grupo carbonilo ,r--o H-o- lón hidróxido Figura 1-15. Centros nu.cleófilos y elect(Ófilos de los sitios reactivos. Los grupos nucleófilos (ricos en electrones. como el nitrógeno o el oxígeno) atacan a grupos electrófilos con carga positiva o menor densidad electrónica. como un protón o un carbono. 1 Polisacárido Proteína o Nucleótido Nucleófilos Ácido nucleico Figura 1-16. Formación de biopolímeros o macromoléculas a partir de las unidades monoméricas mediante enlaces de condensación. 18 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Nombre Grupos funcionales Éter Reacción Hidroxilo + Hidroxilo e Éster p Éster fosfórico Carboxilo + Hidroxilo + sulfhidrilo R1 -0H R-e + OH-R 2 OH+ SH-R 2 \ 11 R1 -C-O-R2 ____. ____. o 11 R1 -C-S-R 2 tioéster o o Fosforito + Hidroxilo 11 R -0-P-OH 1 1 OH + Sulfurilo + Hidroxilo OH 11 R-O-S-OH o ____. OH-R 2 + 11 1 11 R1 -0-P-O-R 1 2 ____. OH-R 2 o S R1 -0-R2 o o /¡ 1 ____. OH-R 2 + 11 R -O-S -0-R 1 11 2 o o c-e Carboxilo + Carboxilo Anhídridos C-P Mixto o o 11 R1 -C-OH o o 11 11 Carboxilo + Fosforito R1 - C-OH Fosforilo + Fosforito 11 R - 0-P-OH 1 1 OH o p-p Fosfoanhídrido o + 11 OH-P-O-R 2 1 OH Carboxilo + Amina o C anomérico + Hidroxilo Disulfuro C anomérico + Amina Sulfhidrilo + Sulfhidrilo + 1 C OH e + 1 H 1 COH e + 1 H R1 -SH o o 11 11 R -P-O-P-0-R 1 1 1 2 OH OH o 11 R1 -C-OH NH 2-R 2 ____. OH-R 2 11 R -C-N-R 1 ' 1 2 H ____. C r 0 - R2 H Glucosídico N o o ____. o Amida o 11 11 R1 -C-0-P-0-R 1 2 OH ____. OH-P-O-R 1 2 OH + o 11 11 R1 -C-O-C-R 2 ____. 11 OH-C-R 2 + ,. + H 1 NH 2-R 2 HS-R2 ____. ____. cN-R2 \1 e 1 H R1 -S-S-R 2 Figura 1-17. Enlaces covalentes comunes en bioquímica. Otro tipo de reacción característica que tiene lugar en la célula es aquella en la que se transfiere electrones de un sustrato a otro, son las reacciones denominadas de oxidación-reducción o rédox. La mayoría de las reacciones que tiene lugar durante el metabolismo celular implican esta transferencia de electrones. Para ello, siempre serán necesario dos reactivos, uno que cede electrones y el otro que los acepta. En las moléculas biológicas, esta transferencia de electrones se realiza habitualmente en forma de átomos de hidrógeno, ya que un átomo de hidrógeno contienen un electrón (H = 1 e-) AH 2 + B f---t A + BH2 donde: AH 2 =donador de electrones (agente reductor, molécula reducida) B = aceptor de electrones (agente oxidante, molécula oxidada) \ En las biomoléculas los procesos rédox de transferencia de electrones tienen lugar en los átomos de carbono. La forma más reducida de un átomo de carbo- CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA no será la que esté saturada con cuatro hidrógenos, como en el m etano, mientras que la más oxidada será el dióxido de carbono. Los niveles de oxidación del carbono (Fig. 1-18) se pueden evaluar fácilmente contando el número de enlaces que establece el carbono con el hidrógeno (estado más reducido) o con el oxígeno (estado más oxidado). El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto mayor sea el poder de oxidación (es decir, cuanto más · reducida esté la sustancia) por lo que, durante el proceso de oxidación, se desprenderá gran cantidad de energía. El m etabolismo celular se encarga de transformar y almacenar este contenido energético de las moléculas reducidas que la célula usa como fuente de energía. En la sección 111 dedicada al metabolismo se analizarán detalladamente estos procesos de oxidación-reducción. H 1 R- C- H H ~ 1 o H 1 X R- C-OH [ Hidroxilo 1 1 o H A e 1 R Los niveles de organización molecular de la célula permiten observar que, en el primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los monómeros o sillares con los que se va a construir la célula. Estos monómeros se asociarán en polím eros mediante reacciones de condensación, para dar el segundo nivel o nivel macromolecular (Fig 1-19). La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante interacciones débiles. Y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones. La célula será, por lo tanto, el continente. En una célula eucariota los compartim entos celulares están claramente diferenciados y sus funciones bien especializadas, por lo que no todas las reacciones químicas van a transcurrir en cualquier lugar de la célula. Esta especialización en orgánulos se puede llevar a cabo de fo rm a muy eficiente porque cada orgánulo está delimitado por una membrana celular cuyas características químicas permiten una disposición en forma de bicapa lipídica, lo que separa dos medios hidrofílicos. En el capítulo 11 se da una visión esquemática de las funciones de cada orgánulo y los procesos que se llevan a cabo. Por último, un organismo multicelular necesita una observación a un nivel superior al celular, y este nivel proporciona una visión orgánica sobre cómo transcurren las reacciones bioquímicas en el organismo completo. Aunque los procesos bioquímicos que tienen lugar en la célula son, en muchos casos, idénticos en células de diferentes especies, y a lo largo del libro se ha tratado de buscar - Enlace 2° nivel Macromoléculas :/! o 1 Carbonilo 1 " e= HO/ o 1 Carboxilo 1 ! O= C=O Figura 1-18. Oxidación y reducción de los grupos funcionales de interés en bio_química. A medida que se oxida el carbono se reduce el número de H unidos. Se indica en azul el número de hidrógenos (electrones) unidos al carbono. 3" nivel Complejos macromoleculares Enlaces no cava lente ~ " e= N EL CONTEXTO CELULAR 1° nivel Monómero Metilo 1 6 0 19 cava lentes Aminoácido Nucleótido - .,.. t.•?"~· Proteínas globulares y RNA •Í (. Ribosoma . 1 .. ~ ' Figura 1-19. Niveles de organización celular. En este ejemplo el primer nivel está compuesto por los monómeros (aminoácidos y nucleótidos) que mediante enlaces de condensación forman · proteínas y ácidos núcleicos, que interaccionan para f9rma el ribosoma , tercer nivel de organización . 20 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA aquellos puntos que unifican el metabolism o de las células eucariotas, en determinados p rocesos es necesario prestar atención al sistema u órgano en el que transcurre dich o p roceso, pues la especialización orgánica es un punto funda- · m ental para com p render el funcionamiento metabólico del organismo. Por ejemplo, los procesos de síntesis de lípidos no se van a llevar a cabo en cualquier célula, si no que el hígado será un órgano primordial que tendrá las enzimas necesarias para llevar a cabo la síntesis de gran cantidad de estas biomoléculas. Aunque la especialización de los diferentes órganos trasciende al contenido d e este libro, se remarcarán aquellos procesos metabólicos que se produzcan en un determinado lugar. ~~\ ~Y CONCEPTOS CLAVE o Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo. o Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones. O Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrón ica en que sus orbitales estén completos. o o o o La unión entre los átomos se establece a través de enlaces químicos. La valencia de un determinado elemento químico se puede definir como su capacidad de combinación, y su número indica el número de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto. La electronegatividad es la tendencia que tienen los átomos a captar electrones para completar su última capa. En los enlaces iónicos, los electrones se transfieren de un átomo con pocos electrones en su última capa (metal) a otro átomo con la última capa casi completa (no metal). o El enlace covalente es el más común en las moléculas biológicas; los electrones de las últimas capas de valencia son compartidos por los átomos que forman el enlace. o Se produce un dipolo cuando un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están separadas por cierta distancia (generalmente pequeña). o Los grupos funcionales son las diferentes asociaciones entre átomos que proporcionan características funcionales a las moléculas. o o o o Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas. o Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH , cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido (W) o de base (OW) . o La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles y, por lo tanto, tienden a alcanzar el equilibrio químico. La naturaleza química de la molécula de agua presenta la característica de comportarse como un dipolo. Exi sten sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases, y se denom inan sustancias anfóteras. Los grupos ácidos o básicos van a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la solución. El pH de una disolución es la medida de la concentración de los protones. O En el equ ilibrio, la relación de las concentraciones de productos y reactivos es constante (K.q) . Pero esto no qu iere decir que dichas concentraciones sean iguales. o La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas van a unirse a otras o a reaccionar y transformarse. · o El pri mer nivel de organización molecular de la célula lo constituyen los monómeros, que se asocian en polímeros en un segundo nivel macromolecula r mediante reacciones de condensación. o La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante interacciones débiles, y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones. CAPÍTULO 1. LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA 0 21 EJERCICIOS A partir de la siguiente molécula, indique: a) Los grupos funcionales. b) La naturaleza química. e) Si existe algún enlace covalente de condensación. d) El tipo de interacción débil que puede formar. e) Un producto de oxidación y otro de reducción del carbono 1. H 2 1 1 OH H H H o- 1 1 1 1 1 H-e- e - e - e - e - e- o- P-o11 1 1 1 1 1 11 O OH H OH OH H O SOLUCIÓN a) b) Todos los grupos indicados son polares. El grupo fosforilo, además, presenta carga negativa a pH fisiológico, por su carácter ácido. e) Enlace de condensación el enlace éster fosfórico: H 2 1 1 OH H H H o- 1 1 1 1 1 H- C- C - C - C - C - C-O-P-011 1 1 O OH H . 1 OH 1 1 11 OH H O o1 ---t R-CH 2OH+ HO - P-o11 O d) Puente de hidrógeno con los grupos OH y CO y puente salino con las cargas negativas del grupo fosforilo e ) Oxidación: Reducción: - R-COOH R-CHPH ¿Qué tienen en común los elementos de un mismo grupo y de un mismo período? - ¿Qué partícula atómica determina que un elemento pueda reaccionar con otro? - ¿Qué grupos funcionales de lós que están presentes en las biomoléculas se comportan como ácido o como base? 0 .:11 Una las siguientes moléculas mediante un enlace covalente tipo amida .:B A partir de la molécula que ha construido en la pregunta anterior, indique el tipo de interacción débil que puede establecer con el agua a pH fisiológico. PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN DI ¿Cuál de los siguientes grupos funcionales están ordenados de más oxidados a más reducidos? a) Hidroxi lo-carbonilo-metilo- carboxilo. b) Carboxilo-carbonilo-hidroxilo-metilo. C) Carbonilo-carboxilo-hidroxilo-metilo. d) Metilo-hidroxilo-carbonilo-carboxilo. - Cuando una reacción química alcanza el equilibrio: a) La velocidad de formación de productos es mayor que la de reactivos. b) La concentración de productos y reactivos es siempre la misma. e) La relación entre las concentraciones de productos y reactivos es constante. d) a y e son ciertas. 1111 Una reacción exergónica: a) Es siempre espontánea. b) Se hace a una gran velocidad. e) Es siempre exotérmica. d) Todas son correctas. - Una reacción de condensación entre un grupo carboxilo y un hidroxilo es un enlace: · · a) Amina. b) Amida. e) Fosfoéster. ' 1 d) Éster. .:11 Entre un grupo carboxi lo y un catión en disolución acuosa se establece: a) Interacciones hidrofóbicas. b) Puente salino. e) Puente de hidrógeno. d) Enlaces éster.. · .:B Indique cuál de las siguientes interacciones no se considera una interacción no covalente: 22 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA a) b) e) d) - Puentes de hidrógeno. Interacciones hidrofóbicas. Interacciones iónicas. Enlaces carbono-carbono. Indique cuál de los siguientes elementos no se encuentra entre los cuatro más abundantes en los organismos vivos: a) Carbono. b) Hidrógeno. e) Nitrógeno. d) Fósforo. .:0 Un ión hidronio: a) Su estructura es H,o•. b) Es la forma habitual de uno de los productos de disociación del agua en disolución. e) Es un ión de hidrógeno hidratado. d) Todas las anteriores son ciertas. .:1.1 Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los tampones es cierta: a) Un tampón formado por un ácido débil con un pK, =S es más fuerte a pH 4,0 que a pH 6,0. b) El pH de una disolución tamponada permanece constante con independencia de la cantidad de ácido o base que se añada a dicha disolución. e) Cuando el pli = pK,, las concentraciones del ácido débil y de su base conjugada en el tampón son iguales. d) Para un valor de pH por debajo del pK,, la concentración de la base conjugada es mayor que la del ácido débil. IJill ¿Qué pareja de grupos funcionales pueden establecer puentes de hidrógeno entre sí? a) Amina-hidroxilo. b) Metilo-etilo. e) Carboxilo-Metilo. d) Hidroxilo-fenilo. HIDRATOS DE CARBONO o CONTENIDOS o o o o o o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Diferenciar y clasificar los hidratos de carbono Introducción seg~n su composición y función en la célula. Monosacáridos o Comprender su naturaleza química, nombrar sus grupos funcionales y Oligosacáridos sus características químicas. Polisacáridos o Establecer uniones entre monosacáridos para formar los polímeros, así como con otras biomoléculas. Glucoconjugados o Reconocer la importancia de la isomería en las moléculas biológicas. o Identificar las funciones biológicas principales que presentan los hidratos de carbono. r Se ha elegido comenzar esta sección del libro dedicada a los materiales o biomoléculas que constituyen los seres vivos con los hidratos de carbono, ya que desde el punto de vista químico, son compuestos sencillos, lo que facilitará -la comprensión de su estructura y sirve, además, para fijar los fundamentos químicos aprendidos en el capítulo l . A lo largo del presente capítulo se destaca la importancia de la estructura química de los diferentes hidratos de carbono presentes en los seres vivos para determinar su función biológica; bien energética, estructural o portadora de información. Puesto que son moléculas con actividad óptica, se van a introducir los principios de la isomería, tan i·tnportantes en las moléculas biológicas, tal y como se comentará en los capítulos 4, 5 y 8, dedicados a aminoácidos, proteínas y enzimas. Desde el punto de vista biológico, la glucosa -el hidrato de carbono más abundante en la naturaleza-, va a jugar un papel central en el metabolismo celular, como se describirá en los capítulos 11, 12 y 13 dedicados al metabolismo, al ser el principal componente del ciclo de carbono de la biosfera. 24 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 2-1. Etimología El nombre de los hidratos de carbono es muy variado, de acuerdo con las diferentes raíces empleadas: • Hidratos de carbono o carbohidratos: debido a que responden a la fórmula estequiométrica (CH,O)n. y antiguamente se creía que eran, tan sólo, carbonos hidratados. • Sacáridos: del griego sakcharon, azúcar. • Glúcidos: derivados de la glucosa, principal monosacárido. Prefijos o sufijos: • Osas: sufijo que se utiliza para designar a los sacáridos. • Gluco: prefijo utilizado para indicar una característica relacionada con los azúcares, por contaminación del inglés (glyco) ocasionalmente se emplea glico. 0 INTRODUCCIÓN Los hidratos de carbono o sacáridos son moléculas biológicas simples en cuanto a su composición química, sin embargo desempeñan funciones vitales fundamentales. La denominación de hidratos de carbono, se debe a que la mayoría de ellos responde a la fórmula estequiométrica (CHzO) n, si bien algunos pueden estar modificados conteniendo otros grupos como fosfato, sulfato o amino (Recuadro 2-1). Las unidades monoméricas de los hidratos de carbono son los monosacáridos; la unión de dos monosacáridos forma los disacáridos. Cuando se unen pocas unidades monosacáridas se denominan oligosacáridos (del griego oligo, poco), y polisacáridos cuando se unen muchos monómeros (del griego poli, mucho). Los hidratos de carbono desempeñan funciones muy variadas en los seres vivos, y juegan un papel central en el ciclo energético de la biosfera. Mediante la fotosíntesis , las plantas captan e~ dióxido de carbono (COz) de la atmósfera y se fija en los hidratos de carbono. Estos se almacenarán en las plantas en forma de polisacáridos (almidón) que serán la fuente de carbono para los animales .. Mediante la respiración, tanto las plantas como los animales oxidarán estos hidratos de carbono para obtener energía y devolverán a la atmósfera el COz. Sin embargo ésta no es la única función de los hidratos de carbono, puesto que también tienen un importante papel en la formación de estructuras que protegen a las células, como la celulosa de las células vegetales, los polisacáridos de las paredes bacterianas y los exoesqueletos de los artrópodos. Una tercera función no menos importante es la que desempeñan los sacáridos unidos a proteínas o lípidos de la superficie celular, siendo unos de los actores principales en la comunicación celular. 0 MONOSACÁRIDOS Los monosacáridos se clasifican según sus car~cterísticas químicas / Los monosacáridos son los azúcares más simples, las unidades monoméricas de todos los hidratos de carbono. Se sintetizan a partir de precursores que se obtienen de COz y el HzO por medio de la fotosíntesis. Los organismos heterótrofos (como los animales) obtienen los monosacáridos de los nutrientes. En los capítulo 12 y 13 se de-tallarán todas las vías metabólicas implicadas en ambos procesos de síntesis y degradación de los monosacáridos. La principal característica de los monosacáridos es que responden a la fórmula (CHzO),, encontrándose n en un rango de 3 a 7. Químicamente los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Su clasificacJón se basa atendiendo al grupo carbonilo (e= o) ' es decir' si este grupo es un aldehído (aldosas) o bien una cetona (cetosas), así como al número de átomos de carbonos. De esta forma, los monosacáridos más pequeños se denominan triosas, y se indica si se trata de un aldehído o una cetona con el prefijo correspondiente. Así tendremos aldotriosas, aldotetrosas, aldopentosas, aldohexosas, aldoheptosas (Fig. 2-1), y lo mismo con las cetosas: cetotriosas, cetotetrosas, etc. (Fig. 2-2). Existen muchos monosacáridos de importancia biológica, pero sin duda la glucosa es el más importante, es el más abundante en la naturaleza, y el que juega un papel central en el metabolismo celular, además de ser el monosacárido principal en la m ayoría de los polisacáridos. Otras aldohexosas importantes son la galactosa y la manosa. Entre las <;:etohexosas la más abundante en la naturaleza es la fructosa. También dentro de las aldopentosas se encuentran moléculas de enorme interés biológico, como la ribosa, por formar parte de importantes nucleótidos (como el ATP) y de los ácidos ribonucleicos. Los monosacáridos presentan isomería Si se atiende a la fórmula química de las triosas, (CHz0) 3 , se observa ,que es válida tanto para las aldotriosas como para las cetotriosas. Sin embargo la posición del grupo carbonilo cambia del carbono 1 en la- aldotriosa (gliceraldehído) al carbono 2 en las cetotriosa (dihidroxiacetona). Ambas moléculas son, por lo CAPÍTUL0.2. HIDRATOS DE CARBONO eH O 1 He OH 1 eHpH 25 Aldotriosa o-Gliceraldehído eH O 1 He OH 1 HCOH eH,OH eH O 1 HOeH He OH CH 20H o-Eritrosa o-Treosa + eH O 1 1 • ' eHO He OH 1 He OH 1 He OH 1 eH,OH HOCH 1 He OH 1 HCOH 1 e H20 H o-Ribosa (Rib) o-Arabinosa o-Xilosa 1 1 1 + eH O eH O HCOH 1 HCOH 1 He OH 1 He OH 1 eH,OH CHO 1 HOCH 1 HCOH 1 HCOH 1 He OH 1 eH,OH HCOH 1 HOCH 1 HCOH 1 He OH 1 eH, OH o-Alosa o-Altrosa o-Glucosa 1 + eH O • 1 • 1 eH O 1 HCOH 1 HOe H 1 He OH 1 eHpH 1 1 Aldotetrosas 1 1 CHO HOe H HOeH He OH eH, OH o-Lixosa 1 1 Aldopentosas 1 1 • 1 J ,.. HOe H 1 HOe H 1 He OH 1 HCOH 1 eH,OH eH O 1 He OH 1 He OH 1 HOe H 1 He OH 1 CH 20H eH O 1 HOeH 1 He OH 1 HOeH 1 He OH 1 CH 20H eH O 1 He OH 1 HOeH 1 HOeH 1 He OH 1 eH, OH e HO 1 HOe H 1 HOe H 1 HOe H 1 He OH 1 e H20H o-Manosa o-Gulosa o-Id osa o-Galactosa o-Talosa 1 Aldohexosas Figura 2-1. Familia de las o-aldosas. A medida de que se adiciona un carbono por debajo del grupo carbonita en la serie o-aldosa (triosas, tetrosas, etc.), se generan dos nuevos diasteroisómeros. Se marcan en rojo los carbonos asimétrie0s y se recuadran los monosacáridos más comunes en los sistemas biológicos. No se representa la configuración L, que sería la imagen especular de las formas o. Se señala en azul el grupo OH qüe inarca la configuración o. tanto, isómeros estructurales, porque tienen la misma fórmula química pero se diferencian en la localización de sus átomos y grupos funcionales (Fig. 2-3) . Una característica fundamental de los monosacáridos (a excepción de la dihidroxiacetona) es que presentan esteroisomería, debido ·a la presencia de carbonos asimétricos, es decir, son moléculas quirales (quiral: del griego quiros, m ano) . Este término se emplea para moléculas que son imágenes especulares no superponibles, como ocurre con nuestra manos. Al mirar el gliceraldehído, se puede observar que el carbono situado en posición 2 (C-2) es un carbono asim étrico, también denominado centro quiral, es decir, aquel que tiene cuatro sustituyentes diferentes, por lo tanto el gliceraldehído tiene dos posibles isómeros 'ópticos del tipo enantiómero (Fig. 2-4). Dos enantiómeros son indistinguibles desde el punto de vista químico y comparten casi todas las propiedades ·físicas. Estas dos moléculas sólo difieren en la forma en que interaccionan cop la luz polarizada diferenciándose por el grado de rotación del plano de la luz, medido por un polarímetro. Pero lo que es más importante desde el punto de vista biológico, es que únicamente un enantiómero podrá interaccionar (encajar) con otra molécula que también sea quiral, por ejemplo, el centro activo de una enzima. Como la mayoría de las moléculas biológicas son quirales, la unión de una enzima solo reconocerá a un único tipo de enantiómero (Recuadro 2-2) . En la la figura 2-1 se observa que a medida que aumenta el ·n úmero de carbonos, el monosacárido podrá adoptar un mayor número de configuraciones espaciales. Cadá centro quiral tendrá dos posibles configuraciones, denominadas D o L. Por lo tanto una molécula con n centros quirales tendrá 2" posibles este- ·. c:J"Los enantiómeros son moléculas cuya imagen especular no es superponible. En la naturaleza solo un enantiómero es biológicamente activo. ( jla presencia de carbonos asimétricos determina que los monosacáridos presenten esteroisomería. 26 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA CH 20H 1 C=O Isómero estructural Enantiómero Cetotriosa 1 CHO CH 20H CHO Dihidroxiacetona Cetotetrosas 1 L-Glucosa • CH, OH CH, OH 1 1 1 1 HCOH 1 HCOH 1 HOCH 1 HCOH 1 HCOH 1 1 CH ,OH o-Psicosa CH 20H 1 C=O 1 HCOH 1 HOCH - 1 HCOH 1 CH,OH CH,OH o-Fructosa o-Sorbosa 1 1 HOCH 1 OCli 1 1 HCOH 1 1 CH 20H o-Xilulosa t 1 HCOH HCOH 1 CH,OH o-Ribulosa CHO OClj 1 1 Diasteroisómero: Epímero CHO 1 HCOH CH,OH 1 Cetopentosas • CH 20H 1 1 HOCH 1 HOCH CH,OH o-Talosa C=O Cetohexosas 1 HCOH • Diasteroisómero 1 HOCH HCOH HCO H o-Fructosa 1 HOCH 1 HCOH ' o-Glucosa 1 C=O 1 CH,OH :HOC 1 C=O 1 CH,OH t o-Eritrulosa 1 HCOH 1 CH,OH CH 20H 1 HCOH 1 C=O HCOH 1 HCOH ' 1 HCOH C=O 1 HOCH 1 1 CH ,OH 1 1 ~ C= o C=O HOCH CH,OH 1 CH,OH 1 HCOH o-Galactosa Figura 2-3. Diferentes isómeros de la glucosa. La diferente posición del grupo carboni lo en la fructosa lo convierte en un isómero estructural o funcional. La imagen especular de la o-gluco ~ a es su enantiómero, la L-glucosa; la o-galactosa es un epímero, mientras que la o-talosa es un diasteroisómero con más de un C asimétrico en diferente configuración . 1 CH,OH o-Tagatosa Figura 2-2. Serie de las o-cetosas. Para moléculas con el mismo número de carbonos que en la serie de las aldosas, el número de carbonos asimétricos (en rojo) es menor y, por lo tanto, también los posibles isómeros_ Se recuadran los monosacáridos más comunes en los· sistemas biológicos. Recuadro 2-2. Convención de Fischer ¿Qué puede ser más semejante a mi mano o a mi oreja y más igual en todas sus partes que su imagen en el espejo? Y, sin embargo, yo no puec do colocar la mano que se ve en el espejo en el lugar de la original. Kant, lmmanuel, Prolegómenos a toda metafísica del porvenir. Se utiliza la convención de Fisher para describir las diferentes formas de las moléculas quirales. Se emplea como molécula de referencia el gliceraldehído. El o-gliceraldehído y su enantiómero L-gliceraldehído desvían el plano de la luz polarizada en los mismos grados pero en direcciones opuestas; la forma o provoca rotación a la derecha (o de dextro, derecha) y la L a la izquierda (L de levo , izquierda) (Fig. 2-4). Fischer propuso la notación abreviada para representar las configuraciones de las moléculas con centros quirales, conocidas como proyecciones de Fischer. En esta representación los enlaces horizontales se extienden sobre el plano del papel y los verticales lo hacen por debajo. Cualquier molécula que presente centros quirales se puede representar de esta forma , sin embargo cuando la molécula tiene más de un carbono asimétrico, como ocurre en los monosacáridos, la forma o se asigna a la disposición del C asimétrico que esté más alejado del C primario. En este caso la molécula con configuración o no necesariamente desviará el plano de la luz polarizada a la derecha sino que se denomina o por comparación con el o-gliceraldehído, según la convención de Fisher. L-Gliceraldehído o-Gliceraldehído \ o ~~Í\ 1 x 1 1 x 1 Figura 2-4. Isómeros ópticos del gliceraldehído. Se representan los enantiómeros según la proyección de Fisher, y se compara su naturaleza quiral con la disposición de las manos. En el caso de gliceraldehído la forma o desvía el planb de la luz polarizada a la derecha (+) y la forma L a l ~ zquierda (-). Se representa la importancia de la quiralidad en una molécula con actividad biológica. CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO rotsomeros. Existen cuatro centros quirales en las aldohexosas, luego habrá 2 4 = 16 esteroisómeros, sin embargo en la naturaleza se encuentra solo las ocho configuracio nes o ya que, como se ha comentado, únicamente es activo uno de los dos posibles enantiómeros (véase Recuadro 2-2). Todo esteroisómero que no sea enantiómero se denomina diasteroisómero (véase Fig. 2-3). Cuando miramos la glucosa vemos que se diferencia de la galactosa y la manosa en la disposición de uno solo de los centros quirales; este tipo de diasteroisómeros se denominan epímeros. Para que en la célula un epímero se convierta en otro (p.ej. una glucosa en gabctosa), se tiene que romper y formar un nuevo enlace, por lo que es necesaria que esta reacción esté catalizada por una enzima. 27 O En la naturaleza sólo un enantiómero es biológicamente activo. Los monosacáridos en solución presentan un nuevo centro quiral Los monosacáridos en solución acuosa pueden adoptar una forma ciclada cuando uno de sus grupos hidroxilo reacciona con el grupo carbonilo, sea aldehído o cetona, de su misma molécula, y forman un enlace denominado hemiacetal o ~ /H ----" R- O, / H hemicetal, respectivamente (Fig. 2-5). Así, una molécula de seis carbonos con R- OH R' -e ~') ,---e ~o R'/ ' oH cuatro centros quirales, al adoptar la forma ciclada presentará un quinto centro + quiral en el carbono que proviene del grupo carbonilo (C-1 si es aldehído y Alcohol Aldehído Hemiacetal C-2 si proviene de una cetona), pudiendo ahora adoptar dos posibles configuraciones. R- 0 R" ~ R" . ' e/ ----" R- OH + R' -e .(.' ) .,---_ Los azúcares de seis o más carbonos adoptan una forma de anillo de seis R'/ ' oH o miembros y se conocen como piranosas, por analogía a la molécula de pirano. Alcohol Cetona Hemicetal Las cetosas de seis carbonos y las aldosas de cinco adoptan la forma de un anillo de cinco miembros denominándose furanosas , por analogía al furano (Fig. 2-6) . Figura 2-5. Reacción hemiacetal y hemiLos nuevos esteroisón;J.eros se denominara anómeros y se diferencian en la · cetal. El enlace entre un alcohol con un grupo aldehído (hemiacetal) o una cetona disposición del grupo OH del nuevo carbono asimétrico denominado carbono (hemicetal) es muy común en pentosas y anomérico. Sólo varía la configuración de este carbono, quedando los sustituhexosas en disolución. yentes de los demás centros quirales en la misma disposición. Si el OH está en el lado opuesto del anillo del grupo CH 20H que designa la configuración o o L (C-5 en hexosas) se denomina anómero a y si están al mismo lado del plano se denomina anómero ~. Como normalmente la configuración o se representa con el C-5 en la parte superior del anillo, la configuración a presentará el OH debajo del plano y la ~ por encima. Los dos anómeros de la o-glucosa tienen propiedades físicas y químicas diferentes, entre los que se incluye la capacidad de desc:flos monosacáridos en solución viar el plano de la luz polarizada. Se observa que en solución acuosa los anómeacuosa adoptan una configuración ros se interconvierten libremente (mutarrotación), llegando al equilibrio; por ciclada que presenta un nuevo carejemplo, a partir de la o-glucosa se obtiene una mezcla de 63,6% de la forma~ bono asimétrico denominado anoy un 36,4% del anómero a, estando la forma lineal presente en muy poca promérico. porción (Fig. 2-?a). (a) H '-.J O 6 'e H-e - OH 1 'Ho 2 e-H 4 1 H-e - OH S 1 eH,OH 6~H,O~ 7/ 4e H 7 e=O 1 1\0H H/ ' ' OH 1 1 3e - e 1 H-e - OH 61 eH,OH H reacción ~ ' eH,OH 1 ' e=o 3 1 4 1 S 1 OH-e-H 21 H-e-OH H-e - OH 61 eH,OH o-Fructosa H H , OH 2 o Pira no OH a:-o-Glucopiranosa (Proyección de Haworth} t8 ' eH,OH 1 ______,. e=O , - HOH 2 l\7 / 2 H9 4e - e 3 1 1 OH H ~H 3 H OH HOH,e 6 _.,...... OH 1 se / H 4 HO o-Glucosa (b) 4) 1 se -OH 2 1 reacción hemicetat 5 1 6 O ' 'eH,OH 2 H H HO OH 4 3 OH H " a:-o-Fructofuranosa (Proyección de Haworth) lt· o o. Fu rano 1' F igura 2-6. o-glucopiranosa_ y o-fructofuranosa. Formación de moléculas cicladas a partir de las formas lineales de la o-glucosa (a) y o-fructosa (b). Las fórmulas se representan en proyección de Haworth: los lados del anillo más cercanos al lector se representan con trazos gruesos. La disposición de los grupos hidroxilo ·por debajo del plano del anillo é n este tipb de representación corresponde con la pos ición a la derecha en las proyecciones de Fisher. Se compara con las moléculas de pirano y furano. -1 28 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Figura 2-7. (a) Formas anoméricas de la o-glucopiranosa. Proceso de mutarrotación en el que se produce una interconversión de la forma a a la ¡3, posiblemente a través de un paso por la forma lineal. Estos anómeros sólo se diferencian en la configuración del carbono anomérico (C-1 ). (b) Dos posibles conformaciones en silla de la ~-o-glucopi­ ranosa. Se indica en rojo los sustituyentes en posición ecuatorial. (a) H O ~.JI 4~ · ·,;:,0: ", HO OH 3 H 'e 2 6 1 H-C-OH 3 1 HO-C-H 4 1 2 H-C-OH OH H-C-OH 5 1 a-o-glucopiranosa 6 1 CH 2 0H ~ CHPH ~ 4 ~H O OH H HO 3 H , H 2 OH ~-o-glucopiranosa o-Glucosa (forma lineal) (b) H HO OH c:f Configuración vs conformación. Para que una molécula cambie de configuración, se debe romper alguno de sus enlaces covalentes . Pasar de un enantiómero a otro requiere cambio de disposición de los sustituyentes del centro quiral mediante cambio de un enlace covalente. Sin embargo, para pasar de una conformación a otra no es necesario romper ningún enlace covalente. Son adaptaciones de la molécula en el espacio. La representación de los anillos según la Proyección de Haworth, simula un anillo plano para las formas pirano y furano. Sin embargo, debido a la estructura tetraédrica del carbono, estas estructuras cíclicas adoptan conformaciones más estables termodinámicamente, denominadas conformación en silla. La disposición de los sustituyentes en el plano axial o ecuatorial (según un eje de referencia perpendicular al anillo) dependerá de lo voluminosos que sean los sustituyentes del carbono, y tendrá gran influencia en la disposición espacial y, por lo tanto, en la función que desempeñará en la célula (Fig. 2-7b). los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades Considerando las posibles reacciones químicas que pueden realizar los grupos funcionales presentes en los monosacáridos: grupos hidroxilo, carbonilo (ceto o aldehído) y hemicetal o hemicetal; podemos analizar aquellas modificaciones que sufren algunos ·monosacáridos en la célula y que adquieren cierta importancia biológica (Fig. 2-8) . · Oxidaciones c:f Debido al poder reductor de los monosacáridos las pruebas de identificación de los azúcares se basan en su capacidad de reducir reactivos con Cu 2+ provocando un cambio de color fácilmente medible. Si la oxidación la sufre el grupo aldehído, convirtiéndose en un grupo carboxilo, se produce un ácido aldónico, como es el caso del glucónico en la oxidación del C-1 de la glucosa (se añade el sufijo -ónico después del nombre de la aldosa que proviene). La capacidad de ser oxidados hace que los monosacáridos tengan poder reductor, siendo ésta una de las características distintivas de estas moléculas para su identificación por métodos bioquímicos. Ya que todos los monosacáridos tienen poder reductor, todos podrán reducir algún agente químico como los 2 iones de Cu +, haciendo que el cambio de color del precipitado de cobre revele la presencia de monosacáridos en la muestra a determinar. Si la oxidación la sufre un alcohol primario de las aldosas (C-6) se convierte en un ácido urónico, como el glucurónico en el caso de la glucosa (añadiendo ahora el sufijo -urónico después del nombre de la aldosa que proviene). En este caso puede presentarse en forma ciclada, y es un azúcar ácido muy frecuente en , los polisacáridos presentes en las células animales. En condiciones fisiológicas estará ionizado presentando carga negativa, denominándose glucuronato. Puede existir la oxidación de los dos carbonos de los extremos, y entonces aparace la forma aldárica, con dos grupos carboxilos. Las lactonas son una fony a ciclada, pero en este caso mediante un enlace éster, entre el carboxilo oxidado del carbono 1 y un alcohol de la misma molécula, normalmente el carbono 5. Un ejemplo ~ lactona es la vitamina C o ácido ascórbico. CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO REDUCCIÓN OXIDACIÓN O 1 ¡,r H 1 'e 2 1 3 1 2 1 4 1 S 1 6 HOCH 3 1 4 1 ' 1 Glicerol H H OH OH i H - mio-inositol = ="= ESTERIFICACIÓN H ~H HO Azúcares alcohol Ácido o-Glucurónico li: 11 -o - ~ -0~-CH, -o H - HOH,~OOH H OH H HO OH o-Glucono-5-lactona Desoxiazúcar o ·: OH CH,OH Sorbitol COOH OH 1 CH,OH 1 : ~:"e( ~:'-o oqo~ Ácido o-Gluconato 1 H-C-OH HCOH S 1 6 CH, OH 1 Azúcares ácido H HCOH H-C-OH CH,OH Ácido o-Glucónico 1 1-' H-C-OH 1 HO 1 H-C-OH HO-C-H H-C-OH HCOH ¡,[, HO-C-H H-C -OH ¡ CHP H ~/ COOH H-C -OH 29 OH H i' H OH H H OH H H ¡3-o-2-desoxirribosa OH a:-o-glucopiranosa-6-fosfato = AMINOAZÚCAR Hr{it H NH 1 a:-o-Glucosamina TOOH } Residuo de T=O ácido pirúvico H~:~ ~H H NH 1 a:-o-Galactosamina CH 1 l O H-C-OH 11 1 CH3-~- H CH - C- NH -C-H 3 1 HO -C-H 1 HC -OH H o· : · O COOH H H OH H . OH Ácido N-acetilneuramínico (forma piranosa) N-Acetilmanosamina 1 1 H-C-OH C-OH R= 1 CH,OH 1 H-C-OH 1 Ácido N-Acetilneuramínico CH,OH Figura 2-8. Diferentes modificaciones de monosacáridos. Se muestra las moléculas de monosacáridos modificados de mayor relevancia en los sistemas biológicos. Se indica en rojo las modificaciones en comparación con la molécula original. Reducciones Los grupos aldehído y cetona pueden sufrir también reacciones de reducción a grupos alcohol. Existen muchos azúcares alcohol, alditoles, presentes en la célula, como el glicerol, el mio-inositol, que forma parte de varios lípidos de membrana, el ribitol, componente de la flavina adenindinucleótido (FAD). Otros alditoles se utilizan como edulcorantes, como el xilitol, y el sorbitol, por reducción de la glucosa. Otra forma reducida de los monosacáridos son los desoxiazúcares, donde se ha sustituido un grupo OH por un H. El desoxiazúcar más importante es la ~-n-2-desoxirribosa,' por ser el azúcar presente en los nucleótidos que forman el DNA. Esterificación Los numerosos grupos hidroxilos presentes en los monosacáridos permiten la unión mediante enlaces éster de un ácido fosfórico, formando los azúcares fosfato, de gran importancia biológica dado su alto valor energético. Importantes intermediarios metabólicos de la oxidación de la n-glucosa son la n-glucosa 6-fosfato y la n-gliceraldehído 3-fosfato. Además, la n-ribosa y n-desoxirribosa también son esterificadas para ser incorporadas en la síntesis de los ácidos nucleicos. ;., 30 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Es importante resaltar que la esterificación se produce no por una incorporación del ácido fosfórico, sino más bien, por una transferencia del grupo fosforilo en una reacción catalizada por enzimas denominadas quinasas. Aminoazúcares Cuando se produce la sustitución del grupo OH del C-2 de un carbohidrato por una amina (- NH 2), se obtiene un aminoazúcar. La o-glucosamina y la o-galactosamina son aminoazúcares muy frecuentes en polisacáridos. Además, estas aminas pueden acetilarse mediante enlaces amida, convirtiéndose, por ejemplo en N-acetilglucosamina. Otro derivado aminado importante es el N-acetilmurámico, ~minoazúcar que tiene un ácido carboxílico de tres carbonos (ácido láctico) esterificado en el C-3 del azúcar. Veremos posteriormente que éste es un componente de la pared de las bacterias. Un derivado aminoazúcar ácido importante por estar presentes en muchos componentes glucoconjugados y glucolípidos de las membranas de células animales es el N-acetilneuramínico; éste y sus derivados se nombran como ácidos siálicos. 0 OLIGOSACÁRIDOS Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico Una reacción muy importante que no se ha descrito hasta ahora, es la que produce la unión covalente de dos azúcares, mediante un enlace de condensación. La reacción entre un hidroxilo cualquiera de un monosacárido con el grupo OH del carbono anomérico (C-1 en aldosas y C-2 en cetosas) de un azúcar diferente, producirá la unión mediante un enlace o-glucosídico de los dos monosacáridos. En la célula, este enlace de condensación será catalizado por diferentes enzimas, de acuerdo con los azúcares que intervengan en la reacción. Las enzimas distinguen no solo el tipo de azúcar sino también el tipo de anómero. Una vez enlazado un anómero, por ejemplo a-o-glucosa a un hidroxilo de otro monosacárido, que podría ser el- OH del carbono 4, la posición del carbono anomérico quedará fijada. En este caso el enlace se denominará (a1-74) . La hidrólisis de este enlace en condiciones fisiológicas será muy lenta en ausencia de la enzima adecuada. La unión de dos· monosacáridos mediante este tipo de enlace permitirá la extensión de la molécula, ya que quedará libre siempre un- OH del carbono anomérico para iniciar otro enlace o-glucosídico y podrá, por lo tanto, formar oligosacáridos o polisacáridos, dependiendo de si se unen pocas o muchas unidades. Este tipo de enlace se denomina monocarbonílico, ya que solo uno de · los- OH del enlace es aportado por un carbono anomérico (derivado del carbonilo). Sin embargo, si la unión entre dos monosacáridos se realiza aportando ambos azúcares su ~OH del carbono anomérico se producirá un enlace dicarbonílico, imposibilitando que el disacárido siga extendiéndose, y perdiendo también su poder reductor. Otro tipo de enlace glucosídico es el que tiene lugar entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico y una amina cualquiera. En este caso se formará un enlace N-glucosídico. Los nucleótidos son moléculas de gran importancia biológica en el que interviene este tipo de enlace donde se produce la unión de una amina de la base nitrogenada a un -OH del carbono anomérico de la ribosa o de la desoxirribosa (Fig. 2-9). Las proteínas también pueden establecer uniones covalentes de este tipo con los azúcares. Para establecer un enlace 0-glucosídico, la proteína debe aportar al enlace un grupo hidroxilo de alguno de los radicales de sus aminoácidos, y se producirá un N-glucosídico si el radical del aminoácido aporta una aniina (véase Fig. 2-15). El azúcar siempre deberá aportar al enlace un grupo hidroxilo de un carbono anomérico. Los disacáridos pueden ser reductores o no reductores La unión de dos monosacáridos mediante el enlace o-glucosídico producirá una gran variedad de disacáridos, dependiendo de los monómeros que participen en CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO vF:~ H~CH~3 ~------J + CH, OH HOHoH H 31 H OH a-o-Glucosa OH Metil-a-o-glucósido N;: o~NJ . HOH 2 C~ Base nitrogenada H H H OH OH OH Nucleósido el en lace y los grupos que reaccionen en el mismo. Los disacáridos más comunes en la naturaleza son los que se forman por unión de, al menos, una molécula de o -glucosa (Fig. 2-10). El simple hecho de que la unión fije un tipo de anómero a o ~, producirá un disacárido diferente, con diferentes características físicas, químicas y, por lo tanto, biológicas. Por ejemplo la unión de dos moléculas de o -glucosa mediante enlaces (al~ 4), produce el disacárido maltosa, pero si la unión es de tipo a (~1 ~4) se produce la celobiosa. Ambos son disacáridos que se obtienen como productos de degradación de polisacáridos; la maltosa del alm idón y la celobiosa de la celulosa. Los humanos podemos digerir con facilidad la m altosa, ya que tenemos enzimas que hidrolizan este tipo de enlaces (al~ 4), sin embargo no somos capaces de digerir la celobiosa ya que carecemos de enzim as hidro líticas que rompan enlaces (~ 1 ~ 4). T ambién son importantes los disacáridos formados por unidades monosacáridas diferentes, como son la lactosa y la sacarosa. La lactosa o azúcar de la leche está formada por uniones (~1 ~4) entre galactosa y glucosa, aportando la galactosa el carbono anomérico y quedando libre el carbono anomérico de la glucosa. Es, por lo tanto, un azúcar reductor, como la maltosa y la celobiosa. En todos estos casos el enlace que se ha formado es o-glucosídico monocarbonílico. El disacárido más abundante en la naturaleza es la sacarosa, formada por la unión entre la glucosa y la fructosa mediante enlace (al ~~2); es decir, ambos azúcares aportan al enlace los carbonos anoméricos, formando un enlace dicarbonílico, y quedando en consecuencia el disacárido sin poder reductor, o azúcar n o reductor. La sacarosa es la forma en que los hidratos de carbono son transportados por las plantas y nos resulta familiar ya que es el azúcar de mesa com ún. Los oligosacáridos aportan "información" a las moléculas que los portan Existen en la naturaleza gran heterogeneidad de oligosacáridos según la naturaleza de las moléculas que lo formen y el tipo de enlace o-glucosídico que los una; así podrán formarse uniones (1 ~ 2), (1 ~ 3), (1 ~ 4), (1 ~ 6), etc. También puede ocurrir que un mismo monosacárido se enlace a tres moléculas formando una ramificación (véase Fig. 2-15). Consecuentemente un oligosacárido se identificará por las moléculas que lo formen, por su secuencia, las formas anoméricas y los enlaces que lo comprendan. Esta rica variedad de formas aporta una importante información a la molécula que lleve unido el oligosacárido, ya que este tipo de moléculas suele asociarse a proteínas o a lípidos. Una característica importante en la naturaleza de los monosacáridos que forman estas estructuras oligosacáridas es la aparición de azúcares complejos, es decir de monosacáridos modificados como la N-acetilglucosamina, el N-acetilneuroamínico y los azúcares ácidos; que incorporan a la moléculas· diferentes Figura 2-9. Enlace o-glucosídico y N-glucosídico. Formación del enlace o-glucosídico entre el carbono anomérico del monosacárido y un alcohol, en este caso el metano!, y un N-glucosídico con un grupo amino de una • base nitrogenada. Maltosa a-o-glucopiranosil-(1 ~ 4)o-glucopiranosa Lactosa (forma j3) 13-o-galactopiranosil-(1 ~ 4)¡3-o-glucopiranosa Gal(j31 ~4)Glc H OH o 0 2 HOH C~ ~ S H HO H 2 CHPH 4 OH 3 1 H Sacarosa a-o-glucopiranosil-(1 ~ 2) ¡3-o-fructofuranosa Figura 2-10. Disacáridos de importancia biológica. Se muestra la formación del disacárido maltosa por enlace o-glucosídico, así como otros disacáridos, como lactosa y sacarosa, por proyecciones de Haworth, con sus nombres comunes y los sistemáticos. 32 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA grupos funcionales en muchos casos con carácter ácido (cargados negativamente a pH fisiológico) (véase Fig. 2-8). 0 Ó la porción oligosacárida de una glucoproteína o de un glucolípido provoca que dicha molécula adquiera una compleja estructura "rica en información". POLISACÁRIDOS La mayoría de los hidratos de carbono se encuentran en la naturaleza formando polímeros de gran masa molecular y tamaño, es decir, en forma de polisacáridos, también denominados glucanos. Si atendemos a la naturaleza de los monosacáridos que los componen, se podrán clasificar en homopolisacáridos, formados por el mismo tipo de monosacáridos, o heteropolisacáridos, si lo están por diferentes monosacáridos. Además, también podrán diferir en la longitud y disposición de las cadenas; en forma lineal o ramificada, según cómo estén enlazados. Sin embargo, en este apartado los clasificaremos según la función que desempeñan en la naturaleza: función de reserva energética o por la capacidad de formar estructuras. Los polímeros de glucosa con enlaces tipo a son la reserva energética de los organismos Ó Todos los polisacáridos de reserva unen sus unidades de glucosa mediante enlaces o-glucosídicos tipo a. Ó una gran ventaja de almacenar la glucosa en forma de glucógeno es que esta forma molecular tiene una osmolaridad muy reducida. La principal manera que tienen los organismos de almacenar la glucosa cuando no la necesitan es crear grandes polímeros, que se acumulan en forman de gránulos en el interior de las células. Las plantas la almacenan en forma de almidón, y los animales en forma de glucógeno. Las bacterias y levaduras también almacenan la glucosa en diferentes polisacáridos denominados dextranos. El almidón está formado por dos polímeros, la amilosa y la amilopectina. La amilosa es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces (al~ 4), mientras que la amilopectina está ramificada. En este caso las glucosas están unidas también por (al ~4), pero aparecen ramificaciones cada 24-30 residuos (Fig. 2-11). La ramificación se produce por la posibilidad de _una glucosa de establecer mediante un enlace (al~ 6) otro enlace glucosídico con una cadena de glucosas. La mayoría de las células vegetales sintetizan almidón, que se almacena en gránulos, pero es especialmente abundante en la patata, arroz y semillas. El glucógeno es el poli~acárido de reserva principal de las células, animales. Está altamente ramificado, cada 8-12 residuos de glucosa unidas por enlaces (al~ 4) aparece una ramificación mediante enlaces (al~ 6). Esto hace que sea más compacto que el almidón. Tienen una masa molecular muy alta, pudiendo alcanzar varios millones. Se almacena principalmente en el hígado y en el músculo en forma de gránulos, donde se acumulan varias moléculas individuales de gran tamaño. Si se observa la figura 2-11 se puede apreciar que cada rama tiene un extremo no reductor, sin embargo cada molécula completa de glucógeno solo presenta un único extremo reductor. Las enzimas que se encargan de eliminar las moléculas de glucosa desde los extremos no reductores pueden trabajar a la vez (una molécula de enzima por cada rama) haciendo que la obtención de glucosa a partir del glucógeno cuando la célula lo requiere sea muy rápida. Una gran ventaja de almacenar la glucosa en forma de glucógeno es que esta forma molecular tiene una osmolaridad muy reducida, sin embargo si una célula tuviera que contener el mismo número de moléculas de glucosa en forma monomérica tendría una concentración de glucosa de 0,4 M. Esto provocaría la entrada masiva de agua para compensar la alta concentración de glucosa, o la salida de moléculas osmolarmente activas. Además, la diferencia de concentración tan alta dentro de la célula frente una baja concentración en el medio extracelular (5 mM en sangre en los mamíferos) induciría que la entrada de glucosa en la célula en contra de gradiente consumiera mucha energía. Los dextranos son polímeros de glucosa unidos por enlaces (al~ 6) con ramificaciones (al~ 3) , pudiendo también tener ramificaciones (al~ 2) y (al~ 4). Son sintetizados por bacterias y levaduras, y tienen una importancia relevante en la formación de la placa dental, dado su carácter pegajoso. Van a ser importantes en la formación del biofilm en la superficie del diente, lo que permitirá una adherencia y, por lo tanto, la colonización bacteriana. Estas bacterias utilizarán estos polisacáridos extracelulares como fuente de adhesión, pero CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE ~ARBONO (a) Extremo no reductor L J o 0 (b) o 33 Extremo reductor 0 (a.1 ~6) punto de ramificación e'''"' )Lo principal OH (e) Figura 2-11. Estructura de los diferentes polisacáridos de reserva. (a) Forma lineal de la amilosa. (b) Punto de ramificación mediante enlace (al ~6) entre dos moléculas de glucosa; esta unión se da tanto en la amilopectina como en el glucógeno. (e) Se muestran los puntos de ramifica- ción (verde) y los extremos no reductores (rojo), así como una representación de la alta ramificación en el glucógeno. también como fuente de nutrientes, ya que existen enzimas que pueden degradarlos en componentes monosacáridos que serán utilizados por las bacterias como fuente de energía. Las paredes celulares están formadas por polisacáridos con uniones tipo J3 Una característica común a todas los polisacáridos estructurales de los diferentes organismos es la presencia de enlaces glucosíd~cos tipo ~· La celulosa que forma la pared de las células vegetales y la quitina que forma el exoesqueleto de los artrópodos (como los insectos y crustáceos) son homopolisacáridos que forman estructuras insolubles, siendo muy abundantes en la naturaleza. La celulosa for- 34 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 2-3. Estrategias evolutivas La celulosa es el polisacárido más abundante en la naturaleza, sin embargo no puede ser utilizado como fuente de energía parac la mayoría de los animales. Esto es debido a que los animales no disponen de las enzimas necesarias para degradar los enlaces (~1 -->4) que mantienen unida.s las unidades de glucosa; a diferencia de lo que ocurre con enlaces tipo (al-->4) del almidón. Los rumiantes, que solo se alimentan de vegetales, han resuelto el problema y pueden obtener energía de las glucosas que forman la celulosa de las células vegetales de sus alimentos. Aunque no sintetizan las enzimas hidrolíticas, poseen multitud de microorganismos en uno de los compartimentos de su estómago, que sí son capaces de degradarla. Así, una vez hidrolizada la celulosa por los microorganismos, la glucosa liore puede ser asimilada por las células animales y obtener su energía almacenada. Los animales no rumiantes solo se pueden aprovechar de la celulosa de forma indirecta consumiendo la leche y la carne de los rumiantes. c::f-La diferencia entre la disposición de las moléculas de glucosa, mediante enlace tipo a en la amilosa o 1) en la celulosa, provoca una disposición diferente en el espacio, lo que determina su forma y, por lo tanto, la función que desempeña en la célula. ma parte de.las plantas leñosas, en particular, cañas, tallo y troncos; así, la madera y el algodón están constituidos principalmente por celulosa (Recuadro 2-3). La quitina también es muy abundante ya que forma los exoesqueletos de casi un millón de especies de artrópodos. La celulosa son polímeros lineales de glucosas unidas por enlaces (1)1 ~ 4); la quitina es prácticamente igual pero difiere en que la glucosa está N-acetilada en el carbono 2. Ambos polímeros son lineales y la disposición en el espacio de los anillos de piran o, unidos por enlaces (!) 1 ~ 4), experimenta una rotación de 180° con respecto a las moléculas vecinas produciendo una estructura extendida de largas fibras de celulosa. Además, la gran cantidad de grupos hidroxilos altamente polares permite una asociación mediante puentes de hidrógeno entre las diferentes moléculas de glucos~, tanto intracatenarios como intercatenarios, lo que produce estructuras muy rígidas y poco solubles en agua, ya que no disponen de grupos -OH libres para interaccionar con el agua (Fig. 2-12). Las bacterias también tienen paredes celulares rígidas formadas por polisacáridos unidos por enlaces tipo 1)(1 ~4). El peptidoglucano es un heteropolisacárido formado por moléculas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico unidas de forma alternada por enlaces 1)(1-4). Una particularidad de esta estructura es que las largas moléculas lineales de este heteropolisacárido se unen entre sí por enlaces covalentes; a diferencia de la celulosa o quitina que se asociaban por enlaces débiles de puentes de hidrógeno. Las uniones covalentes se realizan por un péptido (cadenas cortas de aminoácidos) que se unen a los grupos- OH de los azúcares. Esta estructura de cadenas de polisacáridos unidos por pequeños puentes de aminoácidos da una gran rigidez a la pared bacteriana, protegiéndola de los cambios externos a los que se exponen las células. La secuencia de los péptidos difiere entre las diferentes especies bacterianas. Además existen diferencias significativas entre la pared bacteriana de los dos grandes grupos clásicos de bacterias. Esta clasificación de bacterias Gram positivas y Cram negativas radica en la diferente forma de teñirse (y, por lo tanto, por su aspecto al observarse al microscopio) las paredes bacterianas; las bacterias Gram positivas y las Gram negativas van a tener una disposición diferente de las cadenas de heteropolisacáridos y también distinta manera de unirse por los péptidos. Otra particularidad de estas estructuras es que los péptidos alternan aminoácidos D y L, algo inusual en la naturaleza, donde solo existen aminoácidos en la configuración L, dando una ventaja a las bacterias ya que difícilmente serán atacadas por las enzimas celulares que únicamente son capaces de reconocer, y por tanto romper, enlaces entre L-aminoácidos (Recuadro 2-4) . (a) (b) Figura 2-12. Diferencias estructurales debido al tipo de enlaces a(1 --t 4) o ¡3(1--t 4). La disposición que adoptan en el espacio las moléculas de o-glucosa que forman la ami losa o la celulosa, promueven estructuras tan diferentes como hélices en el caso de la amilosa (a), o superficies formadas por cadenas de celulosa (b), mantenidas por puentes de hidrógeno. OHIIIIIIIIII~ IIIIIIIIIOH O o O lflflllflfiHO OH o OH \ CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO El agar es un polisacárido de las paredes de las algas rojas marinas; compuesde una mezcla de h eteropolisacáridos sulfatados. Su característica principal es fa capacidad de formar geles, lo que. se ha aprovechado. ~n los laboratorios de bioquímica para forma~ geles muy ~Idratados .que se u~Iliza? ~omo soporte en muchas técnicas separativas de gran Importancia en la bwqmmica como la elecrroforesis, o bien en las técnicas microbiológicas ya que el agar sirve como soporte para el crecimiento de colonias bacterianas en el laboratorio. 35 Recuadro 2-4. Defensa y Ataque 0 La pared de peptidoglucano n0 solo actúa protegiendo a la bacteria del medio externo, sino que sus componentes son responsables de la virulencia bacteriana, es decir, de la capacidad de producir enfermedad . Esto provoca que los componentes de las paredes bacterianas induzcan la respuesta inmune de los animales infectados, ya que son muy antigénicos. Los glucosaminoglucanos son los polisacáridos estructurales de tos t ejidos animales La presencia de uniones entre iJy L aminoácidos, es una manera de resistencia al ataque de las enzimas celulares. Sin embargo, la enzima Hsozima de las secreciones corporales, es capaz de degradar los enlaces 0-glucosídicos entre los dos monosacáridos del peptidoglucano; actuando como primera defensa bacteriana. Las células animales no requieren una pared rígida que las proteja de los cambios externos, como en los organismos unicelulares y en las plantas. Sin embargo, las células de los tejidos animales se encuentran embebidas en un material gelatinoso, la matriz extracelular, que mantiene unidas a las células y que está compuesta por u na red de moléculas d e heteropolisacáridos y proteínas fibrosas (como colágeno y elastina) y proteínas de anclaje a las células epiteliales (como la fibronectina y la laminina). La consistencia gelatinosa de la matriz es conferida por los heteropolisacáridos, denominados glucosaminoglucanos (GAG), altamente hidratados debido a su naturaleza ácida. Estos polisacáridos proporcionan a los tejidos resistencia a la compresión y rellenan los espacios intercelulares; además, su naturaleza porosa permite la difusión de nutrientes y oxígeno por los tejidos. La naturaleza de los diferentes tejidos conjuntivos dependerá de la proporción y el tipo de polisacáridos y proteínas fibrosas que contengan. En general los GAG son heteropolisacáridos formados por unidades disacáridas unidas por enlaces alternos. La unidad está formada por una N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina siendo el otro monosacárido que forma parte de esta unidad una ácido urónico, normalmente D-glucurónico o L-idurónico. Algunos presentan grupos sulfatos esterificados, que aumenta así las cargas negativas. Esta naturaleza ácida provoca una disposición en el espacio muy extendida de las grandes cadenas de polisacáridos para disminuir así la repulsión de sus cargas negativas. Además, estas estructuras promueven la asociación con moléculas que interaccionen electrostáticamente con ellas, siendo un papel muy importante de los GAG el reconocimiento específico de un gran número de ligandos. En la matriz extracelular los GAG se suelen unir covalentemente a proteínas formando proteoglucanos que se describen en el siguiente apartado. En la figura 2-13 se presentan los principales glucosaminoglucanos indicando la naturaleza de los monosacáridos que los componen, el tipo de enlace. El ácido hialurónico es uno de los principales GAG de la matriz extracelular, y forma grandes masas moleculares superiores a un millón. Además ocupa un gran volumen, debido al gran contenido de moléculas de agua que contiene, unidas por puentes de hidrógeno a los grupos OH y por atracción electrostática coo- CH,OH O Otras estrategias más efectivas, ha sLdo la utilización de antibióticos dirigidos c'O ntra la síntesis de peptidoglucano, como son la penicilina y sus d_erivados. La clasificación de bacterias en Gram positivas y Gram negativas radica en la diferente estructura del peptidoglucano de su pared. <~H•> H HO H OH O/ H o" NHCOCH 3 o-Glucuronato N-Acetil-o-glucosamina Ácido hialurónico o-Glucuronato N-Acetil-ogalactosamina-4-sulfato Condrotín-4-sulfato .; ' ( UNIVERSIDAD CES Un C'omp/'"QI>IUIJ tOitla Exclltncia H· H OH o-Galactosa H NHCOCH 3 N-Acetil-oglucosamina-6-sulfato Queratán sultato H OH L-lduronato NHCOCH 3 N-Acetil-ogalactosamina-4-sulfato Dermatán sulfato - Figura 2-13. Principales glucosaminoglucarios. ·se ' muestran las "uñidades repetidas de disacáridos, según . ·la naturaleza ·de los monosacáridos que los componen y el tipo de enlace. 36 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA O la gran resistencia de los tejidos cartilaginosos y la dureza del tejido óseo frente a la consistencia gelatinosa del humor vítreo del ojo, radica en la naturaleza de los hidratos de carbono de la matriz extracelular. por los grupos ácido del glucurónico. Los enlaces glucosídicos que mantienen unidos este polímero pueden ser degradados por la enzima hialuronidasa, que es secretada por algunas bacterias patógenas lo que les confiere una mayor facilidad para invadir los tejidos. 0 GLUCOCONJUGADOS La superficie celular y la matriz extracelular están compuestas de moléculas ricas en hidratos de carbono. En este caso, los azúcares están unidos covalentemente por proteínas o lípidos de membrana; siendo el glucoconjugado la molécula biológicamente activa. El papel de los azúcares en estas moléculas es el de transportar información: actúan en el reconocimiento y adhesión celular, migración celular, respuesta inmunitaria, etc. Los glucolípidos son moléculas de lípidos de la membrana (esfingolípidos) unidos covalentemente a oligosacáridos (y se comentarán en el capítulo 3); las glucoproteínas son proteínas unidas a oligosacáridos muy diversos y los proteoglucanos son proteínas que se unen específicamente a los polisacáridos GAG. La proporción glucídica es menor en las glucoproteínas que en los proteoglucanos, donde los GAG representan la mayor parte de su masa. El hecho de que los glucoconjugados siempre estén orientados hacia al exterior celular vienen determinado por su síntesis, ya que los oligosacáridos se adicionan durante el transporte desde su lugar de síntesis en el retículo endoplásmico (RE) y su paso por el aparato de Golgi. Los diferentes GAG generan una gran variedad de proteoglucanos En el apartado anterior se ha descrito la variedad de GAG; esto va a determinar que en las células de mamífero se puedan sintetizar hasta 30 tipos diferentes de moléculas de proteoglucanos. La unidad básica es una "proteína núcleo" a la que se une covalentemente uno o más GAG. Este GAG se une a una secuencia fija de la proteína núcleo, Gly-X-Gly-Ser. A excepción del queratán sulfato y del ácido hialurónico, el resto de los GAG se unen la proteína núcleo a través del puente trisacárido Gal-Gal-Xyl. El queratán sulfato también se puede unir a proteínas, pero lo hará directamente mediante enlaces N - u o-glucosídico, mientras que el ácido hialurónico, que es el GAG más largo, no parece formar proteoglucanos, aunque forma parte de estructuras ricas en proteoglucanos de la matriz (Fig. 2-14) . Existen varias familias de proteínas núcleo: las sindecán, son proteínas transmembranales que tienen unidos el sulfato de condroitina y el sulfato de heparán; los glupicanos, son una familia de seis miembros y están también anclados a la membrana, aunque en este caso a través de un lípido de membrana. Existen otras proteínas núcleo que se secretan al medio extracelular, formando parte de la matriz extracelular. Los proteoglucanos suelen sufrir transformaciones en las moléculas de azúcares, como epimerizaciones y sulfataciones. Se alternarán regiones en el GAG con dominios sulfatados (dominios S) con otros sin modificar. Los- patrones que aparecen en los proteoglucanos parecen ser muy importantes como aporte de información a la molécula. Se asociarán estos dominios con otras moléculas (p. ej., factores de crecimiento) provocando transmisión de información por cambios conformacionales que permitirán la unión de receptor y ligando. Algunas veces se pueden formar grandes agregados de proteoglucanos. Este es el caso del agrecán, una gran estructura que da consistencia, resistencia y tensión a la matriz del tejido conjuntivo de los cartílagos. El agrecán está formado por una única molécula de ácido hialurónico al que se unirán de forma no cavalente unas 100 proteínas de enlace, a su vez, unidas a proteínas núcleo de agrecán que tendrán unidas covalentemente, diferentes GAG (queratán sulfato y sulfato de condroitina) (Fig. 2-14). Esta estructura en forma de "escobilla o cepillo" estará cargada negativamente, debido a los grupos -coo- del ácido glucurónico y de los grupos -SO.j que también estará en su forma ionizada. Mantener la neutralidad eléctrica requerirá el reclutamiento de gran cantidad de contraiones, que llevarán asociada muchas moléculas de agua. Por otro lado, CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO 37 (a) (b) (e) N-oligosacáridos Queratán sulfato "'~&---- Condroitín sulfato Ácido hialurónico Figura 2-14. Diferentes estructuras de proteoglucanos. (a) Se muestra la unión de los GAG a una proteína núcleo mediante el trisacárido característico. (b) Un proteoglucano formado por una proteína transmembranal. (e) Una estructura de agrecán característica de la matriz extracelular del tejid o cartilaginoso. esta estructura está íntimamente asociada a las proteínas de colágeno de la matriz. Por lo tanto, combina la rigidez de las proteínas fibrosas, y la alta hidratación provocada por el agrecán, dándole flexibilidad y compresibilidad al tejido, lo que permite resistir la torsión y el choque. Las glucoproteínas contienen oligosacáridos ricos en información La adición de los oligosacáridos se realiza durante el proceso de síntesis de proteínas en el retículo endoplásmico (RE) . El destino final de la proteína (exportación hacia el medio extracelular, la membrana plasmática, los lisosomas, vesículas de transporte, etc.) vendrá determinado por la modificación que sufran los azúcares que se adicionaron en primer lugar en el RE. . . Las glucoproteínas siempre van a tener unidos covalentemente los oligosacáridos a un determinado aminoácido de la proteína. Si los azúcares se unen al aminoácido Asn la unión será de tipo N-glucosídico, ya que este aminoáCido aporta un grupo NH 2 al enlace con el carbono anomérico del azúcar. Si la unión se realiza mediante un enlace o-glucosídico se unirá el azúcar al grupo -OH de la Ser o de la Thr (Fig. 2-15). Aunque la porción azucarada de las glucoproteínas es mucho menor que la de los proteoglucanos, son estructuralmente mucho más complejos. Esto es debido a que los oligosacáridos pueden estar compuestos por monosacáridos diferentes y además presentar diversos enlaces glucosídicos, ( 1 ~ 2) , (1 ~ 3), (1 ~ 6), etc., con ramificaciones; siendo otra característica distintiva del enlace la configuración a o ~ del carbono anomérico. Además de la rica variedad de monosacáridos hay que tener en cuenta que éstos pueden ser modificados, por ejemplo por adición de grupos sulfato, haciendo que la estructura y la naturaleza química que adopte este oligosacárido contenga una gfan informació n. Esta estructura oligosacárida será una pieza fundamental de la glucoproteína, debido a la disposición espacial, para el reconocimiento por una proteína. Existen proteínas encargadas de reconocer específicamente y acoplar los oligosacáridos de los glucoconjugados, desencadenando respuestas fisiológicas tan variadas como las respuestas inflamatorias, señales de diferenciación celular, etc. (Recuadro 2-5). . Recuadro 2-5. Oligosacáridos como Antígenos y Marcadores celulares Las lectinas son proteínas capaces de reconocer y, por lo tanto, unirse a una porción oligosacárida, bien de una glucoproteína o de un lípido de la membrana celular. Este reconocimiento altamente específico, se caracteriza por uniones débiles, entre los aminoácidos de la lectina y los azúcares del oligosacárido. Muchos microorganismos invaden sus tejidos diana por este tipo de interacción. También la adhesión de los leucocitos a las células endoteliales en procesos de reparación de daño tisular se debe a este tipo de reconocimiento. Además, los oligosacáridos pueden ser reconocidos como antígenos específicos, siendo marcadores inmunoquímicos de gran importancia. Los antígenos de los grupos sanguíneos o los que provocan el rechazo de muchos trasplantes son porciones oligosacáridas de la parte externa de las células. 38 SECCIÓN l. LOS· MATERIALES DE LA CÉLULA Figura 2-15. Glucoproteínas. Se representan la variedad de los oligosacáridos que pueden unirse mediante enlaces N y o-glucosídico a proteínas. 1 Enlace o-glucosídico O 1 ~ 1 H~:~ 10-CH _¿H ~ NH CH 2 2 Ser 1 H 1 C=O 1 Os¡ CH 3 los azúcares se unen al radical NH 2 del aminoácido Asn la unión será de tipo N-glucosídico; si la unión se realiza mediante un enlace o-glucosídico se unirá el azúcar al grupo OH de la Ser o de la Thr. NAcGal ~ Asn e Glc • NAcGlc QMan 0Gal O NeuSAc ~ Fue ~ NAcGal CONCEPTOS CLAVE Los monosacáridos presentan un único grupo carbonilo (aldehído o cetona) y muchos grupos hidroxilos. o o o Los monosacáridos se clasifican en función de su grupo funcional en aldosas b cetosas (tabla resumen) . La presencia de carbonos asimétricos determina que los monosacáridos presenten esteroisomería. Los enantiómeros son moléculas cuya imagen especular no es superponible. En la naturaleza solo un enantiómero es biológicamente activo, siendo la forma o la presente en los hidratos de carbono naturales. o Los monosacáridos en solución acuosa adoptan una configuración ciclada que presenta un nuevo carbono asimétrico denominado carbono anomérico. o Debido al poder reductor de los monosacáridos, las pruebas de identificación de los azúcares se basan en su capacidad de reducir reactivos con Cu 2+ provocando un cambio de color fácilmente medible. o Los polímeros de monosacáridos (disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos) se forman mediante enlace o-glucosídico. o o Los polisacáridos de reserva unen sus unidades de glucosa mediante enlaces o-glucosídicos tipo a. El glucógeno es el polisacárido que almacéna la glucosa en las células animales, mientras que el almidón es el polisacárido de reserva vegetal. o Los polisacáridos estructurales de las células animales son los glucosaminoglucanos. La gran resistencia de los tejidos cartilaginosos y la dureza del tejido óseo frente a la consistencia gelatinosa del humor vítreo del ojo, radica en la naturaleza de los hidratos de carbono de la matriz extracelular. o o Los glucoconjugados son macromoléculas formadas por lípidos o proteínas unidos a una porción glucídica. La porción oligosacárida de una glucoproteína o de un glucolípido provoca que dicha molécula adquiera una compleja estructura "rica en información". CAPÍTULO 2. HIDRATOS DE CARBONO 39 CLASIFICACIÓN DE LOS HIDRATOS DE CARBONO Unidad 3( Aldosa 4( Aldehído (HCO) se Cetosa 3( 6( Poder reductor Ejemplos N" carbonos Grupo funcional Aldotriosa Aldotetrosa Aldopentosa Aldohexosa Gliceraldehído Eritrosa Ribosa Glucosa Cetotriosa Cetotetrosa cetopentosa Cetohexosa Dihidroxiacetona Eritrulosa Ribulosa Fructosa Monosacárido Sí 4C se Cetona (CO) Unidad 6( Tipo de enlace Polisacárido Estructural Poder reductor Fuente de origen 0-glucosídico monocarbonílico Lactosa Maltosa Celobiosa 0-glucosídico dicarbonílico Sacarosa 0-glucosídico enlace a Dextranos Almidón Glucógeno Bacterias Plantas Animales 0-glucosídico enlace ~ Peptidoglucano Celulosa Quitina GAG Bacterias Plantas An . invertebrado Animales superiores Disacárido Reserva Ejemplos --- Leche Cereales Celulosa Sí Azúcar de caña No No GLUCOCONJUGADOS Glucolípido Lípido (esfingolíp ido) Monosacárido, disacárido, oligosacárido Glucoproteína Proteína Oligosacáridos Proteoglucano Proteína Polisacáridos (GAG) 0 EJERCICIOS . ; !D Apartir de la fórmula lineal de la giucosa indique: H O ,e '~ a) El número de carbonos asimétricos. b) El número de isómeros ópticos y cuáles están presentes en la naturaleza. e) Escribe la fórmula lineal de su enantiómero, de un epímero y de un diasteroisómero cualquiera. 2 1 3 1 4 1 H-C-OH HO-C-H H-C-OH S [ H-C-OH 6 1 CHPH o-Glucosa SOLUCIÓN a) Cuatro carbonos asimétricos con cuatro sustituyentes diferentes. En la figura de arriba los números 2, 3, 4 y 5. b) 24 = 16. Cada carbono asimétrico tiene dos posibilidades según la configuración del OH, por lo que habr.á 16 posibles formas de configuración en el espacio. En la naturaleza solo están presentes las formas o, por lo tanto habrá 8 isómeros de la glucosa, los enantiómeros tipo D. 40 e) SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Enantiómero de la o-Glucosa es la L-Glucosa, ya que es su imagen especular. CHO 1 HOCH 1 HCOH 1 HOCH Epímero de la o-Glucosa puede ser la o-Manosa, ya que solo difiere en la configuración de un solo carbono asimétrico. CHO 1 HOCH 1 HOCH HCOH CH,OH L-Giueosa o-Manosa IEIII Considerando el disacárido natural sacarosa; suponga que se trata con una glucosidasa. Escriba la fórmula lineal de los enan- 0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN IIIIEIII ¿Cuál de los siguientes disacáridos carece de carbono anomérico? a) b) e) d) Maltosa. Lactosa. Sacarosa. Ninguno de los anteriores. IIIJI Si se oxida sólo el primer carbono de la o-glucosa: a) b) e) d) En la posición 1 habrá un COOH. La o-glucosa se convierte en ácido o-glucurónico. La o-glucosa se convierte en ácido o-glucónico. Las opciones a y e son ciertas. 1111 En el caso de la sacarosa, ¿cuál de las siguientes opciones es falsa?: a) Carece de poder reductor. b) Es un disacárico formado por glucosa y fructosa. e) No tiene anomería óptica. d) Se puede formar un polisacárido constituido solamente por repeticiones de sacarosa. IEIII El ácido hialurónico y el sulfato de condroitina tienen en común en su composición: a) La presencia de N-acetil-o-glucosamina. b) La presencia de grupos sulfatos. e) La presencia· de ácido o-glucurónico. d) Todo lo anterior es falso . lllfD Una de las siguientes opciones es cierta: a) La fructosa es un isómero óptico de la glucosa. b) Una aldohexosa tiene más carbonos asimétricos que una cetohexosa. e) Si se reducen todos los carbonos de la glucosa se incrementa su solubilidad en agua. d) En la formación de un enlace hemiacetal, que da lugar a un carbono anomérico, se libera una molécula de agua. 1 HCOH 1 HOCH 1 HCOH 1 1 CHPH 1111 Dibuja una aldopentosa fosforilada en el carbono S. 1 1 HOCH la o-Glucosa, escriba la fórmula de un derivado oxidado y otro reducido, e indique su nombre. CHO HOCH 1 HCOH 1 IIIJI Considerando Diasteroisómero de la o-Glucosa puede ser la o-ldosa; ya que es un isómero no enantiómero. 1 CH,OH o-Id osa tiómeros correspondientes a los productos de esta reacción y del derivado aldónico de uno de estos enantiómeros. llllfD Una glucosidasa que rompe enlaces (al -t4), ¿cuál de los siguientes compuestos NO podrá degradar? glucógeno, sacarosa, lactosa, sulfato de condroitina, amilopectina. Indique si la degradación puede ser parcial o total. 111f1l1 Cuando dos hidratos de carbono son epímeros: a) Uno es una piranosa y otro es una furanosa. b) Uno es una aldosa y otro es una cetosa. e) Se diferencian únicamente en un carbono en la longitud de la cadena. d) Se diferencian únicamente en la configuración alrededor de un átomo de carbono. liD Los esteroisó~eros que son imág~nes especulares son : a) b) e) d) Epímeros. Diasteroisómeros. Enantiómeros. Todas las anteriores son faltas. IIEI:I tndique cuál de las siguientes afirmaciones sobre la lactosa es falsa: a) Es la a -o-glucopiranosil-(1 -t 4)-P-o-fructofuranosa. b) Es un azúcar reductor. e) Presenta glucosa. d) Presenta sólo anillos pirano en su estructura. lllifJJJI Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre el almidón y el glucógeno es falsa : a) El glucógeno está más ramificado que el almidón. b) Ambos son homopolímeros de glucosa. e) Ambos actúan fundamentalmente como elementos estructurales en las paredes celulares. d) Ambos se almacenan dentro de la célula en forma de gránulos insolubles. lfll!l Los efectos para a) b) e) d) biológicos de las lectinas se basan en su capacidad unirse a: Moléculas antipáticas. Lípidos específicos. Oligosacáridos específicos. Moléculas hidrofóbicas. LÍPIDOS o CONTENIDOS o o o o Introducción La naturaleza química de los lípidos o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer la clasificación de los lípidos en función de su composición y función en la célula. o Conocer la composición química, estructura y función de los ácidos grasos. o Comprender la naturaleza química, grupos funcionales y características de los distintos tipos de lípidos. o Reconocer la variedad de funciones biológicas que presentan los lípidos. o Valorar la importancia fisiológica de los distintos tipos de lípidos. Lípidos saponificables Lípidos insaponificables · Este capítulo , el tercero de la sección del libro dedicada a los materiales de la célula, se ocupa de las biomoléculas más hidrofóbicas y con mayor poder energético: .[os lípidos. Con su estudio se profundiza en el conocimiento de las moléculas biológicas, iniciado con los hidratos de carbono en el capítulo 2. A lo largo del presente capítulo se analiza la composición química, estructura y clasificación de los lípidos, así como sus principales funciones biológicas. Comprender la naturaleza química de los lípidos y su capacidad para formar bicapas, será fundamental a la hora de presentar el papel de estas moléculas en la formación de las membranas biológ icas (Capítulo 9). { Las variadas funciones biológicas que presentan los lípidos denotan su importancia fisiológica, así como su participación en diversas funciones celulares, algunas de las cuales se tratan en la Sección 11. El conocimiento de estos aspectos resulta básico para la comprensión del metabolismo lipídico y su conex ión con las rutas centrales del metabolismo intermediario (Capítulos 13 y 14). ' ' 42 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 INTRODUCCIÓN Los lípidos son moléculas orgánicas insolubles en agua. Una de sus propiedades más importantes es la hidrofobicidad. Son un grupo químicamente diverso y por tanto, desempeñan funciones biológicas muy variadas. Algunos son moléculas que almacenan gran cantidad de energía química, como los triacilglicéridos. Los fosfolípidos y los esfingolípidos constituyen los principales componentes estructurales de las membranas biológicas. Otros lípidos desempeñan funciones de protección, como los que se encuentran en las superficies limitantes con el medio externo (ceras). También existen lípidos que desempeñan funciones muy importantes, tales como vitaminas, pigmentos (carotenoides), hormonas y mensajeros intracelulares, a pesar de estar presentes en cantidades relativamente pequeñas en los organismos. Según su estructura los lípidos se pueden clasificar en: • Lípido~ saponificables: formados por ésteres de ácidos grasos. En presencia de NaOH o KOH, dan jabones: - Acilglicéridos - Lípidos complejos (fosfoglicéridos, esfingolípidos) - Ceras • Lípidos insaponificables: no contienen ácidos grasos, por ello, no pueden formar jabones: - Terpenos - Esteroides - Eicosarioides c fEn función de la presencia o no de ésteres de ácidos grasos en su estructura, los lípidos pueden ser saponificables o insaponificables. 0 LA NATURALEZA QUÍMICA DE LOS LÍPIDOS Los ácidos grasos Estructura y composición química Son ácidos carboxílicos de cadena larga con un único grupo carboxílico y una "cola" hidrocarbonada no polar. Los ácidos grasos difieren unos de otros en la longitud de la cadena y en la presencia, número y posición de dobles enlaces. La mayor parte de los ácidos grasos presentes en los sistemas biológicos contienen un número par de átomos de carbono, generalmente entre 14 y 24, siendo los de 16 y 18 átomos de carbono los más abundantes. La cola hidrocarbonada puede estar saturada si sólo contiene enlaces simples (todos los C están saturados con H), o insaturada si posee uno o más enlaces dobles. Estos últimos son los más abundantes. Además, los dobles enlaces en los ácidos grasos poliinsaturados están separados entre sí por, al menos, u'n grupo metilo (es decir, son no conjugados). c:flos ácidos grasos se diferencian en la longitud de la cadena hidrocarbonada, y en la presencia, número y posición de los dobles enlaces. -CH=CH-CH~CH-CH=CH- -CH=CH -CH 2 -CH=CH- Conjugados No conjugados En la tabla 3-1 se muestran diversos ejemplos de ácidos grasos naturales. El nombre sistemático de un ácido graso deriva del nombre de su cadena hidrocarbonada, sustituyendo la terminación -o por -oico. Por ejemplo, al ácido graso saturado de 16 carbonos (C 16) se le denomina ácido hexadecanoico porque su hidrocarburo de origen es el hexadecano. A un ácido graso C 18 con un doble enlace se le llama ácido octadecanoico; con dos dobles enlaces ácido octadecadienoico, y con tres dobles enlaces ácido octadecatrienoico. La nomenclatura de los ácidos grasos especifica la longitud de la cadena y el número de dobles enlaces, separados por dos puntos. Los átomos de carbono de los ácidos grasos se numeran empezando por el extremo carboxilo. Así, ·la abreviatura 18 :0 indica un ácido graso C 18 sin dobles enlaces, mientras que 18:2 significa que tiene dos dobles enlaces. Las posiciones de los dobles enlaces se especifican por exponentes que siguen a la letra delta (.~). Por ejemplo, el ácido oleico, qtie tiene .18 átomos de carbono y es insaturado (doble enlace entre C-9 y 43 CAPÍTULO 3. LÍPIDOS Ta~-1. Ejemplos de ácidos grasos naturales: estructura, nomenclatura y punto de fusión Nombre sistemático Fórmula estructural Símbolo Nombre común ¡ 12:0 CH 3 (CH 2) 10 COOH 14:0 CH 3 (CH 2) 12 COOH 16:0 CH 3(CH 2)-000H 18:0 CH 3(CH 2)16COOH _____., ~- Presente en Punto de fusión ("C) Ácido n-dodecanoico Ácido la úrico Nueces. aceite de laurel 44.2 Ácido n-tetradecanoico Ácidg mirística Nueces 53.9 Ácido n-hexadecanoico Ácido palmítico Grasas animales y vegetales 63.1 Ácido n-octádecanoico Ácido esteáric-o· Grasas animales y vegetales 69,6 76.5 20:0 CH 3(CH 2)18COOH Ácido n-eicosanoico Ácido araquídico Aceite de cacahuete 22:0 CH 3 (CH 2h0COO H Ácido n-docosanoico Ácido behénico Aceite de , cacahuete Ácido cis-9hexadecanoico Ácido palmitoleico Animales de sangre fría Ácido cis-9octadecanoico Ácido oleico Animales y vegetales 13,4 CH 3 (CH 2)4CH = CHCH 2CH =CH(CH 2)7 COOH Ácido cis-cis-9,12octadecadienoico Ácido linoleico Pescado, huevos, vegetales 1-5 CH 3CH 2CH = CHCH 2CH = CHCH 2CH =CH(CH 2}¡COOH Ácido cis-cis-cis-9, 12,15octadecatrienoico Ácido a-linolénico Fosfolípidos, .pescado -11 16:1 t- 9 CH 3(CH 2)5CH = CH(CH 2)7COOH 18:1 t- 9 CH 3(CH 2}¡CH = CH(CH 2}¡COOH 18:2t.9.12 18:3t.9,12,15 - Ácido cis-cis-cis-cis- Ácido Cerebro, araquidónico hígado 20:4t.5,8,1 1,14 CH (CH ) CH = CHCH CH =CHCH CH =CHCH CH = CH(CH ) COOH 5,8,11 ,142 23 3 24 2 2 eicosatetraenoico C-10) =} 18:1 !:. 9 • Un ácido graso de 20 carbonos ·con dos dobles enlaces, uno entre C-9 y C -10, y otro entre C-12 y C-13, se designa 20:2 !:.9 ' 12 • \ Los dobles enlaces de casi todos los ácidos grasos naturales están en la conformación cis. Los ácidos grasos trans se producen durante la fermentación en el rumen de los animales productores de lácteos y de carne. También se forman durante la hidrogenación de aceites de pescado y vegetales. Dado que las dietas ricas en ácidos grasos trans están correlacionadas con niveles elevados de LDL (colesterol "malo") y bajos de HDL (colesterol "bueno"), se recomienda evitar la ingestión de grandes cantidades de estos ácidos grasos (Recuadro 3-1: "Mantequilla o m argarina: ¿qué es más saludable?"). Propiedades de los ácidos grasos Las propiedades de los ácidos grasos dependen de la longitud de su cadena y del grado de insaturación. La cadena hidrocarbonada apolar explica la escasa solubilidad de los ácidos grasos en agua. A temperatura ambiente, los ácidos grasos saturados tienen una consistencia cérea (sólidos blandos), mientras que los insaturados son líquidos viscosos. A igual longitud de cadena, los ácidos grasos insaturados tienen un punto de fusión más bajo que los saturados (Tabla 3-1) . Así, por ejemplo, el punto de fusión del ácido esteárico es de 69,6 oc, mientras que el del ácido oleico (con un único doble enlace) es de 13,4 oc. Los puntos de ~sión de los ácidos grasos poliinsaturados de la serie C 18 son, inc~so, más baJOs. La longitud de la cadena también afecta al punto de fusión; por ejemplo, la temperatura de fusión del ácido palmítico (C 16) es 6,5 grados inferior a la del ' .. 81 1 a -0.5 -49,5 c:fEs conveniente reducir al maxlmo la ingesta de ácidos grasos trans, relacionados con niveles elevados de LDL y bajos de HDL. ~­ l ( 44 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 3-1 . Mantequilla o margarina: ¿qué es más saludable? La mantequilla y la margarina constituyen las grasas más utilizadas en la gastronomía en todo el mundo, por lo que resulta interesante analizar sus aportes a la salud. La mantequilla aporta entre un 80 y un 85% de grasas, de las cuales un 60% son saturadas (véase Tabla 3-2). La principal diferencia entre las grasas y los aceites es el porcentaje de ácidos grasos insaturados en su composición. Esta diferencia es mucho más importante para determinar el punto de fusión que la longitud de la cadena hidrocarbonada. La mantequilla tiene un alto porcentaje de ácidos grasos de cadena corta, y por ese motivo "se derrite en la boca". Dado que las enfermedades cardiovasculares se correlacionan con dietas altas en grasas saturadas, una dieta con más grasas insaturadas podría reducir el riesgo de ataques cardiacos y accidentes cerebrovasculares. Además, los alimentos ricos en grasas poliinsaturadas son más saludables. Una opción adecuada es el aceite de oliva, pero en muchos países su consumo es escaso. Otra alternativa son las margarinas, grasas semisólidas que se obtienen mediante procedimientos industriales a partir de grasas insaturadas de origen 100% vegetal, o bien, de un porcentaje de éstas complementadas con otras de procedencia animal (mixtas). Para su elaboración, la materia prima se somete a un proceso de endurecimiento que le permite adquirir su consistencia sólida y untable. Esto se consigue hidrogenando de forma parcial los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados de los aceites. Resulta curioso que, para evitar comer los ácidos grasos saturados de la mantequilla, se crearon sustitutos a partir de aceites poliinsaturados eliminando algunos de los dobles enlaces, lo que los hace más saturados. Por otra parte, durante el proceso de hidrogenación, algunos dobles enlaces se convierten en la forma trans. Estudios recientes demuestran que los ácidos grasos trans incrementan la proporción del LDL (colesterol "malo") frente al HDL (colesterol "bueno"), lo que se correlaciona con problemas cardiacos. Así pues, los efectos de los ácidos grasos trans son similares a los de los ácidos grasos saturados. La mejora en los procesos de producción de la margarina ha permitido disminuir el porcentaje de grasas trans. También han aparecido en el mercado nuevas margarinas: con fitosteroles que reducen el nivel de colesterol en sangre; o enriquecidas con vitaminas A, D. E y 82• Tabla 3-2. Porcentaje de ácidos grasos totales en algunas grasas naturales Número de átomos de C en la cadena Aceite de oliva Mantequilla Grasa bovina 4-12 2 12 t 2 14 2 10 2 16 13 26 29 18 3 12 21 80 . 40 46 Saturados lnsaturados c:Jcomo consecuencia de su grado de empaquetamiento, los ácidos grasos saturados tienen puntos de fusión más altos que los insaturados. c:Jlos diferentes puntos de fusión de los ácidos grasos determinan su consistencia a temperatura ambiente. 16-18 esteárico (C 18). Por lo tanto, las longitudes cortas de la cadena y la insaturación aumentan la fluidez de lo$ ácidos grasos y sus derivados. Estas diferencias en los puntos de fusión se deben a los diferentes grados de empaquetamiento de las moléculas de los ácidos grasos (Fig. 3-1). Los ácidos grasos saturados presentan gran flexibilidad, por lo que cuando se empaquetan tienden a establecer la conformación más estable, que es la forma totalmente extendida, en la que los· impedimentos estéricos entre átomos vecinos están reducidos al mínimo. En los ácidos grasos insaturados, un doble enlace cis provoca un giro en la cadena hidrocarbonada, impidiendo que se puedan empaquetar tan fuertemente como los ácidos grasos saturados, y como consecuencia las interacciones entre ellos son más débiles . Por este motivo, los ácidos grasos insaturados tienen puntos de fusión claramente más bajos que los ácidos grasos saturados de la misma longitud de cadena. En la tabla 3-2 se indica la composición de ácido grasos de algunas grasas naturales. Las grasas con abundantes ácidos grasos insaturados (como el aceite de oliva) son líquidas a temperatura ambiente, mientras que las que tienen un contenido más elevado de ácidos grasos saturados (como la mantequilla) son más sólidas. De hecho, una grasa totalmente saturada es un sólido bastante duro, en especial si las cadenas hidrocarbonadas son largas, lo que queda claro observando los datos de los puntos de fusión de la tabla 3-1. 0 LÍPIDOS SAPONIFICABLES Los acilglicéridos como almacén de energía Acilglicéridos Los acilglicéridos son ésteres constituidos por el alcohol glicerol y ácidos grasos (tanto saturados como insaturados), y se forman mediante una reacción CAPÍTULO 3. LÍPIDOS Grupo carboxilo (a) 45 -o o '-._,f' e Cadena hidrocarbonada Ác. oleico 18:1 /l. 9 Ác. esteárico 18:0 (e) (b) Ácidos grasos saturados Mezcla de ácidos grasos saturados e insaturados Figura 3-1 . Disposición espacial y empaquetamiento de los ácidos grasos.- El nivel de empaquetamiento de los ácidos grasos depende de su grado de saturación. (a) Representaciones de dos ácidos grasos mostrando su conformación normal extendida. Cada línea del zigzag representa un enlace simple entre carbonos adyacentes. Los dobles enlaces no permiten la rotación e introducen un giro rígido en la cola hidrocarbonada. Todos los demás enlaces de la cadena pueden rotar libremente. (b) Los ácidos grasos saturados se empaquetan en ordenamientos casi cristalinos, estabilizados por múltiples interacciones hidrofóbicas. (e) La presencia de uno o más dobles enlaces interfiere en este empaquetamiento dando lugar a agregados menos estables. de condensación denominada esterificación. U na molécula de glicerol (o glicerina, son equivalentes en la nomenclatura) puede reaccionar con hasta tres moléculas de ácidos grasos, puesto que tiene tres grupos hidroxilo. Según el número de ácidos grasos que aparezcan esterificados, los acilglicéridos pueden ser de tres tipos : • Monoacilglicéridos: cuando el glicerol sólo se esterifica en un grupo alcohol con un ácido graso . Se libera una molécula de agua: • Diacilglicéridos: cuando la glicerina ~e esterifica con dos ácidos grasos. Se liberan dos moléculas de agua: CH 2 0H HOOC-R1 1 CHOH + HOOC-R2 ~ 1 CH 2 0H • Triacilglicéridos (Fig. 3-2): ésteres de glicerol con tres ácidos grasos. Se liberan tres moléculas de agua. CH 2 0H HOOC-R1 CH 2 0 -CO-R 1 1 1 CHOH + HOOC- R2 1 CH 2 0H ~ CHO -CO-R2 + 3 H 2 0 1 HOOC- R3 CH 2 0 -CO-R3 .. c flo,s acilglicéridos son ésteres del glicerol c0n uno, dos o tres ácidos grasos. 46 SECCIÓN 1. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA (a) (b) H,C ¡ o O -~C - HC / H,C, 1 O, O Glicerol 1 C=O C=O Ácidos grasos Figura 3-2. Triacilglicéridos. (a) Representación de un triacilglicérido constituido por glicerol y dos ·ácidos grasos insaturados y uno saturado. (b) Fórmula esquemática de un triacilglicérido con un solo ácido graso insaturado en la posición C-2 . c flos tnacilglicéridos son el principal tipo de acilglicéridos, y desempeñan funciones de almacenamiento y reserva de energía. Los triacilglicéridos son simples si los tres ácidos grasos son iguales, y se denominan según el ácido graso. Por ejemplo: triestearina (16:0), tripalmitina (18:0), trioleína (18:1). Son mixtos si contienen dos o más ácidos grasos diferentes. Por ejemplo: 1-estearoil, 2-oleil, 3-palmitoil glicerol. Los triacilglicéridos funcionan como almacen de energía en las células, constituyendo reservas de energía mucho más eficaces que los hidratos de carbono. Las grasas y los aceites que se encuentran en plantas y animales son en gran medida mezclas de triacilglicéridos. La esterificación con glicerol reduce considerablemente el carácter hidrofílico de los grupos de cabeza de los ácidos grasos. Como consecuencia de ello, los triacilglicéridos son muy insolubles en agua. Las grasas acumuladas en las células vegetales y animales forman pequeñas gotas oleosas en el citoplasma. En los adipociras, que son las células animales especializadas en el almacenamiento de las grasas, casi todo el volumen de una célula está ocupado por una gota de grasa. Estas células constituyen la mayor parte del tejido adiposo de los animales. El contenido medio de grasa en los seres humanos (21 o/o para los hombres, 26% para las mujeres) les .permitiría sobrevivir a la inanición durante 2 ó 3 meses. Por el contrario, la proporción de glucógeno del cuerpo, que funciona como una reserva de energía de corto plazo, puede abastecer las necesidades de energía del cuerpo durante menos de un día. Además, la capa de grasa subcutánea proporciona aislamiento térmico, lo que es especialmente importante para l9-s animales acüáticos de sangre caliente, como las ballenas, las focas o los pingüinos, que están expuestos a bajas temperaturas. El almacenamiento de grasas en los animales tiene tres funciones distintas: l. Producción de energía. La mayor parte de la grasa de la mayoría de los· animales se oxida para generar ATP, que impulsa los procesos metabólicos. 2. Producción de calor. Algunas células especializadas (como las de la "grasa parda" de los animales homeotermos) oxidan los triacilglicéridos para producir calor, en lugar de utilizarlos para formar ATP. 3. Aislamiento. En los animales que viven en un entorno frío, las capas de células adiposas situadas debajo de la piel actúan como un aislante térmico. Reacción de saponificación La saponificación es una reacción qu1m1ca entre un ácido graso o un lípido saponificable, y una base, en la que se obtiene como principal producto la sal correspondiente. Así, los jabones son sales de ácidos grasos y metales alcalinos que se obtienen mediante este proceso. Como ejemplo, si un triacilglicéridos se hidroliza con potasa (KOH), se obtiene una mezcla de sales potásicas (jabones) de los ácidos grasos y glicerol: CH 2 0-CO-R 1 1 CHO-CO-R2 1 CH 2 0 H KOH R 1 -coo-K+ 1 CHOH + R 2 -Coo-K+ 1 CH 2 0-CO-R3 CH 2 0 H R3-coo-K+ T riacilglicérido Glicerol Jabones de K' (sales) Los fosfoglicéridos como principales constituyentes de las membranas c flos fosfoglicéridos están constituidos por una molécula de glicerol, dos ácidos grasos y una cabeza polar. Los fosfoglicéridos , fosfoacilglicéridos o glicerofosfolípidos están constituidos por dos ácidos grasos esterificados al primer y segundo -OH del glicerol. El tercer grupo -OH está unido por un enlace fosfodiéster a un grupo de cabeza muy polar o cargado (X) .. Todos los fosfolípidos poseen dos colas no polares aportadas por los dos ácidos grasos de cadena larga, generalmente uno saturado (C 16 o C 18 en la posición C-1 del fosfoglicérido) y otro insaturado (de C 16 a C 20 , en la posición C-2 del fosfoglicérido). El fosfoglicérido más simple, en el que X= H , es el ácido fosfatídico. Los demás derivan de él y se forman por unión de diferentes compuestos al grupo fosfato. Los fosfoglicéridos se nombran según el alcohol polar en el grupo de cabeza (Fig. 3-3). Por ejemplo, la fosfatidilcolina CAPÍTULO 3. LÍPIDOS / T 2 o 11 o-c ~ H HC- 0 -C CABEZA POLAR 47 FOSFOLÍPIDOS Ácido graso saturado Etanolamina Ácido graso insaturado - H Ácido fosfatídico -C H2 -CH 2 -NH; Fostatidiletanolamina ~ CH 3 1 H2C O " O-P11 - 0 -@ Cabeza polar 1 Colina • Fosfatidilcolina -" (Lecitinas) -CH 2 -CH 2 -W-CH 1 3 1 CH 3 o- -CH -CH-NH+ 2 3 1 e Serina Fosfatidilserina ,;7'. o oGlicerol - CH 2 -CH'--CH -OH 1 2 Fosfatidilglicerol / OH -o OH OH lnositol Fosfatidiletanolamina Fosfatidilinosito~ OH .. · OH -CH 1 HO-CH 1 2 o 11 C-O-P-O-CH 2 Fosfatidilglicerol ...... o1 1 o 11 HC-0-C-Rl Difosfatidilglicerol (Cardiolipina) 1 H2C-O-C-R2 11 o , Figu ra 3-3. Fosfoglicéridos. Los fosfoglicéridos están constituidos por el glicerol unido a dos ácidos grasos y a alcoholes del grupo de cabeza mediante un enlace fosfodiéster. El ácido fosfatídico sólo posee un grupo fosfato como cabeza polar. Cada derivado se denomina según el alcohol del grupo de cabeza (X), con el prefijo "fosfatidil-". En la cardiolipina, dos ácidos fosfatídicos quedan unidos por una molécula de glicerol. y la fosfatidiletanolamina tienen colina y etanolamina, respectivamente, en sus grupos polares. En todos estos compuestos, el grupo de cabeza se une al glicerol mediante un enlace fosfodiéster. Los fosfoglicéridos son lípidos estructurales de las membranas biológicas. Estas membranas están formadas por una doble capa lipídica que constituye una barrera al paso de moléculas polares e iones. Los lípidos de las membranas son anfipáticos; es decir, un extremo de la molécula es hidrofóbico y el otro hidrofílico. Sus interacciones, hidrofóbicas entre ellos, e hidrofílicas con el agua, dirigen su empaquetamiento hacia la formación de bicapas (Fig. 3-4). En los fosfoglicéridos, las regiones hidrofóbicas están compuestas por los dos ácidos grasos unidos al glicerol. La parte hidrofílica de estos compuestos anfipáticos está constituida por el grupo fosfato y la "cabeza polar". En el capítulo 9 se detalla la estructura y composición química de las membranas celulares. efE! carácter antipático de los fosfoglicéridos hace que sean constituyentes fundamentales de las membranas biológicas. Los esfingolípidos participan en el reconocimiento celular U na segunda clase importante de componentes de la membrana es la de los esfingolípidos. También tienen una cabeza polar y dos colas apolares pero, a dife-: rencia de los fosfoglicéridos, no contienen glicerol. Están formados por el aminoalcohol de cadena larga esflngosina, una molécula de un ácido graso de cadena larga y un grupo polar en la cabeza, que puede ser un alcohol o \.lll azúcar (Fig. 3-5). . Cuando se une un ácido -graso por un enlace amida al- NH 2 del C-2 de la esfingosina, se obtiene una ceramida. La ceramida es la unidad estructural fundamental común 4e todos los esfingolípidos . .. Figura 3-4. Esquema de la sección de una bicapa lipídica. c:fl~s esfingolípidos están constituidos por una molécula de esfingosina, un ácido graso y una cabeza polar. 48 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA HO "'-3/ Esfingosina (C 18 ) trans-1,3-dihidroxi-2-amino-4-octadeceno CH = CH CH O 2/ ~-11 CH - NH- C " 1 CH 2- Ácido Graso 0 -@ Cabeza Polar Esfingomielina CABEZA POLAR ESFINGOLÍPIDO - H Cera mida o Fosfocolina 11 - ~-O - CH 2 - CH 2 - W - [CH,], Esfingomielina o-glúcido Glucolípido Figura 3-5. Esfingolípidos. En los esfingolípidos. el grupo amino en el C-2 lleva un ácido graso unido por un enlace amida. Los distintos esfingolípidos difieren en el grupo de cabeza polar (X) unido al C-1. Existen varias clases de esfingolípidos, todos ellos derivados de la ceramida, pero que difieren en sus grupos de cabeza: • Las esfingomielinas contienen fosfocolina o fosfoetanolamina como grupo de cabeza polar, por lo que se clasifican como fosfolípidos junto con los glicerofosfolípidos (Fig. 3-6). Las esfingomielinas se encuentran en las membranas plasmáticas de las células animales; también se encuentran (de ahí su nombre) en la vaina de mielina que rodea y aísla los axones de las neuronas mielinizadas. LÍPIDOS DE MEMBRANA Glicerofosfolípido Esfingolípido o Glicerol 1 ~ "'So u •<( - Enlace éster - Enlace amida - Enlace glucosídico 1 ~ ou QJ ~ "'So u ·<( Figura 3-6. Lípidos de membrana. En esta figu ra puede observarse la semejanza estructural entre los fosfoglicéridos y los esfingolípidos~ así como su carácter antipático. En los fosfolípidos. el grupo de cabeza polar está unido por un enlace fosfodiéster, mientras que los glucoesfingolípidos (glucolípidos) tienen una unión glucosídica directa entre el azúcar del grupo de cabeza y el glicerol. También aparece representado el colesterol, un importante componente de las membranas celulares eucariotas. CAPÍTULO 3. LÍPIDOS • Los glucoesflngolípidos? que se encuentran principalmente en la cara externa de la membrana plasmática, tienen uno o más azúcares en su grupo de-cabeza unidos al C-1 de la ceramida. No contienen fosfato. Dentro de este grupo, los cerebrósidos tienen un único azúcar unido a la ceramida; los que contienen galactosa se encuentran de manera característica en las membranas plasmáticas de las células del tejido nervioso, mientras que los que contienen glucosa se hallan en las membranas plasmáticas de células de tejidos no nerviosos. Los cerebrósidos, en contraposición con los fosfolípidos, carecen de grupo fosfato y, por lo tanto, no tienen carga. Los globósidos son glucoesfingolípidos neutros (sin carga) con dos o más azúcares, normalmente n-glucosa, n-galactosa o N-acetil-n-galactosamina. Los gangliósidos son los esfingolípidos más complejos. Contienen grupos de cabeza polares formados por oligosacáridozy uno o varios residuos terminales de ácido N-acetilneuramínico (ácido siál1co) (véase capítulo 2. Fig. 2-8) . El ácido siálico aporta a los gangliósidos una carga negativa a pH = 7. Los gangliósidos se concentran en la superficie exterior de las células. Sus complejas cabezas de hidratos de carbono actúan como receptores específicos para · funciones fisiológicas importantes. También son receptores para determinadas toxinas proteicas de origen bacteriano, como la toxina colérica. En humanos se han identificado al menos 60 esfingolípidos diferentes en las membranas celulares. Muchos desempeñan un papel importante en las membranas plasmáticas de neuronas, y algunos actúan en procesos de reconocimiento en la superficie celular, pero sólo se ha descubierto la función específica de unos pocos. La porción glucídica de ciertos esfingolípidos define los grupos sanguíneos humanos y determina el tipo de sangre que los individuos pueden recibir en las transfusiones sanguíneas (Fig. 3-7). Antígeno O Antígeno A 49 f:fogl~­ O como en el caso de los céridos, el carácter antipático de los esfingolípidos les permite formar parte de las membranas biológicas. O los esfingolípidos desempeñan diversas funciones relacionadas con el reconocimiento celular. Antígeno B Figura 3-7. Glucoesfingolípidos como determinantes de los grupos sanguíneos. Los grupos sanguíneos ~umanos (A, B, O) vienen determinados en parte por los grupos polares de estos glucolípidos. Los mismos tres oligosacáridos se encuentran también unidos a ciertas proteínas sanguíneas de individuos de los tipos A, B y O. Glc: Glucosa; Gal: galactosa; GalNAc: N-aceti! galactosamina; Fue: fucosa. Ceras: protectores y aislantes Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga (de 14 a 36 átomos de carbono), saturados o insaturados, con alcoholes de cadena larga (de 16 a 30 átomos de carbono). Sus puntos de fusión (60 a 100 oc) son generalmente más elevados que los de los triacilglicéridos. Como ejemplo, en la figura 3-8 se presenta la fó rmula del triacontanilpalmitato, componente mayoritario de la cera de abeja. Las ceras realizan diversas funciones en la naturaleza, que tienen que ver con su hidrofobicidad y su consistencia. Las glándulas de la piel de los vertebrados secretan ceras para mantenerla flexible, lubricada e impermeable. Las aves acuáticas las secretan para mantener la repelencia al agua en sus plumas. Muchas plantas, como el acebo, tienen las hojas recubiertas de ceras para evitar la evaporación excesiva de agua y el ataque de parásitos. Además las ceras biológicas tienen diversas aplicaciones en la industria farmacéutica o cosmética. Ceras como la lanolina o la cera de abeja, se ·utilizan en la fabricación de lociones, pomadas, etc. O El carácter extremadamente hidrofóbico de las ceras las hace desempeñar funciones de aislamiento y ' protección. ~~-----y------~ Ácido palmítico 1-Triacontanol Figura -3-8. Estructura de la cera de abeja. ·50 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 LÍPIDOS INSAPONIFICABLES Estos lípidos se caracterizan por no poseer ácidos grasos en su composición. Por ese motivo, no pueden ser sometidos a la reacción de saponificación y por ello no forman jabones (de ahí su nombre). Terpenos: derivados del isopreno con múltiples funciones biológicas Se forman a partir del isopreno, una unidad de cinco carbonos (Fig. 3-9). Los terpenos pueden contener de una a ocho unidades de isopreno. Al unirse, forman moléculas lineales o con anillos. En su mayoría son de origen vegetal, fúngico y bacteriano. En los vegetales actúan como pigmentos, señales moleculares (hormonas y feromonas) y agentes defensivos. Constituyen el grupo más abundante de aceites de los vegetales, proporcionándoles aromas y sabores característicos. Según el número de isoprenos que tengan se clasifican en: monoterpenos (dos moléculas de isop"reno, como el geranio! o el limoneno, que son aceites esenciales vegetales); sesquiterpenos, con tres isoprenos· ~como el farnesol); diterpenos, con cuatro isoprenos (fitol, ácido giberélico); triterpenos (ocho isoprenos, como el escualeno); y tetraterpenos (ocho isoprenos, comÓ ellicopeno y los carotenoides). En la figura 3-9 se muestra la fórmula del isopreno y ejemplos de distintos tipos de terpenos. A partir de ciertos terpenos se forman algunas vitaminas liposolubles, como las vitaminas A, E o K, tratadas al final del presente capítulo. O las terpenos están constituidos por unidades de isopreno. Actúan como pigmentos, hormonas y agentes defensivos. CH3 CH, =¿-CH=CH, 1 ~ ISOPRENO Terpenos Monoterpeno (2) Geranio! 1 1 ~CH,-OH Sesquiterpeno (3) Farnesol Diterpeno (4) Fitol Triterpeno (6) Escualeno Figura 3-9. Estructura del isopreno y ejemplos de terpenos. Los terpenos se forman por la unión de unidades de isopreno. La mayoría son de origen vegetal. El ¡3-caroteno es el precursor de la vitamina A. efE! colesterol es el principal precursor de los distintos tipos de esteroides. Ciclopentanoperhidrofenantreno Figura 3-10. Estructura del ciclopentanoperhidrofenantreno. Tetraterpeno (8) ¡3-Caroteno Esteroides: colesterol y sus derivados Estos lípidos derivan de una estructura rígida y casi plana llamada ciclopentanoperhidrofenantreno (Fig. 3-1 O). Los esteroides se encuentran presentes en la mayoría de las células eucariotas. Difieren unos de otros en el número y posición de los dobles enlaces, localización de sustituyentes, etc. Destacan los siguientes: • Colesterol: es el principal esteroide en los tejidos animales. Es anfipático, con una parte polar (-OH en el C-3) y una parte no polar (núcleo esteroideo y cadena lateral del C-17 con ocho átomos de C) (Fig. 3-11). Se encuentra en las membranas de células animales y constituye típicamente del 30 al 40% de los lípidos de membrana. En los mamíferos es el precur- CAPÍTULO 3. LÍPIDOS CH 3 51 CH 3 1 / CH CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -C~ 3 CH 3 HO Figura 3-11 . Fórmula estructural del colesterol. Colesterol sor metabólico de otros esteroides como hormonas y ácidos biliares. Si se esterifica con ácidos grasos se convierte en no polar. • Ácidos biliares: actúan como detergentes en el intestino, emulsionando las grasas de la dieta para hacerlas más accesibles a las enzimas digestivas. Son más solubles que el colesterol por tener varios grupos - OH. • H ormonas esteroideas: se desplazan por la sangre en proteínas transportadoras desde su sitio de producción a su tejido diana, donde entran en las células. En el núcleo se unen a proteínas· receptoras y provocan cambios en la expresión génica y el metabolismo. Dentro de este grupo se encuentran (Fig. 3-12): . - Los glucocorticoides, como el cortisol, que participan en el metabolismo de hidratos de carbono, proteínas y lípidos, e influyen en una amplia variedad de funciones vitales. - La aldosterona y otros mineralocorticoides, que regulan la excreción de sal y agua por los riñones. - Los andrógenos y los estrógenos (estradiol, testosterona), hormonas que influyen en el desarrollo y la función sexual. O las hormonas esteroideas provienen de los esteroles y actúan como señales biológicas importantes. como las hormonas sexua les. Eicosanoides: mensajeros entre células Son compuestos que derivan del ácido araquidónico, ácido graso poliinsaturado de 2 0 carbonos (20:4 ó. 5' 8 ' 11 ' 14). Los producen la mayor parte de los tejidos de los mam íferos, pero sólo algunos vertebrados inferiores e invertebrados. Los eicosanoides tienden a actuar localmente, cerca de las células que los producen, y no son transportados por el torrente sanguíneo hasta su sitio de acción. Existen tres clases (Fig. 3-13): • Prostaglandinas: Su nombre procede de la glándula prostática, donde se aislaron por primera vez. Actúan en muchos tejidos regulando la síntesis del mensajero intracelular AMP cíclico. Como el AMPc interviene en la función de muchas hormonas, las prostaglandinas afectan a muchas fun- ...... o '-. o Cortisol {hidrocortisona) (un glucocorticoide) Testosterona (un andrógeno) ¿ l < CH 20H 1 C=O OH ... 1 o \ HO Aldosterona (un mineralocorticoide) f3-Estradiol (un e_strógeno) Figura 3-12. Algunas hormonas esteroideas representativas. 52 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA . o OH OH coaOH OH Prostaglandina E2 Tromboxano A2 (TXA 2) Leucotrieno B4 Figura 3-13. Estructuras de varios eicosanoides. O las prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, procedentes del ácido araquidónico, son hormonas extremadamente potentes. ciones celulares y tisulares. Participan en la contracción ·del mi'Isculo liso del útero en el parto, el control del flujo sanguíneo a determinados órganos, la elevación de la temperatura corporal y la inflamación con su consiguiente dolor. • Tromboxanos: Los producen las plaquetas y, actúan en la formación de coágulos sanguíneos y en la reducción del flujo sanguíneo hacia el sitio del coágulo. Estimulan la vasoconstricción y la agregación plaquetaria que facilita el inicio de la coagulación sanguínea. • Leucotrienos: Se aislaron de leucocitos. Son señales biológicas muy potentes. El LTD4 induce la contracción del músculo que rodea las vías_aéreas del pulmón. Un exceso de leucotrienos produce un ataque asmático. La fuerte contracción de los miísculos lisos del pulmón que tiene lugar en el shock anafiláctico es parte de la reacción alérgica, potencialmente letal, en individuos hipersensibles a las picaduras de abeja, penicilina u otros agentes. Los AINE (antiinflamatorios no esteroides) son fármacos empleados para reducir los efectos de prostaglandinas y tromboxanos. El Recuadro 3-2 se ocupa de ellos. Recuadro 3-2. Fármacos antiinflamatorios no esteroideos Los antiinflamatorios no esteroideos (abreviado AINE) son un grupo variado de fármacos con actividad antiinflamatoria, analgésica y antitérmica, además de otros efectos. Por ello, reducen los síntomas de la inflamación, el dolor y la fiebre. Estos fármacos ejercen sus efectos gracias a que son capaces de inhibir a enzimas que participan en la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos (como la ciclooxigenasa). Como se explica en el capítulo, estos eicosanoides participan en procesos inflamatorios, con producción de dolor y elevación de la temperatura corporal. Los antiinflamatorios naturales son derivados de corticoides, son esteroides producidos por el propio organismo. Tienen una acción antiinflamatoria muy potente, pero con importantes y adversos efectos secundarios. Por ello, y en oposición a los corticoides, se aplica a los AINES el término "no esteroideo" para remarcar su estructura química no esteroidea y su menor cantidad de efectos secundarios. Dentro de estos fármacos se incluyen el ácido acetilsalicílico (aspirina), el ibuprofeno, o el naproxeno. El paracetamol se incluye también entre los AINES, a pesar de su poca acción antiinflamatoria. FOSFOLÍPIDOS DE MEMBRANA CELULAR CORTICOIDES ~(-) 1 ~ fosfolipasa . . ACIDO ARAQUIDONICO t;poo>lgeoA 1AINE (1 -) loo>IOeo"' Prostaglandinas Tromboxanos Vitaminas Liposolubles Las vitaminas son esenciales para el buen funcionamiento del organismo. No pueden ser sintetizadas por el ser ·humano y otros vertebrados, po.r..lo que tienen que tomarse en la dieta. Las vitaminas liposolubles son las que se disuelven en grasas y aceites, y se consumen junto con alimentos que contienen grasa. Son las vitaminas A, D, E y K. Dos de ellas (D y A) son precursores hormonales. Vitamina A (retinol) O 'Las vitaminas A, D. E y K son compuestos liposolubles que desempeñan papeles fundamentales en el metabolismo y la fisiología de los animales. Funciona como hormona y como pigmento visual de los ojos de los vertebrados (Fig. 3-14). El ácido retinoico, derivado de la vitamina A, actúa a través de proteínas receptoras en el núcleo celular y regula la expresión génica en el desarrollo del tejido epit~lial. Otro derivado es el retinal, que es el pigmento encargado de iniciar la respuesta a la luz de los bastones y conos de la retina, produciendo una 53 CAPÍTULO 3. LÍPIDOS señal neuronal hacia el cerebro. Es esencial para la visión al incorporarse a la opsina para dar rodopsina (pigmento visual). Algunas fuentes son el aceite de hígado de pescado, hígado, huevos, leche entera o mantequilla. En los vertebrados, el j3-caroteno (véase Fig. 3-9), pigmento que confiere a las zanahorias y otras hortalizas amarillas su color, se puede convertir enzimáticamente en vitamina A. La carencia de esta vitamina produce diversos síntomas en el ser humano, como ceguera nocturna, sequedad de la piel, los ojos y las membranas mucosas, retraso en el desarrollo y en el crecimiento. X X = CH 20H Retino! (vitamina A) X = CHO Retina! Figura 3-14. Vitamina A. Se identifica la estructura del retino[ (alcohol) y del retina[ (aldehído). Vitamina D Las diversas formas de vitamina D son derivados de esteroles. La vitamina D 2 (ergocalciferol) se produce de forma no enzimática en la piel de los animales mediante la acción fotolítica de la luz UV sobre el esterol vegetal ergosterol, mientras que la vitamina D 3 (colecalciferol), estrechamente relacionada, se produce en la piel a partir del 7 -deshidrocolesterol mediante una reacción fotoquímica desencadenada por la luz solar (Fig. 3-15). R R radiación UV ·Ho espontáneo ) R = X 7-Deshidrocolesterol HO HO R = X Vitamina 0 3 (colecalciferol) R = Y Ergosterol R = Y Vitamina 0 2 (ergocalciferol) X= ·HJCI LCH J Y= CH 3 ..,.. Figura 3-15. Proceso de formación de Las vitaminas 0 3 y 0 2 • La vitamina D3 (colecalciferol) se forma mediante la acción de la luz UV sobre el ergostero[, mientras que la vitamina D2 (ergocalciferol) deriva de manera similar · del 7-deshidrocolesterol. Ambas son inactivas. Las vitaminas D 2 y D 3 no son biológicamente activas, pero ciertas enzimas del hígado y los riñones las convierten en 1,25-dihidroxicolecalcifeiol, que es la forma de la vitamina D activa (Fig. 3-16). Esta vitamina aumenta 1~ concentra2 ción de Ca + sérico, lo que promueve la absorción intestinal del Ca2~ de la dieta y, en consecuencia, su depósito en huesos y dientes. \ Entre las fuentes de vitamina D destacan la yema de huevo, el atún, el hígado y los cereales, así como los suplementos añadidos a leche y ·mantequi:~a. La deficiencia de vitamina D conduce a la formación defectuosa de los huesos propia del raquitismo, una enfermedad caracterizada por una disminución en el crecimiento y la deformación de los huesos, consecuencia de una minerali- · zación ósea insuficiente. Vitamina E OH HO D entro de este término se incluye un grupo de lípidos estrechamente relacionados, entre los cuales el más abundante es el a-tocoferol (Fig. 3-17) . Los tocoferoles son antioxidantes biológicos, al ser capaces de reaccionar con las formas m ás reactivas del oxígeno y otros radicales libres. Estos pueden atacar a los ácidos grasos insaturados presentes en los lípidos de membrana oxidándolos, lo que conlleva fragilidad celular. Los tocoferoles se encuentran en los huevos, los aceites vegetales y el germen de trigo . Su carencia en animales de laboratorio ocasiona piel escamosa, debilidad muscular, pérdida de peso y esterilidad. En los seres humanos, la deficiencia de esta vitamina es rara. 1-a,25-Dihidroxicolecalciferol Figura 3-16. Molécula de La vitamina D activa: 1,25-dihidroxicolecalciferol. . : ' ~( 7 HO a-Tocoferol (vitamina E) Figura 3-17. Molécula La de vitamina E. 54 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA La vitamina E suele añadirse en forma de suplemef!to alimenticio, lo que se fundamenta en la hipótesis de que protege a las células contra el daño oxidativo y, de esta forma, reduce los efectos del envejecimiento. R Vitamina K R=~ Filoquinona (vitamina K,) R=~ Menaquinona (vitamina K2) l 1)3 Figura 3-18. Diferentes formas de la vitamina K. Esta vitamina participa en la carboxilación de los residuos de ácido glutámico de algunas de las proteínas involucradas en la coagulación sanguínea. Así, participa en la formación de la protrombina activa, una proteína del plasma sanguíneo esencial para la formación de coágulos. La protrombrina es una enzima proteolítica que rompe enlaces peptídicos de la proteína sanguínea fibrinógeno, convirtiéndola en fibrina, a la sazón la proteína que mantiene unidos los coágulos de sangre. La vitamina K 1 se encuentra en las hojas de las plantas verdes mientras que la vitamina K 2 es sintetizada por las bacterias de la flora intestinal de vertebrados (Fig. 3-18). Su carencia es rara_en humanos: sólo se da en lactantes que padecen enfermedades hemorrágicas. CONCEPTOS CLAVE o o o Los lípidos son un grupo muy diverso de moléculas orgánicas hidrofóbicas. Los ácidos grasos son ácidos monocarboxílicos, por lo general con un número par de átomos de carbono, que oscila entre 12 y 20. Los ácidos grasos saturados tienen puntos de fusión más altos que los insaturados, debido a su grado de empaquetamiento. O Los triacilglicéridos son el principal tipo de acilglicéridos, y desempeñan funciones de almacenamiento y reserva de energía. o Los fosfoglicéridos son moléculas antipáticas y tienen una cabeza polar y dos colas de á~idos grasos no polares, unidas a un esqueleto de glicerol. Su carácter antipático hace que formen parte fundamental de las membranas biológicas. o Los esfingolípidos también son moléculas antipáticas, constituidos por una molécula de esfingosina, un ácido graso y una cabeza polar. Participan en el reconocimiento celular. o o Las ceras desempeñan funciones de aislamiento y protección, debido a su carácter extremadamente hidrofóbico. o El reino vegetal es rico en terpenos, formados por ,unidades de isopreno, que sirven como pigmentos, señales mo'"" leculares (hormonas y feromonas) y agentes defensivos. El colesterol es el principal esteroide en los tejidos animales. A partir de él se siotetizan las hormonas esteroideas (hormonas sexuales, glucocorticoides) y los ácidos biliares. O Los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) actúan en concentraciones muy bajas y están invo- lucrados en procesos como la producción del dolor y la fiebre, la regulación de la presión y la coagulación sanguínea y la reproducción. \ o 0 Las vitaminas A, D, E y K son compuestos liposolubles que desempeñan papeles fundamentales en el metabolismo y la fisiología de los animales. EJERCICIOS Una sustancia M se aísla de membranas celulares, se trata con una enzima que rompe enlaces éster y da lugar a tres productos: Q, ácido fosfórico y un alcohol con carga positiva a pH 7. La sustancia Q en medio acuoso forma bicapas lipídicas. Cuando se trata la sustancia Q con una enzima que rompe enlaces amida da lugar a dos sustancias: R y V. La sustancia R es un ácido graso de cadena alifática muy larga. La sustancia V es un aminoalcohol de cadena larga. ¿Qué sustancia es M? ~----- -----~- SOLUCIÓN En un principio se deberá ir descartando las moléculas que no cumplen las premisas que se indican en el enunciado. Datos según el enunciado: CAPÍTULO 3. LÍPIDOS 55 • Upid o de membrana: de todas las moléculas que constituyen los lípidos podría ser, fosfoglicéridos, esfingolípidos o colesterol. • Prese nta un grupo fosfato ; pueden ser fosfoglicéridos y esfingolípidos, se -descarta el colesterol. • Presenta un alcohol con carga positiva: pueden ser fosfoglicéridos y esfingolípidos, ya que ambos pueden contener la etanolamina o la colina. Sin embargo, si se rompen los enlaces éster de un fosfoglicérido, daría un alcohol sin carga (glicerol), un fosfórico, dos ácidos grasos y un alcohol con carga como la etanolamina. Por lo tanto, no daría una sustancia como Q. Se descarta que sea un fosfoglicérido . Si se ro mpe los enlaces éster fosfórico de un esfingolípido (1 en la figura) quedaría una ceramida, un fosfato y un alcohol. Q es, por lo tanto, la ceramida , formada por un ácido graso unido por enlace amida a una esfiflgosina. Además, al ser antipática, puede formar bicapas lípídicas. Después de romper el enlace amida de Q (2 en la figura) se obtienen R, ácido graso y V la esfingosina unida a fosfócolina o fosfoetanolamina. M es la esfingomielina. V: Esfingosina (C 18) HO '--3/ CH = CH CH 2. Enlace amida 2 1 ~ CH-NH _! C R: Ácido graso 1 \ ~ CH 2 -0 -P-O-CH 2 -CH 2 -W - [CH 3h t b- t P-colina 1. Enlace éster-P 1111 ¿Cuántos isómeros ópticos presenta la molécula de colesterol? 11111 Si se trata la fosfatidilserina con la enzima fosfolipasa A (que 2 rompe enlace éster del C-2 del glicerol), ¿cuáles serán los productos de degradación? 1111 Continuando con la pregunta anterior ¿se podría formar algún lípido insaponificable a partir del fosfoglicérido, si el ácido graso del C-2 es bien: 0 - Indique cuál de las siguientes moléculas no contiene ácidos grasos ni deriva de ellos. a) Cera de abeja. b) Testosterona. e) Prostaglandina. d) Esfingolípido. cierta: a) Muchos contienen ácidos grasos unidos por enlaces éster o amida. b) La testosterona es un esfingolípido que se encuentrá en la mielina. e) Sólo desempeñan funciones de almacenamiento de energía. d) Son más solubles en agua que en disolventes orgánicos. . 1111 Si una molécula de colesterol formase enlaces éster con moléculas de ácido oleico, ¿aumentaría o disminuiría su solubilidad en agua?, ¿qué carga neta tendría entonces la molécula en solución acuosa a pH 7? PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN liD Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los lípidos es - • un ácido araquidónico, • un ácido oleico, • un ácido linolénico? Indique cuál de las siguientes afirmaciones referidas a las esfingolípidos es cierta: a) Los cerebrósidos y los gangliósidos son esfingolípidos. b) Están formados por glicerol y ácidos grasos. e) Contienen dos ácidos grasos esterificados. · d) Pueden presentar carga , pero no son moléculas antipát icas. I I I J indique cuál de las siguientes moléculas no deriva del colesterol: a) Ácido araquidónico. b) Ácidos biliares. e) Aldosterona. d) Cortisol. 1111 Indique cuál de las siguientes vitaminas no es liposoluble: a) b) e) d) E. B. D. K. liD Los fármacos antiinflamatorios no esteroideos (AINES) ejercen su función bloqueando la producción de: a) Esfingolípidos. b) Vitamina K. e) Prostaglandinas. d) Ninguna de las anteriores es cierta. liD Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los esteroides es cierta: ~ a) Todos los esteroides comparten una estructura formada por cuatro anillos unidos. b) Los esteroides se encuentran en las membranas de todas las células. e) Los est_eroides son solubles en agua. d) Ninguna de las anteriores_es cierta . . . La esfingosina no es un componente de: a) Ácido fosfatídico. • ' b) Ceramida. e) Gangliósido. d) Cerebrósido. 56 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA liD Indique cuál de los siguientes ácidos grasos tendrá menor punto de f usión: a) 20:0. b) 20:3ó.9.12.15. e) 18:0. d) 18:1 ó. 9. l l l l l lndique cuál es la nomenclatura correcta para el siguiente ácido graso, CH 3 - (CH 2)4 - CH =CH- CH 2- CH = CH- (CH 2)¡ - COOH: a) 18:2ó.9.12. b) 18:2ó.5·8 • e) 22:2ó. 9·12. d) Ninguna de las anteriores es correcta. (_ \ '1 . ;: ' · ." 1- ....i -,;,:: . ~·. ,~_-_ ,,._ ., . :1 •• -~ e ' ' .~ . : .a.~.·, . ,' ,;;. f u\~ .~ ·, ,; AMINOÁCIDOS '/ ENLACE PEPTÍDICO o CONTENIDOS o Introducción o Aminoácidos o El enlace peptídico o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer las características estructurales comunes de los aminoácidos. o Diferencia r los aminoácidos por las características de sus cadenas laterales y conocer las interacciones covalentes y no covalentes que pueden establecer con otros grupos funcionales. o Conocer las consecuencias químicas y biológicas derivadas de su comportamiento como ácidos y bases. Los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas que se estudian en el capítulo 5. En el presente capítulo se explican sus principales características estructurales analizando las cadenas laterales de los 20 aminoácidos que forman las proteínas y relacionando su estructura con el tipo de interacciones no covalentes y los enlaces covalentes ?~ ue pueden establecer entre ellas o con otras moléculas. Este análisis facilita la comprensión de la estructura tridimensional de las proteínas que se detalla en. el tema siguiente. Se estudia con detalle el comportamiento ácido-básico de los aminoácidos y la aparición de cargas en sus moléculas, a diferentes condiciones de pH en el medio, relacionándola con su función biológica . 58 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 INTRODUCCIÓN Los aminoácidos son un grupo heterogéneo de moléculas que poseen unas características estructurales y funcionales comunes. Existen veinte aminoácidos diferentes especificados en el código genético, aunq(líe hay otros aminoácidos menos frecuentes que se forman por modificaciones enzirnáticas posteriores al proceso de traducción. En las células, estos.veinte aminoácidos se unen mediante enlaces covalentes formando largas cadenas de combinaciones específicas que producen un gran número de proteínas diferentes. El tamaño puede ser muy -variado, desde péptidos formados por un número pequeño de aminoácidos hasta polímeros de una elevadísirna masa molecular. La disposición lineal concreta de los aminoácidos de una proteína constituye su secuencia primaria y es esta secuencia la que va a determinar su estructura tridimensional específica que es fundamental para que desempeñe su función. Además de ser las unidades estructurales de las proteínas, existen aminoácidos que son intermediares de ciertas rutas metabólicas, corno la citrulina y la ornitina en el metabolismo de la arginina y la prolina. Otros son precursores de muchas sustancias biológicas que contienen nitrógeno (grupo hemo, nucleótidos, coenzirnas, hormonas, neurotransmisores, etc.). Por ejemplo, las catecolarninas (adrenalina, noradrenalina y doparnina) se sintetizan a partir de la tirosina, un aminoácido, en el cerebro y en las glándulas suprarrenales y actúan corno neurotransmisores y corno hormonas. 0 c:fTodos los aminoácidos, exce"pto la Gly, presentan un carbono asimétrico y, por tanto, presentan isomería óptica. O las proteínas están constituidas por L-aminoácidos. AMINOÁCIDOS Características estructurales comunes Los aminoácidos tienen en común la existencia de un átomo de carbono (llamado carbono a) al que se unen los siguientes grupos f1,1ncionales: un grupo carboxilo (-COOH), un grupo arnino (-NH 2) y un átomo de hidrógeno. La cuarta valencia del carbono está unida a un radical o cadena lateral, que sirve para diferenciar los veinte aminoácidos que constituyen la mayor parte de las proteínas (Fig. 4-1). La única excepción es la prolina, que posee una estructura cíclica y un grupo arnino secundario. Figura 4-1. Estructura general de un aminoácido. Estructura general de los aminoácidos en su estado de ionización a pH 7. El grupo amino está protoriado, por lo que presenta carga positiva. El grupo carb.oxilo presenta carga negativa ya que se encuentra en su estado disociado. 2 H0- ~-H 3 CH 20H L-Giiceraldehído 2 H- ¡-oH 3 1 HW 3 2 C-H CH 3 3' L-Aianina CH,OH o-Giiceraldehído Coo- H -2c - N•H ' 3CH 3 3 o-Aianina Figura 4-2. Analogía de los enantiómeros de la alanina con la configuración del o y L-gliceraldehído. Representados mediante sus fórmulas en perspectiva, los estereoisómeros o y L de la alanina son imágenes especulares no superponibles. Grupo amino (protonado) Grupo carboxilo (disociado) Los nombres de los veinte aminoácidos se pueden representar mediante un código de tres letras o utilizando una única letra, tal y corno se muestra en la figura 4-3. . Corno puede obserVarse, excepto en la Gly, el carbono a tiene cuatro sustituyentes distintos, por lo que es un centro quiral. Así, los aminoácidos se pueden presentar orientados en el espacio de dos formas diferentes que son imágenes especulares no superponibles denominados enantiórneros. Siguiendo la representación de Fischer, propuesta para los azúcares (véase capítulo 2), los enantiórneros se designan con las letras D o L, según su analogía con el D o L-gliceraldehído (Fig. 4-2). Los aminoácidos que forman las proteínas sólo pertenecen a las formas del enantiórnero L, ·a unque se desconoce el motivo por el que se ha elegido esta forma durante la evolución. Corno ex~epción, existen formas D en algunos péptidos que forman parte de la composición de las paredes bacterianas. Estas formas D se forman a partir de las L por la actuación de una enzima (racernasa) que es un frecuente ·objetivo farmacológico antibacteriano. Además del carbono a, algunos aminoácidos presentan carbonos asimétricos en su cadena lateral, corno es el caso de la Thr y la Ile (Fig. 4-3). CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO 59 AMINOÁCIDOS APOLARES ALIFÁTICOS coo1 H N+-C-H 1 3 H Glicina Gly G Alanina Ala A Valina Val V Leucina Le u l AROMÁTICOS ~ 1 coo1 1 H W - C-H o H W- C-H 1 Fenilalanina Phe F lle 1 CON AZUFRE coo3 lsoleucina -l- 3 o=) H Triptófano Trp w IMINOÁCIDOS coo- coo1 H W- C-H 3 1- . 1 C- l:l H W - C-H 1 3 1 SH 2 S Prolina Pro Cisteína Cys 1 .Qh 2 lli,t -CI:h. 1 CH · "e1~~ H2Ñ/ \ CH 2 CH2 1 coo- 1 p e Metionina Met M AMINOÁCIDOS POLARES SIN CARGA AROMÁTICO coo- 1 1 H W - C-H 3 coo- coo- 1 H, N H W- C-H 1 3 CHP H Serina Ser Fi21 Treonina Thr T S 0 1 OH Asparagina Asn N · Tirosina Tyr Glutamina Gln ... y Q AMINOÁCIDOS POLARES CON CARGA CARGA POSITIVA CARGA NEGATIVA coo1 H N+- C-H 3 1 CH 2 1 coo- coo1 H3 N+- C-H CH 2 1 CH 2 1 Aspartato Asp D ~ Glutamato Glu E coo1 H3 W- C-H CH 2 1 CH 2 1 3 3 CH 2 CH 2 ~ NH 2 1 r-¿~ 1 1 2 C-NH 11 \ c ,rtf'CH CH ., 2 CH 2 lisina Lys K H N+- c -H 1 C=N+H2 1 1 • 1 CH 2 1 coo- cooH N+- C-H 1 H 1 Arginina Arg R Histidina His H ' .. Figura 4-3. Clasificación de los aminoácidos según la naturaleza de su cadena lateral. Los distintos aminoácidos se representan en el estado de ionización que domina a pH 7. Se han destacado las cadenas laterales mediante un sombreado y los carbonos asimétricos aparecen en rojo. Debajo de cada aminoácido figuran : su nombre completo, el código de tres letras y el código de una letra. í SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Los aminoácidos se clasifican por las características de su cadena lateral d las cadenas laterales de los aminoácidos pueden ser apelares, polares sin carga o pueden presentar carga a determinados valores de pH . La unión covalente de los aminoácidos para formar las proteínas hace que los grupos funcionales amino y carboxilo de todos los aminoácidos, excepto el primero y el último, se vean modificados debido a la formación del enlace peptídico. Por este motivo, en los polipéptidos, la naturaleza química de la cadena lateral de los aminoácidos es la que va a condicionar su solubilidad en agua, su reactividad y el tipo de interacciones no covalentes que se pueden establecer. Las cadenas laterales de los diferentes aminoácidos pueden ser de naturaleza hidrofóbica (apolar), polar sin carga, o pueden presentar carga a determinados valores de pH. Los aminoácidos estrictamente hidrofóbicos son: Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Trp y Met. Todos tienen cadenas laterales alifáticas, menos la Phe y el Trp que, por presentar anillos aromáticos en su estructura, tienen la capacidad de absorber luz ultravioleta a determinadas longitudes de onda (alrededor de 280 nm). La prolina se caracteriza por su estructura cíclica rígida con un grupo amino secundario que le confiere un papel especial en la formación de la estructura secundaria. El aminoácido Gly, que tiene un solo hidrógeno como cadena lateral, se suele incluir en este grupo, aunque tiene unas características especiales. La presencia de azufre permite diferenciar dos aminoácidos: Met y Cys. La Met es totalmente apolar y es el aminoácido iniciador de la síntesis de proteínas (codón AUG, véase capítulo 18). La Cys, que posee un grupo sulfhidrilo muy reactivo, puede incluirse en este grupo ya que su principal característica es la formación de puentes disulfuro entre dos Cys, un enlace covalente apolar. Los aminoácidos polares sin carga son: Ser, Thr, Tyr, Asn y Gln. Los tres primeros tienen en común la presencia de un grupo hidroxilo, aunque hay que destacar el carácter aromático de la Tyr. Como se verá en el capítulo 8, la Ser es con frecuencia unos de los aminoácidos fundamentales en la catálisis enzimática, debido a su actuación como reactivo nucleófilo. <;;In y Asn se caracterizan por la presencia de un grupo amida que les confiere su reactividad. Los aminoácidos ionizables a pH fisiológico son: Glu, Asp, Lys, Arg e His. Los dos primeros poseen un grupo carboxilo que se encuentra ionizado en su forma aniónica a pH fisiológico (- COO-) y los tres últimos poseen grupos funcionales con carácter básico por lo que pueden captar protone.s del medio adquiriendo carga positiva. Tanto la Lys como la Arg se encuentran ionizadas a pH fisiológico ; y la His, con un grupo imidazol con un p.!<,; de 6, sólo estará cargada en un cierto porcentaje de moléculas a este pH (véase Tabla 4-1). Como se estudiará más adelante, también la Cys y la Tyr pueden encontrarse ionizados en unas determinadas condiciones de pH, pero no a pH fisiológico . Los aminoácidos presentan carácter ácido y básico c::flos aminoácidos son sustancias anfóteras ya que pueden actuar como ácidos o como bases. Como ya se ha mencionado, los aminoácidos presentan un grupo amino con carácter básico (aceptor de protones) y un grupo carboxilo con carácter ácido (dador de protones). Como a pH fisiológico los aminoácidos se encuentran en su forma de ión dipolar, en realidad el carácter ácido lo presenta el grupo amino protonado y el carácter básico el grupo carboxilo ionizado (Fig. 4-4). Este tipo de sustancias que pueden actuar como ácidos o como bases se conocen como sustancias anfóteras. Además algunos aminoácidos tienen un grupo ácido o básico en su cadena lateral. Para comprender la importancia biológica de este carácter y sus principales consecuencias vamos a analizar el comportamiento del aminoácido más sencillo, la Gly, cuando se realiza una curva de titulación (Fig. 4-5). A un pH muy ácido ambos grupos funcionales se encuentran protonados y la forma dominante es NH; - CH- COOH. Por tanto esta molécula puede perder dos protones, el del grupo carboxilo y el del grupo - NH;, que es ahora un ácido conjugado. Cuando va aumentando el valor del pH (por la adición de un volumen conocido de una base fuerte como el NaOH) cada vez encontraremos un mayor porcentaje de moléculas que han perdido el protón del grupo ácido, hasta llegar a un valor en el CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO 61 pH básico carga negativa pH 7 =neutro ión dipolar grupo carboxilo ionizado (ácido conjugado) coo1 1 R-C-H + W : 1 grupo amino protonado (base conjugada) NH 2 Figura 4-4. Estado de ionización de un aminoácido con cadena lateral no ionizable en distintas condiciones de pH. A pH 7 se encuentra en su forma de ión dipolar con carga neta cero. A pH ácido dominan las formas protonadas con carga positiva y a pH básico domina la forma totalmente desprotonada con carga negativa. COOH 1 R- C-H 1 N+H3 pH ácido carga positiva que la concentración de las formas NH; -CH -COOH y NH; -CH -coosea igual. Si recordamos la ecuación de Henderson-Hasselbalch (véase Recuadro 1-5), este es el valor en el que pH = pK,_. En el caso de la Gly este valor es de 2,34 para el grupo carboxilo (p.K;). Si se sigue aumentando el pH, llegará un momento en que se empiecen a perder los protones del grupo - NH; hasta que se llegue a un valor del pH en el que la concentración de NH; - CH- coo- sea igual a la de NH 2 - CH- coo-. Este valor de pH coincide con el pK,_ de grupo NH; (p.K; de 9,6 para la Gly). Entre ambos valores habrá un valor de pH en el que la forma dominante sea el ión di polar (NH; - CH- COO-). Este valor de pH se denomina punto isoeléctrico, ya que la carga neta de la molécula es cero. En aminoácidos sin cadena lateral ionizable el valor del pi coincide con la media aritmética de los valores de pK,_ que afectan a la forma neutra [pi = Yz (p.K; + p.K;)]. A continuación se revisan las principales consecuencias de este comportamiento. La carga eléctrica de los aminoácidos varía con el pH Como puede deducirse de la curva de titulación de la Gly, por debajo del valor de pH del pK del grupo ácido (p.K; = 2,34) domina la forma totalmente protoWH 3 N+H NH, CH, CH 2 CH 2 1 1 3 valores de pH por debajo del punto isoeléctrico la glicina tiene carga neta positiva; y a valores de pH superiores al pi, presenta carga neta negativa. 1 1 1 c:JA 1 coo- 1 1 1 COOH coo- Forma protonada carga+ lón dipolar carga neta O : Forma desprotonada carga: 1 13.------r------,------+------~ 1 1 1 1 Glicina : 1 1 1 1 1 1 1 pK2 -------~-------1 1 - ~ 9,60 j ../. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 pH pK1 pi = 5,97 'J' 2,34 0,5 1,S OW (equivalentes) 2 Figura 4-5. Curva de titulación del aminoácido Glicina. La molécula cambia su estado de ionización lo que implica un cambio en su carga · neta. Se destacan en sombreado las dos zonas con poder tamponante. 62 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE ·LA CÉLULA nada con carga neta positiva (NH; - CH- COOH). Por encima de este valor empieza a aumentar el porcentaje de moléculas que se encuentran en la forma del ión dipolar, con carga neta cero, hasta llegar al pi en el que es la forma dominante. Por encima de este valor de pH el grupo NH; va perdiendo su protón y va disminuyendo en porcentaje de la forma dipolar hasta que se iguala con la forma del ión negativo en el pH que coincide con el p.l(. del grupo NH; (pK; = 9,6). Por encima de este valor dominará la forma con carga negativa NH 2 -CH-COO-. Los aminoácidos con cadenas laterales con grupos ionizables tienen curvas de titulación más complejas con tres valores de p.l(.. Los puntos isoeléctricos de los aminoácidos con un grupo ácido en su cadena lateral se calcularán como la media aritmética de los dos p.l(. de los grupos ácidos que están implicados en los equilibrios de la molécula con carga neta cero (ión dipolar). ~or el mismo razonamiento, en el caso de los aminoácidos con cadena lateral con carácter básico, el punto isoeléctrico se calculará como la media aritmética de los p.l(. de los gru. pos básicos (Fig. 4-6) . · Existen regiones pH en los que los aminoácidos presentan poder tamponante O Al pH correspondiente al pK, de los grupos funcionales ionizables los aminoácidos tienen poder tamponante. Como puede observarse eri la curva de titulación (Fig. 4-5), en las zonas próximas a los valores de p.l(. de ambos grupos (COOH y NH;), se necesita más cantidad de base (NaOH) para que se produzca un aumento en el pH de la so- (a) coo- COOH 1 ~ CH 2 1 ~ 1 CH 2 1 CH 2 1 CH 2 1 CH 2 1 1 COOH coo- COOH I P H2N-CH H3 W -CH 1 CH 2 1 1 H3 W -CH 1 coo- coo- 1 H3 W - CH = pK, ~ ..---- 1 :r: a. CH 2 1 CH 2 1 coo- 2 + pKR = 3 22 2 . OW (equivalentes) (b) COOH 1 H3 W -CH 1 :r: a. ~ CH 2 H e --N\ 1 11 CH C - Ñ~ H H I P = pKR+ pK2 = 7 59 2 . OW (equivalentes) Figura 4-6. Curva de titulación de un aminoácido con cadena lateral ácida (Glu) y un aminoácido con cadena lateral básica (His). (a) En el Glu se pasa gradualmente de la forma totalmente protonada con carga positiva a la forma totalmente desprotonada con carga -2. (b) En la His, se parte de la forma con carga neta 2 a la forma con carga - 1. En ambos casos el pi se obtiene como la media de los valores de pK, en los equilibrios en los que participa el ión dipolar. CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO lución. Este efecto se conoce como efecto tamponante (véase capítulo 1) y tiene importantes consecuencias biológicas. Como se deduce de los datos aportados en la tabla 4-1, en la que se muestran los valores de pK,. y pi de los aminoácidos, sólo la His (con el pK,. de su cadena lateral de 6) puede actuar como tampón a un valor de pH cercano al pH fisiológico. Un ejemplo de este poder tamponante se produce en la hemoglobina. En esta proteína, los protones liberados durante el metabolismo celular se unen a un residuo de His evitando una disminución del pH y cambiando, además, su afinidad por el oxígeno. El proceso completo se explica con más detalle en el capítulo siguiente. 63 1 El va lor del pK. puede variar con el entorno químico de la molécula Si comparamos los valores de pK,. de los grupos COOH y NH; de la glicina con el de moléculas similares como el ácido acético y la metil amina podemos observar lo siguiente (Fig. 4-7): En el primer caso, el valor del pK,. del grupo carboxilo de la glicina (2,34) es m ucho más bajo que el del ácido acético (4,8) , lo que significa que se ioniza más fácilmente. Esto se debe a dos factores. Por un lado a que la carga positiva del grupo NH; del aminoácido ayuda a que se libere el protón del grupo - COOH por un efecto de repulsión de cargas. Además, la aparición de una carga negativa en la molécula tiene un efecto estabilizante ya que compensa la carga positiva del grupo amino protonado. En el segundo caso, el valor del pK,. del grupo NH; (9,6) también es menor que el de la metilamina (10,6) . En este caso se debe al efecto de atracción de los electrones por parte del oxígeno, más electronegativo, que hace que sea más fácil la pérdida del protón. Este comportamiento explica que sea muy difícil dar un - pK, pK2 (-COOH) (-NH;) Gly 2,34 9,6 5,97 Ala 2,34 9,69 6,01 Val 2,32 9,62 5,97 Le u 2,36 9,60 5,98 lle 2,36 9,68 6,02 Met 2,28 9,21 5,74 Cys 1,96 10,28 Ph e 1,83 9,13 5,48 Trp 2,38 9,39 5,89 Pro 1,99 10,96 6,48 Ser 2,21 9,15 5,68 Thr 2,11 9,62 5,87 Asn 2,02 8,80 5,41 Gln 2,17 9,13 5,65 Tyr 2,20 9,11 10,07 5,66 Asp 1,88 9,60 3,65 2,77 Glu 2,19 9,67 4,25 3,22 Lys 2,18 8,95 10,53 9,74 Arg 2,17 9,04 12,48 10,76 His 1,82 9,17 Aminoácido aa a polares aa polares sin carga aa polares con carga pKR (cadena lateral) 8,18 6 pi (punto isoeléctrico) 5,07 7,59 - . c:fEl pK. de un grupo funcional concreto está muy influenciado por las características químicas de los grupos funcionales próximos presentes en la molécula. 64 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 2 H H' 1~ . + H' eH -eOOH __j____,. eH - eoo3 12 10 8 1 3 eH 3- WH 3 eH3-NH2 H' 1 Ácido acético pK, (-eOOH) = 4,8 Figura 4-7. Efecto del entorno químico en el valor del pK•• La comparación de los valores de pK, de moléculas semejantes permite comprobar la variación que se produce debido a la presencia de grupos funcionales próximos. Efectos de este tipo se pueden producir en los centros activos de ciertas enzimas. WH 1 Metil amina pK, (-N•H3) NH 2 WH 3 1 13 1 H-e- eoo- H-e-eOOH 1 1 H H Glicina pK, (-eOOH) = 2,34 = 10,6 H-e- eoo- ~ 1 Glicina pK, (- N'H 3) = 9,6 valor concreto de pi(, de un grupo funcional, _ya que su valor puede variar dependiendo de las características de los grupos funcionales que le rodean en la molécula. Este hecho tiene una gran importancia para explicar cómo se producen las reacciones químicas en un entorno concreto en el caso del centro activo de las enzimas (véase capítulo 8). Comportamiento ácido-base de las cadenas laterales Las cadenas laterales de ciertos aminoácidos también poseen grupos funcionales con carácter ácido o básico. Estos aminoácidos son: Lys, Arg, His, Asp, Glu, Cys y Tyr. Como puede verse en la figura 4-8 el estado de ionización de estas moléculas y, por tanto, su carácter ácido o básico, va a depender del valor de su pi(,. A pH fisiológico, todos se encontrarán en su forma ácida, excepto la His. Este aminoácido, por tener un pi(, próximo al fisiológico , sólo se encontrará ionizado en un cierto porcentaje, por lo que coexisten grupos en su forma ácida con grupos en su forma básica. El grupo sulfhidrilo de la Cys y el grupo fenol de la T yr sólo se encuentran ionizados en condiciones muy alcalinas, como se deduce de los valores de su pi(,. AMINOÁCIDO Lisina (Lys) Arginina (Arg) Forma ácida Forma básica - WH 3 Amonio -NH-e= WH 1 ~ ------" ,..----- 2 \ -"" WH e "' H ------" ,..----- lmidazolio Figura 4-8. Valores aproximados de pK. de Las cadenas Laterales ionizables. Los aminoácidos ácidos (Asp, Glu), los básicos (Lys, Arg e His) y la Tyr y la eys pueden presentar carga a determinados valores de pH. Debido a la influencia del entorno molecular se aportan intervalos entre los que puede variar el valor, dependiendo de las condiciones concretas. -SH 11 ,5- 12,5 -Q-oH -eOOH Ácido carboxílico -e=eH 1 \ HN , -"'N e"' H +W 6,0- 7,0 - s- +W 8,0- 9,0 +W 9,5 - 10,5 + H+ 3,0 - 5,5 Tiolato ------" ,..----- Fenol Aspártico (Asp) Glutámico (Glu) +W lmidazol ------" ,..----- Tiol Tirosina (Tyr) -NH-e=NH NH 2 Guanidino -e=eH eisteína (eys) 7,6- 10,6 1 NH 2 1 HN, + H+ Ami na Guanidinio Histidina (His) -NH 2 Rango de pK. aproximado - Q - oFenolato ------" ,..----- - eooCarboxilato CAPÍTULO 4 . AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO Igual que ocurre con otras propiedades, el comportamiento ácido-base de las proteínas va a estar condicionado por los grupos ionizables de las cadenas laterales. La importancia biológica de estos grupos funcionales radica en su posibilidad de participar en las reacciones enzimáticas mediante dos procesos diferentes. En primer lugar, estos aminoácidos pueden actuar como aceptores o dadores de protones en cien~~ reacciones químicas. Adeii_Iás, los ácid~s. pueden actu~r como reactivos nucleoHhcos y las bases como reactivos electroflltcos en reaccwnes de ruptura y formación de enlaces. Por este motivo estos aminoácidos se encuentran con frecuencia en los centros activos de numerosas enzimas, como se verá en el capítulo 8. 65 c JLos aminoácidos con cadenas laterales con carácter ácido o básico desempeñan un papel fundamental en la catálisis enzimática. 7""--- Las propiedades de las cadenas laterales determinan las interacciones no covalentes El análisis de las características estructurales y la presencia de ciertos grupos funcionales permiten entender las relaciones que se pueden establecer entre distintas partes de la misma molécula o entre la proteína y otras moléculas. Hidrofobicidad Como puede observarse en la figura 4-2, muchos aminoácidos presentan una cadena lateral totalmente apolar. Teniendo en cuenta que las proteínas suelen encontrarse en un entorno acuoso, las cadenas laterales apolares tienden a agruparse como consecuencia del fenómeno de repulsión definido como efecto hidrofó bico (véase capítulo 1) plegándose en una estructura tridimensional en la que suelen quedar formando un núcleo hidrofóbico (Fig. 4-9a). Fuerzas de Van der Waals En las cadenas laterales de los aminoácidos apolares se pueden crear dipolos instantáneos que pueden crear fuerzas de atracción intermoleculares muy débiles pero que, en conjunto, pueden tener un efecto importante en la determinación de la estructura tridimensional de las proteínas (Fig. 4-9b). ácido glutamínico valina \ Núcleo hidrofóbíco Puente de hidrógeno con agua (a) Efecto hidrofóbico lisina (b) Van der Waals (e) Interacciones electrostáticas Figura 4-9. Interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de los aminoácidos. (a) En un entorno acuoso, los aminoácidos con cadena lateral apolar se concentran en la zona central formando un núcleo hidrofóbico. (b) A una determinada distancia, se pueden crear dipolos tem porales entre los átomos de estas cadenas apolares que hacen que se establezcan otro tipo de interacciones no covalente: las fuerzas de Van de r Waals. (e) Las cadenas laterales ionizables pueden presentar carga a pH fisiológico. Esto permite que se establezcan fuerzas de atracción electrostática entre grupos funcionales con carga opuesta y fuerzas de repulsión entre grupos con la misma carga. 66 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA ·CÉLULA ~~:nt8: derd~~~ ~0-H IIIIIIIIII ~Q~ H Tyr Donador de H Tyr Aceptor de H Figura 4-10. Puentes de hidrógeno en la Tyr. Los puentes de hidrógeno son muy habituales entre los átomos de ciertas cadenas laterales. La Tyr puede participar en la formación de estos puentes de hidrógeno actuando como donador o como aceptor del átomo de hidrógeno. Formación de pu entes de hidrógeno Algunas cadenas laterales pueden formar interacciones no covalentes de este tipo pudiendo actuar como donadores. o como aceptares de hidrógeno. En el primer caso se encuentran las cadenas laterales de los aminoácidos Ser, Tyr, Thr, Trp, Gln, Asn, His y Cys. En todos los casos, existe un átomo de hidrógeno unido a un átomo más electronegativo que hace que se cree una densidad de carga positiva en el átomo de hidrógeno. A un pH bajo, las cadenas de Asp y Glu estarán protonadas y también pueden actuar como donadores de H. Las cadenas laterales que poseen grupos funcionales con átomos con densidad de carga negativa que pueden actuar como aceptares en la formación de puentes de hidrógeno son: Tyr, Glu, Asp, Ser, Thr, Asn, Gln, His y, en ocasiones, la Cys. Como puede observarse en la figura 4-1 O, .las cadenas laterales de algunos aminoácidos pueden actuar como donadores y como aceptares. Interacciones electrostáticas c:!Las interacciones no covalentes determinan la estructura tridimensional de las cadenas polipeptídicas y pueden ser modificadas por cambios en el medio. Las cadenas laterales de algunos aminoácidos presentan grupos funcionales con carácter ácido o básico que, como consecuencia, pueden estar ionizados a determinados valores de pH. Las cadenas laterales de Lys, Arg e His puederi presentar carga positiva y las de Glu y Asp carga negativa. Dado que cargas de signos opuestos se atraen, se pueden crear interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de estos aminoácidos que, por su semejanza a las interacciones iónicas que se dan en las sales, se denominan con frecuencia puentes salinos (véase Fig. 4-9c). Estas interacciones también se dan entre proteínas (con cadenas laterales con carga positiva) y el DNA (con las cargas negativas de los grupos fosfato). Como se deduce del comportamiento de los grupos funcionales de este tipo de residuos, estas interacciones pueden verse alteradas por modificaciones del pH y por la adición de sales. Unión de elementos metálicos c:!Las cadenas laterales de aminoácidos como la His pueden formar enlaces covalentes coordinados con cationes metálicos. coa- coa- His E7 Distal Figura 4-11 . Unión de un átomo de hierro en la molécula de oxihemoglobina. La unión se establece por la formación de una entidad de coordinación en la que participan átomos del grupo prostético y de las cadenas laterales de dos residuos de His de la proteína. · · cov· al ente a protemas • d e cationes · d.tva1entes (M g 2+, ea2+, z n 2+) y al guLa umon nos metales de transición (Fe, Cu, Ni, etc.) es relativamente frecuente en muchas enzimas y en otras· proteínas como la hemoglobina. La unión de estos elementos metálicos tiene una gran importancia en la función de la proteína, permitiendo, en algunas ocasiones, su participación dire<;ta en ciertas reacciones químicas o, simplemente, esta,bilizando su estructura t{fffi mensional. Estos metalés se unen formando entid'á.des de coordinación, que están compuestas por un átomo central (en este caso el metal) que se encuentra unido a un conjunto de átomos denominados ligandos. Estos complejos se 'forman con las cadenas laterales de aminoácidos como His, Tyr, Cys, Met, Asp y Glu~ En el grupo hemo de la hemoglobina en la unión al Fe 2+ participan, tanto átomos del grupo hemo como aminoácidos de la proteína formando un total de seis enlaces. Como se observa en la figura 4-11, el Fe 2+ establece cuatro de sus enlaces con los átomos de N del anillo de porfirina del grupo hemo. El quinto enlace se forma con el N del grupo imidazol de una histidina (denominada His proximal). El sexto sólo se forma cuando la molécula fija una molécula de 0 2 , que se sitúa entre el , · Fe 2+ y la cadena lateral de otra His (His distal) .' La incorporación de estos elementos metálicos aumenta las posibilidades de las proteínas para participar en ciertas reacciones, como ocurre en las reacciones de transferencia de electrones. Los aminoácidos con cadenas laterales ionizables también pueden establecer interacciones con elementos metálicos pero, en este caso, mediante interacciones no covalentes iónicas. Un ejemplo sería la fijación de Ca2+ en las proteínas con residuos de Asp y Glu. . 2 Otra muestra de interacción de proteínas con Ca + se da en un tipo de proteínas de adhesión entre células: las cadherinas. Estas proteínas poseen una por2 ción extra,¡::el~lar con cinco dominios. La unión del Ca + en lugares e\ pecíficos . de estos dominios le confiere a la proteína la rigidez necesaria para realizar su función. 67 CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO coo- Las cadenas laterales pueden establecer enlaces covalentes . Ciertos residuos tienen en su cadena lateral grupos funcionales que permiten la fo rmación de enlaces covalentes que pueden establecerse entre dos aminoácidos o entre ciertos aminoácidos y grupos funcionales de otras moléculas. coo- 1 WH -C-H 3 1 N+H -C-H 1 3 CH, SH 1 -2 H _______, + SH D os residuos de Cys pueden unirse covalentemente mediante la formación de un enlace disulfuro mediante un proceso de oxidación (Fig. 4-12). Este tipo de entrecruzamiento se puede dar entre dos Cys de la misma proteína (intracatenarios) o entre dos Cys de cadenas diferentes (intercatenarios). La reacción requiere un ambiente oxidante, por lo que estos enlaces no son habituales en las proteínas intracelulares que se encuentran en el ambiente reductor del citosol. Sin embargo, estos enlaces son frecuentes en las proteínas extracelulares que son secretadas por las células. En los organismos eucariotas, la formación de estos enlaces se produce en ellumen del retículo endoplásmico, el primer compartimento de la vía secretoria. Estos enlaces estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas, que se mantiene gracias a· las interacciones no covalentes, haciéndolas menos susceptibles a la degradación. En algunas proteínas que están formadas por varias unidades existen puentes disulfuro intercatenarios que mantienen unidas las distintas cadenas. La molécula de inmunoglobulina G sirve como ejemplo (Fig. 4-13). CH 2 S 1 S 1 CH 2 1 1 1 H-C-NW 1 . CH 2 1 Formación de puentes disulfuro 1 3 eoodos cisteínas medio reductor H-C-NW 1 3 coouna cistina medio oxidativo Figura 4-12. Formación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de dos residuos de Cys. Los grupos sulfhidrilo de dos moléculas de Cys, en condiciones oxidativas reaccionan formando un enlace covalente denominado puente disulfuro. La unión de dos Cys da lugar a una molécula denominada cistina. Fosforilación Las cadenas laterales de los aminoácidos Ser, Thr y Tyr pueden sufrir un proceso de fosforilación por la unión a su grupo hidroxilo (-OH) de una molécula de fosfato inorgánico (PJ En la naturaleza la formación de este tipo de enlaces está catalizada por una clase de enzimas denominadas quinasas. La fosforilación es reversible y el grupo fosfato es eliminado gracias a la acción de otra clase de enzimas: las fosfatasas. La fosforilación de proteínas es un proceso que tiene un papel destacado en m uchos procesos biológicos siendo un medio muy común de regulación de la actividad proteica. La introducción de un grupo fosfato con carga negativa hace que se produzcan cambios conformacionales en la proteína, que tienen como consecuencia una modificación en su actividad. En el caso de las enzimas, la fosforilación puede hacer que se pase de una forma activa a una, inactiva o viceversa. El que se adicion en o se escindan ·grupos fosfato se produce con frecuencia como respuesta a señales específicas. c:f Numerosas proteínas cambian su actividad debido a un cambio de conformación producido por un proceso de unión o escisión de un grupo fosfato. Glucosilación En las células eucariotas los azúcares se pueden unir de form a covalente a las proteínas mediante la formación de un enlace o-glucosídico, si el carbono anomérico del azúcar reacciona con el grupo hidroxilo de una Ser o una Thr. También se puede formar un enlace N-glucosídico si la unión se realiza con el grupo amino de la cadena lateral de la Asn (Fig. 4-14) . La estereoquímica de las cadenas laterales es fu ndamental para comprender la estructura tridimensional de las proteínas Además de las características químicas discutidas en los apartados anteriores, la geometría y distribución espacial de los enlaces de los átomos que forman las cadenas laterales también va tener una gran importancia ·a la hora de determinar el plegamiento de las proteínas y sus relaciones con otras moléculas. El tamaño y la forma de las cadenas latera- Cadenas pesadas Figura 4-13. Puentes disulfÚro en la inmunoglobulina G (lgG). La -molécula de · lgG presenta puentes disulfuro de dos tipos. Los intracatenarios 'se establecen entre residuos de Cys de la misma cadena (en azul) y los intercatenarios entre residuos de Cys· de las dos cadenas diferentes (en rojo) . 68 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA CHPH H NH, 1 0-CH,- C-COOH 1 HO H H NH 1 C=O 1 CH 3 o-glucosídico con Ser les condiciona el tipo de interacciones que pueden darse con otros grupos funcionales, teniendo en cuenta sus radios de Van der Waals. En las cadenas alifáticas, la superficie de la cadena lateral que queda expuesta hacia el exterior va a influir sobre la hidrofobicidad general del residuo. En situaciones de gran proximidad en la estructura tridimensional, el tamaño de la cadena lateral puede condicionar la situación de los residuos en la secuencia de aminoácidos, como ocurre en las cadenas a del colágeno con los residuos de Gly (véase capítulo 5). Los átomos de cualquier cadena lateral más larga que la Ala tienen la posibilidad de disponerse en el espacio adoptando diferentes posiciones relativas o conformaciones debido a las posibilidades de rotación de los enlaces: alterna y alineada. Se ha podido comprobar que la disposición alterna es la más favorable desde el punto de vista energético. En esta conformación, los sustituyentes de un átomo de carbono se sitúan en la posición que dejan los del átomo siguiente, como puede verse si se observa la molécula a lo largo del eje de rotación (Fig. 4-15). Modificaciones químicas de los aminoácidos en las proteínas Figura 4-14. Unión covalente de hidratos de carbono mediante enlaces o-glucosídico y N-glucosídico. Unión de un monosacárido a un residuo de Ser (podría se también a un residuo de Thr) mediante un enlace o-glucosídico. El enlace N-glucosídico se establece con el grupo amido de la Asn. Además de los veinte aminoácidos determinados por el código genético, existen otros aminoácidos que sufren modificaciones después de estar incorporados en la cadena polipeptídica. Estos aminoácidos "no estándares" a veces tienen un papel biológico importante. En la molécula de colágeno existen dos de estos aminoácidos: la 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina (Fig. 4-16). En ambos casos la modificación consiste en la adición de un grupo hidroxilo y cada reacción esta catalizada por una enzima específica. Existen cambios más complejos como la formación de desmosina en la elastina a partir de cuatro residuos de Lys (Fig. 4-16). Algunos aminoácidos de las proteínas que forman complejos con los ácidos nucleicos también están modificados. Las proteínas de los cromosomas, las histonas, pueden tener grupos metilo, acetilo o fosfato específicos. El ácido y-carboxiglutámico, producido por una modificación postraduccional dependiente de vitamina K, se encuentra en la protrombina, una de las proteínas que intervienen en la coagulación de la sangre, y en otros factores de coagulación. Con dos grupos carboxilo, tiene una gran capacidad para fijar cationes Ca2+. Aminoácidos no presentes en las proteínas Además de su papel como componentes estructurales de las proteínas existen otros aminoácidos que cumplen otras importantes funciones biológicas. Es frecuente que algunos compuestos derivados de aminoácidos funcionen como mensajeros químicos. Un ejemplo de esta función son los neurotransmisores como el GABA (ácido y-aminobutírico), que se produce por la descarboxilación del gluramato y es un neurotransmisor con función inhibitoria. El receptor del GABA es un blanco frecuente de fármacos que reducen la ansiedad como los barbitúricos. La dopamina, un. derivado de la Tyr, es un neurotransmisor rela- (a) Alineada Alterna Figura 4-15. Estabilidad de las conformaciones alineadas y alternadas. La disposición alternada es energéticamente más favorable que la alineada, debido a los efectos estéricos que se crean en la última por la mayor proximi dad de sus átomos. (a) Vista de la molécula de etano a lo largo del eje C-C. (b) Diferentes conformaciones de la Val. La primera conformación alternada (b) es más favorable que las mostradas en (e) y (d), porque los dos grupos metilo (más voluminosos) unidos al carbono ~ se encuentran más cerca del átomo de hidrógeno unido al carbono a . CAP ÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO 69 N'H, H,c "" ' cH-coo- donado con la enfermedad de Parkinson que también se utiliza como fármaco en el sistema periférico para aumentar la frecuencia cardiaca y producir dilatación de los vasos sa.n guíneos renales. ' 12 HC-CH 1 OH 4-Hidroxiprolina Q El ENLACE PEPTÍDICO OH N'H 3 1 El enlace peptídico es la unidad primaria estructural de las cadenas polipeptídicas. Los aminoácidos se unen en secuencias lineales durante la síntesis de proteínas mediante una reacción de condensación entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, que produce la formación de un enlace amida (Fig. 4-17). Los aminoácidos incorporados en la cadena polipeptídica se denominan residuos por la pérdida de agua que se produce en la reacción. Como consecuencia de este proceso sólo el grupo amino del primer aminoácido (grupo amino terminal) y el grupo carboxilo del último (carboxilo terminal) tienen capacidad de ionización. También pueden ionizarse las cadenas laterales de los aminoácidos ácidos y básicos ya que éstas no participan en· la formación del enlace peptídico. Por tanto, dependiendo de su secuencia concreta, cada polipéptido tendrá una curva de titulación característica y un punto isoeléctrico determinado. Es importante conocer la carga de un polipéptido a un determinado valor de pH porque permite predecir el tipo de interacciones que pueden darse, dentro de la misma cadena o con otras moléculas. Como ya se ha comentado un mismo grupo funcional puede tener mayor o menor tendencia a ionizarse dependiendo del entorno molecular. Esto hace que los valores de p.K.; de los grupos laterales sólo sirvan de referencia para saber el intervalo de pH en el que se produce la ionización en el péptido, pero el valor exacto no puede conocerse (Recuadro 4-1). Características estructurales Es importante analizar la estructura del enlace peptídico para poder comprender las restricciones estructurales de las cadenas polipeptídicas que van a condicionar la distribución en el espacio de los átomos (conformación) de las proteínas. Los estudios de difracción de rayos X realizados por Linus Pauling y Robert Carey, demostraron que el enlace peptídico tiene una estructura plana y rígida (Fig. 4-18). Esto se debe a que existe un fenómeno de resonancia de los electrones del grupo carbonilo entre los tres átomos del enlace O-C- N que hace que el enlace C- N tenga un cierto carácter de doble enlace que no permite la rotación sobre su eje. La limitación del giro del enlace C- N hace que sólo existan dos posibles configuraciones alrededor de este enlace: cis, con- el átomo de H y el grupo carbonilo en el mismo lado del eje, y trans, con ambos átomos en posiciones alternas. La posición transes la que se da de forma mayoritaria en las proteínas, ya que la forma cis presenta mayores restricciones estéricas (Fig. 4-19). Un ejemplo de configuración cis se da en la molécula de colágeno. En los enlaces peptídicos en los que participa la Pro se pueden dar las dos configuraciones, ya que debido a su estructura cíclica, ambas configuraciones son bastante inestables (véase Fig. 4-20). Sin embargo, sí existe posibilidad de rotación alrededor de los enlaces N- Ca y Ca- C. Por tanto, el esqueleto de la cadena puede considerarse como una sucesión de unidades planas que comparten un punto de giro alrededor del carbono a, de forma que cada carbono a, excepto el primero y el último, pertenece a dos de estas unidades (véase Fig. 4-18). Teniendo en cuenta esta estructura, podemos ver que las cadenas laterales quedan excluidas de la unidad. La conformación del polipéptido dependerá de los ángulos de torsión que se adopten alrededor de este punto. Aunque el enlace permita el giro, hay que ten er en cuenta que no todas las posiciones son posibles debido a las restricciones estéricas de los átomos del esqueleto polipeptídico y de las cadenas laterales concretas de cada aminoácido . Las conformaciones prohibidas serán aquellas en las que se produzcan colisiones entre los átomos de las cadenas laterales y los de la 1 N+H3 -CH, -CH-CH, -CH,- C-H 1 coo5-Hidroxilisina ~ CH, (CH 1 1 2) 3 H 2 C~~/CH, 6;~ <~H) e~ ~ Desmosina cross-link Figura 4-16. Modificaciones postraduccionales. Existen modificaciones posteriores al proceso de traducción como la adición de un grupo hidroxilo en el caso de la 4-hidroxiprolina y la 5-hidroxilisina, dos aminoácidos que se encuentran en la molécula de colágeno . Se pueden formar estructuras complejas por la formación de enlaces cavalentes de residuos modificados, como ocurre en el caso de la desmosina, un enlace cavalente entre cuatro residuos de Lys que se habían oxidado previamente para dar residuos de alisina. O las longitudes y los ángulos de enlace de los átomos que componen el enlace peptídico son muy semejantes en todas las unidades de todas las proteínas. R, H R2 1 1 1 H N• - cH - C- OH + H-N-CH-C003 11 o Figura 4-17. Formación del enlace peptídico. El grupo carboxilo d~ un aminoácido forma un enlace covalente amida con el grupo amino de otro aminoácido mediante una reacción de condensación. J 70 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 4-1. Variación del estado de ionización de un péptido a diferentes valores de pH En la figura (a) se muestra el estado de ionización a pH 7, en el que los grupos ácidos se encuentran ionizados (el pH es superior a su pK,) y presentan carga negativa y los grupos básicos se encuentran protonados (el pH es inferior a su pK,) y se encuentran con carga positiva. En la figura (b), a pH ácido, todos los grupos funcionales están protonados. Los grupos ácidos no presentan carga y los grupos básicos presentan carga positiva. En la figura (e), a pH básico los grupos ácidos están ionizados y los básicos han perdido su protón (a un pH por encima de su pK,). La consecuencia de esta variación en el estado de ionización de la molécula a distintos valores de pH es el cambio en su carga neta. Secuencia abreviada amida (enlace peptídico) ~ 11 Asp-Lys-Gln-His-Cys-Arg-Phe (código de tres letras) DKQHCRF (código de 1 letra) 1 Carbono a o o 11 11 o 11 o 11 o 11 l .. ó o 11 H~ -CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH- C-~ 3 1 CH 2 r ¿=O 1_ O Asp N-terminal (izda.) Hl CH 2 ¿H2 1 CH 2 1 CH 2 Hl CH 2 Hl CH 2 ¿H2 1 C=O 1 NH 2 1 ~H 3 Gln 1 ~ e--\ ll CH e - N+/; Hl CH 2 ~H Cys H H His Hl CH 2 Hl CH 2 ¿H2 1 CH 2 1 NH 1 ~ Phe 1 C = ~H 1 ~s 2 N~ e-terminal (dcha.) Arg (a) Estado de ionización a pH 7. Carga neta +2 o o o o o o o 11 11 11 11 11 11 11 HN+ -CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C N-CH C-OH 3 1 Hl H l Hl Hl Hl Hl CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 r ¿=O 1 OH Asp N-terminal ¿H2 1 CH 2 1 CH 2 ¿H2 1 C=O 1 NH 2 ~H Gln 1 3 1 H e .-N\ ll CH e - N+/; ~H Cys H H His ó ¿H2 1 CH 2 1 NH ~ Phe 1 C=~H 1 Lys 1 7 2 NH 2 e-terminal Arg (b) Estado de ionización a pH ácido. Carga neta +4 o o o o o o o 11 11 11 11 11 11 11 HN-CH-C-N-CH-C-N-CH-C - N-CH-C-N - CH - C-N-CH-C-N-CH- c-o2 1 Hl H l Hl H l Hl Hl CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 1 ¿=O 1 o- Asp N-terminal ¿H2 1 CH 2 1 TH 2 NH 2 ¿H2 1 C=O 1 NH2 Gln 1 H N C..- \ 11 _lH ~H Cys ~ - Nv His ~ (e) Estado de ionización a pH básico. Carga neta -2 ~El comportamiento ácido-base y la carga neta de las proteínas va a estar determinado por el estado de los grupos amino y carboxilo terminales y por el de los grupos de las cadenas laterales ionizables. ¿H2 1 CH 2 1 ~H ó 7 1 ~ Phe C= NH 1 N~ e-terminal Arg cadena principal. La Gly, con un único átomo de hidrógeno como cadena lateral, tendrá mayores posibilidades de giro que aquellos que tienen cadenas laterales m ás voluminosas. Por ello, la presencia de Gly en la secuencia de una proteína permit!rá un mayor número de conformaciones posibles. El enlace peptídico permite la formación de puentes de hidrógeno Si analizamos la electronegatividad de los átomos que componen el enlace peprídico podemos observar que se trata de una estructura polar y, por tanto , hidrofílica. Además, sus componentes pueden formar enlaces de puente de hidrógeno ya que posee un grupo carbonilo con una densidad de carga negativa que puede actuar como aceptor, y un hidrógeno que puede actuar como donador, al estar 71 CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO ~Plano amida - Figura 4-18. Estructura del enlace peptídico. Los átomos del enlace peptídico se disponen en un plano, debido a la imposibilidad de rotación del enlace C- N. Este enlace posee un cierto carácter de doble enlace, efecto debido a un fenómeno de resonancia. Si existe posibilidad de giro en el enlace entre los átomos C~ y N (ángulo <j>) y en el que se da entre los átomos C~ - C (\ji). R ..,,,1" a~H H ; c'c/j - NQ o H ··'' '" R·····t/'Cf RC.., OH 11 / C=O 1 R Configuración trans Configuración cis Configuración trans Figura 4-19. Configuración cis y trans del enlace peptídico. La imposibilidad de rotación del enlace peptídico hace que existan dos posibles configuraciones: cis (con los átomos de H y O en el mismo lado) y trans (con los átomos de H y O en lados opuestos. Excepto en el caso de la prolina, esta configuración trans es la más estable. O 'tt. \ ' C- N /j o Configuración cis Figura 4-20. Enlace peptídico en La Pro. Configuración cis y trans. En el caso de la prolina, debido a su estructura cíclica, en las dos configuraciones el grupo a-imino muestra interacciones desfavorables con el carbono a del aminoácido adyacente. unido al N, más electronegativo (Fig. 4-21). La excepción se produce otra vez cuando en el enlace participa una Pro que carece del átomo de H unido al N (Fig. 4-20). Péptidos de interés biológico Existen algunos péptidos con importantes funciones en el organismo. La insulina, péptido formado por dos cadenas unidas por puentes disulfuro, desempeña un importante papel en el metabolismo de los hidratos de carbono (véase capítulo 2). Este péptido se sintetiza como una molécula de una única cadena (denominada proinsulina) que se convierte en su forma activa mediante la hidrólisis de dos pequeños segmentos de dos aminoácidos. Las moléculas de insulina de diferentes especies muestran pequeñas variaciones que revelan cuáles son los residuos indispensables para su función biológica. La vasopresina y la oxitocina, que actúan como hormonas y como neurotransmisores, son dos péptidos de nueve aminoácidos con una secuencia semejante (sólo se diferencian en dos aminoácidos). Ambos poseen dos Cys formando un puente disulfuro. ~ igura 4-21. Puentes de hidrógeno en el enlace peptídico. El átomo de hidrógeno un ido al N del enlace peptídico puede actuar como dador para la formación de un puente de hidrógeno con el grupo carbonilo otro enlace peptídico (de la misma cadena proteica o de cadenas adyacentes). 72 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA f g ~~ CONCEPTOS CLAVE o Los aminoácidos tienen en común la existencia de un carbono a al que se unen: un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y un radical o cadena lateral que los diferencia. o El carbono a es asimétrico en todos los aminoácidos menos en la Gly. La Thr y la lle tienen un carbono asimétrico en su cadena lateral. o o Las proteínas están constituidas por L-aminoácidos. o o o Las cadenas laterales de los aminoácidos pueden ser apelares, polares sin carga o pueden presentar carga a determinados valores de pH . Los aminoácidos son sustancias anfóteras que pueden actuar como ácidos o como bases. El estado de ionización de los aminoácidos se modifica en diferentes condiciones de pH. A un valor de pH correspondiente al pK. de los grupos funcionales ionizables los aminoácidos tienen poder tamponante. o El pK. de un grupo funcional concreto está muy influenciado por las características químicas de los grupos funcionales próximos presentes en la molécula. o Las interacciones no covalentes determinan la estructura tridimensional de las cadenas polipeptídicas y pueden ser modificadas por cambios en el medio. O Las cadenas laterales de algunos aminoácidos pueden formar enlaces covalentes coordinados con cationes metáli- cos y otras pueden establecer interacciones no covalentes electrostáticas. o Se pueden formar enlaces covalentes tipo disulfuro entre las cadenas laterales de dos Cys en condiciones oxidativas. o o Los aminoácidos Ser, Thr y Tyr pueden formar enlaces ester con un grupo fosfato. Los grupos hidroxilo de las cadenas laterales de Ser y Thr pueden formar enlaces o-gluc<;>sídicos con hidratos de carbono y el grupo amino de la Asn forma enlaces N-glucosídicos con estos compuestos. o Algunos aminoácidos, como la hidroxiprolina y la hidroxilisina, sufren modificaciones covalentes después de estar incorporados a una cadena proteica. · o o Los aminoácidos se unen med iante un enlace covalente tipo amida denominado enlace peptídico. o Las longitudes y los ángulos de en lace de los átomos que componen el enlace peptídico son muy semejantes en todas las unidades de todas las proteínas. El comportamiento ácido base y la carga neta de las proteínas va a estar determinado por el estado de los grupos amino y carboxilo terminales y por el de los grupos de las cadenas laterales ionizables. 0 EJERCICIOS La a -Quimotripsina (E.C. 3_4 _2 u ) es una enzima digestiva muy específica que rompe sólo los enlaces peptídicos en los que participa el grupo carboxilo de los aminoácidos aromáticos. Indique qué efecto tendría esta enzima sobre el siguiente péptido y los productos de la reacción catalizada por esta enzima. Lys-Ser-Tyr-Val-Phe-Lys-Cys SOLUCIÓN En cada enlace peptídico participa el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido que le sigue en la secuenci a concreta del péptido o proteín a, siguiendo el siguiente esquema: Aminoácido 1 Aminoácido 2 CAPÍTULO 4. AMINOÁCIDOS Y ENLACE PEPTÍDICO 73 Por tanto, si se escribe la fórmula completa del péptido y se identifican los grupos carbonilo, que participa en el enlace peptídico, de los aminoácidos aromáticos presentes en el péptido (Phe, Tyr) y se señalan (flecha roja) los lugares donde se produce la hidrólisis catalizada por la a Quimotripsina. o 3 1 H 1 1 CH, 1 +NH 3 OH 11 N - CH - C 1 N - CH - C 1 "ó o o 11 11 N-CH-C 1 (CH 2) 4 o o 11 H N• -cH-C 1 1 H 1 t 11 N-CH-C 1 "6 CH 3 o 11 N-CH- C 1 l. H (CI1 2) 4 t 1 +NH 3 N-CH-coo1 H 1 CH 2 1 SH OH Lys Tyr Ser Val Phe Lys Cys Los productos de la reacción serán los siguientes péptidos: Lys-Ser-Tyr Lys-Cys Vai-Phe liD Señale las interacciones no covalentes que se pueden establecer 1111 Suponga que se hace pasar una disolución tamponada de pH 7 entre los aminoácidos Ser y Asn en disolución acuosa a pH 7, realizando un esquema en el que se identifiquen los átomos que participan en la interacción, su función concreta y el tipo de fuerzas que lo mantienen. IIIJI En el ejercicio anterior, ¿cambiarían las interacciones si la molécula se encuentra a pH 1,5? 11111 Calcule el estado de ionización y la carga del aminoácido Cys a los siguientes valores de pH: a) pH= 1 b) pH = 7 e) pH = 13 teniendo en cuenta que los valores de pk, de sus grupos funcionales son los siguientes: 0 pk, - COOH = 1,96 pk, - NH ~ pk, -SH = 10,28 = 8,18 con diferentes aminoácidos a través de una columna con un gel de una sustancia que contiene numerosos grupos sulfato y se recogen e identifican los aminoácidos al salir de la columna. Si en la mezcla de aminoácidos se encuentran Lys, Val y Leu, indique (de forma razonada) qué aminoácido tardará más en salir de la columna liD Tenemos dos soluciones A y B de aminoácidos que se diferencian por su capacidad de absorción de luz de longitud de onda (A.) de 280 nm. Al medir la absorción en un espectrofotómetro la solución A muestra una elevada absorción mientras que la solución B no absorbe la lu ~' a esa ::1.. ¿A qué puede deberse esta diferencia? l!fJI A partir de la clasificación de la tabla 4-2 indique los aminoácidos que se pueden fosforilar y los que se pueden o-glucosilar, realizando un esquema de los enlaces formados. PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 11111 Los grupos R de los aminoácidos Pro, Val y Leu: a) b) e) d) Tienen Tienen Tienen Tienen grupos grupos grupos grupos cargados negativamente. cargados positivamente. polares. no polares. liD Indique cuáles de los siguientes grupos de aminoácidos son todos aromáticos: a) His, Trp y Phe. b) Tyr, Trp y Phe. e) His, Phe y Pro. d) His, Phe y Tyr. &JI Indique cuáles son los dos aminoácidos que contienen azufre: a) b) e) d) Cys y Ser. Cys y Thr. Met y Cys. Thr y Met. 11111 La titulación de la valina con pK,. a) b) e) NaOH revela la existencia de dos La reacción que se produce al pK, (pK, = 9,62) es: -COOH + OW ~ -coo- + H2 0 -COOH + -NH, ~ -coo- + -NH ~ -NH ~ + OW ~ -NH, + H20 liD Indique cuál será la cargá neta de un aminoácido con un grupo R neutro para un valor de pH por debajo de su pi: a) Carga neta negativa. b) Carga neta positiva. e) Sin carga. d) Es necesario conocer el valor exacto del pH para contestar a esta pregunta. III':JI A pH 7, la conversión de una prolina en hidroxiprolina, ¿qué efecto tendrá en l carga neta de la proteína que la contiene? a) Se volverá máls negativa. b) Se volverá más positiva. e) La carga se quedará igual. d) Depende de la concentración de sales en disolución. l!fJI .Indique cuál de las siguientes afirmaciones respecto a los aminoácidos "no estándares" que aparecen en las células es cierta: a) La 5-hidroxilisina aparece en el colágeno. b) El ácido y-carboxiglutámico aparece en la vitamina K. e) La 4-hidroxiprolina forma parte de la protrombina. d) Todas las anteriores son ciertas. 74 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA IIIJI Con respecto a las interacciones de las cadenas laterales de los aminoácidos, indique cuál de las siguientes afirmaciones es falsa : a) Dos residuos de Cys pueden unirse a través de un puente disulfuro. b) La cadena lateral de la Ala puede sufrir un proceso de fosforilación . e) La Ser puede unirse a un azúcar a través de un· enlace 0-glucosídico. d) La Asn puede unirse a un azúcar a través de un . enlace N-glucosídico. IEiiJII Con respecto al enlace peptídico, indique cuál de los siguientes afirmaciones es falsa : a) El enlace peptídico es un enlace amida. b) La configuración trans es la más favorable . e) En su formación se elimina una molécula de agua. d) La cadena proteica gira por el enlace peptídico. III!JI El péptido Gly-Ala-Thr-Ser-lle tiene: a) b) e) d) Un puente disulfuro. Cinco enlaces peptídicos. Un grupo carboxilo libre. Dos grupos amino libres. \ PROTEÍNAS o CONTENIDOS o Introducción o Niveles estructurales de las proteínas o Principales funciones de las proteínas o OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE o o o Reconocer los niveles estructurales de las proteínas. Diferenciar las distintas estructuras secundarias. Comprender los factores que determinan su estructura tridimensional. o Relacionar las características estructurales con la función de las proteínas. o Comprender cómo la estructura y la función se alteran ante cambios en el entorno molecular. o Identificar las principales funciones de las proteínas. El estudio detallado de la estructura tridimensional de las proteínas permite comprender la importancia de esta distribución espacial en las numerosas funciones~de las proteínas, como son: la función catalítica, que se analiza ·en el capítulo 8, la función estructural se estudia en el tema de las membranas biológicas (Capítulo 9) y otras funciones, tales como la recepción y transmisión de señales, que se estl.!_dian en el capítulo 1O. En este capítulo, además, se analiza la estructura de una proteína fibrosa estructural, el colágeno, y de una proteína globular multimérica que transporta oxígeno: la hemoglobina. 76 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 K K G G L V A H secuencia de aminoácidos (a) Estructura primaria Teniendo en cuenta las características estructurales de las cadenas polipeptídicas, vistas en el terna anterior, se podría suponer que existen numerosas disposiciones espaciales posibles para una secuencia de aminoácidos concreta. Esta variabilidad podría darse, ya que existen numerosas posibilidades de ordenación en el espacio de los átomos alrededor de aquellos enlaces que permiten movimientos de rotación. Sin embargo, se ha comprobado que cada proteína tiene una estructura tridimensional característica que es indispensable para que desempeñe su función específica. Aunque esta distribución viene determinada por su secuencia de aminoácidos, no es posible predecirla a partir de esta información, por lo que resulta necesaria la utilización de técnicas experimentales corno la cristalografía de rayos X o la resonancia magnética nuclear. La primera determinación de la estructura tridimensional de una proteína fue la de la rnioglobina, y su complejidad estructural y su falta de simetría resultó una sorpresa para los investigadores que la resolvieron. Desde entonces se ha determinado la estructura tridimensional de numerosas proteínas, lo que ha facilitado que se puedan entender algunos principios básicos sobre su estructura y sobre la relación estructura-función, que, a su vez, han permitido encontrar relaciones entre proteínas diferentes. 0 asociación de subunidades (d) Estructura cuaternaria Figura S-1. Niveles estructurales de las proteínas. (a) La secuencia de aminoácidos (estructura primaria) determina las asociaciones en niveles de organización superiores. (b) Un ejemplo de estructura secundaria: la a hélice, se debe a las interacciones entre aminoácidos próximos en la secuencia primaria. (e) La cadena con segmentos ordenados en diferentes estructuras secundarias se puede plegar por la interacción entre residuos más alejados en la secuencia de aminoácidos produciendo una disposición tridimensional característica. (d) Varias cadenas asociadas formando una unidad funcional en las proteínas multiméricas. INTRODUCCIÓN NIVELES ESTRUCTURALES DE LAS PROTEÍNAS En las condiciones celulares, las proteínas se encuentran en unas conformaciones limitadas que son las más estables desde el punto de vista energético (menor energía libre de Gibbs). Estas disposiciones espaciales, en las que son capaces de desempeñar su función, se denominan conformaciones nativas y manifiestan los cambios que se producen ante la unión de determinadas moléculas (corno, por ejemplo, la unión de una enzima a un sustrato). La pérdida de esta estructura tridimensional de la proteína que conlleva la pérdida de su función, se denomina desnaturalización y no tiene por qué llegar a sq un desplegarniento completo. En primer lugar, la estructura tridimensional de las proteínas está determinada por la identidad de los aminoácidos que la componen y por el orden concreto en que estos aminoácidos se disponen en la cadena, es decir, por su secuencia, que determina su estructura primaria (Fig. 5-la). Algunas zonas de esta cadena adquieren una disposición espacial concreta denominada estructura secundaria (helicoidal, plegamiento ¡3, estructura al azar) que se debe a las interacciones entre los residuos próximos en la secuencia de aminoácidos (Fig. 5-l b). Estas estructuras regulares están caracterizadas por un valor concreto y repetido de sus ángulos <j> y 'V· Esta estructura, a su vez puede plegarse en una disposición tridimensional conocida corno estructura terciaria en la que las interacciones se pueden dar entre residuos que están alejados en la secuencia primaria y que se encuentran en estructuras secundarias diferentes (Fig. 5-lc). Las interacciones que mantienen la estructura secundaria y terciaria son no covalentes (puentes de hidrógeno, electrostáticas, hidrofóbicas). En algunos puntos, la estructura terciaria puede estar estabilizada por la presencia de enlaces covalentes: los puentes disulfuro. Por último, existe la posibilidad de que varias cadenas proteicas o subunidades (que pueden ser iguales o diferentes) se asocien en complejos tridimensionales que componen la estructura cuaternaria de las proteínas (Fig. 5-ld). La unidad de repetición estructural en estas proteínas rnultirnéricas (compuesta por una cadena o por varias) se denomina protórnero (véase Fig. 5-13). Esta asociación de diversas unidades es esencial para la función de la proteína, corno se verá más adelante en el ejemplo de la hemoglobina. Una proteína formada por dos subunidades se denomina dímero; si lo está por tres, se llama trímero; etc. La asociación entre subunidades está estabilizada por fuerzas de atracción no cavalentes y puede incluir uniones disulfuro covalentes entre las distintas subunidades, corno ocurre en moléculas .corno las inrnunoglobulinas (véase Fig. 4 .13). Considerando los niveles de organización de las proteínas, éstas se suelen clasificar en dos grandes grupos: globulares y fibrosas. Las primeras se caracterizan por tener una forma esférica, ser solubles en medios acuosos y presentar di- CAPÍTULO S. PROTEÍNAS ferentes estructuras secundarias en una misma molécula (Fig. 5-2a). Las proteínas fibrosas suelen presentar una única estructura secundaria, se disponen en forma de largas hebras y son insolubles en agua (Fig. 5-2b). U na vez establecidos los diferentes niveles de organización de las proteínas, nos centraremos en el estudio de las principales causas que determinan esta disposición espacial característica y de las implicaciones que tiene la estructura en la función de la molécula. (a) La Lisozima (Globular) O c ada proteína tiene una estructura tridimensional característica, indispensable para realizar su función. Aunque está determinada por su secuencia de aminoácidos, para conocerla se necesitan técnicas de análisis complementarias. (b) El Colágeno (fibrosa) O las interacciones débiles son las principales fuerzas que mantienen la estructura tridimensional de las proteínas, si bien dicho nivel de estructura puede estar estabilizado por enlaces covalentes disulfuro. Figura S-2. Proteínas globulares y fibrosas. (a) La enzima lisozima sirve de ejemplo de proteína globular en la que se observan diferentes estructuras secundarias en la misma molécula (a hélices, láminas ~ -representadas . por flechas-) (PDB 1ELI). (b) El colágeno es una proteína fibrosa típica con una única estructura secundaria: la cadena a . En la molécula de colágeno, tres cadenas a se agrupan formando una triple hélice. cadena a Los estudios de mutagénesis dirigida permiten estudiar los residuos esenciales para su estructura y función Gracias a las técnicas de DNA recombinante, actualmente es relativamente fácil determinar la secuencia primaria de una proteína a partir de la secuencia de su DNA . Pero hay que tener en cuenta que algunos datos, como la presencia de puentes disulfuro o las modificaciones postraduccionales de algunos aminoácidos, sólo se pueden determinar a partir del análisis directo de la proteína en estudio . No todos los residuos de una proteína participan en igual medida en el mantenimiento de su estructura tridimensional y en su función biológica. Por tanto, res ulta fundamental conocer cuáles son aquellos residuos más importantes. La form a habitual de identificar un aminoácido concreto en una proteína es referirse a su posición dentro de ella, numerándolos en orden ascendente desde el extrem o N-terminal hasta el extremo C-terminal. Así, si nos referimos al residuo Ser 530 de una proteína, estaremos indicando que el residuo número 530 de esa proteína es una Ser. Una forma de estudiar aquellos residuos que son más importantes en estos aspectos, consiste en realizar experimentos de mutagénesis dirigida mediante los cuales se sustituye un aminoácido concreto por otro. Habitualmente, en los estudios de este tipo la proteína sin modificar, o forma "salvaj e", se compara con la forma "mutante" o proteína modificada. En la forma mutante, se habrá podido sustituir un aminoácido bien por otro de naturaleza sem ejante (por ejemplo un Asp por un Glu), bien por otro de naturaleza totalmente distinta (Asp por Val). Comparando las consecuencias que tiene, tanto en la estructura como en la función de la proteína, la sustitución de un aminoácido por otro, podemos deducir la importancia de ese aminoácido en el mantenimiento de la estructura tridimensional, en la función, o en ambos aspectos (véase Recuadro 5-l). 77 j ' . 78 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Recuadro 5-1. La anemia falciforme: una enfermedad causada por la sustitución de un único aminoácido en la molécula de hemoglobina La anemia falciforme sirve de ejemplo para comprobar la importancia de la situación de ciertos aminoácidos en la estructura y función de las proteínas. La enfermedad se produce por una variación en un único aminoácido de las cadenas P de la hemoglobina, la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre (véase estructura en la figura 5-13). Una mutación hace que el residuo Glu 6 de la hemoglobina normal sea sustituido por una Val en los individuos enfermos. La sustitución de un aminoácido con carga negativa por uno apolar produce un cambio en la conformación de la hemoglobina desoxigenada que hace que las moléculas de hemoglobina defectuosa (hemoglobina 5) presenten una zona hidrofóbica en su superficie. Esto permite que se creen interacciones entre varias moléculas, que se agregan formando fibras insolubles responsables de la deformación de los eritroci- · tos, que adquieren forma de hoz. Hemoglobina A (normal) Hemoglobina S (defectuosa) Esta enfermedad es más frecuente en África que en otros continentes y la investigación sobre la causa de esa elevada incidencia llevó a conocer que los individuos que la padecen presentan una mayor resistencia a la malaria. La causa de esta resistencia se debe a la imposibilidad del parásito de reproducirse en los eritrocitos más frágiles de los individuos con anemia falciforme. Imagen de microscopio electrónico de barrido que revela las diferencias morfológicas entre un eritrocito normal y alterado en una muestra de sangre de un paciente con anemia falciforme. Por cortesía de jan ice Haney Carr «>cDC/Sickle Cell Foundation of Georgia. c::fla secuencia concreta de aminoácidos de una proteína aporta información sobre su estructura molecular y su función. y además aporta datos sobre su evolución. Como cabría esperar, se ha observado que los aminoácidos más importantes para una proteína concreta se mantienen invariables en las proteínas de especies biológicas distintas que comparten un antepasado común (proteínas homólogas). Sin embargo, la selección natural sí permite que se mantengan proteínas con mutaciones en aminoácidos que no son fundamentales para su estructura y su función. El interior de las proteínas es hidrofóbico c::flas interacciones hidrofóbicas tienen un papel muy importante en la estabilización de la estructura tridimensional de las proteínas. --- Como se ha mencionado, los primeros estudios que determinaron la estructura tridimensional de una proteína se llevaron a cabo en la mioglobina, una proteína globular. Una de las primeras conclusiones fue que los residuos hidrofóbicos de esta proteína se empaquetan densamente formando un núcleo central de naturaleza apolar, lo que parece lógico si se tiene en cuenta el comportamiento de cualquier macromolécula en un entorno acuoso (Fig. 5-3a y b). Desde el punto de vista energético, esta disposición es favorable ya que disminuye el número de moléculas de agua que interaccionan con la superficie de la molécula (capa de solvatación) y se produce un aumento favorable de la entropía (Fig. 5-3b). Como se ha visto en el capítulo 4, el esqueleto pepddico tiene n~turaleza polar y resulta difícil explicar cómo se mantiene esta estructura polar en el núcleo hidrofóbico. El problema se soluciona porque se crean puentes de hidrógeno entre los átomos polares del enlace peprídico de los residuos que quedan en CAPÍTULO S. PROTEÍNAS 79 (b) (a) ~ y" · Interacciones hidrofóbicas .. aJ + Exclusión hidrofóbica moléculas de agua con mayor libertad menor superficie en contacto con moléculas de agua Figura S-3. Núcleo hidrofóbico en proteínas globulares e interacciones apelares en un entorno acuo~o. (a) Las cadenas laterales de los aminoácidos se agrupan formando un núcleo hidrofóbico. (b) Dos cadenas apelares no agrupadas están rodeadas por un mayor número de moléculas de agua con las que no pueden establecer interacciones. Si las cadenas laterales se agrupan, se reduce el número de moléculas que las rodean (situación energética favorable) . el n úcleo hidrofóbico mediante la formación de estructuras secundarias regula- res (a hélice y lámina~), como se verá más adelante. 1' Estructuras secundarias frecuentes en las proteínas la a hélice se estabiliza por enlaces de puente de hidrógeno intracatenarios de residuos próximos en la secuencia Esta estructura secundaria fue propuesta por Linus Pauling y Roben Corey que realizaron un modelo basado en el estudio de la disposición espacial más estable y energéticamente favorable de los elementos de las cadenas polipepddicas. Se trata de una estructura helicoidal con un enrollamiento dextrógiro (Fig. 5-4a). Cada giro incluye 3,6 residuos por vuelta, lo que produce que los residuos que están a una distancia de tres o cuatro residuos se encuentren espacialmente muy (a) (b) Puentes de hidrógeno 3,6 residuos L Figura S-4. Posibilidades de giro de una hélice y estructura de la a hélice. (a) Posibilidades de giro en una hélice: dextrógira a la derecha (D) y levógira a la izqu ierda (L). (b) La a hélice es una· hélice dextrógira estabilizada por .puentes de hidrógeno intracatenarios entre el grupo -C=O y el grupo - NH de dos enlaces peptídicos. 80 s·ECCtóÑ J. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA ,, (a) S+ R H o S(b) Ami no termin9l S+ SCarboxilo terminal Figura 5-S. La polaridad del enlace peptídico y el dipolo en la a. hélice. El dipolo eléctrico del enlace peptídico (a) se transmite a lo largo del eje de la hélice (b) a través de los puentes de hidrógenos intracatenarios. dado que en los extremos quedan grupos amino y carboxilo no estabilizados por este tipo de enlace (marcados en rojo). c:fHay varios factores que pueden desestabilizar la estructura de la a hélice: la presencia de residuos concretos (Gly, Pro), las características de las cadenas laterales de los residuos situados a una distancia de tres o cuatro residuos y la secuencia concreta de aminoácidos adyacentes. cercanos, mientras que los que se encuentran a una distancia de dos residuos se sitúen en lados opuestos. La hélice se encuentra estabilizada por la formación de puentes de hidrógeno intracatenarios (Fig. 5-4b) que se forman entre un grupo carbonilo de un enlace peptídico de un residuo n y el - NH del enlace peptídico de un residuo que ocupa la posición n + 4. Así, todos los grupos - NH y -e= o del esqueleto peptídico, menos el primero y el último, quedan unidos por este tipo de enlaces. De esta forma se crea una red de puentes de hidrógeno que elimina la posibilidad de que los átomos del enlace participen en la formación de puentes de hidrogeno con las moléculas de agua del medio, a excepción de los extremos que, al ser polares, suelen quedar hacia la superficie de la proteína. Además, los enlaces de puente de hidrógeno crean una conexión en el conjunto de la hélice que hace que se transmita el dipolo característico del enlace peptídico (Fig. 5-5a) a lo largo del eje longitudinal de toda la molécula, lo que proporciona una carga parcial positiva en el extremo amino terminal y una carga parcial negativa en el extremo e terminal (Fig. 5-5b). Estas cargas podrían atraer ligandos de carga opuesta, siendo más frecuente en el extremo N terminal donde se suelen dar interacciones con moléculas con grupos fosfato, con carga negativa. Las cadenas laterales de los aminoácidos se disponen hacia el exterior de la hélice evitando interferencias estéricas con el esqueleto polipeptídico. Se ha comprobado que algunos aminoácidos aparecen con mayor frecuencia que otros en la a hélice. Los aminoácidos que se encuentran con más frecuencia son Ala, Glu, Leu y Met. Sin embargo, hay otros aminoácidos que son menos frecuentes, como es el caso de la Gly, que por el reducido tamaño de su cadena lateral tiene más flexibilidad conformacional. La presencia de Pro es poco frecuente, por dos circunstancias especiales: su cadena lateral cíclica produce un acodamiento en esta estructura que no es compatible con la hélice, y el enlace peptídico en el que participa la Pro carece del grupo - NH para la formación del enlace de hidrógeno intracatenario (véase Fig. 4-19). Existen otras circunstancias que pueden estabilizar o desestabilizar la a hélice. Teniendo en cuenta su estructura, las cadenas laterales que pueden interaccionar son las de los aminoácidos situados a 3 ó 4 residuos en la secuencia primaria. Si a esta distancia se encuentran aminoácidos con cadenas laterales que permitan establecer interacciones no covalentes (fuerza electrostáticas, de Van der Waals, etc.), éstas ejercerán un efecto estabilizador de la estructura; pero si se dan fuerzas de repulsión, el efecto sería desestabilizador. Otro motivo que puede desestabilizar la estructura de la a hélice es la naturaleza de las cadenas laterales de residuos adyacentes. Si en una zona concreta se disponen residuos sucesivos con la misma carga o con cadenas laterales voluminosas, se produce una situación inestable (en el primer caso, por la repulsión de las cargas; y en el segundo, por restricciones estéricas) . La a hélice es una estructura secundaria habitual tanto en proteínas globulares como fibrosas. Dentro de la estructura tridimensional de las proteínas globulares, la disposición más común de la a hélice se da en su porción externa. Para ello debe existir en la hélice una zona con residuos polares que puedan interaccionar con el entorno acuoso externo, y otra con residuos apelares que permita su interacción con el núcleo hidrofóbico. El porcentaje de esta estructura en el conjunto total de las proteínas es muy variable. Un ejemplo en el que esta estructura es mayoritaria (un 75% de a hélice) se encuentra en una proteína en· · cargada de almacenar hierro: la ferritina. Una proteína fibrosa con estructura de a hélice es la queratina, el componente principal del pelo, las plumas, las uñas, los cuernos y las células muertas de la epidermis. Algunos tipos de queratinas constituyen los filamentos intermedios del citoesqueleto y participan en las uniones entre células. En relación con esta función, algunos defectos de la queratina producen enfermedades como la epidermiólisis ampollar simple y la hiperqueratinosis epidermiolítica, que se manifiestan por la formación de ampollas. Las lám inas f3 son e structu ras plegadas Pauling y eorey descubrieron otra estructura con un patrón periódico a la que denominaron lámina ~- Esta estructura surge de la interacción de algunas re- CAPÍTULO S. PROTEÍNAS giones de la cadena polipeptídica, las hebras p, que suelen tener una longitud que varía entre cinco y diez residuos. Estas porciones de la cadena se disponen paralelas unas a otras de forma que se puedan establecer enlaces de puente de hidrógeno entre los grupos - C =O y - NH del enlace peptídico de una hebra y los de la hebra contigua (Fig. 5-6a y 5-7a). La disposición relativa de los ángulos <P y 'V de las hebras es más extendida que en la cadena de la a hélice y produce un patrón plegado característico con los carbonos a por encima y de- ! bajo del plano de la lámina y las cadenas laterales dispuestas a un lado y a otro de la estructura (Fig. 5-6b y 5-7b). Las hebras pueden pertenecer a cadenas polipeptídicas diferentes (lámina P intermolecular) o pueden ser partes diferentes de la misma cadena (lámina P intramolecular). En este último caso, los segmentos que se relacionan suelen estar en zonas próximas de la cadena, pero también se pueden formar entre segmentos más alejados en la secuencia polipeptídica. Hay dos tipos de láminas p, dependiendo de la orientación que presenten las hebras que la componen. Si todas las hebras se disponen con la misma orientación de sus grupos amino y carboxilo terminales, se denominan láminas P paralelas (Fig. 5-6). Si, por el contrario, se disponen de forma alternada, se trata de láminas P antiparalelas (Fig. 5-7) y, aunque son semejantes, presentan ciertas características diferenciales. El período de repetición es más corto en la conformación paralela y también varían los patrones de los puentes de hidrógeno. La lámina antiparalela tiene zonas alternadas de puentes de hidrógeno próximos y separados que se disponen perpendiculares al eje de la hebra, y en la paralela lo hacen a distancias semejantes pero formando un ángulo con la dirección de las hebras, provocando que el enlace sea más débil. En ambos casos sólo los átomos de las hebras de los extremos quedan sin formar enlaces de hidrógeno. 81 I TLa estructura de lámina p organiza las cadenas en forma de hoja plegada mediante la interacción de ciertas secuencias que se disponen paralelas: las hebras p. (a) Vista superior (e) .... (b) Vista lateral Figura S-6. Estructura de la lámina f3 paralela. (a) En esta estructura secundaria se forman puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace peptídico de segmentos de la cadena que se disponen de forma paralela (hebras ~). La dirección de las hebras (amino ___. carboxilo), queda indicada por las flechas. (b) En la vista lateral se observa la estructura plegada y la disposición de las cadenas laterales de los residuos. (e) Posible unión de varios segmentos que pertenecen a la misma cadena polipeptídica. a~~~~~s!~ DIDLIOliCA ~UNtlAC~RES 82 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA (a) Vista superior (e) (b) Vista lateral Figura S-7. Estructura de la lámina f3 antiparalela. (a) Las hebras se disponen con los extremos amino y carboxilo en direcciones opuestas como indican las flechas. (b) Vista lateral". (e) En una misma cadena las hebras están conectadas por un giro de 180° (giro ~) . Los giros ~ son estructuras frecuentes ~ c JLos giros permiten que se produzca un cambio en el sentido de la cadena polipeptídica. Los giros ~ son un tercer tipo de estructura secundaria que aparece de forma bastante frecuente en las proteínas. Está compuesta por cuatro residuos que se disponen de tal forma que permiten que se produzca un cambio de dirección de la cadena polipeptídica de 180°. La estructura queda estabilizada por la existencia de un enlace de puente de hidrógeno que se establece entre el grupo -e= o del primer aminoácido y el grupo amino del cuarto. Existen variaciones y las tipo 1 y 11 son las más frecuentes (Fig. 5-8). Aunque en estas estructuras participan pocos residuos, son muy frecuentes en las proteínas y permiten a la molécula que adopte su estructura terciaria característica. Por ejemplo, son necesarias Figura S-8. Estructura de los giros f3 más frecuentes. Cuatro aminoácidos se disponen de forma que se consigue un giro de 180°. En los tipos representados, 1 y 11, se establece un puente de hidrógeno entre .los átomos del enlace peptídico de los residuos 1o y 4o del giro. El tipo 1 es más frecuente. Tipo 1 Tipo 11 CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS para que se pueda formar una lámina 13 antiparalela dentro de un segmento conriguo de la misma cadena (en este caso concreto se suelen denominar horquillas) (fig. 5-7c) . Dentro del conjunto de la molécula, es frecuente que estos giros se localicen en la zona de la superficie donde los grupos que no forman enlaces de hidrógeno, para m antener los giros, lo hacen con moléculas de agua del disolvente. En este caso los residuos son de naturaleza polar. El estudio de la secuencia de estos giros en proteínas homólogas de diferentes especies ha permitido comprobar que existe más variabilidad en estas estructuras que en la zona del núcleo hidrofóbico. Es frecuente que en estos giros se encuentren residuos de Pro y en el giro tipo 11 el tercer residuo es siempre una Gly. Además de su función como estructuras de conexión entre diferentes elementos de estructura secundaria, los giros participan frecuentemente en la formación de sitios de unión de ligandos (como en el caso de los lugares de reconocimiento de los anticuerpos) y de centros activos de las enzimas (véase capítulo 8). El análisis estructural de estas regiones ha permitido comprobar que los giros no se suelen disponer al azar sino que forman un número limitado de estructuras. 83 c:fExisten combinaciones de segmentos con estructuras secundarias definidas que se asocian con una disposición espacial característica formando motivos que se repiten en diferentes proteínas. Recuadro S-2. Representación de la estructura secundaria Las estructuras secundarias se agrupan formando motivos que forman estructuras globulares o dominios y terciaria La representación habitual de bolas y varillas utilizadas para muchas moléculas biológicas puede resultar un poco confusa para representar una proteína en la que resulta útil relacionar los diferentes elementos de la estructura secundaria y su forma de plegarse en su estructura tridimensional característica. Para simplificar las representaciones, los principales tipos de estructura secundaria se representan mediante símbolos: cilindros o hélices para la a hélice, flechas para las hebras de las láminas J3 y segmentos para las zonas sin estructura secundaria o los giros. Los elem entos denominados motivos o estructuras supersecundarias son combinaciones de varios elementos con estructura secundaria definida con una disposición geométrica característica (Fig. 5-9). En el Recuadro 5-2 se interpretan este tipo de representaciones. Algunos motivos tienen funciones biológicas específicas, como la unión a DNA o a calcio, pero otros simplemente forman parte de otras unidades estructurales y funcio nales. Existe un motivo específico para la unión de calcio que se encuentra en varias proteínas, que se compone de dos zonas con estructura de a hélice, unidas por una zona de giro o lazo en la que se encuentran residuos de Asp y Glu que permiten su interacción con este catión (Fig. 5-9b). Las proteínas que pueden fij ar calcio, como (a) Lazo J3-a-J3 ~Figura (e) (b) Motivo unión Ca 2+ Horquilla J3 S-9. Motivos proteicos. (a) Dos motivos proteicos abundantes: el lazo J3-a-J3 y el vértice a-a. (b) En la calmodulina se encuentra un motivo que combina dos hélices a con un giro en el que dominan residuos de carácter ácido que interaccionan con el Ca 2+ mediante interacciones electrostáticas (representado por una esfera) mediante interacciones electrostáticas (PDB 31F7). (e) Dos hebras J3 antiparalelas conectadas por un giro J3. 84 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA O"varios motivos se pueden asociar formando dominios que suelen ser unidades funcionales. Dominio citosólico la parvalbúmina, la troponina Cy la calmodulina, pueden participar en actividades reguladas por la presencia de este catión, como la contracción y relajación muscular. El motivo más sencillo en el que se relacionan hebras ~ es el denominado horquilla ~ y está compuesto por dos hebras antiparalelas unidas por un giro ~ (véase Fig. 5-9c). Estas estructuras se pueden dar aisladas o pueden formar parte de otras más complejas. En algunas proteínas se encuentran estructuras globulares bien definidas formadas por la combinación de varios motivos que se denominan dominios. Estas estructuras también se definen como la parte de la cadena que se puede plegar de forma independiente formando una estructura terciaria estable, y son unidades estructurales que suelen ser también unidades de función. Estructuralmente, los dominios están formados por diferentes combinaciones de elementos con una estructura secundaria concreta (a hélice, lámina~, etc.) o de diferentes motivos. Algunas proteínas pequeñas están formadas por un único dominio; sin embargo otras presentan varios. Las proteínas de membrana que son receptores de señales suelen tener un dominio extracelular en el que se une el ligando que desencadena la señal, un dominio transmembrana para la fijación de la proteína y un dominio intracelular que suele ser un lugar de interacción con otras proteínas citoplasmáticas (Fig. 5-10). · Estructura terciaria y desnaturalización SH Figura S-10. Dominios _en una proteína transmembrana. En esta proteína se distinguen tres dominios: el dominio extracelular, el dominio transmembrana (con estructura de a hélice) y ~1 dominio citosólico.' o -La estructura tridimensional se altera ante cambios en el entorno (calor, variaciones en el pH, presencia de sales o disolventes apolares) que producen una pérdida de su función. Figura S-11. Estructura terciaria. La interacción entre residuos más alejados en la secuencia de aminoácidos hace que la proteína se pliegue en una disposición espacial concreta que le permite realizar su función. En esta enzima, los residuos alejados en la cadena se aproximan para formar el centro activo donde se produce la interacción con el sustrato (representado como una esfera) (PDB 3LWO). Una vez descritas las principales estructuras secundarias y su forma de agruparse formando motivos y dominios veremos cómo estas estructuras se pueden relacionar en una estructura tridimensional característica con la que cada proteína puede desempeñar su función específica. El plegamiento de las proteínas, además de suponer una ventaja energética, permite que se aproximen las cadenas laterales de residuos distantes y que se puedan crear estructuras tridimensionales adecuadas para la interacción con otras moléculas. Estas zonas tendrán también la naturaleza (polar o apolar) adecuada para que se establezcan las interacciones necesarias que estabilicen la interacción (Fig. 5-ll). Esta situación. tiene especial importancia en el caso de las enzimas en las que los centros activos presentan la forma y naturaleza necesaria para que se una el sustqto, como se describe con detalle en el capítulo 8. En la célula, el proceso de plegamiento ocurre durante y después de que las proteínas son sintetizadas en los ribosomas. En algunos es facilitado por unas proteínas denominadas chaperonas, que interaccionan con las cadenas parcialmente plegadas o plegadas de forma defectuosa facilitando que lo hagan de la forma correcta. Hay que destacar que esta estructura también se puede conseguir fuera del ambiente .celular (in vitro) siempre que se conserven las condiciones adecuadas. En algunas patologías, como las encefalopatías espongiformes, se pone de manifiesto la importancia de la estructura tridimensional en la función de una proteína (Recuadro 5-3). Como la estructura tridimensional se mantiene mediante interacciones débiles, si se alteran las condiciones que mantienen estas fuerzas de atracción se produce desnaturalización de la proteína: modificación estructural que conduce a la pérdida de su función (Fig. 5-12a). El calor afecta principalmente a los enlaces de puente de hidrógeno y produce una desnaturalización de las proteínas que suele ocurrir de forma brusca al alcanzar una determinada temperatura. Como se ha visto en el capítulo 4, el estado de ionización de las cadenas laterales cambia con el pH. Por este motivo, un cambio de pH puede alterar las interacciones electrostáticas que participan en el mantenimiento de la estructura de la proteína. La presencia de sales o agentes como el ión guanidinio (Fig. 5-12h) también puede afectar a las interacciones electrostáticas ya que los iones disueltos compiten a la hora de establecer interacciones de este tipo. Uno de los agentes desnaturalizantes que se utiliza con más frecuencia es la urea (Fig. 5-12c) puesto que compite en la formación de enlaces de puente de hidrógeno. Las interacciones hidrofóbicas se verán alteradas por sustancias que puedan establecer interacciones de la misma naturaleza con los residuos, como son los disolventes apolares o los detergentes. CAPÍTULO S. PROTEÍNAS 85 Recuadro S-3. Priones: proteínas como agentes infecciosos Las encefalopatías espongiformes, entre las que se encuentra la co nocida como "síndrome de las vacas locas" sirven como ejem plo para comprender la importancia de la estructura tridimensional de las proteínas y su posibilidad de producir procesos patológicos. Los priones son proteínas capaces de actuar como agentes infecc iosos sin que participen moléculas de DNA o RNA, como ocurre en el caso de los virus. La proteína que causa la enfermedad puede aparecer de forma espontánea o puede presentarse por la alteración de un gen. El prión normal (PrP') tiene una conformación con tres hélices a y dos segmentos pequeños de lámina beta y es soluble en el med io extracelular. En la forma alterada (PrP 5') una de las hélices a se transforma en una lámina ~- El contacto de las proteínas con esta conformación alterada con las proteínas normales induce a éstas a plegarse en esta nueva estructura tridimensional. Los priones alterados establecen interacciones entre sus lám inas ~ formando agregados de fibras amiloides insolubles que producen la muerte neuronal que caracteriza a estas enfermedades. Prión alterado PrP 5' Prión normal PrP' Figura adaptada de La web: Cohen, F.E. (2004) . Actualizada el 19 de febrero de 2004. Universidad de California. The Cohen Group. Disponible desde Internet en: http://www.cmpharm.ucstedulcohen [con acceso el 10 de julio de 2005]. (b) (a) Desnaturalización • NW ll l H2N-C-NH 2 :! Ión de Guanidinio ..,., (e) - o ll H2N-C-NH 2 Renaturalización Proteína nativa Urea Proteína desnaturalizada Agentes: pH , Temperatura, sales Figura 5-12. Desnaturalización y renaturalización. (a) Las variaciones en el medio (aumento de temperatura, variaciones en eCpH, presencia de sales, etc.) alteran las interacciones no covalentes que mantienen la conformación nativa de la proteína produciendo su desnaturalización. El ión guanidinio (b) y la urea (e) se utilizan con frecuencia como agentes desnaturalizantes en numerosas técnicas de laboratorio. En algunos casos, si se restablecen las condiciones fisiológicas, la proteína recupera su conformación nativa y su función en un proceso denominado renaturalización. Este hecho, demuestra que toda la información necesaria para que se produzca el plegamiento se encuentra en la secuencia de aminoácidos de la proteína. Est ructura cuaternaria En algunas ocasiones se asocian varias cadenas proteícas para formar una proteína multimérica. En ella las cadenas individuales se denominan subunidades y pueden ser iguales (homomultímeros) o distintas (heteromultímeros) . En· ambos casos las cadenas tienen su estructura tridimensional característica. Cuando las cadenas son diferentes, el grupo de subunidades que se repite se denomina protómero. Por ejemplo, en la hemoglobina, compuesta por dos subunidades a y dos ~' el protómero sería el conjunto formado por una subunidad a y una ~ (Fig. 5-13). Las unidades se mantienen unidas gracias a la existencia de interacciones no covalentes (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, etc.) y, de forma adicional, pueden unirse mediante enlaces covalentes tipo disulfuro intercatenarios (véase el ejemplo de la figura 4-13). La forma en que se asocian las diferentes cadenas unas respecto a las otras definen la estructura cuaternaria de la proteína~ Existen numerosos ejemplos de proteínas multiméricas y, como veremos más adelante en el caso de la hemoglobina, su estructura está relacionada con su función biológica específica. · c JEn ,las proteínas multiméricas se asocian varias subunidades mediante interacciones no covalentes. : 86 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 PRINCIPALES FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS Protómero Hgura 5-13. Estructura cuaternaria en la molécula de hemoglobina. La hemoglobina es un tetrámero formado por cuatro cadenas (dos cadenas a y dos (3). El protómero está formado por una subunidad a y una (3. Las proteínas son moléculas complejas que desempeñan funciones muy variadas en los seres vivos. Existen proteínas estructurales como el colágeno o las proteínas integrales de membrana, proteínas de transporte y almacenamiento como la hemoglobina, proteínas implicadas en funciones tan importantes como la contracción muscular, proteínas con función de defensa como los anticuerpos y proteínas que participan en la recepción y transmisión de señales. Además, hay que destacar a las proteínas con función catalítica: las enzimas, que se estudian con detalle en el capítulo 8. En la mayoría de los casos, la función de las proteínas depende de su interacción reversible con otras moléculas denominadas ligandos, que pueden ser moléculas de pequeño tamaño o, incluso, otras proteínas. Cuando una proteína interacciona con un ligando pueden producirse cambios en su estructura tridimensional de mayor o menor magnitud. Estos cambios de conformación pueden desencadenar efectos fisiológicos importantes debido a que producen modificaciones en la actividad de la proteína en cuestión. La unión de los ligandos a las proteínas se realiza en lugares específicos denominados sitios de fijación o de unión, que tendrán las características espaciales adecuadas para que se produzca la interacción, y la naturaleza químic:a apropiada para que se establezcan interacciones proteína-ligando. Una proteína puede tener varios sitios de fijación para diferentes ligandos que serán específicos. Una proteína fibrosa con función estructural: el colágeno ¡ 1, El colágeno es la proteína con función estructural más abundante en los vertebrados. Está presente en tejido conjuntivo de huesos, dientes, cartílagos, tendones y córnea del ojo, y en tejidos epiteliales en los que desempeña un papel estructural como proteína extracelular. Existen numerosos tipos de colágeno que se asocian de forma variada formando diferentes agregados moleculares. En el colágeno tipo 1, el más abundante, sus moléculas se agrupan formando fibras de gran resistencia. Sin embargo, el colágeno tipo IV se encuentra en la lámina basal del tejido epitelial donde forma estructuras reticulares. 1 1 ! ! 1 1 La molécula de colágeno tiene estructura de triple hélice (a) (b) (a) 0,5 nm Cadena a Figura 5-14. Estructura de la molécula de colágeno. (a) La cadena a tiene una estructura secundaria de hélice levógira sin puentes de hidrógeno intracatenarios. (b) Estructura cuaternaria: tres cadenas superenrolladas formando la molécula de colágeno. La unidad estructural del colágeno es una molécula con estructura de triple hélice dextrógira formada por tres cadenas individuales denominadas cadenas a. Cada cadena a presenta una estructura secundaria de hélice levógira (distinta de la a hélice) que se forma gracias a su particular secuencia de aminoácidos sin que existan puentes de hidrógeno intracatenarios (Fig. 5-14). La estructura cuaternaria de triple hélice está estabilizada por puentes de hidrógeno entre las cadenas a y por entrecruzamientos covalentes. Las zonas terminales, denominadas telopéptidos, carecen de esta estructura de triple hélice y son esenciales para la formación de fibrillas en algunos tejidos (Fig. 5-15). Su estructura primaria se caracteriza por un elevado contenido en glicina (Gly), la presencia de prolina (Pro) y de algunos aminoácidos que son poco comunes en las proteínas como la hidroxiprolina (Hyp) y la hidroxilisina (HyLys) (véase Fig. 4-16) . En general, en su secuencia alternan zonas en las que dominan los aminoácidos apolares, con zonas más polares en las que predominan los aminoácidos ácidos y básicos (ionizables) . Esta disposición es esencial para la posterior formación de agregados moleculares tales como las llamadas fibras de colágeno, que se explicarán más adelante. La presencia de una Gly cada tres aminoácidos (X-Y-Gly) es necesaria para que las tres cadenas se puedan empaquetar de forma muy densa y muy próximas al eje central, estabilizando la triple hélice mediante interacciones apolares. La importancia de. la presencia de este aminoácido se evidencia en enfermedades como la osteogénesis imperfecta (Recuadro 5-4). La Pro y la Hyp suelen ocupar las posiciones X e Y. Estos aminoácidos con cadena lateral cíclica limitan la rotación de la cadena y le proporcionan la estructura secundaria helicoidal que queda estabilizada por la repulsión estérica de su anillo. La Hyp es el resultado de una modificación postraduccional catalizada por la prolil hidroxi- CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS 87 PROeOLÁGENO Propéptido N terminal Propéptido e terminal Molécula de colágeno Figura 5-15. Procolágeno y colágeno. La molécula de procolágeno tiene dos zonas globulares denominadas propéptidos N y e terminales en ambos extremos. El procolágeno se transforma en colágeno por la escisión de los propéptidos catalizada por enzimas específicas. En la molécula de colágeno, los extremos N y e terminales carecen del enrollamiento helicoidal que caracteriza a la molécula y se denominan telopéptidos. :~ s l SS SS l -'_ /)- SS yo"""\ l -"'Ys (J'o-'"0 - :~ l Telopéptido 1 Recuadro S-4. Enfermedades asociadas a alteraciones genéticas o metabólicas del colágeno La estructura del colágeno puede verse alterada debido a mutaciones genéticas, como ocurre en el caso de la enfermedad de la osteogénesis imperfecta, o a alteraciones metabólicas como sucede en el caso del escorbuto y el latirismo. Las diferentes alteraciones confirman el papel funda mental de ciertos residuos en la estructura de la molécula de colágeno y en su asociación para la formación de fibras en la matriz extracelu lar. Algu nas variantes de osteogénesis imperfecta se producen por una mutación que tiene como consecuencia la síntesis de cadenas a en las que faltan 84 aminoácidos. Estas cadenas más cortas se asocian con las normales y forman una triple hélice defectuosa que es degradada. Existen otras formas de osteogénesis imperfecta en las que la mutación consiste en una sustitución de Gly por otro aminoácido. Esta alteración también produce una triple hélice inestable ya que la Gly, por su pequeño tamaño, es esencial para que las tres cadenas se aproximen y formen la molécula de colágeno. En el escorbuto la deficiencia en colágeno se debe a la falta de ácido ascórbico (vitamina e) necesario para la actividad de dos enzimas (hidroxilasas) que catalizan la hidroxilación de los residuos de Pro y Lys. Sin hidroxiprolina, se producen hélices inestables que son degradadas en el interior de las células. El Latirismo es una enfermedad inducida por la ingestión de las semillas de una planta: Lathyrus odoratus (guisante dulce) que contiene una sustanc ia (~-aminopropionitrilo, N=e - eH, - eH,-NH;) que actúa como inhibidor irreversible de la enzima lisil oxidasa requerida en la primera etapa de oxidación que lleva a la formación de los entrecruzamientos de las moléculas de colágeno. lasa que precisa la presencia de la vitamina C como coenzima. Estos residuos son necesarios para la estabilización de la triple hélice de colágeno mediante la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo y el agua (véase Recuadro 5-4). C omo se explica en el siguiente apartado, la hidroxilisina permite la formación de los entrecruzamientos covalentes intramoleculares e intermoleculares de las moléculas de colágeno. A algunos residuos de hidroxilisina se unen, de forma covalente, ciertos azúcares (glucosa y galactosa) por acción de enzimas específicas. El número de unidades de azúcar depende del tipo de colágeno y su función no está bien definida. l as moléculas de colágeno se pueden asociar formando fibras En los colágenos tipos I, III, V y XI, las unidades de colágeno se reagrupan formando estructuras macromoleculares. Las moléculas de colágeno se disponen en líneas paralelas de forma que las moléculas de filas contiguas están escalonadas porque se sitúan desplazadas un cuarto de la longitud de la molécula. Dentro de la misma fila no existe conexión entre sus extremos que se encuentran separados por una distancia de unos 400 Arnstrong (Fig. 5-16). Esta disposición se obtiene por superposición de las zonas apolares e ionizables de moléculas contiguas entre las que se establecen fuerzas de atracción no covalentes (hidrofóbicas y electrostáticas) y da lugar al patrón estriado que caracteriza al colágeno cuando se observa en el microscopio electrónico. Esta disposición supramolecular se ve reforzada por la creación de entrecruzamientos covalentes que se producen entre moléculas de diferentes filas (entrecruzamientos intermoleculares). Los enlaces covalentes se establecen en varias etapas y son los responsables de las diferencias físico-químicas de los .colágenos de los diferentes tejidos y de los cambios que se aprecian durante el envejecimiento. La primera etapa para la formación de estos entrecruzamientos es la oxidación del grupo amino de la cadena lateral de un residuo de Lys que se transforma en un grupo aldehído (el ~ J 88 SECCIÓN l. lOS MATERIAlES DE lA CÉlUlA ... ... :-...:....... ........... ·-¡,..e... ,•, .. .... l. .... 1 - . ~HH.._.... .1. . lww! low! !""4 ... ....... .... -=- ... 1 ... : ! : Figura 5-16. Asociación de las moléculas de colágeno. La alternancia de zonas polares y apolares en la molécula de colágeno permite que las moléculas se asocien formando fibrillas y fibras. La disposición concreta de estas moléculas · confi~re a dichas agrupaciones el aspecto estriado característico de las fibras de colágeno. : : - - - -- polar • ·l- apolar 1 • • - -------- Asociación y apariencia estriada de las fibras de co lágeno residuo oxidado se denomina alisina; véase su importancia en el recuadro 5-4) en la enfermedad denominada latirismo. El colágeno se sintetiza como procolágeno La síntesis del principal tipo de colágeno de mamíferos, el tipo I, se realiza en los fibroblastos y osteoblastos. Comienza en el retículo endoplásmico rugoso y se completa en el aparato de Golgi donde se forma la molécula precursora, denominada procolágeno, que es secretada al exterior mediante exocitosis. Esta molécula contiene unas zonas globulares en los extremos C y N terminales (véase Fig. 5-15), denominadas propéptidos, que impiden que las moléculas se asocien formando fibras en el interior celular. Una vez fuera de la célula, los propéptidos son eliminados en una reacción catalizada por enzimas específicas. Esto permite que las moléculas de colágeno se asocien formando las fibras características (Fig. 5-17). El colágeno, durante su proceso de renovación, es degradado gracias a la actividad de un grupo de enzimas denominadas de forma genérica colagenasas. Una pro~eína globular con estructura cuaternaria que une · ligandos específicos: la hemoglobina La hemoglobina es la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre desde los pulmones al músculo, así como el de C0 2 y los H+ en la dirección opuesta. La estructura de esta proteína sirve como ejemplo de diferentes aspectos enumerados a lo largo del libro: • Proteína globular compuesta por diferentes subunidades • Presencia de un grupo prostético, el grupo hemo, de naturaleza no proteica. • Modificaciones estructurales ante la unión de un ligando (oxígeno) • Actuación de la His como tampón a pH fisiológico • Variación en los valores de pK, de ciertos grupos funcionales con el entorno molecular La hemoglobina es una proteína esférica compuesta por cuatro subunidades, dos cadenas a y dos cadenas~ de estructura tridimensional semejante (véase Fig. 5-13). Cada una tiene un grupo prostético hemo, con capacidad para captar oxígeno y otros ligandos, que presenta una estructura compuesta por cuatro anillos con un átomo de hierro central unido por seis enlaces, tal y como se ha explicado en el capítulo anterior (Fig. 5-18 y véase Fig. 4-11). La unión del oxígeno a una subunidad de la hemoglobina produce un cambio en la conformación de esa cadena que induce modificaciones en las otras cadenas y en la estructura cuaternaria de la proteína: el resultado es un cambio desde una forma denominada T a una forma ·denominada ·R; que presenta una mayor afinidad por el oxígeno. Por tanto, es la unión de la primera molécula de oxígeno lo que hace que la proteína una las siguientes moléculas de oxígeno de forma más efi- CAPÍTUlO S. PROTEÍNAS 89 1 Formación de enlaces covalentes ~ Eliminación de tos propéptidos . 0,5-3 J.l.m 1 Fibra de colágeno Figura 5-17. Síntesis de colágeno. El procotágeno es sintetizado en el interior de la célula y liberado a la matriz extracetutar por exocitosis. Fuera de la cé lula tos propéptidos son eliminados y esto permite que las moléculas se asocien mediante interacciones no covatentes, que después son reforzadas por entrecruzamientos covatentes. Se forman así las fibrittas de colágeno que se asocián para formar las fibras de colágeno de gran resistencia a la tensión. caz. Este efecto cooperativo se refleja en la curva sigmoidea que surge cuando se representa lap0 2 (presión parcial de oxígeno) frente a la saturación (Fig. 5-19). Este efecto no podría conseguirse en una proteína formada por una única unidad y es semejante al que se produce en ciertas enzimas alostéricas, tal y como se verá en el capítulo 8. El equilibrio entre las formas T y R de la hemoglobina permite controlar el transporte de 0 2, C0 2 y NO, vital para el organismo. El control está regulado por la concentración de H +, gracias a pequeños cambios en el pi( de las cadenas laterales en las formas T y R. Los cambios en el pH en los distintos tejidos unen el proceso de liberación de 0 2 a los tejidos con el de transporte de co2 hacia los pulmones. El proceso se explica como sigue: La unión de 0 2 a la hemoglobina se puede expresar mediante la siguiente reacción: Hb + 4 0 2 T (desoxi) Hb(0 2)4 + n H+ R (oxi) De esta reacción se puede deducir que una disminución el pH desplazará el equilibrio hacia la izquierda debido a la captación de H+ por la hemoblobina, con lo que se libera el oxígeno. Esta situación se produce en los tejidos que necesitan oxígeno, ya que una actividad metabólica intensa produce un aumento de ácido láctico (y, por tanto, de H +) y C0 2. De esta forma, además de proporcionar el oxígeno necesario a los tejidos, al captar H+ (en la cadena lateral de una His), la hemoglobina está actuando como un sistema tamponante ante una disminución del pH. El efecto contrario, la liberación de protones al pasar de la forma T a la R cuando la Hb capta 0 2 en los pulmones se conoce como efecto Bohr y tiene gran importancia fisiológica. Esta liberación se produce por un cambio en el pi( Figura 5-18. Estructura tridimensional de una cadena de hemoglobina. Se destaca la posición del grupo hemo y tos residuos que participan activamente en su función como la histidina proximal y la histidina distal. 90 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 1,0 p0 2 en tejidos p0 2 en pulmones 1 / 0,8 1 1 0,6 e 0,4 0,2 o ~. •' 1 V 4 8 p0 2 (kPa) 12 16 Figura 5-19. Curva sigmoidea y efecto cooperativo. La incorporación de oxígeno a una cadena hace que aumente la afinidad por el oxígeno de las otras cadenas produciendo un efecto cooperativo, como muestra la curva sigmoidea que se produce cuando se representa la presión parcial de 0 2 frente a la saturación. ,; ,, . ,;l• 1•[' ¡· .: 1' ¡) 1~ 1 de las cadenas laterales de ciertos aminoácidos como consecuencia de un cambio en el entorno molecular, debido a los cambios en la conformación de la proteína. En la forma T, la His 146 está cerca de la cadena lateral del Asp 94 con la que interacciona por atracción electrostática. Esto hace que esa His tienda a retener su protón y tenga un pK.ligeramente superior al normal (pK. de 7,7). En . la conformación R, la His 146 y el Asp cambian de posición (se alejan) y no interaccionan lo que hace que el valor de pK. sea 7,3 (inferior a la forma T) y se produzca la liberación de H+ a la sangre. Esta situación es un claro ejemplo de la variación de los valores de pK. en un entorno molecular concreto, explicada en el capítulo anterior, que cambia como consecuencia de una modificación de la estructura tridimensional de la proteína. Las inmunoglobulinas tienen función de defensa gracias a uniones específicas Las inmunoglobulinas (Ig), producidas por los linfocitos, son un ejemplo de estructura proteica con múltiples dominios que permiten el reconocimiento y la unión de moléculas ajenas al organismo señalándolas para que sean destruidas por las células encargadas de esta función: las células T, que tienen receptores específicos que también son proteínas. Para que se sintetice un determinado anticuerpo en las células B, es necesario que entre en el organismo un antígeno, es decir, un tipo de molécula que contiene unas pequeñas porciones denominadas epítopos capaces de desencadenar la producción de anticuerpos y la respuesta del sistema inmune del organismo. Las moléculas de anticuerpo son glicoproteínas compuestas por dos cadenas ligeras (L) y dos cadenas pesadas (H) que se asocian formando una estructura con forma de Y que se mantiene por fuerzas no covalentes y puentes disulfuro intercatenarios (véase capítulo 4, Fig. 4-13). Las cuatro cadenas tienen la misma orientación, de forma que los extremos N-terminales de las cadenas H y L se encuentran próximos. En el extremo C-terminallas cadenas tienen una secuencia muy semejante en todos los antígenos que forman los dominios constantes. En los extremos N-terminales se localizan los dominios variables, que se asocian creando el lugar de fijación del anticuerpo. La unión es específica y se basa en la creación de interacciones no covalentes (Van der W aals, puentes de hidrógeno, etc.) con el antígeno y producen cambios conformacionales en la proteína. La unión del antígeno a las Ig G, las más abundantes, produce la activación de ciertos linfocitos, como los macrófagos, que reconocen los extremos C-terminales y los incorpora mediante fagocitosis. CONCEPTOS CLAVE Cada proteína tiene una estructura tridimensional característica indispensable para realizar su función . Aunque está determinada por su secuencia de aminoácidos, para conocerla se necesitan técnicas de análisis complementarias. o o La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos. La secuencia concreta de aminoácidos de una proteína nos aporta información sobre su estructura molecular, su función y sobre su evolución. o La estructura secundaria es la disposición espacial característica que se produce por la interacción entre residuos próximos. o o La estructura terciaria es la forma tridimensional de la proteína. o La estructura cuaternaria se da en proteínas formadas por dos o más cadenas que interaccionan formando una unidad de función. Las interacciones débiles son las principales fuerzas que mantienen la estructura tridimensional de las proteínas que puede estar estabilizada por enlaces covalentes disulfuro. CAPÍTULO 5. PROTEÍNAS 0 o Las interacciones hidrofóbicas tienen un papel muy importante en la estabilización de la estructura t ridimensional de las proteínas. o La a hélice es una estructura secundaria helicoidal dextrógira estabilizada por puentes de hidrógeno intracatenarios. o La estructura de lámina ~ organiza las cadenas en forma de hoja plegada mel:J iante la interacción de ciertas secuencias que se disponen paralelas: las hebras ~- o o o Los giros ~ permiten que se produzca un cambio en el sentido de la cadena polipeptídica. 91 Las estructuras secundarias se agrupan formando motivos que constituyen estructuras globulares o dominioS: La estructura tridimensional se altera ante cambios en el entorno (calor, variaciones en el pH , presencia de sales o disolventes apolares) que producen una pérdida de su función. o Existen proteínas con función estructural como el colágeno que es una proteína muy abundante en la matriz extracelular. o La hemoglobina es una proteína multimérica especializada en el transporte de gases como el 0 2 y el C0 2 y que, además, tiene un efecto tamponante. o Las inmunoglobulinas son proteínas de defensa que identifican a los anticuerpos mediante interacciones específicas. EJERCICIOS Las proteínas deben su carga eléctrica a la capacidad de ganar o perder protones de ciertos grupos funcionales de sus cadenas laterales y de su grupo amino y carboxilo terminal, en ciertas condiciones de pH. Calcular la carga neta del siguiente polipéptido: Lys-Arg-Leu-Pro-Cys-Trp-Vai-Leu-Phe-Giu-Asp-Thr-Ser-Tyr-Asp-Asp-Giu-Gin-Asn =1. a) pH b) pH = 7. e) pH = 13. d) Estimar si el pi (punto isoeléctrico) de este polipéptido se encuentra por encima o por debajo del pH 7. ----------------~ SOLUCIÓN a) A pH 1 tanto los grupos ácidos como los básicos se encuentran protonados, tal y como se indica de forma simplificada en la figura : H3 W-Lys-Arg-Leu-Pro - Cys-Trp - Val-Leu - Phe-Glu-Asp - Thr-Ser-Tyr-Asp-Asp-Glu-Gln - Asn - COOH 1 1 (CH 2) 4 (CH 2) 3 1 NH; 1 C=NH; 1 (CH,)4 1 1 1 1 CH, CH, CH, 1 1 1 COOH COOH 1 (CH 2) 2 1 COOH COOH CO"OH 1 NH, Por lo que la carga neta del polipéptido sería igual a 3. b) A pH 7, los grupos - COOH se encuentran ionizados (- coo-) y los grupos básicos todavía se encuentran protonados (- NH; en la Lys y 1 amino terminal y C=N•H, en la Arg) , por lo que la carga neta sería igual a - 3. ~~ e) ~ A pH 13 , todos los grupos funcionales se encuentran desprotonados (- coo- en Glu, Asp y carboxilo terminal, - NH, en Lys y amino termi1 nal y C=NH en la Arg) , por lo que la carga neta del polipéptido es - 6. 1 NH, d) El punto isoeléctrico de una proteína es el valor del pH al cual la proteína presenta carga neta cero. En este polipéptido, a pH 7 la carga neta es - 3. Las cargas negativas se deben a la presencia de grupos -COOH ionizados (-coo-). Podremos hacer que la molécula tenga carga neta cero si desaparecen esas tres cargas negativas, lo que se consegu iría añad iendo protones al medio (bajando el pH). Por tanto, aunque no se conozca el valor exacto de pH al que se produce esta situación, si se puede saber que será a un pH inferior al pH 7 y, por tanto, a un pH ácido. 92 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA &JI En la proteína del ejercicio anterior. indique la carga a pH 7 cuando la proteína está fosforilada en aquellos residuos en los que resulta posible la formación de un enlace éster fosfato. &JI Algunos investigadores han postulado que la función de la pro- teína del ejercicio 1 es la fijación de calcio. a) b) Explicar si esta hipótesis puede ser correcta. ¿Podría desempeñar esta función en un orgánulo celular en el que el pH fuera muy ácido? ¿Aumentaría la captación de calcio si la proteína estuviera fosforilada ? Razone la respuesta. 11!11 Otro grupo de investigación ha realizado experiencias que indican que la misma proteína puede captar acetato de colesterol. Teniendo en cuenta la estructura del polipéptido: 0 a) ¿Sería posible que desempeñara esa función? b) En el caso de que la respuesta fuera afirmativa. ¿se vería afectada su función por alteraciones del pH del entorno en el que se encuentra? llill El DNA se une tanto a proteínas estructurales como reguladoras. De los siguientes péptidos. razone cuál podría unirse a la molécula de DNA e indique el tipo de interacciones que se establecen entre ambas molécula s. a) Val-Leu-Pro-Ala. b) Lys-Arg-Lys-Lys. e) Glu-Glu-Ser-Asp. d) Phe-Pro-Leu-lle. &11:1 En la figura 5-2a identifique cuántas estructuras primarias. secundarias y terciarias diferentes tiene la proteína, indicando el tipo de interacciones o enlaces que las mantiene en cada caso. llfll El colágeno se sintetiza y libera al espacio extracelular en forma de procolágeno que se transforma en colágeno por la escisión de los propéptidos terminales de la molécula en una reacción catalizada por una enzima específica. ¿Qué consecuencias tendría en la estructura de las fibras de colágeno tipo 1 una inhibición irreversible de la enzima que cataliza la reacción? PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 11111 La disposición tridimensional de una proteína se corresponde con: a) Su estructura primaria. b) Su estructura secundaria. e) Su estructura terciaria. d) Su estructura cuaternaria. &JI Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre la composición de aminoácidos de las proteínas es cierta: a) Las proteínas más grandes tienen una distribución de aminoácidos más uniforme que las proteínas más pequeñas. b) Las proteínas contienen, de los 20 aminoácidos estándar diferentes. al menos uno de cada. e) Las proteínas con el mismo peso molecular tienen la misma composición de aminoácidos. d) La composición de aminoácidos no determina su estructura tridimensional. &JI Indique cuántos aminoácidos por vuelta aparecen aproximadamente en una a hélice: a) l. b) 2,4. e) 3,6. d) 3,8. 11!11 En una a hélice, los puentes de hidrógeno: a) Son aproximadamente paralelos al eje de la hélice. b) Son aproximadamente perpendiculares al eje de la hélice. e) Se producen principalmente entre los átomos electronegativos de las cadenas laterales de los aminoácidos. d) Se producen sólo cerca de los .extremos amino y carboxilo de la hélice. lli.ll lndique cuál de los siguientes aminoácidos interrumpirá la formación de una a hélice: a) Un residuo de Arg cargado negativamente. b) -un residuo apolar cerca del carboxilo terminal. e) Un residuo de Pro. · d) Un residuo de Lys cargado positivamente. &11:1 La principal razón por la que las láminas ~ antiparalelas de las proteínas son más estables que las paralelas es que estas últimas: a) Tienen menos puentes disulfuro entre las cadenas adyacentes. b) Tienen menos puentes de hidrógeno entre las cadenas adyacentes. e) Forman puentes de hidrógeno más débiles entre las cadenas adyacentes. d) Están en una configuración ligeramente más extend ida. llfll Indique cuáles de los siguientes aminoácidos se encuentran con frecuencia en el interior de un giro a) Ala y Gly. b) Pro y Gly. e) Dos Cys. d) Dos aminoácido s apolares. ~: IIJll lndique cuál de las siguientes afirmaciones sobre las proteínas es falsa: a) La estructura secundaria mayoritaria en el colágeno es la a hélice. , b) Los residuos de Gly son muy abundantes én el colágeno. e) La hemoglobina es una proteína oligomérica formada por cuatro subunidades. d) La estructura secundaria mayoritaria en la queratina es la a hélice. B . l lndique cuál de los siguientes compuestos no es un agente desnaturalizante de proteínas: a) Un detergente. como el SDS. b) Urea. e) Ión guanidinio. d) Tampón fosfato. IIIll Las proteínas tienen a menudo regiones que presentan un patrón de plegamiento o función característico. Estas regiones se denominan: a) Dominios. b) Oligómeros. e) Péptidos. d) Subunidades. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS o CONTENIDOS o o Introducción o Los nucleótidos o Estructura y función del OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer la estructura y la composición química de los nucleótidos. o Comprender la naturaleza química y la función de los ácidos nucleicos presentes en las células. o Relacionar la estructura del DNA con su función . o Conocer la variedad de moléculas de RNA existentes en las células. o Conocer las funciones celulares de distintos nucleótidos que no for- DNA o Estructura y función del RNA o Nucleótidos con otras man parte de los ácidos nucleicos. funciones o Valorar la importancia del ATP como moneda energética de la célula. , Este capítulo cierra la sección dedicada al estudio de las biomoléculas que forman parte de la materia viva. Con ello se completa el análisis de los principales constituyentes de los seres vivos, lo que permite afrontar adecuadamente el resto de secciones del libro. Los ácidos nucleicos (DNA y RNA) son las moléculas encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. A lo largo del presente capítulo se analiza la estructura y composición química de sus constituyentes, los nucleótidos, así como otras funciones que éstos pueden desempeñar. Es muy importante comprender la naturaleza química de los ácidos nucleicos para relacionar su estructur _ con su función en la célula. 1 De igual forma, el estudio del ATP como moneda energétic~ de la célula, resulta imprescindible pa ra la comprensión del metabolismo celular. El conocimiento de la estructura y función de los ácidos nucleicos permite comprender el flujo de la información genética , tema del que se ocupa la Sección IV de este libro (Capítulos 16 a 18). 94 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA 0 c:flos nucleótidos son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico). O un gen es un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o un RNA. INTRODUCCIÓN Los nucleótidos participan en multitud de funciones celulares. Colaboran en funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y reacciones de biosíntesis. Además, son los constituyentes de los ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) y ácido ribonucleico (RNA), las principales moléculas participantes en el almacenamiento y la descodificación de la información genética. Los nucleótidos y los ácidos nucleicos también desempeñan papeles estructurales y catalíticos en la célula. Ningún otro tipo de biomolécula participa en funciones tan variadas o en tantas funciones esenciales para la vida. Las funciones del DNA son el almacenamiento y la transmisión de la información biológica. En el DNA se encuentran especificadas las secuencias de aminoácidos de todas las proteínas y las secuencias de nucleótidos de todas las moléculas de RNA. Un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de un producto biológico funcional (proteína o RNA) se denomina gen. Las células tienen miles de genes, lo que explica que las moléculas de DNA sean muy grandes. En la célula existen tres clases de RNA: los RNA ribosómicos (rRNA), que son componentes de los ribosomas; los RNA mensajeros (mRNA), que actúan como transportadores de la información desde un gen hasta el riboso!lla, donde se sintetizan las proteínas; y los RNA de transferencia (tRNA), que traducen la información genética contenida en el mRNA a secuencias específicas de aminoácidos. Además, existen diversas moléculas de RNA que desempeñan funciones específicas. 0 LOS NUCLEÓTIDOS Los nucleótidos desempeñan numerosas funciones en el metabolismo: • Actúan como transmisores de energía (ATP). • Actúan como señales químicas en los sistemas celulares en respuesta a las hormonas y otros estímulos extracelulares (AMPc). • Son componentes extracelulares de una serie de coenzimas e intermedios metabólicos (NAD+, FAD, NADP+). • Son los constituyentes de los ácidos nucleicos: DNA y RNA. Nucleósidos y nucleótidos Composición química y estructura O los nucleósidos se forman por la unión de una base nitrogenada a una pentosa. Si se añade. al menos un grupo fosfato, se forma un nucleótido. :. . ... : .t •' • · .. 1 •• Los nucleótidos están constituidos por tres componentes característicos: una base nitrogenada, una pentosa y al menos un grupo fosfato. Las bases nitrogenadas son moléculas planas, aromáticas, heterocíclicas, que derivan de la purina o de la pirimidina. Las bases púricas más comunes son la adenina (A) y la guanina (G) . Ambas aparecen tanto en el DNA como en el RNA. Las bases pirimidínicas principales son la citosina (C) , el uracilo (U) y la timina (T) (Fig. 6-1). La citosina se encuentra en ambos tipos de ácidos nuclei.cos, pero la timina sólo aparece en el DNA y el uracilo únicamente en el RNA. Las bases se unen a una pentosa (mediante el N-1 en las pirimidinas y el N-9 en las purinas), a través de un enlace N-~-glucosídico con el C'-1 de la pentosa. A los átomos de las pentosas de los nucleótidos se les añade el signo prima (') para distinguirlos de los átomos de las bases nitrogenadas. En los ribonucleótidos, la pentosa es la o-ribosa, mientras que en los desoxirribonucleótidos (desoxinucleótidos) el azúcar es la 2'-desoxi-o-ribosa. Ambos tipos de pentosas se encuentran en forma ~· El compuesto resultante de la unión de una base más la pen~osa es un nucleósido (Fig. 6-2). El grupo fosfato se une en la posición 5' de la pentosa normalmente, aunque también puede aparecen en otras posiciones (2', 3'). La base más la pentosa más el fosfato constituyen el nucleótido (Fig. 6-2). 1 En la figura 6-3 se muestran las estructuras y los nombres de los cuatro desoxirribonucleótidos principales (desoxirribonu~leósidos 5' -monofosfato), que CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 95 PURINAS H N Ce ~ H o NH 2 N 1~ s H N . 9 N H 1 J.~N>-H N ).,~:>-H N 1 H N H2N l H H Purina Guanina Adenina Citosina Pirimidina Figura 6-1. Bases púricas y pirimidínicas de los ácidos nucleicos. Las bases nitrogenadas que forman parte del DNA y el RNA se forman a partir de la purina y de la pirimidina. Uracilo [ Base Nitrogenada + Azúcar = NUCLEÓSIDO J Nl: N;: Cltosina){_ _,_) N O ~ 1- - 1 J 1 \ OH/ tiOH¡C~ - O , , . H H O · OH 2' OANJ H20 / H \ + HOH 2 C~ H ,. H H H OH H Desoxicitidina (1-13-desoxirribofuranosil-citosina) H H Desoxirribosa Base Nitrogenada + Azúcar + Ácido Fosfórico H2 0 J = NUCLEÓTIDO H0-~:0o~N<xS N_,.;::;: H2C 4' 1' H H OH Adenosina (Nucleósido) OH Adenosín - 5'-monofosfato (AMP) rm~n parte del D NA, y los cuatro ribonucleótidos principales (ribonucleósi\ -monofosfato) , que forman parte del RNA. ' u~que la mayoría de los nucleótidos contienen las bases nitrogenadas A, C, 1 ' ) (. • el DNA y el RNA contienen también otras bases secundarias (Fig. 6 1 e·l ~A, las más comunes son las formas metiladas de las bases princiP 1 •• dc e A, Y en especial en el tRNA, también se encuentran distintos tin lo 5 ~ ~secundarias. En el Recuadro 6-1 se analiza el papel de algunos l·n la ~l ases o de nucleótidos como agentes terapéuticos. 1 crc:ntcs ~ ~as también aparecen nucleótidos con grupos fosfato en posiciones 1 ribon e car_bono 5', como los ribonucleósidos 2',3' -monofosfato cíclicos del R A. uc1eóst~os 3' -monofosfato, qüe son ·productos finales de la hidrólisis 1 u nosin ~;?s ~Jemplos son la adenosina-3',5' -monofosfato cíclico (AMPc) ymenta~ ,5 -monofosfato cíclico (GMPc) (Fig. 6-5). Al final del capítulo a estructura y función del AMPc. · . • t Figura 6-2. Nucleósidos y nucleótidos. En la figura se ilustra con dos ejemplos los procesos de formación de un nucleósido (base nitrogenada+ azúcar) mediante un enlace N-glucosídico y de un nucleótido (base nitrogenada + azúcar + grupo fosfato) mediante enlace éster fosfórico. b e~~~~S!~ lilibiQTiQA FUNPAQ~RES 96 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA RIBONUClEÓTIDOS Adenosina S'-monofosfato AMP Guanosina S' -monofosfato GMP l~"> HN:X> ~ N 0_ HN A o- N -o-~-o-H e o 2 1 H 11 o H H OH OH O H H H H OH OH J o o-o-P-O-He 1 11 2 O H H 0 1_ -o-P-O - He 2 11 H H O H OH J OA N H OH H H H OH OH H H H Desoxicitidina S' -monofosfato dCMP N ;: HN~eH¡ 11 O OH O H o o 2 H 1 Desoxitimidina 5' -monofosfato dTMP Desoxiguanosina S' -monofosfato dGMP Cx" > ~ N 0_ H o o-o-P-O-He 2 11 NJ l NH 2 -o-~-o - H e J OA OANJ [ DESOXIRRIBONUClEÓTIDOS Desoxiadenosina S' -monofosfato dAMP N;: HN~ N 2~ -o-P - O-He 2 11 O N CMP o o NH 2 Citidina S'-monofosfato Uridina S' -monofosfato UMP o H H OH H 1 _____. J OA NJ o o-o-P-O-He 1 11 . 2 O H H NJ H H OH H H Figura 6-3. Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos de los ácidos nudeicos. los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos se encuentran en forma monofosfato, situándose el grupo fosfato en posición 5'. la parte nucleosídica de cada molécula aparece sombreada. (a) eH 3 NH 2 O 1 ,¡~:("' ""~) ( r) N N 1 N H e -N Á J 1 [ Rib osa] 1 S-Metilcitidina (b) o NH Rib osa 1 N 6-Metiladenosina o H NJ__N .-l----, ~ N 2-Metilguanosina S HN~N> o HNr ~NJ_N 1 [Rib osa lnosina OA NJ 1 OA 1 N H Pseudouridina HNA 1 Rib osa 1 4-Tiouridina Figura 6-4. Algunas bases púricas y pirimidínicas secundarias. (a) Bases poco abundantes en el DNA. La 5-metilcitidina está presente en el DNA de los animales Y ?lantas superiores, y la N 6-metiladenosina en el DNA bacteriano. (b) Bases poco abundantes presentes en los tRNA. La inosina contiene la base h1poxantina. La modificación con respecto al nucleótido original aparece en color. CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 97 ¡·Recuadro 6-1. Análogos de bases o nucleósidos como agentes terapéuticos Existen muchos compuestos (aislados de productos naturales o de nueva síntesis) que son análogos estructurales de las bases o de los nucleósidos utilizados en muchas reacciones metabólicas. Estos compuestos son inhibidores relativamente específicos de enzimas implicadas en el metabolismo de los nucleótidos, y se emplean en el tratamiento de diversas patologías. Entre ellos están los antimetabolitos, de los que a continuación se destacan algunos ejemplos. Para el tratamiento del virus de inmunodeficiencia humana (HIV), y del herpesvirus (HSV), se utilizan análogos de nucleósidos. Estos metabolitas permiten controlar, aunque no curar, las infecciones causadas por estos virus. Estos fármacos son el aciclovir y el 3'-axido-3'-desoxitimidina (AZT). El aciclovir (acicloguanosina) es un análogo de purinas. Este compuesto se activa por fosforilación, gracias a la acción de una timidina quinasa especifica del HSV, codificada por el genoma del virus. Se forma así la acicloguanosina monofosfato, que es entonces fosforilada por enzimas celulares a las formas di- y trifosfato. Esta última actúa como sustrato para la DNA polimerasa del HSV, y se incorpora a la cadena de DNA vírico en crecimiento, provocando su finalización, inhibiendo así la replicación viral. El AZT es un análogo de pirimidinas. También necesita fosforilarse para formar el compuesto activo. Quinasas celulares lo convierten en AZTtrifosfato, que bloquea la replicación el HIV al inhibir la DNA polimerasa del virus (que es una polimerasa dependiente de RNA). Esta enzima es al menos 100 veces más sensible al AZT-trifosfato que la DNA polimerasa de la célula huésped, lo que permite la selectividad del AZT hacia las cé lulas infectadas por HIV respecto a las no infectadas. Otros análogos estructurales de bases o nucleósidos purínicos y pirimidínicos interfieren en reacciones metabólicas muy específicas, y se utilizan en el tratamiento del cáncer. Entre ellos se incluyen la 6-mercaptopurina y la 6-tioguanina, para el tratamiento de la leucemia aguda; o la azatiopurina, para la inmunosupresión en pacientes con transplantes de órganos. ~N H3C- N'\ f__j_ N0 Azatioprina C9 H7 N102S 2 S 6-tioguanina :): HN ~ l,N N> "-N Ejemplos de análogos de bases y nucleósidos utilizados como agentes terapéuticos Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos por enlaces fosfodiéster Los n ucleótidos pueden unirse unos a otros para formar el DNA o el RNA. La unión se realiza mediante "puentes" de grupos fosfato, en los cuales el grupo -OH en la posición 5' de un nucleótido está unido al grupo -OH del siguiente mediante un enlace fosfodiéster (Fig. 6-6). De esta forma, los esqueletos de los ácidos nucleicos consisten en residuos de fosfato y pentosa, quedando las bases nitrogenadas como grupos laterales unidos al esqueleto. Todos los enlaces fosfodiéster tienen la misma orientación a lo largo de la cadena, con lo cual cada cadena lineal de ácido nucleico tiene una polaridad específica y extremos 5' y 3' diferenciados. El residuo terminal cuyo C-5' no está unido a otro nucleótido se conoce como extremo 5', mientras que -el residuo terminal cuyo C-3' no está unido a otros nucleótidos se llama extremo 3'. Por convención, la secuencia de residuos nucleotídicos en un ácido nucleico se escribe, de izquierda a derecha, desde el extremo 5' hasta el 3' . Un ácido nucleico de cadena corta se denomina oligonucleótido (generalmente hasta 50 nucleótidos). Los ácidos nucleicos de mayor longitud se denominan polinucleótidos. 0 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL DNA El descubrimiento del material genético La investigación de la bioquímica del DNA comenzó con Friedrich Miescher, un biólogo suizo, que realizó, en 1868, los primeros estudios químicos sistemáticos de los núcleos celulares, y aisló una sustancia que contenía fósforo, a la que denominó nucleína, a partir de los núcleos de .las células de la pus (leucocito_s), obtenida de vendajes quirúrgicos de desecho. Miescher demostró que dicha nu~ cleína consistía en una porción ácida, que hoy se conoce como DNA, y una nucleótido~ c:flos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster para formar los ácidos nucleicos, en una orientación S' a 3'. O-H 2C5' 1 O=P-- H J'H 0 OH 1 o- Adenosina 3',5'-monofosfato cíclico ' (AMP cíclico, cAMP) O-H 2C5' 1 H J'H O=P--0 OH 1 oGuanosi_na 3',5'-monofosfato cíclico (GMP cíclico, cGMP) Figura 6-5. Estructura del AMPc .Y el GMPc, dos_nucleótidos reguladores. 98 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Extremo 5' DNA RNA Extremo S' o- o- 1 1 -o - P=O -o-P = O 1 1 H,~fs· u:) O A H H H H,~~ s· O H H 3' O O H 1 O H 1 H,~~ s· T O O H H 3' 1 1 1 H,~b! s· 0 Diversos experimentos demostraron que el DNA es la molécula que almacena y transmite la información genética. H OH -o-P=O 1 c:f G H O H -o - P=O 1 3' H 3' O H OH -o-P=O H,~~ s· S' H 1 Enlace fosfodiéster 1 Figura 6-6. Formación de enlaces fosfodiéster en el DNA y el RNA. Los enlaces fosfodiéster unen los sucesivos nucleótidos. El extremo 5' carece de nucleótido en la posición 5' y el extremo 3' carece de nucleótido en la posición 3'. U H 3' -o-P=O H H H H,~~ s· _ O e G O H H 3' O H H H 3' H O 1 OH 1 H Extremo 3' H Extremo 3' porción básica en la que se encuentra la proteína. Más tarde descubrió una sustancia similar en la cabeza del espermatozoide del salmón, y logró purificar parcialmente los ácidos nucleicos y estudiar algunas de sus propiedades. En 1928, el microbiólogo Frederick Griffith, de nacionalidad inglesa, estudió las bases de la patogenicidad de la bacteria Diplococcus pneumoniae, que causa la neumonía. Observó que las células de cepas patógenas, llamadas S, estaban rodeadas de una cápsula formada por una cubierta delgada de polisacáridos, y que las cepas mutantes, que carecen de cápsula (R), no eran patógenas. Los descubrimientos de Griffith fueron sorprendentes: observó que si la cepa bacteriana R se mezcla con células S muertas por calor, y después se inyectan a ratones, éstos se infectan y mueren, pero ni las cepas S muertas por calor, ni las cepas R vivas fueron capaces de infectar cuando se inyectaron de forma separada. Además, pudo aislar células S vivas, encapsuladas1 a partir de la sangre de ratones muertos. Dedujo entonces que las células S muertas por calor tenían algo que transformaba a las células R vivas en células S. Al factor causante de la transformación lo denominó "principio transformante", pero no puedo -identificarlo. En 1944, Oswald Avery, Colín Macleod y Maclyn McCarty prepararon extractos libres de células de las bacterias S, fraccionaron los extractos en varios componentes y probaron su capacidad para transformar células R en células S in vitro. Encontraron que el principio transformante residía en el DNA. Una prueba decisiva para confirmar esto fue que la incubación del extracto con desoxirribonucleasa, una enzima que degrada específicamente el DNA, acabó con la actividad transformante, mientras que las enzimas proteolíticas tripsina y quimiotripsina, que degradas proteínas, no afectaron a esta actividad transformante. Estudios posteriores realizados con un bacteriófago que infecta a la bacteria E. coli apoyaron los trabajos de Avery. En 1952, Martha Chase y Alfred D. Hershey prepararon fagos T2 marcados con fósforo radiactivo 2 P), un constituyente del DNA pero no de las proteínas, y azufre radiactivo 5S), un constituyente de las proteínas pero no del DNA (Fig. 6-7). Demostraron que, cuando el bacteriófago infecta a su célula huésped (E. coli), es el DNA de la partícula vírica, que ~ontiene fósforo, y no la proteína de la cápsida del virus, que contiene azufre, el componente que penetra en la célula huésped y aporta la información genética para la replicación del virus. Estos experimentos y muchos otros han demostrado que el DNA es el vnico componente cromosómico que contiene la información genética en las células vivas. e e CAPÍTULO .6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 99 EXPERIMENTO DE HERSHEY Y CHASE (a) Unión (b) 1nyección (e) Agitación 1\ (d) Separación (por centrifugación) ~ Radiactivo (la bacteria infectada contiene 32 P) radiactivo No radiactivo Radiactivo (cubiertas virales vacías con 35 5) Figura 6-7. EL experimento de HersheyChase. Se prepararon dos muestras del bacteriófago T2 marcadas isotópicamente. Una marcada con 32 P. en los grupos fosfato del DNA y la otra con 35 S en los residuos de aminoácidos que contienen azufre de las proteínas de la cápsida. Posteriormente se infectaron por separado suspensiones de bacterias no marcadas. Una vez realizada la infección, se separaron las cápsidas víricas vacías y las bacterias. Las células infectadas por el fago marcado con 32 P contenían radiactividad: el DNA vírico marcado había penetrado en las células, y las cápsidas víricas vacías no contenían radiactividad . Las células infectadas con el fago marcado con 35 S no contenían radiactividad, mientras que las cápsidas vacías sí. Después de la eliminación de las cubiertas del virus se observó la formación de nuevos virus en ambas suspensiones: el mensaje genético para la replicación de los virus había sido introducido por el DNA de los virus y no por su proteína. Las moléculas de DNA tienen diferente composición de bases En el descubrimiento de la estructura del DNA resultó de gran importancia el trabajo de Erwin Chargaff y sus colaboradores a finales de la década de 1940. Encontraron que las cantidades de las cuatro bases de los nucleótid'os del DNA variaban según el organismo y que las cantidades relativas de ciertas bases estaban muy relacionadas. La proporción cuantitativa de las bases en una macromolécula se adapta en ocasiones a las denominadas Reglas de Chargaff. Éstas fueron confirmadas por muchos investigadores y sirvieron como pauta para el establecimiento de la estructura tridimensional del DNA, así como de los mecanismos sobre cómo se codifica la información genética en el DNA y cómo se transmite de una generación a la siguiente. Tales reglas son las siguientes: l. La composición de las bases del DNA generalmente varía de una especie a otra. 2 . Las muestras de DNA aisladas de los diferentes tejidos de la misma especie se componen de las mismas bases. 3 . La composición de bases del DNA de una detérminada especie no varía con la edad del organismo, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales. 4 . En todos los DNA de diferentes especies, ~1 número de los residuos de· adenina es igual al de los résiduos de timina (A= T), y el número de residuos de guanina es igual al número de residuos · de citosina (G = C). A Las reglas de Chargaff fueron esenciales para la deducción de la estructura tridimensional del DNA y la forma en que se codifica y transmite la información genética. 100 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA t 3,6 nm Surco mayor Figura 6-8. Modelo de Watson y Crick de la estructura del DNA. La molécula de DNA tiene 10,5 pares de bases y 3,6 nm por vuelta de hélice. (a) Representación esquemática que muestra las dimensiones de la hélice. (b) Modelo lineal que muestra el esqueleto covalente y el apilamiento de las bases. (e) Modelo de esferas. Las bases se muestran en gris, los fosfatos en amarillo y las ribosas y los oxígenos de los fosfatos en azul. 0,34 nm (a) partir de esta proporción es posible considerar que la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de los residuos de pirimidinas, esto es: A+G=T+C. EL DNA es una doble hélice La determinación de la estructura del DNA por parte de James Watson y Francis Crick en 1953 marcó el nacimiento de la biología molecular moderna. La estructura de Watson y Crick del DNA permitió la determinación del mecanismo molecular de la herencia. Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron la difracción de rayos X para analizar fibras de DNA. A principios de la década de 1950 demostraron que el DNA produce un diagrama de difracción de rayos X característico. El análisis de los diagramas permitió deducir que las moléculas del DNA son helicoidales, y que sus bases aromáticas planas forman un apilamiento paralelo al eje de la fibra. El reto que se planteaba era la construcción de un modelo tridimensional de la molécula de DNA que explicara los datos de difracción de rayos X, así como las equivalencias entre bases descubiertas por Chargaff, junto con otras propiedades químicas del DNA. Con todos los datos disponibles, en 1953 Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para el DNA. El modelo de Watson y Crick tiene las siguientes características principales: Figura 6-9. Hélice levógira y hélice dextrógira. En cada caso, mientras el pulgar apunta hacia donde la hélice avanza, los demás dedos se curvan en la dirección de giro de la hélice. Esto se mantiene cuando las hélices se colocan al revés. l. Existen dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común, formando una doble hélice (Fig. 6-8) . 2. Las dos cadenas del DNA son antiparalelas (es decir, transcurren en direcciones opuestas), pero cada una forma una hélice dextrógira (la diferencia entre una hélice dextrógira y una levógira se muestra en la figura 6-9. 3. Las bases ocupan el centro de la hélice y las cadenas de azúcares y fosfatos se sitúan en el exterior. Esto minimiza las repulsiones entre lo's grupos fosfato cargados. La superficie de la doble hélice contiene dos hendiduras de ancho desigual: los surcos mayor y menor (véase Fig. 6-8). CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 4 . Cada base está unida por puentes de hidrógeno a una base de la hebra opuesta, para formar un par de bases plano. Cada residuo de adenina debe formar pareja con un residuo de citosina y viceversa, y cada residuo de guanina debe aparearse con un residuo de citosina y viceversa (Fig. 6-10). Estas interacciones por puentes de hidrógeno, conocidas como apareamiento de bases complementarias, da como resultado la asociación específica de las dos cadenas de la doble hélice. La doble hélice del DNA se mantiene unida por dos tipos de fuerzas: los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias, y las interacciones de apilamiento de las bases. Entre G y C se pueden formar tres enlaces de hidrógeno, mientras que solamente se pueden establecer dos entre A y T. Esta es una de las razones de la dificultad para separar las hebras apareadas del DNA: cuanto mayor sea la relación de pares de bases G C con respecto a las A= T, más difícil será su separación. La complementariedad de las hebras del DNA se debe a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases. U n gran número de resultados experimentales apoyan las principales características del modelo de Watson y Crick para el DNA. Además, a partir del propio modelo, sugirió de inmediato un mecanismo para la transmisión de la información genética. La complementariedad de las dos hebras del DNA permitió deducir, antes de disponer de pruebas experimentales, que la replicación de la estructura podía tener lugar a través de la separación de las dos hebras y la síntesis de hebras complementarias de cada una de ellas. Cada hebra hace de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria. Estas hipótesis se confirmaron experimentalmente (véase capítulo 16). Esqueleto de azúcares fosfato Apareamiento de bases complementarias 101 Esqueleto de azúcares fosfato S' 3' j 1 3' S' = El DNA puede adoptar distintas formas tridimensionales El D NA es una molécula muy flexible, que puede presentar Figura 6-10. Cadenas complementarias del DNA. Dos cadenas numerosas variaciones estructurales. En el DNA celular se obde polinucleótidos se asocian mediante el apareamiento de sus servan muchas desviaciones significativas de la estructura de bases para formar el DNA de doble cadena. Se forman puentes Watson y Crick. Estas variaciones estructurales no tienen ninde hidrógeno específicos entre A y T. y entre G y C. gún efecto sobre las propiedades fundamentales del DNA definidas por Watson y Crick, y reflejan tres aspectos: las diferentes conformaciones posibles de la desoxirribosa, la rotación alrededor de los enlaces O El modelo de Watson y Crick del esqueleto de la hélice, y la libre rotación en torno al enlace glucosídico. explica las características principales La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del DNA de la molécula de DNA. o DNA B. La forma Bes la estructura más estable que puede adoptar un DNA de secuencia al azar en condiciones fisiológicas. Las formas A y Z son dos variantes estructurales (Fig. 6-11). La forma A predomina en disoluciones relativamente pobres en agua. El DNA estál estructurdado en udnab doble hélice dextdrógira, pe ro la dhél ice es mdás ~ gruesa y e número e pares e ases por vue1ta es e 11, en 1ugar e 1os 10 ,5 e ~ la fo rma B del DNA. El plano de los pares de bases de la forma A tiene una inclinación de unos 20° con respecto al eje de la hélice. Esto hace que el surco mayor sea más profundo y el surco menor más superficial. El DNA Z supone una mayor desviación de la forma B. Es una hélice levógira. Contiene 12 pares de bases por vuelta y la estructura es más delgada y alargada. Las cadenas del DNA adoptan un plegamiento en zigzag. DNA puede presentarse en N o está claro si el DNA A se encuentra en las células, pero hay datos a favor tres formas: DNA A, B y Z. El DNA B de la presencia de zonas de DNA Z en procariotas y eucariotas. Estas regiones responde a la estructura de Watson pueden participar en la regulación de la expresión de algunos genes o en la rey Crick. com binación genética. c:f~:~ 102 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Q ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL RNA ¿Cómo controlan las secuencias de nucleótidos las características de los organismos? En experimentos realizados con el hongo ascomiceto Neurospora crassa en la década de 1940, George Beadle y Edward Tatum descubrieron la existencia de una conexión entre los genes y las enzimas. Demostraron que las variedades mutantes de Neurospora que se generaban por irradiación con rayos X requerían nutrientes adicionales para crecer. Esto probablemente se debía a que las células dañadas por la radiación carecían de enzimas específicas necesarias para sintetizar estos nutrientes. De esta forma propusieron un vínculo directo entre los genes y las reacciones enzimáticas, lo que se conoció como la hipótesis "un gen, una enzima". El vínculo entre el DNA y las enzimas (que son, en su gran mayoría, proteínas) es el RNA. El DNA de un gen se transcribe para producir una molécula de RNA que es complementaria con el DNA. La secuencia de RNA es entonces traducida a la secuencia correspondiente de aminoácidos para formar una proteína (véase capítulo 18). Esta transferencia de información biológica se resume en el llamado dogma central de la biología molecular formulado por Crick en 1958 (Fig. 6-12). El DNA se transcribe a RNA, y la secuencia de RNA se traduce a la secuencia de aminoácidos correspondiente, formando una proteína. Las células contienen diversos tipos de RNA: Forma A Forma B Forma Z Figura 6-11. Formas A, By Z del DNA. Las tres estructuras que se presentan tienen 36 pares de bases. ~os ribosomas están formados por moléculas de RNA y proteínas. Participan en el proceso de síntesis proteica. Replicación O .... , ' '. Transcripción / DNA , -------- RNA Traducción Proteína Figura 6-12. El dogma central de la biología molecular. Las flechas de línea continua indican los tipos de transferencia de información que se producen en todas las células: el DNA dirige su propia replicación para producir moléculas nuevas de DNA; el DNA se transcribe a RNA; el RNA se traduce en la síntesis de una proteína. Las flecha.s de línea discontinua representan las transferencias de información que se observan sólo en algunos organismos (como algunos virus). • El RNA ribosómico (rRNA) es el componente principal de los ribosomas, constituyendo hasta un 65% de su peso total. Las moléculas de rRNA suelen ser muy grandes. Desempeña un papel tanto catalítico como estructural en la síntesis de proteínas. Tanto en los procariotas como en los eucariotas, un ribosoma consta de dos subunidades, una mayor que la otra. A su vez, la subunidad más pequeña consiste en una molécula grande de RNA y unas 20 proteínas distintas; la subunidad más grande consiste en dos moléculas de RNA en los procariotas (tres en los eucariotas) y unas 35 proteínas distintas en los procariotas (unas 50 en los eucariotas). Para la separación de los componentes de los ribosomas, RNA y proteínas, se utiliza una técnica denominada ultracentrifugación analítica. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de sedimentación expresado en unidades Sverdberg (S), llamadas así por Theodor Svedberg, el científico sueco que inventó la ultracentrífuga. El valor S aumenta con el peso molecular de la partícula en sedimentación, pero no de forma directamente proporcional, porque la forma de la partícula también afecta a la velocidad de sedimentación. Un ribosoma de E. coli suele tener un coeficiente de sedimentación de 705, disociándose en una subunidad menor de 305 y una mayor de 505. La subunidad 305 contiene un rRNA 165 y 21 proteínas distintas. La subunidad 505 contiene dos rRNAs, de 55 y 235, y 34 proteínas distintas. En cambio, los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 805, y las subunidades mayor y menor son 605 y 405, respectivamente. La subunidad pequeña de los eucariotas contiene un rRNA 185, mientras que la grande contiene tres tipos de moléculas de rRNA, 55, 5,85 y 285 (Fig. 6-13). • El RNA de transferencia (tRNA) consta de alrededor de 75 nucleótidos, siendo una de las moléculas de RNA más pequeñas. Es un polinucleótido de una sola cadena, con un peso molecular aproximado de 25.000 daltons. Transporta los aminoácidos en forma activada al ribosoma para la formación de enlaces peptídicos a partir de la secuencia codificada por el mRNA molde. Existe al menos un tipo de tRNA para cada uno de los 20 aminoácidos. En el tRNA se establecen puentes de hidrógeno intracatenarios, y se forman pares de bases A- U y G- C similares a los del DNA, salvo por la sustitución de la timina por uracilo. La molécula puede dibujarse como una estructura de trébol (Fig. 6-14). Las porciones de la molécula unidas por puentes de hidrógeno se denominan tallos, y las otras, bucles. Algunos 1 de estos bucles contienen bases modificadas. Si se comparan los tRNA de diferentes especies, se observan muchos aspectos estructurales comunes. La mayoría de tRNA tienen un residuo CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁC.IDOS NUCLEICOS Ribosoma eucariota Ribosoma bacteriano 70S PM = 0,9 X PM = 2.7 10 6 • rRNA 16S (1.S40 nucleótidos) • 21 proteínas X 10 103 6 80S PM = 4,2 X 10 6 PM = 1,8 x 106 PM = 1,4 x 10 6 PM=2 ,8 x 106 • rRNA SS (1 20 nucleótidos) • rRNA 235 (3.200 nucleótidos) • 36 proteínas • rRNA 18S (1 .900 nucleótidos) • -33 proteínas • rRNA SS (1 20 nucleótidos) • rRNA 28S (4.700 nucleótidos) • rRNA S,8S (1 60 nucleótidos) • - 49 proteínas Figura 6-13. Composición de los ribosomas en procariotas y eucariotas. Resumen de la composición y la masa de los ribosomas en los procariotas y en los eucariotas. Las subunidades ribosómicas se identifican por sus valores del coeficiente de sedimentación S (Sverberg). guanilato (pG) en el extremo 5', y todos tienen la secuenc!a CCA(3') en el extremo 3'. El brazo del aminoácido puede llevar un aminoácido específico unido por su grupo carboxilo al grupo hidroxilo 2' o 3' del residuo A del extremo 3' Brazo aminoácido Brazo D • •••• •••• A 1 1 1 1 1 i Contiene dos o tres residuos D en diferentes posiciones Brazo anticodón Anticodón ·Figura 6-14. Estructura en hoja de trébol de los tRNA. Los puntos grandes representan res iduos nucleotídicos, mientras que las líneas azules representan pares de bases. Los residuos característicos y/ o invariables comunes a todos los tRNA aparecen en rojo. En el extremo del brazo del anticodón se encuentr a el bucle del anticodón, que con tiene siempre siete nucleótidos no apareados. Pu, nucleótido purínico; Py, nucleótido pirimidínico; G*, guanilato o 2'-o-metilguanilato. 104 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA c:fExisten distintos tipos de RNA: RNA ribosómico, RNA de transferencia, RNA mensajero, RNA nuclear heterogéneo y RNA nuclear pequeño. Cada uno de ellos desempeña funciones específicas en la célula. del tRNA. El brazo del anticodón contiene el anticodón. El brazo D contiene dihidrouridina (D), y el brazo T'I'C contiene ribotimina (T) y pseudouridina ('!f). Los brazos D y T'I'C contribuyen al plegamiento de las moléculas del tRNA. Durante la síntesis de proteínas, tanto el tRNA como el mRNA se unen al ribosoma de una forma definida, lo que garantiza el orden correcto de los aminoácidos en la cadena polipeptídica sintetizada. • El RNA mensajero (mRNA) es el menos abundante de los RNA, constituyendo del 5 al 10% de todo el RNA celular. Es el molde para la síntesis de proteínas o traducción. La secuencia de los nucleótidos del mRNA es complementaria al mensaje genético contenido en un segmento específico del DNA. Las moléculas de RNA mensajero tienen diversos tamaños, lo mismo que las proteínas cuya secuencia especifican. Se puede producir una molécula de mRNA de cada gen o grupo de genes que vayan a expresarse en E. coli, mientras que se produce un mRNA específico por cada gen en eucariotas. En consecuencia, el mRNA es una clase heterogénea de moléculas. En eucariotas, el mRNA formado inicialmente es una molécula más grande llamada RNA nuclear heterogéneo (hnRNA) , que contiene largas porciones de secuencias intermedias llamadas intrones, que no codifican proteínas. La modificación postranscripcional elimina los intrones. • El RNA nuclear pequeño (soRNA) es una molécula de reciente descubrimiento. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. Tiene apenas entre 100 y 200 nucleótidos, y en la célula se acompleja con proteínas para formar partículas nucleares pequeñas de ribonucleoproteína (snRNP). Su función es contribuir al procesamiento del mRNA inicial que se transcribe del DNA, para dar una forma madura que pueda exportarse del núcleo. En los eucariotas, la transcripción se efectúa en el núcleo, pero la síntesis de proteínas se efectúa casi totalmente en el citosol, y eso hace necesaria la exportación del mRNA. Q NUCLEÓTIDOS CON OTRAS FUNCIONES El ATP es la moneda· de intercambio energético de la célula El ATP es un ribonucleótido constituido por adenina y ribosa, a la que se unen en forma secuencial tres grupos fosfato por medio de un enlace fosfoéster seguido de dos enlaces fosfoanhídrido . La importancia biológica del ATP radica en la gran cantidad de energía libre que acompaña a la rotura de los enlaces fosfoanhídrido. Esto tiene lugar cuando un grupo fosfato se transfiere a otro compuesto, liberando ADP (Fig. 6-15), o se transfiere el AMP, y se libera pirofosfato (PPJ Cuando el aceptar es el agua, el proceso se conoce como hidrólisis: ATP + H 2 0 ATP + H 2 0 ADP + P; AMP + PP; La variación de energía libre para la hidrólisis del ATP es -30,5 kJ/mol en condiciones estándar (f~ G 0'). En la figura 6-16 se indican los valores de t. G 0 ' para la hidrólisis de varios compuestos fosforilados de importancia bioquímica. Estos valores se conocen como potenciales de transferencia de grupos fosforilo , y son una medida de la tendencia de los compuestos fosforilados a transferir sus grupos fosfato al agua. El ATP tiene un potencial de transferencia de grupo fosforilo de valor intermedio. Bajo condiciones estándar, los compuestos que se encuentran por encima del ATP pueden transferir de forma espontánea un grupo fosforilo al ADP para formar ATP, que a su vez, de forma espontánea transfiere un grupo fosforilo a los grupos apropiados de moléculas como glucosa o glicerol, para aumentar su energía. A pesar de sus altos potenciales de transferencia de grupo, el ATP y los compuestos fosforilados relacionados son cinéticamente estables, y no reaccionan a menos que actúe sobre ellos una enzima apropiada. CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 105 NH 2 1 Rotura de l enlace J N-?e'-e~N~ · 1 11 ~e-H /e"'=' /e~N1 adenina ~ ~ ~ ATP HdNO -o-P - 0 - P- O- P-O-H e ¡Y ~~ 1" 2 oooH H ', / H ) -- H / OH OH ribosa ADP o 11 -o-P- OH + 1 o0 1 !::..G ' = -30,5 kj/motl Gracias a su potencial de transferencia de grupos fosforilo, el ATP es el vínculo químico entre el catabolismo y el anabolismo (véase capítulo 7, Recuadro 7-1, Acoplamiento de reacciones). Constituye la moneda energética de la célula viva. Gran parte de la energía que se libera de la glucosa y de otros combustibles celulares se conserva mediante la síntesis acoplada de ATP a partir de ADP + P;. El ATP cede su energía química a procesos como: biosíntesis de moléculas, transporte de sustancias contra gradiente de concentración, movimiento mecánico, etc. Siempre que se utiliza la energía química del ATP, éste pasa a ADP+ P;. Aunque este apartado se ha centrado en el ATP como moneda energética celular y dador de grupos fosforilo, los otros nucleósidos trifosfato (GTP, UTP Figura 6-15. Hidrólisis del ATP. En la figura se representa la estructura del ATP, indicando la posición de los enlaces de alta energía, y cómo la ATPasa rompe uno de los enlaces fosfoanhídrido para dar ADP. Este proceso es exergónico y libera -30,5 kj/mol en condiciones estándar. ~l vínc~lo c fEl ATP constituye entre catabolismo y anabolismo. siendo la moneda energética de la célula viva. La conversión exergónica del ATP a ADP y P; está acoplada a muchas reacciones y procesos endergónicos. -70,------------------------------------------------, eoo1 e-o-® Fosfoenolpiruvato 11 -60 o eH 2 o-® ~/ e -50 1 o eH2-o-® E g 1 eH OH -40 I 1 ,3-Bisfosfoglicerato V> :~ :0 ~ .S:: -30 "' t, <l -------------"T'--------~~------- ~i~~~i;!if;; p (lJ -20 p Gl"'" / / Glicerol-® -10 o Figura 6-16. Clasificación de los compuestos biológicos fosforilados según sus energías libres estándar de hidrólisis. En el esquema se muestra el flujo de grupos fosforito. desde dadores de elevada energía vía ATP hasta moléculas aceptaras (como glucosa y glicerol) para formar sus derivados fosfato de baja energía. 1'06 SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA y CTP) y todos los desoxinucleósidos trifosfato (dATP, dGTP, dTTP y dCTP) son energéticamente equivalentes al ATP. Las variaciones de energía libre asociadas con la hidrólisis de sus enlaces fosfoanhídrido son prácticamente idénticas a las del ATP. De esta forma, también pueden dirigir reacciones de forma análoga al ATP. El motivo de que sea esta última la moneda energética es que se encuentra en mucha mayor concentración en las células. Ciertos nudeótidos son importantes coenzimas c::fExisten diversas coenzimas formadas por nucleótidos que participan en reacciones de oxidación y reducción en el metabolismo. Entre ellas destacan el NAo•. NADP+, FMN y FAD. Diversas enzimas catalizan reacciones de oxidación y reducción en la célula. Las enzimas que catalizan las oxidaciones celulares canalizan los electrones desde multitud de sustratos diferentes a tan sólo unos cuantos tipos de transportadores de electrones. La reducción de estos transportadores en los procesos catabólicos permite la conservación de la energía libre que se produce en la oxidación de los sustratos. Algunas de las coenzimas que acompañan a las enzimas que catalizan este tipo de reacciones son nucleótidos. El NAD\ NADP\ FMN y FAD son coenzimas nucleotídicas hidrosolubles que experimentan oxidación y reducción reversibles en muchas de las reacciones de transferencia de electrones del metabolismo. NAO+ y NADP+ El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+ en su forma oxidada) y su análogo próximo, el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADP•) , están formados por dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfato por un enlace fosfoanhídrido (Fig. 6-17). Ambas coenzimas experimentan una reducción reversible del anillo de nicotinamida: c::fEl NAD+ está formado por un nucleótido de nicotinamida y otro de adenina, unidos a través de sus grupos fosfato. El NADP+ tiene la misma estructura, con un grupo fosfato adicional esterificado al azúcar del nucleótido de adenina. NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H + NADP+ + 2 e- + 2 H + NADPH + H+ El NAD+ actúa generalmente en oxidaciones, como parte de una reacción catabólica; y el NADPH es la coenzima habitual en las reducciones, casi siempre como parte de una reacción anabólica. Los anillos del NAD~ y del NADP+ provienen de la vitamina niacina, que se sintetiza a partir del triptófano. La carencia de niacina afecta, por lo tanto, a todas las enzimas dependientes de estas coenzimas, y es la causa de una grave enfermedad humana denominada pelagra, que produce dermatitis, diarrea y deH NAO+ O Cr O ll c , NH, 2W ~N (oxidado) 0-H,C ~ O H H 11 f Y C' NH, l ,.) ~ R NADH H H H H (reducido) 1 O=P-o1 OH ~ OH 2 <N:e:N O=P-o- 1 N 1 ) Adenina N# o-H,r<o'>l Figura 6-17. NAO+ y NADP+. El NAD+ y el NADP+ se reducen a NADH y NADPH, captando un ión hidruro (dos electrones y un · protón) a partir de un sustrato oxidable. ~ OH OH ) En el NADP+ este grupo hidroxilo está esterificado con fosfato \ CAPÍTULO 6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS 107 mencia. Hace un siglo era una enfermedad común. Hoy en día está práctica~ mente erradicada en las poblaciones del mundo desarrollado. Pero aún la padecen las personas alcohólicas cuya absorción intestinal de niacina está muy reducida y cuyas necesidades calóricas están satisfechas a menudo con licores destilados que carecen prácticamente de vitaminas, entre ellas la niacina. FAD y FMN El FAD (dinucleótido de flavina y adenina) y el FMN (mononucleótido de flavina) son dos nucleótidos de flavina (Fig. 6-18) que se unen a flavoproteínas, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción. La flavina es capaz de reducirse de manera reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de urio o dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón) desde un sustrato reducido. Así se originan las formas completamente reducidas: FAD + 2 e- + 2 H+ FADH 2 FMN + 2 e- + 2 H+ FMNH 2 Los nucleótidos de flavina suelen estar unidos fuertemente a la mayoría de las flavoproteínas, incluso de forma covalente. Estas coenzimas fuertemente unidas se denominan grupos prostéticos, y provienen de la vitamina riboflavina (vitamina B2). La deficiencia de riboflavina es bastante rara en los seres humanos. Los síntomas de la deficiencia de riboflavina, que se asocia con la desnutrición general o con dietas poco equilibradas, son la inflamación de la lengua, lesiones en las comisuras de la boca y dermatitis. I TEl FAD y el FMN son dos nucleótidos de flavina que se unen fuertemente a flavoproteínas. Pueden aceptar de forma reversible uno o dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrógeno. ------- Otros nucleótidos no nucleicos Existen otros nucléotidos que no forman parte de los ácidos nucleicos y que desempeñan funciones biológicas muy importantes. Cabe destacar el AMPc (AMP cíclico) y la coenzima A. El AMP cíclico actúa como segundo mensajero El adenosín monofosfato cíclico (véase Fig. 6-5) es un nucleótido que actúa como segundo mensajero . de diversos procesos biológicos. Se produce a partir anillo de isoaloxazina o H,CY"(N~NH w.,~ HC~N 3 HC 3 ""'NAO 1 ~ 1 1 N 1 R CH 2 FMN H3CXX~:Co 1 NH NAO 1 H FADH 2 (FMNH 2 ) (totalmente reducido) HCOH 1 HCOH 1 HCOH 1 FAD CH 2 1 o NH2 ---~j~~- --- <Nyl) N 1 -o -P=O 1 N~ ..~ H,{~o'>l ~ N OH OH Dinucleótido de flavina y adenina (FAD) Mononucleótido de flavina (FMN) Figura 6-18. FAD y FMN. El FMN consiste en la estructura que se muestra por encima de la línea de trazos del FAD. Los nucleótidos de flavina aceptan dos átomos de hidrógeno (dos electrones ·y dos-protones). Cuan- do el FAD o el FMN aceptan un solo átomo de hidrógeno, se forma la semiquinona, que es un radical libre estable. ... ,110 -::-. .. ..... _- ··.... ·" t ...... SECCIÓN l. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA Q PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 1111 El compuesto formado por una desoxirribosa unida mediante un enlace N-glucosídico al N-9 de la adenina es: a} Un desoxirribonucleótido. b} Un nucleótido de purina e} Un ·nucleósido de pirimidina. d} Desoxiadenosina. e} Los pares G-C comparten dos enlaces por puentes de hidrógeno. d} Las bases ocupan el interior de la hélice. DJI Indique cuál o cuáles de las siguientes composiciones de bases es posible para un RNA de cadena sencilla: %A ID Indique que a} b} e} d} cuál de las siguientes afirmaciones sobre las pentosas aparecen en los ácidos nucleicos es cierta: Las pentosas están siempre en forma B-furanosa. El C-S' y el C-1 ' de la pentosa están unidos a grupos fosfato. El C-S ' de la pentosa está unido a una base nitrogenada, y el C-1 ' a un grupo fosfato. El enlace que une las bases nitrogenadas con las pentosas en un enlace 0-glucosídico. r -· . enlaces fosfodiéster que unen los nucleótidos adyacentes tanto en el RNA como en el DNA: a} Siempre unen A con T y G con C. b} No presentan carga a pH neutro. e} Se forman entre los anillos de las bases adyacentes. d} Unen el extremo 3' -0H de un nucleótido con el extremo S' -OH del siguiente. DI indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta I D ·En base a las reglas de Chargaff. ¿cuál o cuáles de las siguientes composiciones de bases para un DNA de doble cadena es posible?: %A . %( %T %U %G a} S 4S 4S S 20 20 20 20 e} 3S 1S 3S 1S d} Ninguna de las anteriores. b} o 20 o 1'111 En la forma B del DNA: %T %U S 4S 4S 2S 2S 2S e} 3S 1O 30 d} Todas las anteriores. o o o 2S 2S b} S DI El oligorribonucleótido S' -GACTAGCCTA-3 ' sólo podría formar una estructura de doble hélice con: a} S'-TAGGCTAGTC-3 ' . b} S' -CTGATCGGAT -3 ' . . e} S' -CUGAUCGGAU-3'. d} S' -UAGGCUAGUC-3'. &:1 En las células. los nucleótidos y sus derivados como: a} Portadores de energía metabólica. b} Cofactores enzimáticos. e} Señales intracelulares. d} Todas las anteriores son ciertas. para el oli- gonucleótido de DNA AGCTIG: . a} Tiene 7 grupos fosfato. b} · Tiene un grupo hidroxilo en su extremo 3'. e} Tiene un grupo fosfato en su extremo 3'. d} Tiene una A en su extremo 3'. %C a} DI Los .. %G p~den actuar mJI El ATP es un ejemplo de: Desoxirribonucleótido trifosfato. b} Ribonucleósido. e} Ribonucleósido trifosfato. d} Ácido nucleico. a} lliJI Con .. respecto a los nucleósidos. indique cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera: a} Están formados por la unión de un ácido fosfórico, una pentosa y una base nitrogenada. b} El ácido fosfórico se une al C-S del azúcar. e} Los ácidos nucleicos se forman por la unión de nucleósidos. d} Todas las anteriores son falsas. IIDI El DNA Z: Una purina de una de las cadenas siempre se une a través de puentes de hidrógeno éon una purina de la cadena com·plementaria. b} Los pares A-T comparten tres enlaces por puentes de hidrógeno. a} Es una cadena de DNA formada por tres hebras de nucleótidos. b} Es una cadena de DNA levógira. e} Es más ancha que la cadena de tipo B. d} Todas las anteriores son falsas. a} \ j / \ BIOENERGÉTICA o CONTENIDOS o o o o o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Diferenciar las formas de la energía en la célula y sus transforma- Introducción ciones. La energía de las moléculas o Establecer los principios de la termodinámica y su aplicación a los sis- Funciones de estado temas biológicos. Metabolismo y bioenergética o Relacionar el contenido de calor de un sistema y su grado de libertad con la entalpía y la entropía. o Predecir la espontaneidad de una reacción química según sus valores de energía libre y su constante de equilibrio. o Relacionar los conceptos de energía libre con el metabolismo celular. r El primer capítulo que abre esta sección revisa el concepto de energía y su relación con las funciones celulares. Cualquier proceso que se realice en la célula consume o produce energía: una reacción química catalizada por una enzima (Capítulo 8), la entrada y salida de sustancias a través de la membrana (Capítulo 9), la transmisión de señales entre células y tejidos (Capítulo 10), la construcción o destrucción 9e macromoléculas (Sección 111) o la transmisión de la informaci ~ n genética (Sección IV). Todas estas funciones, descritas en los siguientes capítulos, deben cumplir las leyes de la termodinámica. Por ello, saber predecir si un proceso en un determinado sistema biológico va a ocurrir de forma espontánea, o si, por el contrario, va a requerir un aporte de energía para llevarse a cabo, es una tarea primordial a la hora de enfrentarse al estudio de los procesos biológicos. 114 SECCIÓN 11. -LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 0 INTRODUCCIÓN La Termodinámica es la ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia y sus intercambios de energía. Los seres vivos dependen del suministro de energía, y para cumplir el primer principio de la conservación de la energía, el balance final de energía entre la célula y su entorno debe mantenerse constante. Cualquier proceso que se realice en la célula, o bien consume, o bien produce energía. En este capítulo se van a analizar las formas de energía que la célula es capaz de recibir, cómo las puede convertir en un trabajo útil, o incluso almacenar, para posteriormente ser utilizada en un determinado momento. Los sistemas biológicos son capaces de formar biomoléculas que interaccionan para producir organismos complejos. Estos organismos poseen cualidades que los distinguen de otras agrupaciones de materia inerte, y deben cumplir las siguientes características: • • c:fun sistema biológico debe cumplir las leyes de la Termodinámica. • • I TEl estudio termodinámico de un sistema biológico· permite determinar si un proceso (sea una reacción química, un paso de moléculas a través de una membrana, etc.) va a ocurrir de forma espontánea en la célula. Ser capaces de generar y mantener orden en un universo que siempre tiende a un mayor grado de libertad. Mantener un elevado grado de complejidad química y de organización microscópica. Haber desarrollado sistemas para la extracción, transformacioii y uso de energía del entorno. Poseer funciones definidas para cada uno de sus componentes y la regulación de las interacciones entre ellos. La célula puede entenderse como una gran fábrica química donde cada segundo se realizan miles de reacciones que necesitan una fuente de materia (átomos que proceden del entorno en forma de nutrientes) y una fuente de energía que, aunque se presenta en forma de energía química, en última instancia, proviene del sol. El objetivo final de un ser vivo será generar el orden que haga posible la vida. 0 LA ENERGÍA DE LAS MOLÉCULAS Las diferentes formas de la energía y su transformación c:fEl Primer Principio de la Termodinámica o Principio de Conservación de la Energía dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En cualquier cambio físico o químico, el total de la energía del Universo permanece constante, aunque la forma de la energía cambie. ----------------~ La energía se define como la capacidad de producir cambio y se mide por la cantidad de trabajo realizado durante este período de cambio. A diferencia de otras propiedades de la materia, la energía no se puede definir en términos de tamaño, forma o masa. La presencia de energía solo se revela cuandó se ha producido un cambio (Recuadro 7-1). / La energía existe en muchas formas que pueden interconvertírse. La energía potencial indica la cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía que se encuentra almacenada en un determinado lugar. Por ejemplo, la energía almacenada en una presa llena de agua: mientras está almacenada, la energía no es útil, pero si se abre la presa, toda la energía que había contenida en ella se libera, y el agua arrastrará aquello que encuentre en su camino (se transforma la energía potencial en energía cinética). La energía de combustión es la energía contenida en los enlaces de carbono de los combustibles, y que resulta liberada en un proceso de combustión (oxidación) . Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, lo que transformará su estructura química. Por lo tanto, un combustible puede ser tanto el carbón utilizado en las máquinas de vapor, como la gasolina que quema el inotor de un coche para su funcionamiento, de forma que la energía química del combustible se transforma en energía cinética. La célula también es capaz de transformar la energía química de los nutrientes, de manera que, durante su proceso de combustión, se libera toda la energía de las moléculas y se utiliza para realizar un trabajo celular, como pm\ ejemplo: • Reacciones químicas no favorables o espontáneas. • Movimiento de moléculas a través de una membrana. CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA • Reacciones que generen orden y, por lo tanto, un alto contenido en información. • Crecimiento y división celular. La energía de Los nutrientes La energía que necesita un organismo heterótrofo proviene de los nutrientes y de la energía almacenada en dicho organismo. Los azúcares, los lípidos y las proteínas son los tres tipos de componentes con valor energético que se utilizan como combustible en .los seres vivos. Centrando el estudio en el ser humano, una vez que estos nutrientes han entrado en el cuerpo, sufren una serie de reacciones hidrolíticas (proceso de digestión) que incluyen la conversión del almidón en disacáridos, de las proteínas en aminoácidos y de los lípidos en ácid.os grasos y glicerol. Estas formas más simples de los nutrientes van a ser, después, absorbidos y asimilados por el sistema digestivo, y se dirigirán a la circulación sanguínea desdé los capilares del tracto gastrointestinal hacia el hígado . Parte de estas m oléculas son utilizadas según las necesidades energéticas de la célula en ese momento, y el resto será almacenada en fo rmas más complejas como el glucógeno, en el músculo e hígado, y los triacilglicéridos en el músculo y en el tejido adiposo. La cantidad de energía que se toma de estos nutrientes depende de la cantidad de nutrientes consumida y del contenido de energía de los nutrientes, según la composición que tengan . El rendimiento energético que tiene un nutriente también va a depender de lo eficien te que sea su proceso digestivo. No solo es importante el contenido calórico de un nutriente, sino que se obtendrá más energía del mismo cuanto más eficiente sea el proceso digestivo, y se produzca una mayor absorción. ¿De qué depende que un nutriente tenga un contenido elevado de energía? De la energía que esté contenida en sus enlaces químicos. Cuanto más reducido esté el compuesto, mayor energía estará contenida en sus enlaces; de forma que al romperse estos enlaces por un proceso hidrolítico, se produce un cambio de energía. El sistema pasará de un estado inicial, alto de energía, a un estado final (nutriente digerido) con mucho menor contenido energético. La energía que se pierde en este sistema tiene que ser almacenada en algún otro componente celular, para que no se desperdicie en forma de calor, que será una forma de energía no útil para la célula. 115 Recuadro 7-1 . Unidades de la energía En un contexto biológico, la energía se mide en julios U) o kilojulios (kJ), unidades de trabajo. También suele medirse en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), que son unidades de calor. El julio es una medida estándar de energía de los nutrientes. La kilocaloría es la unidad de medida de energía más utilizada en EE.UU. y Canadá. julio o joule (símbolo J) es la unidad ael Sistema Internacional (51) para energía, trabajo y calor. Toma su nombre hispanizado en honor al científico inglés Sir Prescot Joule (1818-1889). Se define como "el trabajo realizado por la fuerza de un newton en un desplazamiento de 1 metro". Es decir, la cantidad de trabajo requerida para desplazar un objeto de O, 1 kg de peso a una distancia de 1 metro, bajo la fuerza de la gravedad. kilocaloría: es la cantidad de calor requerida para aumentar 1 oc la temperatura de 1 kg de agua. 1 cal= 4.1845 J 1 kcal = 4.1845 kJ La com bustión de Los nutrientes Libera energía Una molécula muy reducida puede sufrir un proceso de combustión (oxidaCión en presencia de Ü z) hasta que alcanza un estado oxidado. Los electrones contenidos en los enlaces de la molécula reducida son transferidos al oxígeno, por lo que la pérdida de electrones de la molécula hace que tenga menos energía en sus enlaces. Este proceso OCJ..lrre normalmente en moleculas compuestas de carbono; el C saturado de H (es decir con el mayor número de enlaces covalentes unidos al H) cederá sus electrones al O z atmosférico, convirtiendo el O z en agua, mienc tras que la molécula hidrocarbonada se transforma en CO z, estado de máxima oxidación del carbono. Este proceso de combustión es un proceso· que libera energía en forma de calor a su entorno. En el caso de un sistema como la combustión de un papel (constituido por celulosa) en presencia de oxígeno atmosférico, toda la energía contenida en la celulosa se pierde en forma de calor que se libera al entorno. Los seres vivos han conseguido desarrollar una serie de reacciones químicas (~atalizadas por enzimas), que permiten recuperar parte de la energía de las moleculas (com o la energía de los enlaces de la celulosa del papel) y aJmacenarla en otras moléculas con gran contenido energético (Fig. 7-1). La célula funciona como una m áquina que quema combustibles (nutrientes) en ·presencia de oxígeno: parte de la energía se libera a la atmósfera (en forma de calor) pero otra Parte se transforma en otro tipo de energía capaz de realizar un trabajo útil (~nergía química) . El proceso será más eficaz cuanto menos calor emita al ambtente y más rendimiento de trabajo consiga. El com bustible, es decir, el nutriente, será transformado en la forma más estable Y menos energética del carbono, el COz, que será liberado a la atmósfera, ITLos nutrientes son compuestos reducidos, con alto contenido energético. ITLa célula ha diseñado .un sistema de almacenaje de energía durante el proceso de combustión de los nutrientes. Esta energía se utilizará para realizar un trabajo celular. 116 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Energía H. H H 1 1 1 1 1 1 R- ·c - C - C- R +O ' H H H compuesto reducido calor de combustión Figura 7-1. Esquema de la combustión de una molécula reducida. Diferencia entre la combustión directa. con liberación de la energía en forma de calor, y la combustión en la célula, donde se almacena parte de la energía contenida en la molécula en energía útil para la célula. C0 2 + H20 CO, + H,O Compuesto oxidado Compuesto oxidado tal y como lo hacen las fábricas, que desprenden COz en su proceso de combustión para la transformación y utilización de energía. El ciclo solo se cerrará si el COz emitido es utilizado por "alguien". Esta es la función de las plantas y otros organismos fotosintéticos, únicos seres vivos capaces de convertir el COz en un compuesto mucho más energético. ¿Cómo consiguen las plantas la energía para subir desde un nivel o escalón bajo en energía, donde está el CO z, a un nivel energético mucho más elevado donde se encuentran los hidratos de carbono? Solo se logra gracias a la capacidad que tienen las plantas de captar y utilizar una energía mucho mayor, la energía solar, gracias a su maquinaria fotosintética (Fig. 7-2). Autótrofos Heterótrofos Trabajo celular Figura 7-2. Sistema de utilización y conversión de la energía en los organismos autótrofos y heterótrofos. 0 FUNCIONES DE ESTADO Los sistemas biológicos Los organismos transforman energía y materia de su entorno para realizar las reacciones químicas. Se puede definir un sistema como toda parte del universo que se delimita mentalmente, es decir, la porción de materia cuyas propiedades se estudian. Por ejemplo, una célula, una reacción química, etc. Todo lo que rodea al sistema constituye el ambiente o entorno. El conjunto formado por el sistema y el entorno se denomina universo. CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTÍCA 117 En una reacción química, las sustancias que intervienen constituyen el sistema termodinámico, que evoluciona desde un estado inicial (reactivos) hasta un estado final (productos) . El entorno será el medio donde tiene lugar la reacción quím ica. El universo será el conjunto de los reactivos y productos presentes en una solución y la atmósfera circundante. Según su relación con el entorno, los sistemas pueden ser: • Aislados: aquellos que no intercambian materia ni energía con el entorno; este sistema no produce efectos observables sobre el exterior. • Cerrados: aquellos que intercambian energía, pero no materia con el entorno. • Abiertos: los que intercambian energía y materia con el entorno. Las células se consideran sistemas abiertos ya que captan combustibles químicos del exterior (obteniendo la energía de su oxidación) y pueden extraer energía bien de los compuestos químicos o incluso algunas células de la luz solar. Además pueden transferir también energía al entorno en forma de calor. En termodinámica, una función de estado o variable de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio. Dado un sistema termodinámico en equilibrio puede escogerse un número finito de variables de estado, tal que sus valores determinan unívocamente el estado del sistema. Se revisarán algunas de estas variables, como son la energía interna (E o U), la entalpía (H), la entropía (S). Son magnitudes cuyo valor sólo depende del estado del sistema y no de la forma en que el sistema alcanzó ese estado. Se m iden segú!J. el cambio que se produce en un sistema en equilibrio desde un estado inicial a uno final , y se representa con el signo fl. (fl = incremento = Estado final - Estado inicial) O esta~ varia~ Una función de oo ble de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio. Su valor sólo depende del estado del sistema y no de la forma en que el sistema alcanzó ese estado. Entalpía o calor a presión constante La entalpía es el contenido de calor interno del sistema reaccionan te a presión constante. Refleja el número y el tipo de enlaces que contiene una molécula. El incremento de entalpía de un sistema (flll) expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico; es, por lo tanto, la cantidad de energía que ese sistema puede intercambiar con su entorno (Recuadro 7-2) . . Recuadro 7-2. Recuerdo de química ENERGÍA DE ENLACE: Cuando los átomos forman moléculas mediante enlaces covalentes, se libera energía. Por lo tanto, en el caso de la formación de una molécula; la energía del producto es menor que la de los átomos al inicio de la reacción . El cambio de la energía del sistema que se produce desde un estado inicial al final producirá una pérdida de energía del sistema. Por esta razón, . porque el producto final tiene menor energía y, en consecuencia, es más estable, es por lo que los átomos tienden a formar enlaces covalentes. Si, ahora, se piensa en el proceso inverso, la rotura de este enlace covalente, se comprende que se requiere la misma energía para romperlo que la que se desprendió en su formación. La energía de enlace es la energía requerida para romper un enlace químico en fragmentos neutros en estado gaseoso. Esta energía se mide en kcal· mol-' o en kJ ·mor'. P. ej. para romper un enlace covalente entre O-H se requieren 463 kJ • mol-1 • Los enlaces más fuertes, es decir, los más estables, tienen energías de enlace altas. ENERGÍA INTERNA (E o U): Es una función que guarda relación al calor transferido y el trabajo realizado en el sistema. Viene determinada por la vibración, rotación , translación de las moléculas y su energía de enlace. Es la suma de la energía cinética y potencial de las partículas que 11-· componen el sistema. La energía interna de un sistema solo puede modificarse mediante intercambios de calor y trabajo entre el sistema y su entorno. Es la energía propia de las moléculas, y se mide como el calor y el trabajo que absorbe el sistema o fluye del sistema al entorno. Si en el sistema no se producen cambios, la energía interna final será igual a energía inicial. t:,.E = E fin al - E inicial En este caso, la suma del calor transferido y el trabajo realizado t:,.E= 0---> W= q Calor (q) . Entorno S1stema . 1 Trabajo (w) --118 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Cuando se produce una reacción química, y los reactivos son diferentes a los productos, habrá un cambio de contenido calórico debido a la energía contenida en los enlaces químicos. Las reacciones podrán ser de dos tipos (Fig. 7-3): • Endotérmicas, que absorben calor del entorno en donde transcurre la reacción (D.H positivo). En este caso, el contenido calórico es menor en los reactivos que en los productos. • Exotérmicas, que liberan calor al entorno (D.H negativo) . El contenido calórico es mayor en los reactivos que en los productos. En cualquier reacción química, la variación de entalpía (D.H) de la reacción, es igual a la diferencia entre la suma de las entalpías de formación de los productos y la suma de las entalpías de formación de los reactivos. 0 D.H reacción c:f Una reacc1on exotérmica desprende calor del sistema al entorno, mientras que una reacción endotérmica absorbe calor del entorno. = L HJ productos - L HJ reactivos Cuando se miden las funciones de estado en condiciones estándar (es decir, se fija la presión, la temperatura y la concentración de productos y reactivos), se representa su símbolo con un superíndice 0 (D.H 0 ). Si, además, se estudia en condiciones fisiológicas (a pH = 7), se añade una prima 0 ' (D.H 0'). Dado que una reacción puede expresarse como la suma algebraica de otras, su entalpía de reacción es igual a la suma de las entalpías de reacción: A---+B---+C D.H~'_, e = D.H~'_, 8 + D.H~'_, e Entropía o grado de libertad La entropía es una función de estado y mide el grado de desorden o de libertad de un sistema. Los sistemas desordenados tienen, por lo tanto, una entropía elevada. Los sistemas ricos en información son sistemas muy ordenados y tienen niveles de entropía bajos. Este es el caso, por ejemplo, del DNA, que es una molécula muy ordenada y, por lo tanto, contiene mucha información. El objetivo de todo ser vivo es ordenar moléculas que encierren mucha información . Este hecho parece desafiar la 2a ley de la Termodinámica; sin embargo, hay que tener en cuenta que, para ordenar un sistema (como en la síntesis de DNA en una célula), el. proceso se realiza a partir de la entrada de materia y energía a la célula (sistema abierto) y, en el curso de las reacciones -químicas, parte de la energía será utilizada por la célula para generar esta molécula ordenada (disminución de la entropía del sistema), pero otra parte se disipará en forma de calor (forma de energía muy desordenada debido a la colisión aleatoria de moléculas). Este calor se liberará al entorno celular lo que provoca su aumento (a) [ PROCESO i -~ Q_ EX~TÉRMICO l (b) [ PROCESO ENDOTÉRMICO ] i I§ e LU Figura 7-3. Representación de reacciones químicas según el contenido de calor (entalpía) de los reactivos y' de los productos. (a) Proceso exotérmico, con liberación de calor del sistema al entorno, y (b) proceso endotérmico donde los reactivos del sistema deben absorber calor del entorno para convertirse en producto. 119 CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA de entropía, de manera que, según estipula la 2a ley de la termodinámica, la entropía total del universo (la célula más su entorno) siempre aumentará. Las características de la entropía son las siguientes: • La entropía es una función de estado. • Mide el grado de desorden o de libertad de un sistema. Los sistemas desordenados tienen una entropía elevada, mientras que los sistemas ordenados tienen una entropía muy baja. • En los sistemas abiertos hay que tener en cuenta el intercambio de entropia con el entorno o exterior. • En las reacciones exotérmicas (donde se produce desprendimiento de calor) aumenta la entropía del entorno. • En las reacciones endotérmicas (se absorbe calor) disminuye la entropía del entorno. • Una reacción es más probable si se da en situaciones de aumento de entropía. • El incremento de entropía para un sistema y su entorno no varía en procesos reversibles y es positiva en procesos irreversibles. En una reacción donde se genere orden celular, el aumento de la entropía del entorno y la disminución que se produce en el sistema, dependerá de la pérdida de calor del sistema y el aumento de calor (desorden) en el entorno. Es muy importante, por lo tanto, estudiar las reacciones químicas, y conocer sus cambios en el contenido calórico (energía contenida en los enlaces) de los reactivos y los productos. En las reacciones exotérmicas aumenta la entropía del entorno, ya que liberan calor al entorno provocando un mayor desorden. Ocurre lo contrario con las reacciones endotérmicas, puesto que, al absorber calor del entorno, las moléculas del entorno estarán menos libres. Los seres vivos, durante el proceso de combustión de los alimentos a partir de la energía química contenida en los nutrientes, liberan calor, y gracias al conjunto de rutas metabólicas, son capaces de aprovechar parte de esta energía al acoplarla a reacciones que generan orden (Fig. 7 -4). Este nexo entre la producción de calor y el incremento de orden es lo que diferencia el metabolismo de una célula y el derroche de energía que se produce, por ejemplo, al quemar un combustible con una llama. En este caso la entropía del universo aumenta, pero no se genera orden, ni se obtiene información. U n sistema (A____, B) siempre va a mantener un flujo de calor (q) con el entorno. Entre los tres estados de la materia, el estado gaseoso es el más desordenado (i tlS), mientras que el estado sólido es el más ordenado (flS-l-), al estar sus moléculas menos libres. Para medir la entropía, es importante tener en cuenta el número, la naturaleza de las moléculas, y el estado de la materia. En una reacción química, siempre que haya un aumento del número de moléculas, o bien cuando una sustancia sólida se convierta en productos líquidos o gaseosos con mayor libertad de movimiento molecular, hay un incremento de entropía (Fig. 7-5). J "~:).-,11111 ~ i ;, ,!:!'! ~ _¡ a_ g e ~/ / agua (líquida) vapor de agua (gas) (desorden) o a r n i e m d n f o e r o n Figura 7-4. Conexión entre la producción de orden en un sistema biológico y liberación de calor al entorno. El universo (sistema más entorno) tiende al desorden. 02• Ley de la termodinámica: el universo tiende siempre a aumentar el desorden. En todos los procesos naturales, la entropía del universo (sistema + entorno) aumenta. O la principal diferencia entre la materia viva y la inerte, es que los seres vivos son capaces de generar y mantener orden en un universo que tiende a aumentar el desorden. . ~- 6.5 >o LJ.J Vi hielo (sólido) (orden) Figura 7-5. Proceso de fusión del hielo por un aumento de la temperatura. Incremento de entropía o desorden debido al aumento de moléculas en estado gaseoso, con mucho mayor grado de libertad. 120 SECCIÓN 11 • .LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES La energía libre de Gibbs indica si una reacción es favorable energéticamente energía libre es la energía necesaria para producir trabajo a T y P constantes, y determina la espontaneidad de una reacción. O la variación de la energía libre de un sistema es una expresión de la variación del calor y del grado de libertad de un sistema con su entorno. La segunda ley de la termodinámica permite predecir si una reacción es espontánea cuando aumenta la entropía del universo (el sistema más el entorno). Sin embargo es difícil medir la entropía del entorno, por eso es útil introducir otro término, la energía libre de Gibbs ( G) , definida como IJ.G = -IJ.S universo, y que se ocupa solo de las variaciones del sistema, sin necesidad de medir el entorno. La energía libre de Gibbs permite predecir la dirección de las reacciones químicas, su posición exacta en el equilibrio y la cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo, a temperatura y presión constantes. Es una expresión muy útil, y sencilla de medir experimentalmente, puesto que se determina mediante la medida de las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio. La relación entre la energía química y el desorden puede explicarse a partir de la siguiente ecuación, que relaciona la energía libre con la entalpía y la entropía del sistema a temperatura ( T) y presión (P) constantes, mediante: t:.G=t:.H- Tt:.S Lo importante es que si se conocen estos valores se podrá saber si lo-s reactivos se van a transformar espontáneamente en productos. Ambos términos son fundamentales para conocer si una reacción transcurrirá de forma espontánea en un sentido o en el opuesto. En todos los procesos espontáneos la energía libre del sistema disminuye, es decir, el valor final de G es menor que el inicial y, por tanto, t:.G es negativa, y se dice que la reacción es exergónica. Cuando la variación de la energía libre es positiva, entonces la reacción será endergónica, y no podrá ocurrir espontáneamente. La disminución de la energía libre (t:.G < O) podrá ser debida a una disminución del contenido energético de la entalpía (t:.H < O) , a un aumento del desorden (t:.S > O) o a ambos términos. El resultado final de ese balance entre energía y desorden es entonces el responsable de la espontaneidad de la reacción. • Una reacción exotérmica (t:.H < O) que incremente la entropía (t:.S >O) ocurre espontáneamente. • Una reacción endo~érmica ocurrirá espontáneamente (t:.G < O) si el valor de T · t:.S es mayor que t:.H, aun cuando el proceso sea endotérmico (t:.H > O). El curso de la reacción viene determinado por la energía libre almacenada en sus moléculas y por la concentración de ellas. Por lo tanto existe una forma de expresar y calcular la energía libre de un sistema en términos de la concentración de sus moléculas o valor energético de las mismas. Es importante resaltar que hay que distinguir entre dos cantidades diferentes, la variación de la energía libre, t:.G, y la variación de la energía libre estándar, t:.G 0 • Según la expresión de t:.G real de una reacción: o RTl [Productos] !1 G =11 G + n----[Reactivos] Se observa que esta igualdad depende de dos sumandos; uno representado por la variación de la energía libre estándar (t:.G 0) , que es una cantidad constante para una reacción determinada, y otro sumando que viene determinado por la relación de las concentraciones de productos y reactivos cuando va a iniciarse la reacción. ¿Qué expresa la variación de la energía libre estándar o I1G 0 ? Para una reacción como la siguiente: A+B C+D el valor de la energía libre muestra en qué sentido va a transcurrir la reacción y en qué punto va a alcanzar el equilibrio. Para poder estudiarlo se fijan unas condiciones experimentales (condiciones estándar) a una temperatura determinada: CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA 121 P= 1 atm [Productos] = [Reactivos] = 1 M, al inicio de la reacción pH = 7, solo se fija en reacciones bioquímicas D.G representa las condiciones estándar del sistema, mientras que D.G 0 ' repre0 senta las condiciones estándar transformadas en los estudios bioquímicos, donde se debe fijar también el pH fisiológico (pH = 7), en este caso muy alejado de la [H+] =1M. Si se parte de estas condiciones equimolares de reactivos (A y B) y de productos (C y D), y se espera a que la reacción alcance el equilibrio, se llega al p unto en que la relación de reactivos y productos ya no varía; es decir, se llegará a un valor constante, la constante de equilibrio (K;q). Que los reactivos se conviertan en productos o viceversa (que la reacción ocurra hacia la derecha o hacia la izquierda) en condiciones estándar, donde se ha partido de las mismas concentraciones, solo dependerá del potencial químico o valor energético de las m oléculas. · Por lo tanto, este valor será constante para una determinada reacción. Como se desprende de la expresión, , D. G = D. G 0 + RTl [Productos] [Reactivos] n ----- si se permite que el sistema alcance el equilibrio, es decir, que no haya variación de energía libre, D.G =O, O= c !La constante de equilibrio (K~q) se expresa como la relación entre las concentraciones molares (mol/l) de reactivos y productos. Su valor en una reacción química depende de la temperatura, por lo que ésta siempre debe especificarse. D.Go' + RTln [Productosl eq [Reactivos] eq ya que en el equilibrio entonces, K' = [Productosleq eq D.G 0 ' [Reactivosleq = -RT ln K;q Según esto la energía libre estándar está relacionada con el valor de la constante de equilibrio de la reacción. Medir experimentalmente las concentraciones de reactivos y productos de un sistema que ha alcanzado el equilibrio es bastante sencillo, teniendo en cuenta que se conocen las concentraciones de partida (1M) y se fijan las condiciones estándar del sistema. Al medir las concentraciones en el equilibrio, se podrá determinar experimentalmente la del sistema y calcular, mediante la fórmula descrita, la variación de la energía libre estándar (Recuadro 7-3). Se dispone de tablas con los valores constantes de K;q y D.G 0 ', de la gran mayoría de las reacciones metabólicas que se dan en la célula (Tabla 7-1). Si se conoce el valor de D.G 0 ' se puede saber si una reacción tiene tendencia a producirse espontáneamente, aunque solo si se conocen las concentraciones reales en la célula, o en un determinado experimento, se podrá determinar si se producirá o no de forma espontanea. K; !l.G 0 ' c !si la conversión de reactivos en productos no produce ningún cambio de energía libre, D.G =O, entonces el sistema está en equilibrio. = -RT·ln K'eq Cuando la K;q = 1, como ln 1 =O entonces D.G 0 Cuando la K;q < 1, como ln < 1 <O entonces D.G 0 ' ' = -RT· O= O (equilibrio) = -RT· (-) = (+) (no favorable) Cuando la K;q > 1 c !La variación de la energía libre estándar de una reacción es una forma matemática alternativa de expresar la constante de equilibrio. como ln > 1 >O entonces D.G 0 ' = -RT· (+) = (-) (favorable) Las concentraciones reales influyen en la espontaneidad de una reacción Ya se ha visto que en condiciones experimentales se puede conocer cómo el valor energético de los reactivos y los productos determina si la reacción va a transcurrir espontáneamente hacia la formación de productos. Sin embargo, las condiciones estándar no existen en la célula. Además, algunas reacciones con -4,0 /J.G 0 ' define la diferencia entre el '-'contenido energético de los reactivos y los productos en condiciones estándar. 122 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Recuadro 7-3. Constante de equilibrio y energía libre estándar Determinación de forma experimental de la constante de equilibrio y la /1G 0': 00 00 Glucosa-6-P 1M + ' J ( ~ 000 . . 00 ··' 00 000 '' 00 00 Fructosa-6-P 1M 00 o 2. Se permite que la reacción alcance el equilibrio. 00 Equilibrio o [0 ] 0,67 M K =-=--=05 ep [0] 1,33 M ' 1 l. Se mezclan concentraciones 1 M de todos los reactivos y productos en condiciones estándar. f'o.G 0' = -RT ln K,q = -1,718 kj ·mol_, 3. Se miden las concentraciones en el equilibrio de productos y reactivos. 4. Se ca le u la la K,q· 1 5. Cálculo de f'o.G 0' dará un valor > O. 0 valores de !:!.G positivos (no espontáneas) sí llegan a ocurrir en la naturaleza, ya que se dan en condiciones diferentes a las estándar. En la célula, la temperatura y la presión son constantes; sin embargo, las concentraciones de los reactivos y los productos van a variar constantemente, y nunca serán del orden de 1 M . Si se vuelve a revisar la expresión, I:!.G = I:!.Go' + RTln [Productos] [Reactivos] Tabla 7-1 . Relación entre la constante de equilibrio y la energía libre estándar de determinadas reacciones químicas (pH 7 y 25 "C) Ejemplo K~q !1G 0' (kj/mol) 10 3 -17,1 10 2 -11,4 10 1 0,0 1o-, 5,7 10-2 11,4 1o- 3 ADP + P; 2 ·10 Glc 6P ~ Glc + P; 270 ATP ~ 17,1 5 -30,5 -13,8 Se puede consultar el valor de I:!.G 0' para una reacción dada (ya que es un valor constante y se dispone de registros) y, en consecuencia, se puede predecir si la reacción va a ocurrir espontáneamente siempre que se conozcan las concentraciones de los reactivos y los productos en el momento en que va a transcurrir dicha reacción. A continuación se va a analizar el cambio de energía libre que tiene lugar en dos tipos de procesos diferentes que ocurren en la célula; un transporte de una sustancia a través de una membrana y una reacción química. Si se observa el transporte de una sustancia (Fig. 7 -6) a través de una membrana desde el exterior de una célula al interior en condiciones estándar (concentraciones 1 M), como las condiciones de partida de la molécula a ambos lados de la membrana son idénticas, se puede entender fácilmente que no se va a producir cambio, es decir el!:!.G =O. En este caso, al ser la misma sustancia, el contenido energético de la molécula fuera o dentro de la célula será el mismo, por lo tanto no hay cambio o variación de energía. Sin embargo, si se modifican las condiciones estándar, por ejemplo que la concentración de la sustancia en el exterior de la célula sea superior a la interior, la molécula entrará hasta alcanzar un equilibrio en que ambas concentraciones, fuera y dentro, sean iguales. La fuerza impulsora es la diferencia entre la concentración inicial y final (Fig. 7 -6). CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA 123 (a) Inicio del proceso condiciones de partida estándar 8 G = 8G 0 + 1RT ln 1 1 ~ Fin del proceso equilibrio En el equilibrio ~ K,q 8G = O --1 8G =1 = - RT ln K,q = O 0 Cuando se alcanza el equilibrio 8G = 8G 0 + RT ln 8G [~lint = 8G0 + RT ln 1 = 8G0 + O 18G 8G =O ¡a ¡.,, 8G 0 = -RT ln K,q = -RT ln 1 = O I 8G = 8G 0 1 La concentración de la molécula en el exterior es igual a la del interior 1 =o 1 No ha habido cambio 1 (b) Inicio = Mayor concentración fuera de la célula 8G = 8G 0 + RT ln [~lnt Fin del proceso ~ Equilibrio 18G = O1 - - 1 8G 0 = -RT ln K,q = O [~] .,, 8G = O + RT ln < 1 ~ e Se produce la entrada de moléculas --""1-~ El proceso transcurre espontáneamente al interior de la célula hasta que se alcanza el equilibrio Cuando se analiza el transporte de moléculas a través de una membrana, solo se producirá cambio en el sistema si hay un gradiente de concentración; es decir, la dirección de la molécula dependerá de la concentración a ambos lados de la membrana, ya 9ue el potencial o contenido químico es el mismo al ser la misma molécula (t.G 0 =O). Como se verá en el capítulo 9, en moléculas con carga eléctrica, la diferencia de carga y la diferencia de concentración contribuirán a m over la sustancia en un sentido u otro. Sin embargo, si se analiza una reacción química como la vista en el recuadro 7-3, se puede observar que en condiciones estándar se requiere un aporte de 1,718 kJ/mol pára que la glucosa-6-fosfato se convierta espontáneamente en fructosa-6-fosfato. Al haber una transformación de una molécula en otra, sus valores energéticos sí son diferentes. Si la reacción transcurre de forma que la concentración de reactivos sea mayor que la de productos, entonces el cociente [Productos]/[Reactivos] será menor que 1, y el logaritmo neperiano de este valor dará un valor negativo . Por lo Figura 7-6. Proceso de entrada de una sustancia a través de una membrana. Se analiza la variación de energía libre para la entrada de la sustancia en la célula en dos situaciones diferentes: (a) La concentración de la sustancia es igual a ambos lados de la membrana, y (b) La concentración de la sustancia es mayor fuera que dentro de la célula. O En un transporte de una molécula, donde no hay cambio de t.G 0', solo se puede dar el proceso espon{~neamente si hay una fuerza impul'sora dependiente de la diferente concentración de las moléculas a ambos lados de la membrana. c:f 0 Un valor positivo de un t.G ' puede ser contrarrestado por un valor negativo, debido a la relación real de las concentraciones de productos y reactivos. ----- 124 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES tanto, si se consigue que las-concentraciones reales resten o frenen lo suficiente el valor positivo de la t.G 0', es decir, de las concentraciones estándar, se podrá conseguir que la reacción, en estas condiciones, transcurra espontáneamente (t.G negativo) (Fig. 7-7). Reacciones acopladas y ciclo del ATP Cuando una reacción tiene un valor positivo de energía libre estándar, se puede contrarrestar si se aumenta la concentración de los reactivos. Sin embargo, en la célula eX:iste una limitación en el aumento de las concentraciones de los reactivos. Una'solución es hacer desaparecer el producto, de manera que la concentración de reactivo sea mayor que la de producto y, por lo tanto, el cociente será menor que J (y su logaritmo neperiano negativo). La célula ha diseñado un sistema de reacciones encadenadas o secuenciales, de manera que una reacción que tenga un incremento de energía libre estándar positivo se pueda dar, si el producto es arrastrado a convertirse muy espontáneamente en otro compuesto. En el siguiente ejemplo, la secuencia de reacciones: A-'1B-'1C 0 el valor t.G ' de la primera reacción t.GÁ--. 8 es +5 kJ/mol, y el de la -segunda 0 t.G~'--.c es -10 kJ/mol. En este caso la suma de las dos t.G ' da un resultado final negativo (-5 kJ/mol), por lo que la reacción A para dar C se dará espontáneamente. Este tipo de reacciones se denominan reacciones secuenciales. Se puede observar que los valores de t.G 0' para reacciones que están acopladas son también aditivos. El intermediario común en la mayoría de las reacciones no espontáneas que se dan en la célula va a venir determinado por el acoplamiento de esta reacción a la hidrólisis del ATP. Esto es debido a que la reacción 2 de transferencia de un grupo fosforilo (- P03 ) del ATP es termodinámicamente muy favorable en la dirección de hidrólisis del ATP. El ATP va a ser, por lo tanto, la moneda de intercambio energético entre reacciones favorables y desfavorables. Cuando una reacción no es favorable energéticamente se puede acoplar a otra muy favorable, como es la hidrólisis del ATP, haciendo que la suma de ambas libere energía (Recuadro 7-4). Si, por el contrario, se da una reacción muy favorable, y se acopla a otra reacción desfavorable (como la síntesis de (a) En condiciones estándar la Glc-6-P no se convierte en Frc-6-P ya que 1:1G0 =+.y en equilibrio: Glc-6-P p Frc-6-P Keq = 0,5 (b) Se varía la concentración de partida / 11 [Glc-6-P] > [Frc-6-P] (e) ¿Hacia dónde se desplaza la reacción? 1:1G = 1:1G0 + RT ln ------- ~ Glc-6-P Figura 7-7. Predicción del sentido de una reacción química según La concentración real de los reactivos y productos. Se muestra el· ejefDplo de la reacción de conversión de glucosa-6-P (Glc-6-P) en fructosa6-P (Frc-6-P). (d) [Productos] Q= [Reactivos] e [Productos] [Reactivos] ---- o o Frc-6-P <1 o oo equilibrio La reacción ocurre de forma espontánea hasta alcanzar el equilibrio, si Q < 1 y ln < 1. por lo tanto es negativo y tiene un valor superior a 1:1G 0, por lo que . . ... 1:1G = 1:1G0 + RTln Q ~ CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA 125 Recuadro 7-4. Acoplamiento de reacciones 1 Las reacciones exergónicas de los compuestos de .. alta energía" pueden acoplarse a los procesos endergónicos para conseguir que estos últimos puedan llevarse a cabo. La explicación termodinámica para el acoplamiento de un proceso exergónico y otro endergónico se basa en la propiedad aditiva de la energía libre. Considerando la siguiente vía de reacción de dos pasos: (1) A+B ~ C+D (2) D+E ~ F+G Si ~ G, ~O, la reacción 1 no se producirá de forma espontánea. Sin embargo, si ~G, es lo suficientemente exergónico de modo que ~G, + ~G, <O, la reacción 1 podría realizarse gracias al acoplamiento de ambas. De esa forma, la vía global: (1 +2) donde ~G, A+B+E = ~G, + llG, <O. Por lo tanto, ~ C+F+G la reacción global es exergónica. Como ejemplo para ilustrar este concepto, puede considerarse el paso inicial en el metabolismo de la glucosa, que consiste en su conversión a glucosa-6-fosfato. La reacción directa es termodinámicamente desfavorable. No obstante, en las células esta reacción está acoplada a la ruptura exergónica del ATP, por lo tanto la reacción global resulta termodinámicamente favorable: Glucosa+ P; ------> Glucosa-6-P ~G 0 ' = + 13,8 kj/mol ATP ADP + P; ~G ' Glucosa-6-P + ADP ~G ' =- 16,5 kj/mol Glucosa+ ATP ------1 0 30,5 kj/mol 0 ATP), la energía liberada se podrá aprovechar para este fin, y no se desperdiciará solo en forma de calor (energía "inútil") . El ATP es la molécula que utiliza la célula para transferir energía. Esto es debido a la capacidad de transferir su grupo fosforilo y a la gran cantidad de energía que se libera al hidrolizarse (romperse) el enlace fosfoanhídrido. Esta energía es liberada gracias a que el ATP tiene una gran repulsión de carga en su molécula, haciendo que sea muy inestable, por lo que se tenderá a liberar esta tensión. Por otra parte, una molécula con enlaces fosfoanhídrido tiene menor resonancia que sus productos de hidrólisis. La forma estable resonante (por ejemplo, del P;) refleja el grado de deslocalización de los electrones en la molécula, y la gran variedad de formas que puede adoptar esta molécula, teniendo además un alto grado de libertad o entropía, lo que hace este estado más favorable (Fig. 7-8). En la célula, además, la forma resonante del fosfato se acompleja con cationes, lo que provoca aún más un alto grado de estabilización de las cargas. o o o 11 ('. 11 11 ~ -o-P-O-P-O-P-0 Adenina H - 9·._/"o1- 1 1 o- H o- l ATP4 - Hidrólisis. Se libera la repulsión por cargas o -o-P- OH + 1 1 o o- o- P; o 11 11 ~ HO-P-O-P-0 Adenina 11 1 o- ADP 2 - ~· estabilización por resonanc1a 1 j ,0 8-, 1 '-- ] '- 8- o-P-0 8- H+ [ --, 1 ,.- 'o' 8- o o 1111 ~ W + -o - P-O-P-0 Adenina . 1 o- 1 O~ ATP 4- + H,O ------1 ADP 3- + p~- + W ~G' 0 = -30,5 kj/mol ADP'- Figura 7-8. Proceso de hidrólisis del ATP. La hidrólisis del enlace fosfoanhídrido libera la repulsión de las cargas negativas. La molécula de fósforo inorgánico libre es estabilizada por la resonancia de los electrones. 126 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CElULARES ·a METABOLISMO Y BIOENERGÉTICA Las dos grandes vías del metabolismo celular, catabolismo y anabolismo, están necesariamente conectadas a través de moléculas con funciones muy definidas. Por un lado las vías se conectarán a través de moléculas transportadoras de energía (ciclo del ATP); pero, además, existe una clara conexión con moléculas encargadas de la transferencia de electrones. En las dos vías metabólicas se producen reacciones de oxidación-reducción: en la vías catabólicas, donde se realizan reacciones de oxidación, los electrones se irán cediendo a moléculas oxidadas que, a su vez, se irán reduciendo; y en las vías anabólicas, las moléculas irán captando los electrones de estas moléculas reducidas. Las moléculas transportadoras almacenan la energía en una forma que sea fácil de intercambiar. Pueden hacerlo a través de un grupo químico fácil de transferir, corno el grupo fosforilo; o a través de electrones, con gran actividad energética. La ventaja de estas moléculas transportadoras es que difunden rápidamente por la célula, de manera que pueden transportar la energía contenida en sus enlaces desde el lugar en que se han originado al lugar en el que se va a requerir su acción. La principal molécula transportadora de energía es el ATP, y las moléculas transportadoras de electrones serán nucleótidos corno el NADH y el NADHP. Estas moléculas se conocen corno coenzirnas (véanse capítulos 6 y 8). Existen muchas coenzirnas encargadas de transportar grupos funcionales corno el acetilo, el metilo, etc. ·' Moléculas transportadoras de energía c:fEl proceso global del catabolismo libera energía: es espontáneo energéticamente. El proceso global de anabolismo necesita un suministro de energía. Las moléculas transportadoras de energía conectan ambas vías. / El reciclaje del ATP es el punto central del metabolismo: los procesos catabólicos liberan la energía potencial de los alimentos y la capturan en el intermediario reactivo, el ATP; los procesos anabólicos utilizan la energía almacenada en el ATP para realizar un trabajo. Las reacciones que tienen lugar en las vías catabólicas irán transfiriendo la energía contenida en sus enlaces hacia una forma química utilizable. Así, mediante reacciones acopladas, si una molécula corno la glucosa se oxida en la vía catabólica, la energía liberada en este proceso espontáneo se acoplará a una reacción energéticarnente desfavorable. La energía de las vías favorables se utiliza para impulsar reacciones desfavorables, mediante moléculas que transportan y almacenan esta energía. ¿Cómo son capaces de almacenar las moléculas transportadoras (ATP) la energía desprendida de la combustión de los nutrientes? Si se observa de nuevo la reacción de hidrólisis del ATP (véase Fig. 7-8), ATP ADP + P; 0 el valor de t:..G ' de la hidrólisis es de -30,5 kJ/rnol, que corresponde a una reacción muy favorable. En la reacción opuesta de la síntesis de ATP, la célula necesita mucha energía para poder llevar a cabo esta reacción. Todas las vías catabólicas irán almacenando la energía para transferirla a la vía de síntesis de ATP, y así tener siempre energía para el momento que se requiera. La energía almacenada en el ATP podrá ser utilizada para multitud de reacciones. Una reacción muy común en la célula es la biosíntesis de moléculas mediante enlaces de condensación, A-H + B-OH A-B + H 2 0 Esta reacción es desfavorable energéticarnente, y mediante el acoplamiento de una reacción altamente favorable, corno la hidrólisis del ATP, la energía contenida en el enlace fosfoanhídrido se transfiere a la molécula B que va a transformarse en B unida al grupo fosforilo . Este compuesto intermediario, es ahora altamente energético, y al reaccionar con A-H impulsa la siguiente reacción. Este mecanismo de acoplamiento de una reacción energéticarnente desfavorable de biosíntesis de moléculas a la hidrólisis de ATP se verá en más detalle en los capítulos de la sección III (Fig. 7-9). CAPÍTUL0,-7. BIOENERGÉTICA G - H + Ho - G ! Figura 7-9. Reacciones acopladas. (a) A diferencia de la hidrólisis, las reacciones de condensación, tan habituales en la célula, son energéticamente desfavorables. (b) Es necesaria la activación de uno de los reactivos (molécula B, en este ejemplo) mediante la transferencia de un fosfato liberado de la 1 hidrólisis del ATP, para que pueda darse espontáneamente. (e) Se muestra la suma de las dos reacciones acopladas. H,O H20 (a) )o · -· \ • G - H + Ho - G CONDENSACIÓN HIDRÓLISIS energéticamente desfavorable energética mente 127 favo rab le (b) H-· condensación ·-· O -oH B-OH + ATP ---t B-O-P0) 2 + ADP (e) A-H + B-O-P0)2 ---t A-B + P1 B-OH + ATP +A-H + B-0-PO/ ---t B-0-PO/ + ADP + A-B + P, Resultado neto: B-OH +A-H+ ATP ---t A-B + ADP + P1 O, como se expresa comúnmente: B- OH + A-H -7""""7""~"\;:----t) A- B ADP + P1 ATP Moléculas transportadoras de electrones En una ruta catabólica se produce la oxidación de una molécula, como puede ser el caso de la glucosa, que transfiere sus electrones a una molécula final aceptora de electrones, como el oxígeno. Sin embargo, este paso no es directo, si no que hasta alcanzar el destino final, los electrones contenidos en los enlaces de la glucosa irán pasando de una molécula a otra, de forma que los carbonos de la glucosa perderán todos los electrones posibles hasta llegar a su estado de oxidación final (C0 2) . En el proceso estos electrones serán captados por moléculas oxidadas que se irán, a su vez, reduciendo. Muchas de las reacciones de oxidación en las vías catabólicas se darán gracias a las coenzimas o moléculas transportado ras de electrones que serán capaces de aceptar electrones de las moléculas que se oxidan en las vías catabólicas (Fig. 7-10). (b) o-/ \NH 2 eoenzimal ( oxidada J eoen~ima1_ @ ( reducida J _¿_H~C-H 1 @ -e-H 1 reducido 11 e-H oxidado w ~ )o ero /j 1 •• 1 N N (Nlo•) (N)DH) oxidado e \NH 2 ~· UNIVERSIDAD CES . Un Compromiso con la Excelencia BliLlOTECA FUNCACC\RES reducido Figura 7-10. Procesos de oxidación-reducción mediante el transporte de electrones facilitado por coenzimas. (a) Esquema de paso de electrones de moléculas reducidas a oxidadas. (b) La coenzima NAD+ se reduce al aceptar el anillo de nicotinamida un ión hidruro W. 128 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES El proceso global del catabolismo es un proceso de oxidación. El proceso global de anabolismo es un proceso de reducción. Las moléculas transportadoras de electrones conectan ambas vías. Los principales transportadores de electrones son el NAD+ y el NADP+. Ambos tienen la misma función: actúar de intercambiador de electrones en un sistema de oxidación-reducción. El anillo de nicotinamida de la molécula oxidada puede aceptar dos electrones y un protón (el equivalente a un ión hidruro H-) pasando a la forma reducida NADH y liberando un H+ al medio (véase capítulo 6, Fig. 6-17). El NAD+ y el NADP+ realizan el mismo proceso de oxidaciónreducción, sin embargo tienen bien diferenciadas sus funciones como coenzimas: el NAD+ ayuda a catalizar las reacciones implicadas en el catabolismo, aceptando los electrones de las moléculas que se oxidan, mientras que el NADPH actúa en las reacciones anabólicas donando los electrones ricos en energía necesarios para las moléculas que se van a sintetizar. En la célula la relación de NAD+fNADH es muy alta y, por el contrario, la de NADP+/NADPH es baja; de esta forma está garantizada la disponibilidad de NAD+ para las vías catabólicas y la de NADPH cuando lo requieran las vías anabólicas. Otras coenzimas que también desempeñan un importante papel en el metabolismo celular son el FAD (dinucleótido de flavina y adenina) y el FMN (mononucleótido de flavina). La flavina es capaz de reducirse de manéra reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrógeno (cada átomo consiste en un electrón más un protón) desde un sustrato reducido (véase capítulo 6, Fig. 6-18) . Transportador de grupo acetilo O las moléculas transportadoras juegan un papel central en las reacciones acopladas; transfiriendo grupos fosfatos ricos en energía (ATP), electrones también ricos en energía (NADH y NADPH) y grupos acetilo (acetil CoA). Existen otras muchas coenzimas especializadas en transferir fácilmente grupos funcionales de un sustrato a otro. Multitud de enzimas utilizan la colaboración de estas coenzinias para catalizar sus reacciones específicas. Estas coenzimas necesitan activarse para captar el grupo funcional unido en un enlace rico en energía, de forma que cuando lo libere, se produzca esta cesión de forma favorable. La coenzima A (CoA) es un transportador primordial para transferir grupos acetilo (HC 3 COO- R) (Fig. 7-11) . En el capítulo 15, dedicado al metabolismo de los lípidos, se volverá a resaltar su función . Es importante tener en cuenta que la hidrólisis de ATP es necesaria para activar estos transportadores, ya que la unión del grupo acetilo a la CoA se realiza mediante enlace tioéster (enlace rico en energía) y esta unión solo es posible gracias a la hidrólisis del ATP. Por lo tanto, en ultima instancia, estas moléculas transportadoras de grupos requieren la energía del enlace fosfoanhídrido para ser activadas y poder así transferir un grupo posteriormente, en una reacción favorable, a otra molécula. nucleótido H H O H H O H CH 3 H O O H3C"'1 1 11 1 1 11 1 11 1 11 11 # C- S-C-C-N-C-C-C-N-C-C--C--C-O-P-O-P-0-CH of' -¡ 1 1 1 1 1 1 / H H enlace rico en energía 1 H H H H OH 1 1 CH 3 H 1 o- 1 o- ' RIBOSA o 1 -o-P=O 1 0- Figura 7-11 . Molécula de acetil CoA, transportadora de grupos acetilos. ~~----------------------------~----------------~----------_J grupo acetil acetil coenzima A (CoA) CAPÍTULO 7. BIOENERGÉTICA 129 CONCEPTOS CLAVE El estudio termodinámico de un sistema biológico permite determinar si un proceso va a ocurrir de forma espontánea en la célula. o o 0 Un sistema biológico debe cumplir las leyes de la Termodinámica El Primer Principio de la Termodinámica o Principio de Conservación de la Energía dice: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. o La Segunda Ley de la Termodinámica dice: el universo tiende siempre a alcanzar un mayor grado de libertad. En todos los procesos naturales la entropía del universo (sistema + entor11o) aumenta. o Una reacción exotérmica desprende calor del sistema al entorno, mientras que una reacción endotérmica absorbe calor del entorno. o La principal diferencia entre la materia viva y la inerte, 'es que los seres vivos son capaces de generar y mantener orden en un universo que tiende a aumentar el desorden. o La energía libre es la energía necesaria para producir trabajo, a T y P constantes y determina la espontaneidad de una reacción. o La variación de la energía libre estándar de una reacción es una forma matemática alternativa de expresar la constante de equilibrio. o o 1'1G0' define la diferencia entre el contenido energético de los reactivos y los productos en condiciones estándar. o Las moléculas transportadoras juegan un papel central en las reacciones acopladas; transfiriendo grupos fosfatos ricos en energía (ATP), electrones también ricos en energía (NADH y NADPH) y grupos acetilo (acetil CoA) . o El proceso global del catabolismo libera energía (es espontaneo); el proceso global de anabolismo necesita un suministro de energía. Las moléculas transportadoras de energía conectan ambas vías. o El proceso global del catabolismo es un proceso de oxidación; el proceso global de anabolismo es un proceso de reducción. Las moléculas transportadoras de electrones conectan ambas vías. Un valor positivo de un 1'1G0' puede ser contrarrestado por un valor negativo, debido a la relación real de las concentraciones de productos y reactivos. EJE RCICIOS a) Calcule el cambio de energía libre estándar de la conversión de glucosa-6-P en fructosa-6-P, sabiendo que en el equilibrio la [Glc-6-P] = 1,33 M y la [Frc-6-P] = 0,67 M. b) Indique si la reacción ocurrirá espontáneamente. e) ¿Ocurriría la reacción en el mismo sentido si en lugar de condiciones estándar la reacción comienza con las siguientes concentraciones de partida [Glc-6-P] = 1,6 M y la [Frc-6-P] = 0,6 M? SOLUCIÓN ó.G 0 a) A pa rtir de la expresión: 1 Don de: R: es la constante de los gases: 8,3145 J · K- • molT: temperatura absoluta: 273° + 25 = 298 K K,q: la constante de equilibrio = -RT ln K,q 1 oc 0,67 M 1,33 M K =--=05 eq ' ln 0,5 = -0,69 ó.G 0 = - RT ln K,q = -(8,3145 · 10- 3 kj • K- 1 • mol- 1) (298 K) ln 0,5 = 1,718 kj ·mol-' b) En estas condiciones, la reacción de producción de fructosa-6-P no ocurrirá espontáneamente ya que el incremento de energía estándar es mayor que cero. 130 SECCIÓN 11. LA ENERG ÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES [Frc-6-P] _ t.G,., 1 - t.G 0 + RT ln [ e) Glc-6-P] 0,6 M t.G,., 1 = 1,718 kJ ·mol- 1 + RT ln - 1,6 M t.G,., 1 = 1,718 kJ • mol_,+ (8,3145 • 1o- kJ • K_, · mol-1) (298 K) ln 0,33 3 ln 0,33 = -1 ,108 t.G,., 1 = 1,718 kj • mol_, + (8,3145 • 10-3 kj • K-1 • mol- 1) (298 K) (-1 ,108) = 1,718 kj · mol_,+ (-2,745 kj • mol-1) = -1 ,027 kj • mol_, La reacción ahora podrá transcurrir espontáneamente para dar fructosa 6-P hasta que alcance el equilibrio. &JI La siguiente reacción es catalizada por la enzima alcohol deshi- drogenasa. ción alcance el equilibrio, ¿habrá mayor concentración de reactivos, de productos, o será la misma? CH 3 CHpH + NAD+ ~ CH 3COH + NADH + W Considerando que la reacción procede de izquierda a derecha indique: • ¿Cuál es el agente oxidante? • ¿Cuál es el agente reductor? &JI Si la reacción de la formación de la sacarosa a partir de la glucosa y fructosa tiene un L'.G 0 de +5,5 kcal/mo l, cuando la reac- 0 11111 Considerar la reacción D +E ~ F + W con una K.q = 1. Si se cambia el pH de la disolución a un pH de 13, ¿esto haría que el proceso fuese más exergónico, más endergónico o no se vería afectado? lfD Si un proceso se realiza a O°C y sin variac ión de entalpía, ¿en qué condiciones el proceso sería exergónico? PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 11111 Si una reacción química tiene un valor de L'.G 0 ' = -15 kj/mol, indicará: a) Que la K.q es menor que 1. b) Que la reacción se podrá dar espontáneamente. e) Que la K.q es mayor que 1. d) by e son ciertas. &JI Si en una reacción química se realiza sin variación de entropía: a) b) e) d) t.G =!'.H. t.G = t.S. t.G =O. t.G =T • t.S. &JI Cuando una reacción química alcanza el equilibrio: La ve locidad de formación de reactivos es igual a la de formación de productos. b) La concentración de productos y reactivos es siempre la misma. e) La reacción ocurre muy deprisa. d) El valor de t.G es mayor que cero. a) 11111 El incremento de la temperatura de una reacción: a) b) e) d) Hace más negativo el valor de la t.G. Hace que la energía de las moléculas aumente. Facilita la colisión entre las moléculas. Todas las opciones son correctas. lfD Una reacción exergónica: a) b) e) d) Es siempre espontánea. Se hace a una gran velocidad. Es siempre exotérmica. Todas son correctas. 111!11 Considere que la reacción A+ B pe tiene un t.G 0 ' = +30 kj/mol, señale la opción correcta para que la reacción ocurra en el sentido de dar producto C: a) La reacción puede ocurrir espontáneamente. b) La reacción se debería acoplar a una reacción con un valor de L'.G 0' = -15 kj/mol. e) La reacción podría ocurrir espontáneamente si se acopla a la hidrólisis del ATP. d) La reacción nunca ocurrirá espontáneamente. &JI La variación de la energía libre estándar de una reacción: a) Es una forma matemática alternativa de expresar la constante de equilibrio. b) Es una función de estado. e) Expresa lo alejado del equilibrio que se encuentra una reacción en condiciones estándar. d) Todas son correctas. IEIJI Un valor positivo de un L'.G 0 ' puede ser contrarrestado y conseguir que la reacción sea espontánea, si en las condiciones de inicio de la reacción: a) La concentración de los productos es superior que la de los reactivos. b) La concentración de los reactivos es superior que la de los productos. e) Las concentraciones de productos y reactivos son iguales. d) Las concentraciones no afecta a la variación de energía libre. &JI Respecto al metabolismo: a) El catabolismo es en general un proceso endergónico. b) El proceso global de anabolismo es un proceso de reducción. e) Las moléculas transportadoras de electrones son independientes de ambas vías. d) La síntesis de ATP se acopla a las reacciones anabólicas. lf.II!I Las moléculas transportadoras de electrones: a) Son moléculas capaces de oxidarse y reducirse. b) Son coenzimas de naturaleza nucleotídica. e) Intercambian electrones en reacciones de oxl dación-reducción. d) Todas son ciertas. ENZIMAS Y CAl!ÁLISIS o CONTENIDOS o o o Introducción Las enzimas como catalizadores biológicos o Mecanismo de acción ·de las enzimas o o Cinética enzimática OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer la función de las enzimas y comprender su mecanismo de acción. o o Comprender el significado de los principales parámetros cinéticos. Interpretar los datos obtenidos en estudios de cinética de un solo sustrato. o Diferenciar los diferentes tipos de inhibición reversible mediante la interpretación de los parámetros cinéticos. o Diferenciar los principales mecanismos de regulación enzimática. Regulación enzimática r Una vez comprendidos los principios que rigen la espontaneidad de las reacciones biológicas es necesario establecer otro aspecto que va a condicionar su eficacia: la velocidad a la que se producen en la célula. En este capítulo se describe el mecanismo mediante el cual las enzimas aceleran las reacciones insistiendo en su relación con la estructura proteica descrita en el capítulo 5 y con los fundamentos energéticos analizados en el capítulo 7. A continuación se realiza un análisis~de los datos experimentales que se obtienen en las cinéticas de· un solo sustrato resaltando cómo su interpretación puede facilitar la comprensión del mecanismo por el que transcurre la reacción catalizada. Por último se exponen los principios que rigeri la regulación de la a.ctividad enzimática necesarios para la coordinación de las numerosas vías que se desarrollan en la célula y que se estudian con detalle en los capítulos del metabolismo celular. 132 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 0 INTRODUCCIÓN En el capítulo anterior se ha descrito cómo los valores de energía libre de los sustratos y productos determinan que una reacción sea favorable mientras que otras requieran energía para poder realizarse. Pero el hecho de que una reacción sea exergónica no implica que se desarrolle a una velocidád eficaz en condiciones fisiológicas (pH, temperatura y entorno iónico). En este capítulo se va a estudiar el papel de las.enzimas, unas moléculas sintetizadas en la célula que aceleran de forma muy selectiva y eficiente las reacciones que se dan en el entorno celular. La mayor parte son proteínas, aunque existe un pequeño grupo de moléculas de RNA con actividad catalítica: las ribozimas. Como se verá a lo largo de este capítulo, el mecanismo de actuación de las enzimas implica la necesidad de mantener su estructura tridimensional y, en aquellas proteínas oligoméricas, su estructura cuaternaria. La principal ventaja de las enzimas frente a los catalizadores inorgánicos es que actúan en condiciones suaves de pH y temperatura, con una gran eficiencia y, además, de forma muy específica. Existen numerosas enfermedades relacionadas con la alteración de la actividad de ciertas enzimas. Por ese motivo, las enzimas tienen un gran interés para las ciencias biomédicas ya que son las principales dianas de un gran número de fármacos. Por ejemplo, la aspirina, tiene efecto antipirético y antiinflamatorio porque inhibe a la prostaglandina H 2 sintasa, una de las enzimas implicadas en la síntesis de prostaglandinas (véase capítulo 3). También- las enzimas que son vitales para la supervivencia de bacterias y virus constituyen el blanco de algunos fármacos contra estos organismos infecciosos, como es el caso de la transcriptasa inversa del virus del SIDA. El capítu¡o empieza analizando el mecanismo por el que las enzimas consiguen acelerar las reacciones desde un punto de vista energético. A continuación se muestra cómo los datos obtenidos de los estudios experimentales de cinética enzimática pueden aportar información para comprender el mecanismo de actuación de las enzimas y los mecanismos de las reacciones químicas que catalizan. Para finalizar el capítulo se exponen los principios mediante los que se re1 gula la actividad de estos catalizadores biológicos. 0 LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES BIOLÓGICOS Clasificación de las enzimas Existe un sistema internacional para la nomenclatura y clasificación de las enzimas creado por la Enzyme Commission (EC) de la IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology) que evita imprecisiones y ambigüedades. Según este sistema, las enzimas pueden clasificarse en varios grupos, ·según el tipo de reacciones que catalicen. Como puede verse en la tabla 8-1, existen seis clases principales, cada una con diferentes subclases. Las reacciones catalizadas por las diferentes clases de enzimas se explican con más detalle en el recuadro 8-1. Tabla 8-1. Clasificación de las enzimas según la reacción catalizada Clase subclase 1. Oxidorreductasas Deshidrogenasas, oxidasas, reductasas, peroxidasas, catalasa, oxigenasas, hidroxilasas 2. Transferasas Transaldolasas y transcetolasas, fosforiltransferasas, quinasas, fosfomutasas 3. Hidro lasas Esterasas, glucosidasas, peptidasas, fosfatasas , tiolasas, fosfolipasas, amidasas, desaminasas, ribonucleasas 4. Lías as Descarboxilasas, aldolasas, hidratasas, deshidratasas, sintasas, liasas S. lsomerasas Racemasas, epimerasas, isomerasas, mutasas 6. Ligasas Sintetasas, carboxilasas - CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS 1~3 ~ Recuadro 8-1. Reacciones catalizadas por las diferentes clases de enzimas 1. Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidación y reducción. Los electrones que resultan eliminados de la sustancia que se oxida son aceptados por el agente que causa la oxidación (agente oxidante), que sufre así un proceso de reducción. El principal agente oxidante es el 0 2 que está implicado en numerosas reacciones de oxidación irreversibles. En los sistemas biológicos, el FAD y NAD+ participan en numerosas reacciones de oxido-reducción. CH OP0 2- I 2 3 C=O 1 2. Transferasas: transfieren un grupo químico de una molécula a otra. Las quinasas, muy impor- OHCH tantes en muchos procesos biológicos, son un tipo especial de transferasas que catalizan la transferencia de un grupo fosfato a otra molécula desde un nucleósido trifosfato. 1 HCOH 1 HCOH 3. Hidro lasas: son un tipo especial de transferasas que transfieren un grupo -OH desde el agua a otro sustrato. Se segregan del anterior grupo de enzimas por su carácter irreversible. El sustrato típico suele ser un enlace éster (incluyendo el fosfodiéster de los áddos nucleicos) o amida. 4. Liasas: generalmente catalizan la escisión reversible de enlaces carbono-carbono como en el caso de las aldolasas (véase figura). En algunos casos, como consecuencia de la ruptura del enlace, se generan nuevos dobles enlaces o anillos. Otras enzimas de esta clase forman y rompen enlaces C- N o liberan C0 2 (descarboxilación). En el caso de formación de enlaces, estas enzimas no requieren energía de nucleósidos trifosfato y se denominan sintasas. Un ejemplo de sintasa es la citrato intasa, que cataliza la primera etapa del ciclo del ácido cítrico: la condensación del acetil CoA con el oxalacetato para dar citrato. S. lsomerasas: catalizan reacciones que suponen un movimiento de un grupo o un doble enlace dentro de la molécula, lo que hace que se obtenga un nuevo isómero (conversión de formas D a L, epimerasas). Si se cambia la posición de un grupo fosfato la enzima se llama mutasa. 1 CH20POi0 -Fructosa 1,6-bifosfato t • eH oPo321 2 C=O 1 CH 20H Dihidroxiacetona fosfato o-Giiceraldehído-3-fosfato 6. Ligasas: catalizan la formación de enlaces carbono-carbono, pero, a diferencia de las liasas (grupo 4), requieren energía que obtienen de la hidrólisis de ATP y se denominan sintetasas. ----------------------------------------------~ Para nombrarlas, se puede utilizar el nombre tradicional, que suele obtenerse añadiendo el sufijo "asa" al nombre del sustrato o al tipo de reacción que catalizan. Pero existe un nombre sistemático que indica más detalles sobre la reacción. Cada enzima se designa con las letras E.C, con un subíndice de cuatro números que indican los siguientes aspectos: • Primer dígito: nombre de la clase de enzimas (del 1 al 6, siguiendo la clasificación de la tabla 8-1). • Segundo dígito: subclase (normalmente el tipo de sustrato, el donador · de electrones o el enlace afectado). • T ercer dígito: aspectos específicos de la reacción (sustrato, grupo funcional que participa en la reacción, etc.). . • El cuarto dígito señala el número concreto que ocupa la enzima dentro de la subclase. U n ejemplo determinado sería la lactato deshidrogenasa, cuyo nombre sistemático completo sería L-lactato: NAD+ oxidorreductasa, que indica que el L-lactato actúa como donador de electrones y el NAD+ como aceptor. Mediante el sistem a de cuatro dígitos esta enzima es la E.Cu .L27 , en la que el primer dígito indica que pertenece a la clase de las oxidorreductasas, el segundo que el L-lactato es el donador de electrones y el tercero que el aceptor de electrones es el NAD+. El cuarto dígito permite diferenciar esta enzima de otras que catalizan la misma reacción sobre un sustrato diferente. Por ejemplo la E.C l. Ll.l designa a la enzima alcoh ol deshidrogenasa, que cataliza la oxidación de un alcohol a un aldehído. Cofactores, coenzimas y el papel de las vitaminas Los análisis de cristalografía de rayos X y RM (Resonancia Magnética Nuclear) han demostrado que numerosas enzimas tienen un componente no proteico, denominado cofactor (cationes metálicos) o coenzima (moléculas orgánicas), que es necesario para su correcto funcionamiento . En este tipo de enzimas que requieren un componente adicional, lá porción proteica se denomina apoenzima y la molécula completa holoenzima (la apoenzima más un cofactor o coenzima) (Fig. 8-1) . N umerosas enzimas utilizan cationes metálicos como cofactores (Tabla 8-2). Como se indica en posteriores apartados, estos cationes tienen diferentes funciones dependiendo de la enzima concreta. Por ejemplo, las quinasas no son activas . en ausencia de Mg2 + (véase Fig. 8-11) . 134 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Figura 8-1. Holoenzima y apoenzima. Algunas enzimas necesitan una porción no proteica para desempeñar su función: si es un catión metálico se denomina cofactor; y si es una molécula orgánica, coenzima. La porción proteica se denomina apoenzima, y la enzima completa, holoenzima. Tabla 8-2. Ejemplos de cofactores Cofactor Cu 1 + Enzima Citocromo oxidasa, amino oxidasa Fe 1• o Fe 3+ Citocromo oxidasa, peroxidasa, catalasa K+ Piruvato quinasa Mg>• Hexoquinasa, glucosa 6 fosfatasa, piruvato quinasa Mn 1+ Arginasa, ribonucleótido reductasa Ni 1+ Ureasa Se Glutatión peroxidasa zn>• Alcohol deshidrogenasa, Carboxipeptidasas A y B Recuadro 8-2. Enfermedades asociadas a alteraciones del reconocimiento enzima-cofactor La importancia de la unión correcta de la coenzima se puede comprobar por la aparición de patologías debidas a mutaciones que afectan al sitio de unión de la proteína con el cofactor, como ocurre en el caso de la cistationuria. Esta rara enfermedad metabólica se produce por una mutación en el gen que codifica la enzima y-cistationasa, que provoca la disminución de la afinidad de dicha enzima por su coenzima: el piridoxal fosfato. La enzima y-cistationasa, que participa en el metabolismo de los aminoácidos con azufre, metaboliza la cistationina, producto intermediario de la formación de cisteína y homoserina, a partir de la metionina y la serina. Estudios in vitro sugieren que la administración de la coenzima piridoxal fosfato puedan tener un efecto terapéutico beneficioso en dichos pacientes. c::fEl sustrato interacciona con el centro activo de la enzima y se forma un complejo enzima-sustrato. + Apoenzima {porción proteica) Cofactor o coenzima {porción no proteica) Holoenzima {toda la enzima) Las coenzimas son necesarias para transportar de forma transitoria grupos funcionales durante la reacción catalizada por la enzima. Muchas son productos derivados de vitaminas y su unión a la porción proteica puede ser covalente o no covalente (Fig. 8-2). Por ejemplo la mayoría de las carboxilasas (enzimas que catalizan la incorporación de C0 2) requieren biotina, que está unida por un enlace amida a un residuo de Lys de la enzima, mientras que la tiamina -pirofosfato (que procede de la vitamina B 1 o tiamina) se une por interacciones no cavalentes (Recuadro 8-2). . Muchas de las reacciones de oxidorreducción que se dan en la célula son catalizadas por deshidrogenasas que utilizan dos coenzimas que son derivados de la molécula de niacina: el NAD+ y el NADP+ (véase capítulo 6). La alternancia de estos compuestos entre su forma oxidada y reducida permite que actúen como aceptares o dadores de electrones según la reacción. En la oxidación de un sustrato como el malato se produce una pérdida de dos átomos de H (que se pueden considerar como 2 e- + 2 H+) de la siguiente forma: el ión hidruro (2 e- + 1 H+) es transferido desde el sustrato directamente a la coenzima mientras que el otro protón es liberado al medio (Fig. 8-3). El NAD+ suele utilizarse como coenzima en las reacciones de oxidación de las rutas catabólicas, mientras que el NADP+ participa en las reacciones anabólicas de reducción (véanse capítulos 6 y 7) . 0 MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS Función de Las enzimas. Principios energéticos Las enzimas (E) tienen un papel fundamental: acelerar las reacciones biológicas actuando sobre sustratos (S) específicos que se van a transformar en el producto (P) de la reacción (E+ S~ E+ P). Esta función, esencial para los seres vivos, la consiguen gracias a que poseen una estructura tridimensional característica, el centro activo (Fig. 8-4), con un entorno químico adecuado que permite la interacción entre la enzima y el sustrato mediante la formación de un complejo binario denominado complejo enzima-sustrato (ES). En las proteínas, las características del centro activo van a estar determinadas por la naturaleza de los aminoácidos que lo forman y su distribución espacial concreta. En general este proceso de formación del complejo ES se puede considerar un caso específico de una interacción molecular entre macromoléculas (en este caso, proteínas) y moléculas de menor peso molecular, denominadas ligandos, y se realiza mediante la creación de interacciones no covalentes entre ambas· moléculas. La reacción enzimática general de transformación de un sustrato específico en un producto se puede representar con la siguiente ecuación: E+S k, ES ~ E + P k_, ~~ Unión del sustrato Etapa catalítica \ (1) CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS UNIÓN DE LA APOENZIMA COENZIMA REACCIÓN CATALIZADA POR LA HOLOENZIMA 135 PRECURSOR CHO HOXJCH,OPO:""' H3C 1 N Base de Schiff a un residuo de Lys Transam inación descarboxilación racem ización f Piridoxina (Vit. B6) Enlace amida con residuo de Lys Carboxilación. Ej.: Piruvato carboxi lasa Biotina Enlace amida con residuo de Lys Transferencia de grupos acilo. Ej.: Piruvato deshidrogenasa No se requiere en la· dieta Unión no covalente Descarboxilación de 2-oxo-ácidos. Ej.: Piruvato deshidrogenasa Tiamina (Vit. B1) Piridoxal fosfato H H_rC ~ c ~ N~ s~c~t~rfHc=o H (CH 2) 4 -COOH 1 Biocitina 5-5 1 H2C., e \ _....CH-(C H2)-COOH H2 Ácido lipoico ?;- : rCH _+N N 2 L A H3C s N . o11 o11 (CH) -O-P-O-P-022 1 1 oo- Tiamina pirofosfato Figura 8-2. Coenzimas y sus precursores. Se muestra la estructura química de algunas coenzimas. Se indica la forma de unión de la coenzima a la apoenzima y la reacc ión catalizada. Muchos precursores de las coenzimas soh vitaminas hidrosolubles. Forma oxidada coo1 Molécula HOCH 1 reducida CH 2 1 cooL-Malato Pierde 2 H e- + 2 W) se oxida H O Hn~-+ H N ) NAD+.-/ NH2 H H:- (2 e- + 1 W) ~ '-----v-------Procede del malato (= 2 0 coo1 Molécula oxidada C=O 1 CH 2 Hx~-~--Jl NH ~ J H 1 coooxaloacetato 2 H Procede del malato NAD H Forma reducida Figura 8-3. NAO+ y NADP+: coenzimas en reacciones de oxido-reducción. Reacción de oxidación del malato en la que el NAD+ actúa como coenzima. El ión hidruro es transfe rido al NAD+, que se reduce, y el otro protón es liberado al medio. ~- Pero hay que tener en cuenta que la transformación del sustrato a producto no es inmediata. Una vez que el sustrato adecuado interacciona con el centro activo se van a producir modificaciones que lo convierten en un estado de transición que se transformará en el producto final de la reacción. . En las reacciones catalizadas por enzimas, este estado de transición, muy lnestable, resulta estabilizado por los residuos del centro activo con lo que se consigue acelerar la reacción . Dentro del centro activo hay ciertos aminoácidos que intervienen en la unión del sustrato a la enzima y se denominan residuos de unión, mientras que los que participan de forma activa en la transformación química del sustrato se conocen como residuos catalíticos. . . c::fla transformación de sustrato en producto ocurre a través de un estado transitorio inestable denominado el estado de transición. c::flas enzimas catalizan las reacciones mediante la formación de un complejo enzima-sustrato que estabiliza el estado de transición. 136 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES ·Residuos polares zona polar Figura 8-4. Centro activo de una enzima. Estructura de la enzima con la naturaleza química necesaria para su interacción con el sustrato. ---:- --~ ---- -1- 0 8GL, QJ -o ~ :§ . ~ ~ Estado QJ ..D basal zona apolar Sustrato Complejo enzima-sustrato (detalle) Cambios energéticos en una reacción exergónica Estado de Transición (*) "' ..0 ..0 Enzima Residuos apolares l 8G, ~ 5 ----- ~ ~ ~ ~- ~ ~f8G'o p Estado basal Coordenada de reacción Figura 8-5. Diagrama del curso de una reacción exergónica. Aunque la reacción es favorable (el sustrato tiene mayor energía libre de Gibbs que el producto), para que se inicie debe formarse un estado transitorio inestable de mayor energía libre de Gibbs que el estado basal en el que se encuentra el sustrato. Esa barrera energética se denomina energía de activación. d las enzimas no alteran los equilibrios de reacción pero consiguen que se alcancen de forma más rápida. Parq analizar las variaciones energéticas que ocurren en una reacción desde su estado inicial hasta su estado final (S~ P), se representa en un diagrama del curso de la reacción la energía libre de Gibbs frente al progreso de la. reacción. En una reacción química espontánea (exergónica). la energía basal del sustrato es mayor que la del producto, por lo que el f..G tiene un valor negativo (Fig. 8-5) (véase capítulo 7) . La presencia de una enzima no va a variar esta situación energética, que seguirá definida por sus parámetros termodinámicos. Si se observa la reacción (1) la enzima aparece en ambos lados de la reacción (siendo, por lo tanto, un reactivo y un producto), por lo que no se modifica el valor de la energía libre de Gibbs del sistema; que continúa siendo: ~G 0 = -RTln [P] [S] (2) siendo [P]/[S], la K de equilibrio (.Kq). Por tanto, se puede concluir que las enzimas no alteran el equilibrio entre productos y sustratos pero, al acelerar la velocidad de reacción, consiguen que se alcance de forma más rápida este equilibrio. De esta forma, si existe suficiente cantidad de sustrato ([SJ), se podrán conseguir mayores concentraciones de producto ([P]) por unidad de tiempo en presencia de enzima que en su ausencia (Fig. 8-6) . la energía de activación y el estado de transición Como ya se ha indicado, para que se produzca la transformación del sustrato en producto hay que pasar por una situación intermedia que supone la distorsión de enlaces y la orientación de grupos funcionales que lleva a la formación de un estado molecular transitorio: el estado de transición (Recuadro 8-3), que se encuentra en un nivel energético superior al estado del que parte, el sustrato o estado basal (véase Fig. 8-5). Esto implica que, aunque la reacción sea espontánea, se tiene que superar esta barrera energética (f..G*) que se conoce como energía de activación. La catálisis enzimática se consigue rebajando esta barrera mediante la ventaja energética que supone la creación del complejo enzima-sustrato. Reacción S ---> P La velocidad está relacionada con La energía de activación Sin enzima Tiempo Figura 8-6. Curva de progreso de una reacción catalizada y no cat~ lizada. Para un mismo tiempo, la cantidad de producto obtenido es muy superior en la reacción catalizada. En el gráfico de coordenada o curso de la reacción en el que se representan las variaciones .energéticás de la misma reacción en presencia y ausencia de enzima (Fig. 8-7), se puede ver que el catalizador consigue rebajar la energía de activación, Como ya se ha expuesto en el capítulo de termodinámica, la vía por la que un sistema pasa de un estado inicial a uno final no altera la espontaneidad de la reacción (f.. G' es una ft:mción de estado) pero, como veremos a continuación, sí tiene una gra'n influencia sobre la velocidad a la que se desarrolla. \ Las enzimas aceleran las reacciones químicas creando vías alternativas de menor energía tle activación y lo hacen fundamentalmente por dos mecanismos: CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS 137 Recuadro 8-3. Nivel energético del estado de transición En una reacción química la molécula de partida (el sustrato) se transforma en otra estructura con propiedades químicas diferentes (el producto). El estado de transición es una estructura que está sufriendo una transformación y que no tiene las propiedades del sustrato ni del producto. No se trata de una molécula estable, sino de un estado breve (suele tener una vida media de 1 s) en el que se pueden producir fenómenos como la ruptura y formación de enlaces, o la aparición de cargas, y que se caracteriza por tener una elevada energía libre de Gibbs. En una reacción no catalizada, llegar a este estado energético supone la principal barrera de la reacción. o-n ó-OH R', :e / o, R, Varios pasos Productos 1: 0 0Estado de transición Si se analizan las etapas que se dan en una reacción química y se tienen en cuenta sus aspectos energéticos, se pueden entender los motivos por los que el paso desde el estado inicial al estado de transición supone un aumento de energía. Para que se forme una especie molecular ·nueva a partir de un sustrato, tiene que producirse una distorsión en sus enlaces que supone un consumo de calor por parte del sistema, por lo que el incremento de entalpía será positivo (f:.H >O). Además, los grupos funcionales que reaccionan se tienen que orientar en el espacio de una forma concreta para que puedan reaccionar. Esto supone una reducción de la libertad de movimientos, lo que implica una disminución de la entropía y hace que el f:.S tenga un valor negativo. En los conceptos de termodinámica descritos en el capítulo 7, se describe que la energía libre de Gibbs de un sistema corresponde a la siguiente fórmula : f:.G = f:.H- T f:.S; de la que se deduce que el valor de f:.G para la formación del estado de transición tiene un valor positivo. Remontar esta barrera energética (energía de activación) es determinante para que el sustrato llegue a alcanzar este estado de transición y se convierta en producto. l. La formación de enlaces covalentes o la transferencia de grupos funcionales entre determinados grupos funcionales de la enzima y del sustrato. 2. La creación de interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato que van acompañadas de una liberación de energía libre (t..G-), llamada energía de unión o fijación, que rebaja la energía de activación. Ambas situaciones se dan gracias a la formación del complejo binario enzima-sustrato que, además, confiere a las enzimas una gran especificidad. Aunque más adelante se analizarán con detalle estos mecanismos, ahora se va a considerar qué consecuencias tiene esa disminución de la energía de activación sobre la velocidad de reacción. En primer lugar, hay que tener en cuenta que la velocidad de cualquier reacción (S~ P) está determinada por la concentración de sustrato y una constante, la constante de velocidad (k), con la que se relacionan mediante la expresión matemática: V= k [S] (3) Sin entrar en detalles sobre la deducción de la fórmula, y si se aplica la teoría del estado de transición, se obtiene una expresión matemática que relaciona la m agnitud de la constante de velocidad (k) con la energía de activación (t..G*): t!. G' k- _kB T_ e-RT - h (4) D onde k 8 es la constante de Boltzman, h es la constante de Plank, R la constante de los gases nobles y T la temperatura absoluta. Lo importante de esta ecuación es que refleja cómo la constante de velocidad (k) está relacionada con la energía de activación de forma inversa y exponencial. Esto nos indica que un pequeño descenso en la energía de activación supone un aum ento considerable de la velocidad de la reacción. Las interacciones en el complejo enzima-sustrato son óptimas en el estado de transición Para entender cómo se realizan las interacciones en el complejo ES se han postulado varios modelos. El primero fue el denominado modelo "llave y cerradura" propuesto por Emil Fischer en 1894. En este modelo, las enzimas se consideraban estructuras rígidas complementarias a sus sustratos a los que se acoplaban de igual forma que lo hace una llave a una cerradura. Este modelo explica la especificidad entre enzima y sustrato, pero no permite explicar cómo se produce la reacción de una forma eficiente. Para su mejor comprensión se puede recurrir al ejemplo de la siguiente reacción: la transformación de un sustrato esférico con cargas eléctricas negativas en su superficie en un producto cúbico sin carga (Fig. Estado de transición "' W ------- -1t.G;'" cat ..0 ..0 0 ----- -----f Q) "O ~ ª"' . ---- ES -- ~-- --------- - t.G~,, -~ Q) e LU Coordenada re reacción Figura 8-7. Diagrama del curso de una reacción catalizada y sin catalizar. En la reacción catalizada los intermediarios ES y EP ocupan valores mínimos en el diagrama del curso de la reacción. Como resultado, la energía de activación de la reacción catalizada (t.G~,,) es menor que la de la misma reacción sin catalizar 1). (t.G;;n ca d una energía de activación menor significa una velocidad de reacción mayor. cfEl centro activo de las enzimas es complementario al estado de transición y no al sustrato. 138 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 8-8a) . Según el modelo de Fischer, la formación del complejo ES es tan estable que cualquier transformación posterior haría que se perdieran interacciones dando lugar a una situación menos estable que el complejo ES y, por tanto, no tendría lugar la formación del producto (Fig. 8-8b). Sin embargo, si el sitio activo es complementario al estado de transición, en una primera etapa se puede crear un complejo ES en el que se establecen unas interacciones débiles y esta etapa puede pasar de forma espontánea a otra más estable de interacción entre la enzima y el estado de transición en la que se ganan interacciones. La transformación del estado de transición en el producto hace que la enzima pierda su afinidad por esta nueva molécula, que es liberada del centro activo (Fig. 8-8c). Fue Linus Pauling en 1946 quien propuso que el verdadero encaje llave-ce. rradura no ocurría entre el sustrato y la enzima, sino entre el estado de transición y la enzima. Posteriormente, Daniel Koshland postuló un mecanismo que permitía explicar el aumento en la eficiencia de las interacciones no covalentes que se establecen entre la enzima y el sustrato. El modelo propone que la interacción entre ambas moléculas hace que la proteína sufra un cambio de conformación que permite la formación de interacciones adicionales entre la enzima y el estado de transición y se conoce como el modelo de encaje inducido (Fig. 8-9). Los estudios sobre la estructura tridimensional de proteínas han confirmado que esta situación ocurre realmente. (a) Reacción sin catalizar * ---1-----------· b.G¡ Sustrato Estado de transición Producto ----------p (b) Modelo de Fischer (llave y cerradura) * + _ r______ _ b.G;,ncat Sustrato Complejo enzima-sustrato (muy estable) Enzima con centro activo complementario al sustrato (e) Complejo enzima-estrato de transición (se pierden interacciones) ---- ------ ES Modelo del estado de transición + _- ~ Sustrato Enzima con centro activo complementario al estado de transición Complejo enzima-sustrato (se crean interacciones) Complejo enzima-estado de transición (se ganan interacciones) Producto p Figura 8-8. Modelos de formación del complejo enzima-sustrato. (a) Reacción sin catalizar en la que el sustrato pasa por la formación de un estado de transición inestable. (b) En la reacción en la que el centro acti\(O de la enzima es complementario al sustrato se forma un complejo ES muy estable que no favorece que el sustrato se transforme en el estado de transición, porque se perderían interacciones y sería energéticamente desfavorable. (e) Si la enzima es complementaria al estado de transición, se forma un primer complejo ES con unas interacciones leves 'que se verían mejoradas cuando el sustrato se transforma al estado de transición. La reacción se ve favorecida y el estado de transición se convierte en producto; y, al perder las cargas negativas, pierde afinidad por la enzima, de la que se disocia. Se muestra el diagrama del curso de la reacción en las tres situaciones descritas. CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS 139 Las interacciones entre enzima y sustrato son de. naturaleza no covalente, de forma que una porción polar del sustrato interacciona con una porción polar del centro activo y una región apolar interacciona con las cadenas laterales de residuos apolares que se suele denominar "bolsa hidrofóbica" (véase Fig. 8-4). Mecanismos químicos para la estabilización del estado de transición la energía de fijación proporciona especificidad y catálisis Se ha descrito en apartados anteriores cómo la fijación del sustrato en el centro activo proporciona un t.G negativo que rebaja la energía de activación. En este apartado se analizan los principales factores que contribuyen a esta disminución de la energía de activación. En primer lugar, la formación del complejo ES mantiene al sustrato en la orientación correcta y facilita las interacciones entre los grupos funcionales que van a reaccionar, a diferencia de lo que ocurre en una reacción en disolución en la que las colisiones se producen al azar. Por otra parte, las interacciones débiles que se forman entre enzima y sustrato sustituyen las interacciones que existían entre las moléculas y el agua. De esta forma, si se elimina la capa de solvatación del sustrato, se facilita su transformación en producto. Es importante reseñar que la ausencia de moléculas de agua en la bolsa hidrofóbica del centro activo aumenta las interacciones no covalentes entre la enzima y el estado de transición del sustrato. Mediante el "secuestro" del sustrato en este centro activo, se elimina la barrera energética impuesta por las interacciones de las moléculas de agua con el propio sustrato, y el incremento de interacciones no covalentes entre enzima y sustrato acelera la reacción. Por último, las interacciones débiles creadas entre la enzima y el estado de transición compensan situaciones termodinámicas inestables, como la posible aparición de cargas debidas a redistribuciones electrónicas durante el proceso de transformación de sustrato a producto (véanse Recuadro 8-3 y Fig. 8-lüc) . la presencia de grupos catalíticos específicos permite crear rutas alternativas de menor energía de activación Hay numerosas reacciones enzimáticas en las que se producen reacciones transitorias entre la enzima y el sustrato que, junto con la energía de fijación, contribuyen a rebajar la energía de activación acelerando de forma específica las reacciones catalizadas. Los mecanismos por los que la enzima consigue rebajar la energía de activación mediante la unión covalente con ciertos residuos se pueden clasificar en cuatro grupos principales: Catálisis ácido-base general Una forma de estabilizar las cargas que aparecen en un estado de transición es la transferencia de protones desde o hacia el sustrato. Como se ha visto en el capítulo 4, existen cadenas laterales de ciertos aminoácidos que pueden actuar como aceptares o dadores de protones (véase Fig. 4 -8) que son las que participan en estas reacciones (Fig. 8-lOa y b). Este tipo de reacción se da en muchas proteasas en las que este papel lo desempeña el grupo imidazol de la His. Este mecanismo se diferencia de la catálisis ácido-base específica, en que la transferencia de protones en este tipo de catálisis se realiza entre el sustrato y el agua. Catálisis cava/ente En este tipo de reacciones se crea un enlace covalente transitorio entre la enzima y el sustrato, que produce catálisis siempre que esa nueva vía para alcanzar el producto final tenga- menor energía de activación que la que se desarrolla en ausencia de catalizador. Un ejemplo de este mecanismo es la formación de un enlace éster con el grupo -OH de la Ser en numerosas proteasas (Fig. 8-lüc). Figura 8-9. Modelo del encaje inducido de Kohsland. (a) Representación de la hexoquinasa en ausencia de sustrato (PDB 1HKG). (b) En presencia del sustrato. la enzima sufre cambios en su conformación que aumentan las interacciones entre ambas moléculas (PDB 1GLK). 140 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES (b) (a) (e) (d) Centro activo de la proteasa -o HN ~N : 111111111 HO R -N-C-R 2 1 11 HN~N : ('o+ 1 o,, R2 -N-C-R 1 1 H O H R2 - NH 2 11 oo- l-R 1 HO .Enlace peptídico Figura 8-10. Catálisisáeido-base general y eovalente en una proteasa. En algunas proteasas la ruptura del enlace peptídico combina dos mecanismos de.· e~tabilización del estado de transición. Se muestran, de forma simplificada, algunas etapas. (a) El grupo nucleófilo de la Ser pierde un protón, que es aceptado por el grupo imidazol de una His (catálisis ácido-base general). (b) Como consecuencia, aumenta la reactividad del nucleófilo de la serina (-o-). que ataca al grupo carbonita del enlace peptídico. (e) Se forma un intermediario inestable con una carga negativa que resulta estabilizada por dos hidrógenos con carga parcial positiva del enlace peptídico de dos residuos del centro activo. El péptido queda unido de forma transitoria mediante un enlace covalente al residuo de Ser (catálisis covalente). (d) El enlace peptídico se rompe mediante la adición de una molécula de agua, quedando la enzima en su situación inicial. En muchas de estas reacciones intervienen reactivos electrófilos y nucleófilos por lo que conviene recordar estos conceptos (Recuadro 8-4). Catálisis por iones metálicos Los iones metálicos ptied~n actuar de diversas formas en la reacción catalizada: • Orientando el sustrato de la forma adecuada para que reaccione. • Estabilizando cargas en un estado de transición inestable. Recuadro 8-4. Reactivos electrófilos y nucleófilos. Nomenclatura En moléculas con grupos funcionales polares, las reacciones de ruptura del enlace covalente se suelen producir con un reparto desigual de los electrones compartidos, que supone la aparición de especies iónicas. Este tipo de reacción se denomina heterolítica y se produce como consecuencia de la intervención de dos tipos de reactivos: nucleófilos y electrófilos. Para entender las características y la forma de actuar de estos reactivos es necesario establecer algunas normas de nomenclatura, como los signos habituales con los que se representan las principales acciones que se producen en la formación y ru ptura de enlaces: .. Par de electrones no enlazados (-OH) (~) Movimiento de pares de electrones (~) Movimiento de un solo electrón Los reactivos nudeófilos (en azul en la figura) son especies químicas que tienen afinidad por zonas con una baja densidad electrónica. Son grupos funcionales con electrones sin compartir o bien aniones. Los reactivos electrófilos (en rojo en la figura) tienen gran avidez por centros de elevada densidad electrónica. Son especies deficientes en electrones que tienen orbitales vacíos y pueden tener carga positiva (véase figura) . La eliminación de un protón de ciertos reactivos nucleófilos puede hacer que un grupo funcional se vuelva más reactivo. Por ejemplo, en un grupo hidroxilo (-OH) o sulfhidrilo (-SH) la pérdida del protón lo transforma en -o- y -s-. que tienen un carácter nucleófilo muy superior al de las formas protonadas neutras. Nucleófilos - o-"" Oxígeno cargado negativamente (como en un ácido carboxílico ionizado) - S~ Sulfhidrilo cargado negativamente 1,....,.. - el Carbanión ,....,.. Eleetrófilos r •R - c- g~ Átomo de carbono de un grupo carbonita (el oxígeno del grupo carbonita que es más electronegativo atrae los electrones del carbono) r•R "- c= Ñ/ VI H - NI Grupo imino protonado Grupo amino no cargado (activado para el ataque nucleofílico sobre el carbono por protonacíón de la imina) ?r 'R 0- P=O IV lmidazol H-0~ Ión hidróxido o Fósforo de un grupo fostato r •R w / Protón --------------~~----------------------------------------~~ 141 CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS • Facilitando reacciones de oxidorreducción gracias al paso reversible de su estado de oxidación. • Cambiando la polaridad de ciertos enlaces para hacerlos más susceptibles a ciertos reactivos. NH 2 1 N""c'c--N~ 1 e,.__ 11 e_ 1 C-H O-f)~:~r-0-1-o-:,/d'N:N Esta última función es necesaria en las reacciones de fosforilación de ciertos aminoácidos que tienen un grupo hidroxilo. La fosforilación se produce por la transferencia del grupo fosfato desde el ATP o el GTP (Fig. 8-ll). Los cationes de magnesio hacen que los electrooooH H H H nes se alejen más del fósforo (reactivo electrófilo) que queda más susceptible al ataque por el grupo nucleófilo (-OH de Ser, Thr o Base: H-0 OH OHTyr), con lo que se promueve la hidrólisis del enlace fosfoanhídrido y (Ser) se consigue su transferencia desde el ATP a la cadena lateral del aminoácido. Figura 8-11. Los cationes metálicos como cofactores en las quinasas. La fosforilación de las cadenas En muchos casos las enzimas utilizan una combinación de estos laterales de Ser, Thr y Tyr catalizada por las quinasas mecanismos para conseguir un aumento de la velocidad de la reaccomienza por el ataque del grupo nucleófilo -OH a ción. Un ejemplo de esta combinación se da en la quimotripsina, un grupo fosfato de un nucleótido trifosfato. El Mg2• una proteasa que combina la catálisis covalente con la catálisis ácidoatrae a los electrones del enlace P=O haciendo que base general gracias a la presencia de dos residuos catalíticos: una Ser el P tenga una deficiencia de electrones y sea más' y una His. En esta proteasa, la reacción comienza con la transferencia susceptible al ataque por el nucleófilo. de un protón de la Ser a la His (véase Fig. 8-lüa y b). Esto crea en la Ser un grupo -o- muy nucleófilo que ataca al carbono del grupo carbonilo que posee una baja densidad electrónica (véase Fig. 8-lüb). A contiO las enzimas nuación se forma un enlace covalente transitorio que hace que se desplacen dos mecanismos químicos para disminuir electrones del doble enlace C= O hacia el oxígeno (más electronegativo) que la energía de activación y aumentar adquiere carga negativa (véase Fig. 8-lüc). Esta carga negativa es estabilizada la velocidad de la reacción. por interacciones no covalentes con otros aminoácidos del centro activo (los átomos del enlace peptídico de una Gly y una Ser). El resultado de esta acción combinada es la hidrólisis del enlace peptídico mediante una ruta con una menor energía de activación. 1 combi~an diferente~ 0 CI N ÉTICA ENZIMÁTICA La ci nética química estudia las velocidades de reacción Realizar ensayos en el laboratorio en diferentes condiciones experimentales para estudiar la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas aporta información sobre aspectos como la afinidad de la enzima por el sustrato o la eficiencia con la que se transforma ese sustrato en el producto de la reacción. También pueden proporcionar información sobre ciertos detalles del mecanismo químico por el que transcurre la reacción catalizada. Estos datos ayudan a predecir su comportamiento en el ambiente celular o su respuesta ante cualquier variación de las condiciones habituales (Re<.;uadro 8-5). O los datos cinéticos obtenidos en el laboratorio permiten conocer aspectos sobre el mecanismo de la reacción enzimática estudiada. Cinética de las reacciones de un solo sustrato Los estudios de la velocidad de las reacciones enzimáticas de un solo sustrato se realizan mezclando una concentración conocida de enzima con una concentración concreta de sustrato, y midiendo la desaparición de sustrato o la aparición de producto a lo largo del tiempo (Fig. 8-12). El método analítico de medida de sustrato o de producto dependerá de sus características químicas, pero son habituales los métodos espectroscópicos, de fluorescencia o radiométricos. Si se realiza una representación gráfica de este tipo de ensayo se obtiene una curva de progreso como la que se muestra en la figura 8-13. Como puede apreciarse, en la primera etapa la reacción sigue una cinética de primer orden hasta que la desaparición de sustrato es suficientemente elevada (aproximadamente a partir de un 10 %) para que esta relación deje de ser lineal. Por este motivo las medidas de velocidad se miden, en la primera etapa lineal, se denominan velocidades iniciales (Va) y se determinan como la pendiente de ·la curva de progreso al principio de la reacción. Si en el mismo tipo de gráfico representamos ensayos realizados con diferentes concentraciones de sustrato, se Producto (P) Sustrato (S) Tiempo Figura 8-12. Diagrama de desaparición de sustrato y aparición de prod!Jcto en uria reacción catalizada. En la etapa inicial de la reacción se observa una desaparición progresiva de sustrato y una -aparición de producto hasta llegar al equilibrio. Para una reacción reversible, en el equilibrio no hay cambio neto en las concentraciones de. s'ustrato y producto. 142 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Recuadro 8-5. Conceptos básicos. Orden de una reacción . Unidades de la constante de velocidad La cinética química estudia la velocidad de las reacciones y los procesos químicos. En una reacción S -t P, la velocidad se puede expresar matemáticamente como: ... desapanc1on de sustrato -t Va d~ = - dt . .• d d V: d[P] apanCIOn e pro ucto -t 0 = - dt Las unidades de velocidad serán, por tanto, unidades de concentración divididas por unidades de tiempo y se suelen expresar como M· s- 1• Las reacciones químicas se pueden clasificar, según su comportamiento cinético, en reacciones de primer orden, de segundo orden y de orden cero. En cada caso, la velocidad es proporcional a una constante de velocidad (k) y a la concentración de uno o más sustratos en unas condiciones determinadas. Como veremos a continuación, k tiene distintas unidades dependiendo del orden de la reacción . Reacciones de primer orden Son reacciones del tipo A -t B, en las que la velocidad depende de un solo sustrato: V=k[A] En este tipo de reacciones, k se da en unidades de tiempo-' (s- 1) . Un valor elevado de k, implica una velocidad elevada. En el caso de reacciones reversibles A f=1 B: V A-+B =k, [A] y . VB -+A =k_, [B] Como en el equilibrio la velocidad de transformación de reactivos en productos es igual que la de productos en reactivos, igualando las ecuaciones anteriores, y despejando, se obtiene que k 1/k_, = [B]/[A]. La relación entre las constantes de velocidad de la reacción directa y la inversa (k,fk_,) es el valor de la constante de equilibrio de la reacción: k,q (véase capítulo 1). Reacciones de segundo orden Se trata de reacciones en las que intervienen dos sustratos para dar un producto: 2 A-t B o A+B-tC En este tipo de reacciones, la velocidad dependerá de la concentración de los dos sustratos: V= k [A]' o V= k [A][B]. En ambos casos, las unidades de la constante de velocidad serán M-' • s- 1• Reacciones de orden cero En este tipo de reacciones la velocidad es independiente de la concentración de sustrato. Puede depender de otros factores como, por ejemplo, la concentración de catalizador. Equilibrio l Tiempo (s) Figura 8-13. Curso de una reacción catalizada con una concentración de enzima constante. La concentración de producto va aumentando de forma lineal hasta que el sustrato va desapareciendo en el transcurso del tiempo, y la reacción alCanza el equilibrio. La velocidad inicial (V0) se determina como la pendiente de la recta en eLinicio de la reacción. La velocidad a cualquier tiempo t se representa como V,. - pueden comparar las velocidades iniciales en cada situación (Fig. 8-14). Esta información se puede llevar a otro tipo de gráfica en la que cada punto representa Va frente a una concentración de sustrato (Fig. 8-15). Para la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas, los datos experimentales proporcionan gráficas como la mostrada en la figura 8-15 en las que se identifican tres zonas claramente diferenciadas. • Una primera etapa lineal, a bajas concentraciones de sustrato, en la que la reacción se comporta como si fuera de primer orden. • Una segunda etapa curvilínea, a concentraciones de sustrato intermedias, en la que hay un descenso en la respuesta al aumento de la concentración de sustrato. • Una última etapa, a elevadas concentraciones de sustrato en la que la velocidad no varía al aumentar la concentración de sustrato. La reacción sigue una cinética de orden cero. Este comportamiento se puede explicar de una forma cualitativa suponiendo que la reacción enzimática transcurre mediante la reacción que ya se ha visto al principio del capítulo: E+S ~ k, ES E+ k_, '------.r---' '------.r---' Unión del sustrato P reacción (1) Etapa catalítica A bajas concentraciones de sustrato, la velocidad será proporcional ~\ la concentración de sustrato [S]; pero a ·concentraciones elevadas de sustrato, toda 1 enzima estará saturada formando el complejo ES, por lo que la velocidad depen- CAPÍTULO 8 . ENZIMAS Y CATÁLISIS derá ·de su concentración y se podrá expresar como v = k2 [ES]. Es decir, depen-. derá de la velocidad de transformación química de ES a EP y de la liberación de p roducto y enzima libre. En estas condiciones, la adición de más sustrato no afecta a la velocidad, por lo que la reacción muestra un comportamiento de orden cero y s.e dice que hay un efecto de saturación de la enzima por el sustrato. Para expresar este comportamiento mediante una expresión matemática Leonor Michaelis y Maud Menten en 1913, desarrollaron un razonamiento que se basaba en asumir ciertos supuestos: d A elevadas concentraciones de sustrato la velocidad de la reacción no aumenta cuando lo hace la concentración de sustrato debido a un efecto de saturación de la enzima. l. La primera etapa de la reacción enzimática es la formación rápida del complejo ES mediante -una reacción reversible. En este supuesto se puede definir una constate k, (constante de disociación) que es la inversa de k, (constante de asociación). k = [Eiibrel [S] S (5) [ES] donde [Eiibrel = [Ecorall - [ES]. Se utilizan los valores de k, en lugar de los de k,, porque los primeros tienen unidades de concentración y esto permite comparar su valor con el de la concentración que sustrato. Cuanto más fuerte sea la unión de la enzima al sustrato .menor será el valor de la k,. E+S k, k_, ES Sustituyendo el valor de [Eiibrel en la · ecuacwn (5) por [Eiibrel = [E,0 ,,1] - [ES] y despejando, obtenemos que: [ES] _ [Ecorail [S] - k, + [S] = V';, = kcat [ES] 57 56 Ss ...,uo ·S. ::J 'O e a.. s3 s, s, . Tiempo (s) Figura 8-14. Curvas de progreso para una serie de reacciones con diferentes concentraciones iniciales de sustrato. La V0 (pendiente de las rectas) aumenta a medida que lo hace la [S], 51 a 57. (6) 2. En una segunda etapa mucho mas lenta (kcar «< k 1) el complejo ES se transforma en producto y enzima libre en una o varias reacciones. En este caso, la velocidad depende de la concentración de complejo enzima-sustrato [ES] y de la constante de velocidad de la etapa más lenta, que se denomina kcar (constante catalítica): ES ~ E + P 143 (b) Vmax [S] V=--- Km +[S] (7) Combinando las reacciones (6) y (7), y simplificando, podemos calcular la velocidad de la reacción v; _ k [Eiibrel [S] Ocat k, + [S] [S] (¡..tM) que describe la velocidad de reacción como una función hiperbólica en función de la[S]. Cuando [S] tiende al infinito, toda la enzima se encuentra como complejo ES , por lo que se puede considerar que (8) Combinando esta ecuación con la anterior obtenemos: v; _ Vmax [S] 0 k, + [S] (9) que explica el comportamiento cinético de aquellas reacciones en las que hay una formación rápida del complejo ES, seguidas de una etapa posterior más lenta en la que se produce y libera el producto de la reacción. El modelo del estado estacionario y la ecuación de Michaelis-Menten En algunas ocasiones no se cumple que kcar «< kp por lo que Brigs y Haldane llegaron a una expresión matemática más general, que se puede ajustar a esta situación siempre que se cumpla que la [ES] permanezca constante, por lo que se denomina cinética del estado estacionario. Este tipo de cinética se obtiene cuando la [S] »» [Eiibrel, lejos de las condiciones celulares pero en unas condiciones (a) Figura 8-15. Diagrama de velocidades iniciales de reacción frente a concentración de sustrato. En este tipo de gráficas cada velocidad inicial (pendiente de la recta de la figura anterior) se representa frente a la [S]. La Vmax solo se obtiene como un valor aproximado. La Km representa la [S] que coin§J.de con la mitad de la Vmax· > d se puede explicar el comportamiento de numerosas reacciones enzimáticas suponiendo que la primera etapa es rápida y reversible y la velocidad está condicionada por la transformación mucho más lenta del sustrato a producto. 1! 144 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y lAS FUNCIONES CElULARES •( muy fáciles de obtener en el laboratorio. En esta situación, la [ES] depende de la velocidad de formación del complejo ES (controlada por k 1) y de la velocidad de desaparición del complejo ES, que puede producirse por dos situaciones: l. Por la disociación del complejo ES para dar Elibre y sustrato, controlada por k_1• 2. Por la formación de producto y liberación de Elibre' controlada por kcar· Igualando la velocidad de formación del complejo ES con la velocidad de desaparición (situación de estado estacionario), y despejando, se obtiene un nuevo valor para la [ES]: [ES] = [EiibreJ [SlibreJ k_¡+ kcat k¡ En esta ecuación se define una nueva constante que surge de la combinación de las constantes de velocidad de la reacción que se denomina la constante de Michaelis-Menten y se denomina Km de forma abreviada. La e~uación anterior puede ahora simplificarse: [ES] = [ElibreJ [Slibrel Km Teniendo en cuenta que la disminución de sustrato en la fase estacionaria es prácticamente insignificante, se puede sustituir [Slibrel por la [S] . De igual forma, sabiendo que [Elibrel = [Erorall - [ES], se llega a la siguiente ecuación: [ES] = [E,orall [S] Km+ [S] O la ecuac1on de Michaelis-Menten explica el comportamiento de las reacciones en las que la concentración del complejo enzima-sustrato permanece constante y la concentración de sustrato es muy superior a la de enzima. Calculando la velocidad en función de la [ES] y teniendo en cuenta que cuando la concentración de sustrato tiende a infinito, Vmax = kcar [E], obtenemos: v; _ Vmax [S] 0 - Km+ [S] Aunque esta ecuacwn difiere de la obtenida inicialmente por MichaelisMenten, se conoce universalmente como la ecuación de Michaelis-Menten. Como se muestra en-el recuadro 8-6, esta expresión matemática se ajusta a los datos experimentales obtenidos para las reacciones de un único sustrato representados en la figura 8-15. Parámetros enzimáticos característicos de una enzima Una vez encontrada una expresión matemática que describe los datos experimentales se verá a continuación qué información aportan los dife¡:ehtes parámetros cinéticos de esta expresión. También se examinará cómo la variación de estos valores en distintas condiciones experimentales ayuda a comprender el mecanismo de las reacciones enzimáticas estudiadas. Significado de ~a k, permite estimar el grado de disociación del complejo ES y estimar la afinidad de la enzima por el sustrato. Vmax La velocidad máxima es la tasa máxima teórica que se obtiene en unas condiciones determinadas. El valor exacto no se obtiene experimentalmente: se obtiene un valor aproximado cuando la velocidad comienza a ser independiente de la concentración de sustrato ([S] ---1 =). Para alcanzar la Vmax sería necesario que todas las moléculas de enzima estuvieran estrechamente unidas con el sustrato. Como se verá más adelante algunas transformaciones matemáticas permiten obtener un valor numéJ:ico de vmax a partir de los datos experimentales. Significado de k, Como ya hemos visto, k, = k_¡l kp es una constante de disociación del ¿omplejo ES derivada de constantes de velocidad. Su valor. puede servir de referencia para conocer la afinidad de la enzima por el sustrato. Un valor elevado de k, indica CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS 145 :: Recuadro 8-6. Relación entre La ecuación de Michaelis-Menten y Las gráficas experimentales La ecuación de Michaelis-Menten explica el comportamiento que se obtiene a partir de los datos experimentales de laboratorio y que refleja la gráfica. 1. Concentraciones de sustrato bajas: Si Km »» [S], entonces podemos despreciar el valor de la [S) en el denominador, por lo que la fórmula de Michaelis-Menten se puede expresar como sigue: V [S) V0 = ~ = depende de forma constante de [S) Km es decir, se comporta como una reacción de primer orden (etapa lineal de la gráfica). 2. Concentraciones de sustrato elevadas: En este caso se puede despreciar el valor de Km del denominador con lo que la fórmula se simplifica como sigue: V O = LS1 = V J2J' max Vmax Se ajusta a la etapa de saturación de la enzima en la que los datos siguen un comportamiento cinético de orden cero (velocidad independiente de la concentración del sustrato). 3. La constante de Michaelis: St se iguala el valor de V0 con la mitad de la velocidad máxima, se obtiene: V _ Vmax _ Vmax [S) 0 2 - Km+ [S) - y simplificando, Km= [S) De esta relación se deduce que Km es el valor de la concentración de sustrato necesario para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. ____________vw~------------· 1. Km »» [S) 2. [S) »» Km -o -o 3. [S)= Km "' "ü o Qj > Km Concentración de sustrato, [S) (mM) una baja afinidad y viceversa. Como k_1 es una constante de velocidad de primer orden (depende de la [ES] con unidades s- 1) y k 1 es una constante de velocidad de segundo orden (depende de [E] y la [S] con unidades M- 1 ·s- 1), la k, tiene unidades de concentración (M). Significado de Km Según lo descrito en el recuadro 8-6, el valor de Km (también expresada en unidades de concentración) equivale a la concentración de sustrato que se requiere para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. También se puede expresar esta equivalencia afirmando que el valor de Km representa la concentración de sustrato a la cual la mitad de los centros activos de las moléculas de enzima del ensayo están ocupados por moléculas de sustrato (en el estado estacionario). Aunque no es una verdadera constante de disociación del complejo ES, su valor se aproxima bastante cuando k car « k_1 ya que, en estas condiciones, el valor de Km será semejante al de k,, la auténtica constante de disociación. Por este motivo, en la mayoría de las situaciones el valor de Km puede considerarse como una medida de la afinidad de b. enzima por el sustrato, que será inversamente proporcional a su afinidad. Un valor bajo de Km se puede relacionar con una gran estabilidad del complejo ES que indica una elevada afinidad de la enzima por el sustrato y, también, que necesita menos sustrato para unirse al 50% de la enzima. El valor de Km varía considerablemente de una enzima a otra (Tabla 8-3) y para una misma enzima difiere según los distintos sustratos. Experimentalmente se ha visto que el valor de Km de una enzima es semejante a la concentración del sustrato que es habitual para esa enzima en el ambiente celular. Aunque la Km no es una verda$:dera constante de afinidad, en algu. nas ocasiones su valor puede servir de referencia para estimar si existe una buena interacción enzima-sustrato. 146 SECI;:IÓN JI •. LA ~NERGÍA Y LAS· FUNCIONES CElULARES Tabla 8-3. Km para algunas enzimas y sustratos Enzima Sustrato Km (mM) 25 Cata lasa Hp, Hexoquinasa (cerebro) ATP o-Glucosa o-Fructosa Anhidrasa carbónica HCO) Quimotripsina Gliciltirosinilglicina N-Benzoiltirosinamida f:l-Galactosidasa o-Lactosa 4,0 Treonina deshidratasa L-Treonina 5,0 0,4 0,05 1,5 26 108 2,5 Un ejemplo de la impo~tancia de la Km en el papel fisiológico de una enzima se encuentra en las dos enzimas que catalizan la transformación de ~a glucosa en glucosa-6-P en las células del hígado: la hexoquinasa (Km= 0,1 mM) y la glucoquinasa (Km= 5 mM). En condiciones de ayuno, cuando la concentración de glucosa en sangre es baja, actúa la hexoquinasa; y después de una comida, cuando aumenta la concentración de glucosa, puede actuar también la glucoquinasa. Estudiar las variaciones del valor de Km en diferentes enzimas mutantes o en diferentes condiciones experimentales puede ayudar a conocer las interacciones que se producen en la formación del complejo ES y los residuos que participan en la formación de estas interacciones no covalentes. Las variaciones en los valores de Km indican alteraciones en la primera etapa de la reacción, donde se produce la unión de la enzima al sustrato. Significado de kcat· El número de recambio !(., es la constante de velocidad de la etapa limitante (la, que ocurre más lenta) de la transformación del sustrato en producto y liberación de enzima libre y producto, en el caso de que ésta transcurra en más de una etapa. c:fla k cat es una medida de la actividad catalítica de la enzima. ES ~ ES' ~ ES" ~ E+ P Al tratarse de una constante de velocidad de primer orden se expresa en unidades recíprocas de tiempo (min- 1, s- 1) (véase Recuadro 8-5). Con los datos experimentales se puede calcular su valor, al despejar de la fórmula (8) , mediante la expresión k = car v max [Eroral] Este valor se conoce como el número de recambio y representa el número. de moléculas de sustrato que son transformadas en producto en unidad de tiempo en una sola molécula de enzima cuando la concentración de sustrato es elevada. Define, por tanto, la Vmax a la que una reacción enzimática puede suceder, a una concentración de enzima determinada y a una concentración dé sustrato muy elevada, muy diferente de las condiciones in vivo. Como esta constante refleja los cambios que se producen en las etapas posteriores a la formación del complejo ES, las alteraciones en el valor de la k,., producidos por mutagénesis, por comparación de diferentes enzimas, o por la modificación de las condiciones experimentales, reflejan perturbaciones en la etapa final de transformación del sustrato en producto. La eficiencia catalítica kc./km La proporción entre las constantes cinéticas k¿, y km se suele utilizar para comparar la eficiencia catalítica de diferentes enzimas o de una misma enzirha sobre distintos sustratos. Esta proporción tiene untdades de constante de velocidad de segundo orden (M- 1 ·s-; 1). • • , CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS Un valor elevado de esta proporción supone una elevada capacidad de transfo rmación de sustrato en producto (elevado valor de k,.,) y una elevada afinidad aparente de la enzima por el sustrato (valor bajo de Km). Cuando se cumplen estas dos condiciones se obtendrá la mayor eficacia ya que, no solo hay una gran afinidad de la enzima por el sustrato sino que, además, la enzima muestra un gran poder de transformación del sustrato en producto. La mayor o menor eficiencia catalítica de una enzima por un sustrato puede ' verse claramente en el ejemplo de los valores cinéticos de la enzima fumarasa por dos sustratos distintos: el fumarato y el malato (Tabla 8-4). Tabla 8-4. Eficiencia enzimática de la enzima fumarasa Enzima Substrato Fumarasa Fumarato Malato s x 1o-6 2,5 X 1 o-s 1,6 3,6 X X 147 El valor del cociente entre la k,.t y la Km permite estimar la eficiencia de una enzima. - 108 107 2 En el primer caso, la fumarasa tiene un valor de k,., = 8 · 10 s- 1 y un valor de Km de 5 · 10-6 M . La misma enzima muestra para el malato un mayor valor de kcac (9 · 10 2 s- 1) y un mayor valor de Km (2;5 · 10-5 M). Al calcular la eficiencia catalítica de la enzima para los diferentes sustratos se obtiene un valor de 1,6 · 10 8 M- 1s- 1 para el fumarato y un valor de 3,6 · 107 M- 1s- 1 para el malato: En este ejemplo se observa que el hecho de que la enzima sea más eficaz en la etapa de transformación del malato en producto (mayor k,.,) no implica que sea, más eficiente, ya que la afinidad de la enzima es mayor por el fumarato (menor valor de Km). En condiciones celulares, el valor de la eficiencia es importante pero también hay que tener en cuenta la concentración de enzima disponible. Como la velocidad tiene una relación de primer orden con respecto a la concentración de enzima, unos pocos picomoles de una enzima con una eficiencia de 10 7 M- 1s- 1 pueden resultar menos eficientes que unos nanomoles de una enzima con una eficiencia de 10 5 M- 1s- 1• Como se describirá en el capítulo 11, uno de los niveles de regulación de las reacciones enzimáticas en el metabolismo se lleva a cabo por un control de la concentración de enzima, bien por un control genético en la síntesis de la enzima o por un aumento en la velocidad de degradación . Análisis lineal de la ecuación de Michaelis-Me_nten: representación de Lineweaver-Burk Aunque actualmente existen programas informáticos que permiten obtener datos cinéticos muy precisos a -partir de los datos experimentales representados en curvas hiperbólicas, en algunas ocasiones resulta útil transformar la ecuación de Michaelis-Menten en una expresión algebraica que aporte datos numéricos concretos para los parámetros cinéticos (Vmax y Km). Una transformación habitual consiste .en representar los inversos de Va frente a los inversos de la concentración del sustrato. H aciendo los inversos en ambos miembros de la ecuación, y reagrupando, se obtiene: 1 Va Esta ecuación, conocida como la ecuación· de Lineweaver-Burk se representa m ediante una recta de pendiente Km/Vmax (Fig. 8-16). El punto de corte de esta recta con el eje X se corresponde con el valor de -11 Km y el punto de corte con el eje Y con el valor de 1/Vmax· Una vez representados los valores obtenidos experimentalmente, se puede calcular el valor de v max' que solo se podía obtener de forma aproximada en la representaeión hiperbólica tradicional. Este tipo de representación sigue siendo iriuy útil para representar el efecto producido por los inhibidores reversibles, como se verá más adelante. Figura 8-16. Gráfica de dobles recíprocos o · de Lineweaver-Burk. La representación de los datos experimentales mediante la ecuación de una recta permite obtener un valor de Vmax y de Km. 148 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Factores externos que alteran la actividad enzimática Una vez descrito el mecanismo de actuación de las enzimas se analizará por qué la variación de algunos factores del medio puede afectar a la actividad enzimática. Concentración de enzima Las enzimas proteicas se aíslan de sus principales fuentes biológicas (bacterias, hongos, tejidos animales y vegetales) mediante procesos habituales de aislamiento y purificación de proteínas, por lo que la pureza del preparado no es absoluta. Esto hace necesario definir dos conceptos: la unidad de actividad enzimática y la actividad específica. Figura 8-17. Actividad y actividad específica. En la figura se han representado como bolas las moléculas de cualquier proteína aislada; y como bolas rojas, las unidades de actividad. En ambos casos el número de unidades de actividad es el mismo pero el tubo de la derecha tiene una mayor actividad específica debido a que las bolas rojas constituye una mayor fracción del total del preparado. U ni dad de actividad enzimática (U): es la cantidad de enzima capaz de transformar 1,0 ¡.tmol de sustrato por minuto a 25 en condiciones óptimas. oc Actividad específica: es el número de unidades enzimáticas por mg de proteína purificada. Constituye una medida de la pureza del preparado (Fig. 8-17). Temperatura El aumento de la temperatura conduce a un aumento en la velocidad de la reacción, que tiene un límite cuando se sobrepasa la temperatura de desnaturalización de la enzima, lo que conlleva una pérdida de su función (Fig. 8-18). Debido a este fenómeno, la mutación de una enzima que produce una forma termolábil puede tener consecuencias muy graves (Recuadro 8-7). .8u => "O 20.. (!) "O <:: •O 'u !'O pH E .2 (!) "O "O !'O "O ·¡:¡ o -.:; > L---~------L-----~----~--0 Temperatura (°C) Figura 8-18. Variación de La actividad enzimática con la temperatura en una enzima típica de mamíferos. A la izquierda del valor óptimo (unos 45 °(), la velocidad es pequeña porque la temperatura es demasiado baja para proporcionar la energía cinética suficiente que supere la- energía de activación. A la derecha del valor óptimo, la enzima se desnaturaliza por efecto de la temperatura, perdiendo su función. Recuadro 8-7. la anemia hemolitica En los eritrocitos, la enzima glucosa-6fosfato deshidrogenasa es una enzima importante para el mantenimiento de la integridad de la membrana plasmática (véase capítulo 12, Recuadro 12-3). Una de las variantes de la anemia hemolítica se produce por una mutación que genera una forma termolábil de esta enzima, incapaz de funcionar a la temperatura corporal habitual. Este problema afecta especialmente a los eritrocitos, ya que al ser células enucleadas, no poseen la capacidad de renovar las enzimas que se desnaturalizan por el efecto de la temperatura. Tal y como se ha visto con detalle en el capítulo de proteínas, los cambios en el pH del medio pueden alterar al estado de ionización de las cadenas laterales de los aminoácidos ácidos y básicos. Estos cambios pueden afectar a la afinidad de la enzima por el sustrato, si se ven alteradas las cargas de los aminoácidos que participan en la formación de interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato para formar el complejo ES. También se puede alterar la etapa de transformación del sustrato en producto, si se modifican los residuos catalíticos. El pH al que se producen estas variaciones puede aportar datos sobre qué tipo de residuo es el que se ve modificado. Por ejemplo, un cambio en la actividad enzimática en un pH próximo a 7 indica que se afecta un residuo de His (con un pK, próximo a 6). Siempre hay que tener en cuenta que el pK, de un mismo residuo puede variar ligeramente dependiendo del entorno molecular en el que se localiza. Reacciones multisustrato Hasta ahora se han descrito reacciones en las que se transforma un solo sustrato. Pero existen numerosas reacciones catalizadas por enzimas en la~ que intervienen dos o más sustratos. En este tipo de reacciones los sustratos pueden unirse a la enzima de ·forma simultánea o sucesiva. Existen dos mecanismos que explican este comportamiento: · Mecanismo secuencial En algunas reacciones en las que intervienen dos sustratos se forma en algún momento un complejo ternario no covalente ES 1S2 (Fig. 8-19a) . Los sustratos pueden fijarse al azar o hacerlo en un orden específico. · Mecanismo de doble desplazamiento o "Ping-pong" · e · smo · que e1 pnmer · \ sustraEn estas reacciOnes no se wrma un comp1' eJü ternano, to se libera como producto antes de la unión del segundo sustrato a la enzima que ya ha sido modificada en la reacción anterior (Fig. 8-19b). Las quinasas si- CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS (a) 149 Al azar 1 _/'ES E ' ES2 ' ES152 ~ E + P1 + P2 _/' 52 Ordenada E+ 5 1 ~ ES1 (b) _S,__,_ E + P1 + P2 P¡ Ping-Pong E+ 5 1 ~ ES1 E'P1 _L._ 52 E' ~ E'S2 ~E+ P2 guen este tipo de mecanismo. El primer sustrato es el ATP que se une a la enzima que libera ADP como producto y se queda fosforilada. El segundo sustrato se une a la proteína fosforilada que le transfiere el grupo fosfato. Las enzimas se pueden inhibir de forma reversible e irreversible Existen cierto tipo de moléculas, denominadas inhibidores, que ralentizan o detienen las reacciones enzimáticas. En algunas ocasiones han resultado útiles para conocer más datos sobre el mecanismo de reacción enzimática pero, sobre todo, resultan muy eficaces en la búsqueda y elaboración de fármacos (Tabla 8-5). Por ejemplo, un inhibidor puede actuar sobre una enzima que está presente en un organismo patógeno pero no en el organismo huésped. En otras ocasiones actúan sobre enzimas con una actividad alterada y que son la causa de la patología tratada. En ambos casos, los fármacos más adecuados serán lós que operen sobre una enzima muy específica para evitar efectos secundarios. los in hibidores reversibles alteran los parámetros cinéticos Son moléculas que se unen a la enzima mediante interacciones no covalentes, más o menos estables, de forma reversible. Para estudiar su efecto sobre la actividad catalítica de la enzima se realizan ensayos, con las mismas condiciones experimentales, en ausencia (E + S) y presencia (E + S +1) de inhibidor. Esto permi- Tabla 8-5. Ejemplos de medicamentos y su mecanismo de acción Medicamento Enzima inhibida Enfermedad tratada Amburicin® Topoisomerasa 2 Cáncer (Quimioterapia) Antabuse® Aldehído deshidrogenasa Alcoholismo Captopril® Enzima de la síntesis de angiotensina Hipertensión Celebrex® Ciclo-oxigenasa 2 Artritis Digoxin® ATPasa de la bomba K+ Na• Problemas cardiacos Hycamtin® Topoisomerasa 1 Cáncer (quimioterapia) Lipitor® 3-hidroxo-3-metil-glutaril CoA Exceso de colesterol Viagra® Fosfodiesterasa S Disfunción eréctil Figura 8-19. Mecanismos de las -~eaccio­ nes bisustrato. (a) Formación de un complejo ternario ES 152: puede suceder al azar o de forma ordenada. (b) Reacciones con mecanismo de doble desplazamiento ("pingpong"). El primer sustrato puede transferir un grupo funcional a la enzima que queda modificada (E'), y que es transferido a 52 en una segunda etapa. 150 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES te comparar los parámetros. cinéticos característicos de la reacción (Vmax y Km) con los obtenidos en presencia de inhibidor (denominados Vmaxi y Kmi o "parámetros cinéticos aparentes"). Los datos se reflejan en una gráfica de LineaweverBurk para una mejor comparación de los resultados. El inhibidor se puede unir a la enzima en el centro activo formando un complejo El que no da producto o en un lugar específico para el inhibidor. En este último caso la fijación puede realizarse antes o después de la unión del sustrato y se forma un complejo ternario ESI. El complejo El o ESl puede ser más o menos estable y está definido por las reacciones: E+ l El (10) si la enzima se une al inhibidor en el centro activo, impidiendo que se una el sustrato; o bien ES+ l ESl (11) en el caso de que el inhibidor se una al complejo ES. De igual forma que el valor de k, refleja la afinidad de la enzima por el sustrato, la mayor o menor afinidad de la enzima por el inhibidor quedará reflejada por las constantes de disociación de estos complejos por las fórmulas: K= [E] [l] 1 (1 2) [El] K'= [E] [l] 1 (13) [ESl] Dependiendo del tipo de inhibidor se pueden diferenciar tres tipos de inhibición reversible (Fig. 8-20). Inhibición competitivo Se caracteriza porque el inhibidor se une al mismo sitio que el sustrato, impidiendo, por tanto, la formación del complejo ES y la formación de producto. Suele ser una molécula semejante al sustrato de la reacción de forma que los dos ligandos compiten por unirse al centro activo (Fig. 8-20.1-a), aunque algunos tienen una estructura diferente (Recuadro 8-8). Como la unión es .reversible, cuando la concentración de sustrato es elevada es muy poco probable que el inhibidor se una a la enzima, por lo que la reacción muestra una Vmax normal (Vmax = VmaxJ Sin, embargo se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de la Vmax por lo que la Kmi tiene un valor mayor. El incremento de este valor está relacionado con la [l] y con la K¡ y se puede calcular mediante la fórmula: Recuadro 8-8. El metano!, un inhibidor competitivo para evitar la ceguera por intoxicación con etanol Las intoxicaciones con metano[ pueden causar ceguera porque este alcohol es transformado en el hígado por la enzima alcohol deshidrogenasa en formaldehído, una sustancia que afecta de forma grave a los tejidos del ojo. Un posible tratamiento para los pacientes que han sufrido una intoxicación por metano[ es la administración de etanol por vía intravenosa. El etanol actúa de forma semejante a un inhibidor competitivo, porque también es sustrato de la enzima alcohol deshidrogenasa. La diferencia es que el etanol da acetaldehído (que no afecta a los tejidos) como producto de la reacción, evitando que la enzima utilice como sustrato el metano! y produzca más formaldehído y dando tiempo al organismo a eliminar el metano[ mediante la acción de los riñones. (Fig. 8-20b-c-d) El factor mediante el que se relacionan los parámeros cinéticos sin inhibidor y los "aparentes" (1 + [l]/K¡) se denomina a. Inhibición no competitivo El inhibidor muestra afinidad tanto por la enzima libre como por el complejo ES y la unión se realiza en un lugar distinto del centro activo. Por tanto, su efecto no se puede evitar aumentando la concentración de sustrato y produce una disminución de la Vmax ya que el complejo ternario ESl no genera producto. La Vmaxi disminuye por el efecto del inhibidor de forma que Vmaxi = Vmja. Al no unirse en el centro activo la Km no cambia en presencia de inhibidor por lo que Km= Kmi (Fig. 8-20.2). . Inhibición ocompetitivo o incompetitivo \ Los inhibidores acompetitivos se unen exclusivamente al complejo ES en un lugar diferente al centro activo. El efecto aparente sobre los parámetros cinéticos 151 CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS (1) INHIBICIÓN COMPETITIVA (2) INHIBICIÓN NO COMPETITIVA (3) INHIBICIÓN ACOMPETITIVA (a) Reacción E + S ~ ES -------+ E + P + E+ S 1 ~ + + 1 1 1 1~ K; 1~ K; El~ EI+S~ESI~ 1~ K; • __l_..._ E+S~ES~ E+ p ES -------+ E + P + 1~ K; ESI~ + • + • + • ~ll ~ (b) Representación gráfica +1 -1 (e) Variación de parámetros cinéticos Kmi =Km V .= maXI Vmax 1 + ([1]/K¡) V ·= maXI Vmax 1 + ([1]/K;} (d) Ecuación de Michaelis-Menten V = Vmaxi [S] ' V = Vmaxi [S] Km+ [S] ' Km; + [S] Figura 8-20. Tipos de inhibición reversible: (1) Inhibición competitiva; (2) Inhibición no competitiva; (3) Inhibición acompetitiva. En cada tipo de inhibición se muestra un esquema de la reacción (a), la representación de la reacción en presencia y ausencia de inhibidor en una gráfic;a de Lineawever-Burk (b), las fórmulas que relacionan los parámetros cinéticos que cambian en cada caso (e) y la fórmula de Michaelis-Menten para la reacc ión en presencia de inhibidor (d). en presencia de inhibidor es la disminución de V~axi y Kmi (Fig. 8-20.3), que se pueden calcular mediante las siguientes expresiones: • V . = Vmax maxl a y K . = Km ml a lnhibidores irreversibles Son moléculas que se suelen unir a la enzima mediante enlaces covalentes con los residuos imprescindibles para la catálisis, impidiendo su función; aunque también pueden unirse mediante interacciones no covalentes muy estables. Este tipo de inhibidores no tienen un comportamiento cinético de Michaelis-Menten. Su principal utilidad es la creación de fármacos, pero también se utilizan para conocer el mecanismo de reacción de las enzimas inhibidas. ~· 152 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 0 REGULACIÓN ENZIMÁTICA En la célula existe la necesidad de coordinar la actuación de muchas enzimas en aquellas vías que se desarrollan de forma secuencial, es decir, donde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. En estos sistemas existen una o varias enzimas que tienen un mayor efecto sobre la velocidad global del proceso y se denominan enzimas reguladoras. Estas enzimas pueden cambiar su actividad como respuesta a ciertas modificaciones y suelen ser las que catalizan la primera de las reacciones de la secuencia puesto que la regulación de la ruta en las últimas etapas supondría un gasto innecesario. Existen varios mecanismos mediante los que se modula su actividad. Las enzimas alostéricas se unen de forma reversible no covalente a pequeñas moléculas, que regulan su actividad. Otras enzimas sufren modificaciones covalentes, que pueden ser reversibles o irreversibles, produciéndose cambios en su función. las enzimas alostéricas están formadas por varias subunidades La actividad de algunas enzimas se modula mediante la unión de uno o más ligandos denominados moduladores, que se unen en otro lugar diferente al centro activo pero que es específico para cada modulador. Estos ligandos inducen un cambio de conformación que puede aumentar (moduladores positivos) o disminuir (moduladores negativos) la afinidad de la enzima por el sustrato. En aquellos casos en que el mismo sustrato tiene un efecto modulador se denominan interacciones homotrópicas y son casi siempre regulaciones positivas. En las enzimas homotrópicas, el centro activo y el sitio regulador son el mismo. Cuando el ligando es una sustancia diferente se dice que es una interacción heterotrópica y en este caso pueden ser positivas o negativas. Aunque existen algunas excepciones, la mayoría de las enzimas alostéricas son oligoméricas y están formadas por varias subunidades. En este tipo de enzimas la unión del modulador a una de las subunidades produce un cambio de conformación que se transmite a las otras subunidades con lo que se consigue un efecto cooperativo (Fig. 8-21). Existen dos modelos que explican este efecto. El modelo secuencial propone que, cuando el ligando se une a la primera subunidad, se produce un cambio de conformación que se transmite a las otras subunidades produciendo un aumento o una disminución de la afinidad de la enzima por el sustrato. El modelo concertado propone que, en ausencia de ligándo, existe un equilibrio entre dos conformaciones de la enzima: una tensa y una relajada. Los moduladores negativos tienen más afinidad por la forma tensa; y los positivos y el sustrato, por la forma relajada. La presencia del modulador desplaza el equilibrio hacia la forma por la que presenta mayor afinidad, consiguiendo una modulación negativa o positiva dependiendo del tipo de modulador. " En algunas rutas metabólicas, el producto final de la ruta es la molécula que actúa como modulador negativo de la enzima que cataliza la primera etapa de la ruta. Este tipo de regulación se denomina retroinhibición (fted-back) (Fig. 8-22). El comportamiento cinético de estas enzimas difiere del comportamiento descrito por Michaelis-Menten, aunque se saturan cuando la concentración de Figura 8-21. Enzima alostérica. Una enzima alostérica heterotrópica muestra un sitio de unión para el modulador diferente del centro activo. La unión del modulador produce un cambio de conformación que hace que la enzima tenga mayor afinidad por el sustrato (modulador positivo). El cambio de conformación de la primera subunidad se transmite a la segunda, que también presentará mayor afinidad por el sustrato. modulador alostérico positivo ~ ---+ _ce~tro act1vo Sustrato Enzima alostérica sin modulador (poca afinidad por S) \ Enzima alostérica con modulador+ (aumenta la afinidad por S) CAPÍTULO 8. ENZIMAS· Y CATÁLISIS sustrato es suficientemente elevada. En los moduladores homotrópicos, en los que la uniÓn de la primera molécula de SUStrato hace que cambie la ConformaeiÓn en todas las subunidades facilitando la incorporación de las siguientes mo1éculas de sustrato, hay un descenso en el valor de la Km (aumento de la afinidad) y el monómero alterado une más fácilmente sustrato y está más saturado Sin que aumente la concentración de sustrato. Este efecto cooperativo hace que, al representar la [S] frente a la velocidad inicial, se obtenga una curva sigmoidea, ya que la Km va cambiando a medida que lo hace la concentración de sustrato (Fig. 8-23a). En esta curva sigmoidea hay un valor de [S] que coincide con la mitad de la velocidad máxima y se denomina Ka,5 , pero no tiene el mismo significado que Km. En el caso de los reguladores heterotrópicos, es más difícil predeeir la curva de saturación . El caso más habitual es que se modifique el valor de Ka.s sin verse alterada la vmax (Fig. 8-23b) . Numerosas enzimas modulan su actividad mediante modificaciones covalentes de su estructura 153 Figura 8-22. Retroinhibición o feed-back. El producto final de la ruta metabólica es el modulador negativo de la enzima de la primera etapa. La modificación covalente de una enzima es también un mecanismo habitual para regular la actividad de numerosas enzimas. La modificación puede ser reV ersible o irreversible. La fosforilación es la modificación reversible más frecuente • Muchas enzimas cambian su actividad como consecuencia de una modificación eovalente en su estructura. Algunas enzimas sufren reacciones de adición de grupos fosforilo, adenililo, uridililo, metilo, etc. (Fig. 8-24) , siendo las más fre- (a) (b) Vmax ---- --- - --- - ---------- ---· +-- coope ratividad [S] Ko,s ( [S] K~s [S] (mM) c foependiendo de la enzima, la fosforilación puede dar lugar a una forma más activa o a una forma menos activa. Figura 8-23. Curvas de actividad de enzimas alostéricas en función de la concentración. (a) Curva sigmoidea característica de una enzima homotrópica positiva. La unión de las primeras moléculas de sustrato hace que la velocidad aumente por el efecto cooperativo. (b) Efectos de un modulador positivo y uno negativo sobre una enzima alosté rica heterotrópica. Con línea punteada a color se señala cómo, para la misma con centración de sustrato, el modulador negativo produce un descenso de la velocidad (respecto a la situación en ausencia de modulador) mientras que el modulador positivo provoca un incremento de la veloc idad. Residuos que aceptan la modificación covalente Modificación covalente ATP ADP Fosforilación Enzima \. j Tyr, Ser, Thr, His "" Enzima - ® Aden ilación Tyr NAO nicotinamida ADP-ribosilación Enzima \.. .! "" Enzima l _o_ ~ _o_lfJ o o Arg, Gln, Cys 1 S-adenosil metionina Metilación Enzima ..... 5-adenosil homocisteína ---= '----,----! ""--_,..~ Enzima - CH 3 Glu Figura 8-24. Diferentes mecanismos de modificación covalente de las enzimas . 154 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Ser-cadena lateral Ser-cadena lateral ' OH OH 1 H2C 1 CH 2 "r---.,..---r Fosforilasa B (menos activa) 2P; fosfatasa 2ATP~ quinasa 2 ADP 2 H20 ~o \ ~ o 1 CH 2 \~-..,.---' CH 2 Fosforilasa A (más activa) Figura 8-25. Modificación covalente de la glucógeno fosforilasa. Cambio conformacional producido por la Josforilación de un residuo de serina de cada subunidad de la enzima glucógeno fosforilasa, por la acción de una quinasa específica. La forma fosforitada activa pierde actividaa cuando una enzima fosfatasa elimina los grupos fosfato. cuentes las primeras. Estas reacciones están catalizadas por sus correspondientes enzimas específicas que, en el caso de la fosforilación, se denominan quinasas . Como ya se vio en el capítulo 4, la fosforilación se realiza en las cadenas laterales de residuos de Ser, Tyr o Thr. La adición de un grupo cargado en la proteína puede afectar tanto a su conformación como a sus posibles interacciones con el sustrato (Fig. 8-25) . La modificación es reversible porque los grupos fosfato pueden eliminarse por la acción de otras enzimas: las fosfatasas. Este tipo de modificación en la enzima puede hacer que la enzima se active o se inactive, dependiendo de la ·enzima. Como -se verá en posteriores capítulos, el mecanismo de fosforilacióndesfosforilación· juega un papel decisivo en la regulación de numerosos procesos biológicos: La ruptura de un precursor enzimático puede dar lugar a una forma activa En algunos casos la forma.activa de una enzima surge tras la escisión de un fragmento de la cadena polipeptídica de un precursor inactivo denominado zimógeno. Uri ejemplo de este tipo de regulación se encuentra en las proteasas del estómago tripsina y quimotripsina, que se sintetizan como sus correspondientes formas inactivas, tripsinógeno y quimotripsinógeno. La pérdida de un fragmento de la cadena produce cambios conformacionales en estas enzimas que hacen accesible su centro activo. Como este tipo de inhibición es irreversible, se necesitan otros mecanismos para la inactivación de estas enzimas. CONCEPTOS CLAVE Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones celulares de forma muy efectiva y específica en condiciones fisiológicas. O Su acción se consigue gracias a la formación de un complejo enzima-sustrato que estabiliza el estado de tran- sición. o La unión enzima-sustrato se realiza en una zona de la enzima denominada centro activo que posee la topología y la naturaleza adecuada para establecer interacciones no covalentes con el sustrato. o o El centro activo es complementario al estado de transición o o o Desde un punto de vista de la energía, las enzimas aceleran las reacciones porque consiguen rebajar la energía de activación. Las enzimas no alteran los equilibrios de reacción pero consiguen que se alcancen de forma más rápida. La energía de fijación proporciona especificidad y catálisis. En algunas reacciones se producen enlaces covalentes transitorios entre la enzima y el sustrato. O La cinética química estudia las velocidades de reacción. o Los datos cinéticos obtenidos en el laboratorio nos permiten conocer datos sobre el mecanismo de la reacción enzimática estudiada. O A elevadas concentraciones de sustrato, la velocidad de la reacción no aumenta cuando lo hace la concentración de sustrato debido a un efecto de saturación de la enzima. o ·, ": ;. . . . .. :- ~ "' . ·: ,.. Se puede explicar el comportamiento de numerosas reacciones enzimáticas suponiendo que la primera etapa es rápida _y- reversible y la velocidad está con~icionada por la transformación mucho más lenta del sustrato a p.r.od.ucto .. . ..•·. ,_. _____ · CAPÍTULO 8. ENZIMAS-Y CATÁLISIS 155 o La ecuacton de Michaelis-Menten explica el comportamiento de las reacciones en las que la concentración del complejo enzima-sustrato permanece constante y la concentración de sustrato es muy superior a la de la enzima. o Los parámetros cinéticos que definen una reacción son: - vmax: velocidad máxima, obtenida con concentraciones de sustrato elevadas. ¡ - Km: constante de Michaelis-Menten. Aunque no es una verdadera constante de afinidad, en algunas ocasiones su valor puede servir de referencia para estimar si existe una buena interacción enzima-sustrato. - K,.,: representa el número de moléculas de sustrato que resulta transformado en producto en unidad de tiempo con una sola molécula de enzima cuando la concentración de sustrato es elevada. o La eficiencia catalítica de una enzima se puede medir mediante el cociente K,./Km. Un valor elevado de esta proporción supone una elevada capacidad de transformación de sustrato en producto y una elevada afinidad aparente de la enzima por el sustrato. o o Factores externos como la temperatura o el pH pueden alterar la actividad enzimática. o o o Existen reacciones en las que participa más de un sustrato que pueden transcurrir mediante la formación de un complejo ternario ES 1 52 o, de forma sucesiva, primero con un sustrato y después con el segundo. Las enzimas se pueden inhibir de forma reversible o irreversible. Los inhibidores reversibles pueden ser competitivos, no competitivos o acompetitivos, según su mecanismo de acción y la modificación de los parámetros cinéticos que producen. En la mayor parte de las rutas metabólicas existen enzimas, denominadas reguladores, que cambian su actividad como respuesta a ciertas modificaciones. Estas enzimas suelen estar en la primera etapa de la ruta y tienen un mayor efecto sobre la velocidad global del proceso. Q EJ ERCICIOS El ibuprofeno es una sustancia que ejerce su acción antipirética y antiinflamatoria por un mecanismo de inhibición competitiva sobre la enzima ciclooxigenasa. Esta enzima cataliza la primera etapa de conversión del ácido araquidónico en peróxidos cíclicos que darán lugar a prostaglandinas y tromboxanos, mediadores de estos procesos inflamatorios. Se ha realizado un ensayo para estudiar los parámetros cinéticos de esta .enzima en presencia y en ausencia de ibuprofeno y se ha obteni1/v do los datos que se reflejan en la siguiente gráfica: Responder a las siguientes cuestiones: a) ¿Podría esta gráfica reflejar los parámetros cinéticos de la ciclooxigenasa en presencia y ausencia de ibuprofeno? b) Señalar qué gráfica corresponde a los ensayos en presencia de inhibidor. e) Calcular Vmax• Km y Kmi· d) Calcular la velocidad inicial en presencia de inhibidor para una [S]= 1 M y para una concentración de sustrato 1 f.JM . 1/[S] e) Calcular K, para una [1] = 0,25 f.! M. f) Calcular la K,., para una [E] = 2 • 1o-3 f.! M y la eficiencia. SOLUCIÓN a) Si, porque refleja la situación de una inhibición competitiva en la que Vmax = Vmaxi y Km;> Km b) e) -d-- = max -+- ~ 0,5 ~M- 1 = -2 f.JM- 1 • s = = 1 1 Vmax = 2 ~M Km = 0,5 f.! M • S- 1 1 1 m &~~~~~~ 6lii.IQTiGA FUNDAOC'tRES -156 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 6 d) [S] = 1 M = 1 · 1O ~M = Vmax·~ l--J:tM +~ _ V¡ - = 1 V; = Vmax 1 Como [S]>» Km, se desprecia el valor de Km en el sumando [S]= 1 ~M e) = Km (1 Km; = Eficiencia en ausencia de inhibidor 2 ~M • s- • 1 ~M V¡=-----1 1 = + _!!l_) ~ 1 ~M+ 1 ~M ~M = _2_: ~M (1 2 + 0 25 ' ~ ~M) = Eficiencia en presencia de inhibidor a=2 ( [!]) donde a= 1 + ~ 1+ 0,25 ~M ID a) K; = 2 = 1 K; = 0,25 ~~ 1 Calcular el valor de K; de un inhibidor competitivo según la siguiente información: Km= 19,8 X 1o-s M; Vmax (sin inhibidor) = 300 ~moles/litro-min . , y v;= 3 ~moles/litro-m in (en presencia de [1] = 0,9 X 1o-s M, con [S]= 2 X 1o-s M). b) Calcular la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para una concentración de sustrato de 19,8 m M: e) Calcular la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para una concentración de sustrato de 19,8 nM. liD Para estudiar la actividad enzimática de una enzima se han crea- Responder a las siguientes cuestiones: a) ¿De qué tipo de inhibición se trata y por qué? b) ¿Cuál es la eficiencia catalítica, con y sin inhibidor, considerando que la concentración de .enzima es ,-ñM? e) ¿Cuál es el la concentración de inhibidor? d) ¿Cuál es el orden de la reacción, en ausencia de inhibidor, para una concentración de sustrato 0,5 nM? e) ¿Cuál es la velocidad inicial, en ausencia de inhibidor, para una concentración de sustrato 2 mM? do versiones mutantes de dicha enzima y se han medido las constantes cinéticas. Enzima Km (M) Vmax (M . se,) ll'l1l Se ha estudiado el comportamiento frente a las variaciones de pH de una enzima observando los siguientes parámetros cinéticos: Normal (salvaje) 3,2 X 1o-s 760 MUT1 Val 150 --> Ala 3,2 X 1o-s 750 pH MUT2.Asn 74--> Leu 6,0 X 1o-s 350 7 3,8 x 1o-6 MUT3 Ser 43 --> Thr 3,4 X 10-s 200 6 1,2 X 10-7 MUT4 Val ·150--> His 4 X 10-4 735 5 0,2 X 10-7 MUT 5 Ser 43 --> Gly 3,6 X 10-s 8 9 0,05 Basándose en los _datos de esta tabla y teniendo en cuenta· la naturaleza de los aminoácidos en la función de la enzima, conteste con una explicación razonada a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué enzima mutante tiene la mayor afinidad por el sustrato? b) ¿Qué enzima mutante tiene la mayor actividad catalítica? e) ¿Qué residuo aminoácido de la enzima de tipo salvaje participa directamente en la conversión del sustrato en producto? Km (~M) X 10-s lndíque qué aminoácido se encuentra en el centro activo de esta enzima. lllll Considerando la gráfica y teniendo en cuenta que A y B son dos sustancias que interaccionan con una enzima E, ¿qué tipo de enzima es E?, ¿qué función desempeñan A y B? &11 Considerando el gráfico y sabiendo que: K;= 2 ~M [S] (mM) 157 CAPÍTULO 8. ENZIMAS Y CATÁLISIS 0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN IJII Un inhibidor no competitivo: a) b) e) d) Disminuye la velocidad inicial de la reacción. Disminuye la velocidad máxima de la reacción. No afecta el valor de la Km. Todas las respuestas son correctas. d) Los valores de Km no dan idea de la afinidad de la enzima por el sustrato. llliJI Sin una enzima tiene dos sustratos por los que presenta los siguientes valores: 1 ID El efecto de un inhibidor no competitivo: a) Se revierte aumentando la concentración de sustrato frente a la inhibidor. b) No afecta a la [S] que se requiera para que la enzima alcance una V¡ = 1/ 2 Vmax· e) Disminuye el valor de la Vmax· d) Es independiente de la [S]. DI Una enzima alostérica: a) b) e) d) No presenta estructura cuaternaria. Es una enzima reguladora. Presenta una cinética hiperbólica. Todas las respuestas son correctas. liD La inhibición por retroalimentación o feedback: a) b) e) d) Es una forma de regular las vías metabólicas. El último producto es el inhibidor de la vía. Se suele inhibir la primera enzima de la vía metabólica. Todas son correctas. 1111 Si quiero valorar el efecto que tiene la concentración de la enzima en la velocidad de degradación de un sustrato: a) A la misma cantidad de sustrato le añadiría diferentes cantidades de enzima y calcularía la velocidad de degradación. b) A distintas cantidades de sustrato le añadiría diferentes cantidades de enzima y calcularía la velocidad de degradación. e) A distintas cantidades de sustrato le añadiría la misma cantidad de enzima y calcularía la velocidad de degradación. d) a) y e) son correctas. ID Sin una enzima tiene dos sustratos por los que presenta los siguientes valores: kcat Sustrato S1 Sustrato 52 a) b) e) d) Sustrato 51 1 Sustrato 52 1 S X 10- 6 M S X 10-5 M a) Presenta mayor afinidad por el 51 . b) Presenta mayor afinidad por el 52. e) Presenta la misma afinidad por los dos sustratos. 8 x 1o' s-' 8 X 10 3 S 1 La reacción alcanza mayor velocidad máxima con el 51. La reacción alcanza mayor velocidad máxima con el 52. Ambas reacciones alcanzarán la misma velocidad máxima. Los valores de k cat no dan idea de la ve locidad máxima de la reacción. 1111 Teniendo en cuenta los valores indicados en las preguntas 8-6 y 8-7, a) b) e) d) ¿con cuál de los dos sustrato la enzima .es más eficiente? Es más eficiente con 51 . Es más eficiente con 52. Es igual de eficiente con los dos. No se puede averiguar la eficiencia con estos datos. liD Para estudiar la actividad enzimática de una enzima se decide crear versiones mutantes de dicha enzima y medir las constantes cinéticas. Enzima Km (M) Vmax (M • S Normal (salvaje) 3,S ·10 4 Mut 1 Ser 140 --. Thr 3,2 ·10 4 790 Mut 2 Ser 140 --. Gly 2,2 ·10 4 0,04 1 ) 860 a) El cambio de la Ser por una Gly no afecta la velocidad máxima. b) El cambio de una Ser por una Thr disminuye la afinidad por el sustrato. e) La enzima Mut 2 disminuye la Vmax de la reacción. d) La enzima Mut disminuye la Km de la reacción . . lllll!l Continuando con los valores indicados en la pregunta 8-9: El cambio de Ser por Gly provoca una gran disminución de la Vmax debido a la pérdida del grupo OH. b) El cambio de Ser por Thr afecta mucho a la catálisis debido a la presencia de un grupo OH. e) La Ser es muy importante para la afinidad de la enzima normal por el sustrato. d) La Thr es fundamental para la actividad catalítica de la enzima normal. a) Km J J \ MEMBRANAS BIOLÓGICAS 'l TRANSPORTE o CONTENIDOS o o o o o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE Introducción o Estructura de la membrana celular Comprender cómo la estructura de los fosfolípidos determina la formación de bicapas lipídicas en un entorno acuoso. o Transporte de solutos a través de la membrana Conocer las propiedades de la membrana y comprender los factores que las condicionan. o Comprender los principios que rigen el transporte de sustancias a través de las membranas biológicas. Receptores de membrana o Conocer . los principales transportadores de membrana: canales y carriers. o Diferenciar el transporte pasivo del transporte activo (primario y secundario). o Comprender el mecanismo de actuación de los receptores de membrana. r La membrana plasmática es una estructura compleja que facilita el intercambio de información y sustancias entre la célula y el medio extracelular. Este capítulo se sitúa en el libro después de haber analizado la estructura de los principales componentes de la membrana; los lípidos revisados en el capítulo 3 y las proteínas descritas en el capítulo 5. De esta forma, se podrá comprender mejor la función de ambos componentes para determinar la estructura de la membrana y su influencia en sus principales propiedades. La permeabilidad selectiva de la membrana celular se deberá a la naturaleza antipática de los lípidos para controlar el paso de los diferentes solutos, ~ a la necesaria cooperación de las proteínas para seleccionar qué moléculas podrán atravesar la membrana en determinadas condiciones. Los procesos de transporte de sustancias a través de la membrana y la función de los receptores de membrana se incluyen en este tema, antes del estudio de los procesos de señalización celular (Capítulo 1O) y del análisis de los principales procesos metabólicos que se detallarán en la siguiente sección. 160 SECCIÓN · II . · LA ENERGÍA Y LAS ' FUNCIONES CElULARES . 0 INTRODUCCIÓN Fosfatidiletanolamina glicerofosfolípido Las membranas -biológicas son estructuras de gran importancia para las células, que permiten crear compartimentos independientes al mismo tiempo que facilitan el intercambio selectivo de sustancias. La membrana plasmática aísla a las células del medio. En las células eucariotas, existen sistemas de membranas internos con características propias que crean estructuras diferenciadas en las. que se pueden inoependizar ciertas rutas metabólicas. La concentración de sustancias en el interior de un compartimento determinado se puede regular gracias a la presencia de transportadores selectivos. En la membrana también se sitúan receptores que reciben estímulos del exterior y transmiten la información al interior de la célula. Todas la membranas se componen de lípidos y proteínas y comparten una estructura común, aunque existen algunas variaciones que les proporcionan características individuales. En este capítulo, se realiza primero una descripción general de la estructura de la membrana plasmática como modelo de membrana, y se analizan sus características primordiales destacando la importancia de la estructura de los diferentes componentes en la variación de sus propiedades. En un segundo bloque se examinan las principales funciones de la membrana estudiando con más detalle los procesos de transporte. Por último, se hace una breve descripción del mecanismo de acción de los receptores de membrana destacando las características del proceso de unión ligando-receptor. 0 ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CELULAR Esfingomielina esfingolípido Cabeza ) polar Cadenas hidrofóbicas La estructura básica de la membrana plasmática consiste en una lámina de m oléculas de lípidos de naturaleza anfipática. Los fosfolípidos (glicerofosfolípidos y esfingolípidos que contienen fosfato) son los principales constituyentes de las membranas y, tal y como ·se ha visto en el capítulo 3, son moléculas que poseen una zona polar y dos colas apolares, como se esquematiza en la figura 9-1. Los fosfolípidos de membrana son muy variados dependiendo de los ácidos grasos de las cadenas de acilo . Sin embargo, esta composición puede variar baj o diferentes condiciones de nutrición o en condiciones patológicas. El colesterol, también forma parte de la estructura de algunas membranas, como se describe más adelante. Los fosfolípidos de membrana forman bicapas Fosfolípido Figura 9-1. Estructura de los fosfolípidos. Tanto los glicerofosfolípidos como los esfingolípidos son moléculas antipáticas, y se pueden simplificar como una cabeza polar con dos colas hidrofóbicas. La bicapa lipídica aparece de forma espontánea cuando este tipo de moléculas se sitúa en un medio acuoso, debido a que es la disposición más estable que pueden adquirir desde el punto de vista energético. Como se ha visto en el capítulo 1, las moléculas apolares son incapaces de mantener interacciones favorables con moléculas de agua, por lo que en un medio acuoso tienden a agruparse de forma que las interacciones sean mínimas. Este efecto hidrofóbico tiene unas consecuencias diferentes en una molécula totalmente apolar y en una molécula anfipática. En el primer caso la mínima superficie de contacto es una esfera, que es la estructura creada por este tipo de moléculas (gotas de grasa). En el caso, de las moléculas anfipáticas es necesario diferenciar dos tipos de moléculas: • Aquellas que tienen una sola cadena apolar y que presentan una sección transversal cónica (Fig. 9-2a) . • Las que tienen dos cadenas apolares y tienen una sección transversal cilíndrica (Fig. 9-2b). O las moléculas antipáticas con dos cadenas apolares se disponen formando bicapas o liposomas cuando se encuentran en un entorno acuoso. El primer tipo de moléculas tiende a formar micelas cuando se disponen en un entorno acuoso (Fig. 9-2a), ya que es la forma de máxima estabilidad termodinámica en la que se minimiza el número de moléculas de agua ordenadas que se forman en las zonas apolares de las moléculas (Figs. 9.2a y 9.3) qJ e quedan ocultas en un núcleo hidrofóbico, mientras que las zonas polar~s interaccionan con las moléculas de agua. Sin embargo, en las moléculas como los fosfolípidos C:APÍTULO. 9. MEMBRANAS· BIOLÓGICAS Y-TRANSPORTE (a) 161 (e) ! ! --- (b) ! Figura 9-2. Comportamiento de las moléculas antipáticas en un entorno acuoso. (a) La molécula con una sola cola apolar forma micelas. (b) Las moléculas con dos colas apelares forman bicapas lipídicas. En esta estruclura los extremos todavía presentan zonas con una situación desfavorable. (e) Cuando las bicapas adquieren suficiente tamaño forman estructuras selladas, denominadas liposomas, con un núcleo acuoso. que tienen dos cadenas apolares, el mayor volumen ocupado por estas cadenas hace que se dispongan formando bicapas lipídicas en las que sólo existe una zona de interacción desfavorable en los extremos de la lámina (Fig. 9-2b). C uando la superficie es suficientemente grande, esta situación se evita mediante la formación de una estructura esférica con una doble capa de lípidos denominada liposoma que tiene en su interior una cavidad acuosa (Fig. 9-2c). Modelos de membrana biológica La bicapa lipídica es el elemento estructural básico de las membranas y determina sus propiedades fundamentales. Pero las membranas también presentan un com ponente proteico que desempeña un papel destacado en su función. Los primeros modelos de membrana situaban a las proteínas a ambos lados de la bicapa lipídica pero en el modelo actual de membrana, el modelo llamado de mosaico fluido, la bicapa de lípidos presenta proteínas incrustadas que poseen resi- Figura 9-3. Formación de micelas. Como el agua no pueden establecer interacciones con las zonas apelares de las moléculas antipáticas, la formación de micelas hace que disminuya el número de moléculas de agua en el entorno hidrofóbico. ,- 16:2 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Espacie extracelular 1 Figura 9-4. Modelo del mosaico fluido. Existen diferentes posibilidades de distribución de las proteínas sobre la bicapa lípídica: las proteínas integrales pueden atravesar la membrana. o pueden solo incluir un cierto porcentaje en el lado citosólico o extracelular. Las proteínas periféricas solo se asocian a la porción polar de la membrana. O las proteínas y ,los lípidos se desplazan lateralmente en zonas restringidas de la membrana. proteínas periféricas) 1 proteínas integrales Espacio intracelular duos apolares que mantienen interacciones hidrofóbicas con las cadenas de los fosfolípidos y residuos polares en las zonas extracelular y citosólica. Las proteínas integrales se pueden disponer de forma variada. Algunas tienen tres dominios: unp transmembrana, uno citosólico y otro extracelular. Otras solo sobresalen a un lado de la membrana y otras la atraviesan varias veces (Fig. 9-4), pero todas pueden moverse lateralmente en la capa de lípidos. Sin embargo , existen sistemas' para restringir el desplazamiento de lípidos y proteínas en determinados dominios. Propiedades de la membrana La membrana tiende a recuperar su estructura Las fuerzas que m antienen la estructura de bicapa lipídica proporcionan a la membrana su capacidad de autosellado, ya que cualquier exposición de las cadenas hidrofóbicas al medio acuoso sería desfavorable. De esta forma, si se produce un desgarro pequeño en la membrana, la estructura se reorganiza de forma espontánea. Si el efecto es de mayor magnitud, la membrana se fragmenta pero se reconstruye formando vesículas aisladas. El tamaño de las vesículas está condicionado por su flexibilidad, la propiedad que le permite curvarse sin perder su integridad y sin dejar salir su contenido, que se establece en un límite inferior de 25 nm de diámetro . Las membranas biológicas son fluidas O las moléculas se pueden desplazar lateralmente en la bicapa pero los movimientos de una capa a otra son menos frecuentes. Aunque las fuerzas hidrofóbicas mantienen unidas las moléculas individuales de fosfolípidos , éstas pueden desplazarse unas respecto a otras cambiando de posición. Esta posibilidad de movimiento confiere a las membranas su fluidez característica. Los movimientos laterales de las moléculas son más frecú entes y rápidos que los cambios de localización entre la porción externa e interna de la membrana, movimiento denominado de "flip-flop" que ocurre con muy poca frecuencia de forma espontánea (Fig. 9-5). Estos movimientos van a variar en flip-flop (movimiento muy lento y raro) Figura 9-5. Movimientos de los fosfolípidos. Los desplazamientos laterales y los de rotación y flexión son más frecuentes. Sin embargo, el movimiento del lado citosólico al extracelular. o viceversa, es menos frecuente y requiere la acción enzimática. Movimientos de difusión lateral, flexión y rotación (frecuente) -- CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE magnitud dependiendo de factores como la temperatura o la estructura de los d iferentes fosfolípidos que componen la membrana, tal y como se detalla a continuación. 163 (b) (a) Efecto de la temperatura U n aumento de la temperatura produce una mayor movilidad de las moléculas, lo que conlleva un incremento en la fluidez de las membranas. Pero en los anim ales homeotermos las posibilidades de modificar la fluidez de la membrana son limitadas y este control se puede ejercer mediante la variación de otras características. í La presencia de insaturaciones aumenta la fluidez de la membrana T eniendo en cuenta la estructura general de los fosfolípidos descrita en el capítulo 3, hay que destacar que las colas hidrocarbonadas tienen diferente disposición espacial dependiendo de si son saturadas o insaturadas. La presencia de dobles enlaces tipo cis produce un acodamiento en estas cadenas que va a tener im portantes consecuencias en las interacciones entre las diferentes moléculas de la bicapa (Fig. 9-6a). En el caso de las membranas en las que dominan los fosfolípidos con cadenas saturadas, las interacciones enti:e las moléculas serán mayores porque se pueden situar más próximas unas a otras, por lo que la fluidez será escasa (poca movilidad de sus moléculas) (Fig. 9-6b). Sin embargo, cuando dom inan los fosfolípidos con cadenas con insaturaciones las moléculas están más separadas y las membranas son más fluidas (Fig. 9-6c). Figura 9-6. Molécula de fosfolípidos con una cadena insaturada. (a) La insaturación produce un acodamiento en la cadena. (b) En una membrana con fosfolípidos saturados las fuerzas intermoleculares son más intensas y la fluidez menor. (e) La presencia de instauraciones hace que disminuya el número de interacciones proporcionando membranas más fluidas. La longitud de las cadenas hidrocarbonadas Las cadenas de los fosfolípidos presentan una longitud que varía entre 14 y 24 átomos de carbono. Las moléculas con cadenas más largas se mantienen unidas con mayor fuerza ya que el número de interacciones es mayor. Teniendo en cuenta este razonamiento, las membranas con fosfolípidos con cadenas más cortas son más fluidas debido a la mayor movilidad de sus moléculas. La fluidez de la membrana no solo permite la difusión de las moléculas de fosfolípidos sino que también permite el desplazamiento de las proteínas de m embrana. En la situación real de la célula coexisten zonas de mayor fluidez con zonas más ordenadas, menos fluidas. c flas membranas ricas en fosfolípidos que presentan cadenas insaturadas son más fluidas. c flos fosfolípidos con cadenas hidrocarbonadas más largas disminuyen la fluidez de las membranas. El colesterol regula la fluidez de la membrana En las células animales la fluidez de la membrana se regula mediante el efecto del colesterol, que es más abundante en la membrana plasmática que en los sistemas de membranas internos. Esta molécula, plana y rígida, también es anfipática, por lo que tiende a situarse con su grupo hidroxilo en contacto con las zonas polares de los fosfolípidos y su zona apolar entre las cadenas apolares. Pero la molécula de colesterol es más corta que las colas-de los fosfolípidos y ocupa los huecos que se producen entre estas moléculas (Fig. 9-7), creando interacciones con ellos que hacen que la membrana se vuelva menos fluida. El catión Ca2+ disminuye la fluidez de la membrana El el+ interacciona, por fuerzas de atracción electrostáticas, con los grupos fosfato con carga negativa de las cabezas polares de los fosfolípidos . Se reducen así las fuerzas de repulsión que se dan entre estos grupos, lo que incrementa el empaquetamiento de los fosfolípidos. El resultado es una disminución de la fluidez de la membrana. l a bicapa de lípidos es asimétrica Los lípidos de las diferentes membranas son distintos y presentan características semejantes en las células de los animales de cada especie. Las membranas de los axones de las neuronas son ricas en esfingolípidos, y en las de orgánulos como el d El colesterol regula la fluidez de las membranas de las células animales. ~- ~ : U El Ca 2+ reduce la fluidez de las membranas. 164 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA"Y LAS FUNCIONES CELULARES (a) (b) 3 Anillo esteroide plano y rígido 2 E e Cola hidrofóbica Figura 9-7. Efecto del colesterol. (a) Molécula de colesterol. (b) En las células animales el colesterol disminuye la fluidez de las membranas porque aumenta las interacciones al situarse en los espacios que aparecen cuando hay presencia de dobles enlaces en las colas de los fosfolípidos. o retículo endoplásmico abundan los glicerofosfolípidos. La membrana plasmática es la que presenta mayor variabilidad, porque su contenido en colesterol puede variar dependiendo del estado nutricional del animal. La constancia en la distribución de lípidos en cada tipo de membrana sugiere que existe una relación directa con sus funciones específicas. Además, los lípidos no muestran una distribución regular en ambos lados de la bicapa de las membranas biológicas, como se puede ver estudiando los porcentajes de los diferentes fosfolípidos en las membranas plasmáticas de los eritrocitos humanos (Fig. 9-8). La esfingomielina es más abundante en la capa externa y la fosfatidiletanolamina suele estar en la capa interna. Esta asimetría se mantiene gracias a la existencia de unas enzimas específicas denominadas flipasas que catalizan el movimiento de determinados fosfolípidos de un lado a otro de la bicapa. Las proteínas se asocian o se integran en la membrana Aunque la estructura básica de las membranas es la bicapa lipídica, muchas de sus funciones se deben a su componente proteico que supone alrededor de un 50% de la masa total de la membrana. Además de su función como moléculas de transporte de diferentes solutos, las proteínas de la membrana también tienen otras funciones: receptores de señales, función catalítica y función de anclaje de macromoléculas a ambos lados de la membrana. Fosfolípidos de membrana Porcentaje total de fosfolípidos de membrana Distribución 100 Fosfatidiletanolamina 30 Fosfatidilcolina 27 Esfingomielina 23 Fosfati di lseri na 15 Fosfati di linos itol Figura 9-8. Porcentajes de fosfolípidos en la cara externa e interna de eritrocitos humanos. La fosfatidilcolina y la esfingomielina-son · más. abuFldantes en la .. capa externa. ~-~ i_ ;~ :.~ }:~ ' 1_ . ; -·i···: ; ( -~"")~,«.\• ,· .-,_:\ ..... ¡ :-;, . ú~:\-:-<'1 -~- -~~:: ~ ·.~ : ~ .·.~-- . - ~. Fosfatidilinositol-4-fosfato Fosfatidilinositol-4-5-bifosfato Ácido fosfatídico Capa interna o Capa externa 100 CAPÍTULO 9 . · MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE Las proteínas de membrana se clasifican en· integrales y periféricas, según sea su grado de asociación con los lípidos de la bicapa (Fig. 9-9). Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica, por lo que es necesaria la utilización de detergentes o de disolventes orgánicos para su separación del resto de los componentes de la membrana. Estas proteínas establecen interacciones estrechas con los lípidos de la membrana y pueden tener uno o varios dominios transmembrana atravesando la bicapa. Algunas están formadas por estructuras oligoméricas más · · complejas. Las proteínas periféricas se unen mediante interacciones intermoleculares o covalentes, pero no atraviesan la membrana, lo que hace que su aislamiento del resto de los componentes sea más fácil. Un cambio de pH o en la concentración de sales puede alterar las interacciones no covalentes y la acción de enzimas específicas puede romper los enlaces covalentes que las unen a ciertos lípidos sin alterar la estructura general de la membrana. Muchas proteínas periféricas son proteínas globulares solubles. Es importante destacar que todas las proteínas de membrana tienen una orientación específica necesaria para desempeñar su función. Las proteínas se pueden desplazar dentro de la bicapa lipídica gracias a la fluidez de ésta. Sin embargo, se ha comprobado que su movimiento suele estar lim itado a determinadas regiones, lo que hace que se generen dominios de m embrana donde se localizan ciertas proteínas que desempeñan funciones específicas. Las células del epitelio intestinal son un claro ejemplo de la necesidad de esta segregación en dominios específicos, ya que existen transportadores que deben localizarse en la zona apical para la captación de sustancias de la luz intestin al (como el cotransportador de glucosa y Na+ que se describe más adelante) . 165 ~as proteínas integrales atravie- san la bicapa lipídica y las periféricas se mantienen unidas de forma más débil a la zona externa o interna de la membrana. ---- Los carbohidratos forman parte de glucoproteínas y glucolípidos Los hidratos de carbono se encuentran en la membrana en forma de oligosacáridos unidos covalentemente a lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucopro teínas) . Los monosacáridos que forman estas estructuras pueden ser moléculas sencillas como la glucosa, la galactosa, la manosa o azúcares más com plejos como el ácido neuramínico, la N-acetilgalactosamina o la N-acetilglucosamina. PERIFÉRICAS INTEGRALES Transmembrana Unidas a lípidos Unidas a proteínas Figura 9-9. Proteínas de membrana. Las proteínas integrales están firmemente uñidas a la membrana y.[as periféricas pue.den estar uñidas a otras proteínas. · · a~~~~s!~ Dlib101iCA FUN~ADClR ES 166 SECCIÓN 11: LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES membrana plasmática 1 citosol 1 - - Figura 9-10. Localización de los hidratos en el exterior de la membrana plasmática. Como los hidratos de carbono se incorporan en la luz del retículo endoplásmico (RE) y se modifican en la luz del Golgi, el proceso de fusión hace que queden en el lado extracelular. c fExisten oligosacáridos en el lado externo de la membrana plasmática que pueden actuar como receptores o tener funciones de reconocimiento y adhesión celular. cara citosólica cara extra celular Los hidratos de carbono se encuentran siempre en el lado extracelular de la membrana plasmática debido .a su proceso de síntesis. Por ejemplo, los que se asocian a las proteínas transmembrana se incorporan en el retículo endoplásmico (RE) y se modifican en el Golgi. Cuando las vesículas que proceden del Golgi se fusionan a la membrana plasmática, estos hidratos de carbono que estaban orientados hacia la luz del Golgi quedan localizados en la porción extracelular de la membrana plasmática (Fig. 9-10). Estos oligosacáridos tienen funciones como la adhesión y el reconocimiento celular y también pueden actuar como receptores. 0 TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA Las membranas requieren la presencia de proteínas de transporte Como se ha descrito en el capítulo 7, la célula es un sistema abierto que intercambia materia y energía con el medio extracelular, lo cual implica que exista un paso de sustancias a través de la membrana plasmática. Si se tiene en cuenta la estructura de la membrana y la naturaleza de las moléculas involucradas en el metabolismo celular, se puede deducir cuáles pueden pasar por simple difusión a través de la membrana. Los gases como el 0 2 , el C0 2 , las moléculas apolares y las moléculas polares sin carga y de tamaño pequeño (como el agua o el glicerol) pueden atravesar la bicapa lipídica (Fig. 9-11) . La velocidad a la que se realice el transporte dependerá de su naturaleza y su tamaño. Las moléculas con carga a pH fisiológico son incapaces de atravesar la bicapa lipídica ya que requieren la existencia de un entorno molecular con el que puedan establecer interacciones. Por tanto, es necesario que existan estructuras que faciliten el paso de estas moléculas. ~ ~ == Moléculas polares grandes > [> ____J Figura 9-11. Paso de las moléculas por simple ditusión a través de la membrana plasmática. Sólo las moléculas apolares y polares pequeñas pasan por simple difusión . Iones o o ~ \ CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE Proteínas transportadoras 167 Proteínas canal Sitio de unión al soluto - bicapa lipídica Figura 9-12. Tipos de proteínas transportadoras de membrana. Las proteínas transportadoras o carriers establecen interacción con el soluto y cambian de conformación, mientras que los canales iónicos seleccionan por tamaño y carga. Las proteínas transportadoras pueden ser canales o carriers Las proteínas transmembrana son las estructuras que permiten el paso de las sustancias con carga o de mayor tamaño a través de la membrana y pueden ser de dos tipos : canales o proteínas transportadoras (denominadas carrier) (Fig. 9-12) . Los canales son estructuras con un poro hidrofílico que permiten el paso de iones y son selectivos para un determinado tamaño y carga. Tienen dominios especializados en la función de control de la apertura del canal que responden a diferentes estímulos: presencia de ciertos ligandos, variaciones de potencial o fuerzas de tipo mecánico. Suelen ser estructuras oligoméricas con algunos segm entos con estructura de a hélice aunque en algunas membranas (la mitocondrial externa y bacterias) existen canales con un poro de mayor diámetro que están formados por una única cadena con numerosos segmentos con estructura de lámina f3 denominados barriles f3. Las proteínas tipo carrier se unen de forma selectiva a la molécula que transportan y sufren una serie de cambios conformacionales que permiten su paso de un lado al otro de la membrana. El transporte se realiza en las siguientes etapas: c flos canales iónicos son estructuras proteicas que permiten el paso selectivo de iones según su tamaño y su carga. O las proteínas tipo carrier se unen de forma específica a la sustancia que transportan y sufren cambios conformacionales que facilitan el paso de un lado a otro de la membrana. l. Reconocimiento y unión de la molécula específica del transportador 2. Cambio conformacional que hace que el soluto quede orientado al otro lado de la membrana 3. Liberación de la molécula transportada 4. Recuperación de la conformación inicial Parámetros cinéticos de los transportadores tipo carrier Si se compara la velocidad de transporte de una molécula por simple difusión con la velocidad de transporte de la misma molécula facilitada por una proteína transportadora, se comprueba que se produce un aumento de la velocidad. La situación es análoga a la de las reacciones catalizadas por enzimas, explicadas en el capítulo anterior, pero en el transporte, el sustrato es la molécula que se transporta en la situación de partida y el producto es la misma molécula al otro lado de la membrana. Las proteínas transportadoras disminuyen la energía de activación necesaria para que se produzca el transporte de un soluto polar o iónico porque proporcionan una ruta alternativa en la que las interacciones creadas con el transportador son favorables, a diferencia de las interacciones con los fosfolípidos de la bicapa. En el caso de las proteínas transportadoras se pueden estudiar los parámetros cinéticos de la misma forma que se hace en las reacciones enzimáticas. Se define una constante análoga a la Km que se denomina~ que representa la concentración de sustrato a la que el transportador está semisaturado. El transportador alcanza un estado de saturación a elevadas concentraciones de soluto (Fig. 9-13) Y puede verse afectado por la presencia de inhibidores. El transporte de moléculas puede realizarse por transporte pasivo o activo El paso de una sustancia sin carga a un lado u otro de la membrana depende de las concentraciones relativas a las que se encuentre a ambos lados (gradiente O se pueden estudiar los parámetros cinéticos de los transportadores tipo carrier. <lJ 15 ~ e ~ +-' <lJ 'O -g'hV "'0 max ---- ·¡:; o a:; ~ K, [S] transportado Figura 9-13. Cinética del transporte por difusión simple facilitada por un carrier. En la difusión simple (línea azul) la velocidad aumenta al hacerlo la concentración de soluto sin que exista saturación. Los transportadores tipo carrier proporcionan curvas semejantes a las obtenidas en la cinética enzimática donde se observa el efecto . de la saturación (línea rosa). 168 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA-Y LAS FUNCIONES CELULARES (a) Figura 9-14. Fuerzas que determinan el transporte de solutos a través de las membranas. (a) En una molécula sin carga, la fuerza conductora es el gradiente de concentración. (b) En una molécula con carga, el sentido viene marcado por el gradiente electroquímico. Tanto la fuerza del gradiente de concentración (flecha verde) como el potencial eléctrico (flecha azul) conducen al catión al interior de la célula. (e) En este caso el gradiente de concentración favorece la entrada pero el potencial eléctrico actúa en el sentido contrario. O El transporte a favor de gradiente se denomina pasivo, y el que ocurre en contra de gradiente se llama activo. (e) (b) +++ +++ o o o o químico) (Fig. 9-14a). En el caso de una sustancia con carga, el paso viene determinado por la suma del efecto del gradiente químico y de la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana (gradiente electroquímico) (Fig. 9-14b y e). Cuando las moléculas pasan a favor de gradiente, el desplazamiento se considera pasivo porque no requiere un aporte energético extra. Los canales y algunas proteínas tipo carrier facilitan procesos de transporte de este tipo . Pero cuando el transporte se realiza en contra de gradiente, es necesario un aporte energético y el proceso se denomina transporte activo. Este tipo de transporte sólo se da mediante proteínas tipo carrier especializadas. El transporte activo es necesario para mantener la composición iónica intracelular característica y esencial para que la célula realice sus funciones (Tabla 9-1). La fuente de energía utilizada por las proteínas tipo carrier puede ser primaria, como en el caso de los transportadores que usan ATP o luz, o secundaria cuando el transportador acopla la reacción no favorable (en contra de gradiente) con una reacción espontánea (a favor de gradiente). Para que exista esa reacción favorable que se utiliza como fuente de energía, se ha tenido que dar un proceso de transporte activo primario previo y, por este motivo, se denomina transporte activo secundario (Fig. 9-15). En la célula eucariota, el Na+ y el H+ son los principales solutos que se utilizan para el transporte activo secundario. En este tipo de reacciones acopladas, dependiendo del sentido en el que se desplacen los solutos, se pueden diferenciar dos tipos de transporte: el llamado simporte, cuando los dos solutos se transportan en el mismo sentido; y el antiporte, cuando lo hacen en sentidos opuestos (Fig. 9-16). Tabla 9-1. Concentraciones de iones en la célula Iones Concentración intracelular (mM) Concentración extracelular (mM) Na• 5-15 145 K+ 140 5 Mg'• 0,5 1-2 Ca'• 10-4 1-2 w 7 · 1o-s (pH 7,2) 4 · 1o-s (pH 7,4) o- 5-15 110 \ CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE ••• • wn"'wn"'w~~~ 169 Tipos de cotransporte J • \ 1 ~w~~~ IUülllüll!WIIIWllt!ILILWliU!.IlllülllüliWIIW ••• Transporte activo primario 1\ Transporte activo secundario si m porte J Figura 9-15. Transporte activo primario y secundario. En el transporte activo primario la energía proviene de la hidrólisis del ATP y en el secundario proviene del gradiente de concentración que se ha generado con el transporte primario. antiporte Figura 9-16. Tipos de cotransporte. En el simporte los dos solutos de transportan en el mismo sentido y en el antiporte en sentidos opuestos. El transporte pasivo lo facilitan las proteínas transportadoras y los canales Un ejemplo de transporte pasivo facilitado por carrier: el transportador de glucosa de los hepatocitos Los hepatocitos tienen en sus membranas receptores pasivos específicos para o-glucosa en los que su paso se realiza a favor de gradiente de concentración. Como solo se transporta un soluto, este tipo de transportador se denomina tipo uniporte. Después de la ingestión de alimento, cuando los niveles de glucosa en sangre aumentan, el transportador introduce la glucosa al interior de la célula donde puede utilizarse como fuente de energía o almacenarse en forma de glucógeno (véase capítulo 12). En situación de ayuno, la hormona glucagón estimula la hidrólisis del glucógeno, por lo que aumenta la concentración de glucosa en el interior de la célula. Este aumento hace que el transportador actúe a favor de gradiente sacando la glucosa al exterior. Por tanto, el flujo de glucosa se da en ambas direcciones dependiendo de las necesidades del organismo gracias a un transportador pasivo, sin necesidad de gasto energético. c:fEn los hepatocitos la glucosa se transporta gracias a un transportador pasivo uniporte. c:flos canales iónicos oscilan de forma aleatoria entre el estado abierto y cerrado. Los canales iónicos como transportadores pasivos En los canales iónicos, el sentido del transporte viene determinado por el gradiente electroquímico, y su selectividad depende del diámetro del poro y de la naturaleza de los aminoácidos que lo forman. En un canal para el transporte de cationes los aminoácidos que quedan expuestos al poro tendrán densidad de carga negativa para facilitar su interacción con las sustancias que transporta (Fig. 9-l?a) . El mecanismo de transporte de las proteínas tipo canal es diferente al de los transportadores tipo carrier. Los canales oscilan de forma aleatoria entre su estado abierto y cerrado (Fig. 9-l?h) , pero se ven afectados por diferentes estímulos que hacen que se mantengan abiertos más tiempo. La naturaleza de estos estímulos permite realizar una clasificación de los canales en: (a) (b) • Canales regulados por voltaje, que responden a cambios en el potencial de membrana • Canales regulados por ligando, que responden a la presencia de una molé- ~ cula o ligando Cerrado Abierto lnactivado • Canales regulados por estrés, que responden a estímulos mecánicos '-----------------' El transporte activo de solutos requiere un aporte de energía las células animales bombean Na+ al exterior gracias a la bomba de sodio-potasio La bomba de sodio-potasio es uno de los transportadores activos primarios más conocidos. Se trata de una proteína tipo carrier formada por dos subunidades: a Figura 9-17. Estructura de los canales iónicos. El interior de los canales debe tener la naturaleza necesaria para permitir la interacción con la sustancia transportada. (a) En este caso un catión de Na+ interacciona con átomos con densidad de carga negativa. (b) Se muestra las respuestas de un canal a diferentes señales. 170 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS ·FUNCIONES CELULARES y 13 que se asocian formando un tetrámero (a 2 ¡32 ). Su función es el transporte, en contra de gradiente electroquímico, de Na+ al exterior celular y de K+ al citoplasma, que ocurre gracias a la energía que aporta la hidrólisis de ATP. Por cada · molécula de ATP hidrolizada se transportan 3 Na+ al exterior y se introducen 2 ~. Es la propia proteína transportadora la que posee también actividad como enzima ya que cataliza la hidrólisis del ATP (ATPasa) . El transporte de estos cationes sigue la siguiente secuencia (Fig. 9-18): l. En la conformación abierta hacia el interior se produce la fijación de los c !La bomba de sodio-potasio genera una elevada concentración extracelular de Na+ y una elevada concentración de K+ en el citoplasma. cationes Na+ en un lugar específico. 2. La unión de estos cationes desencadena la actividad ATPasa, con lo que el ATP se hidroliza en ADP y un grupo fosfato que se une al transportador. 3. La unión del grupo fosfato produce un cambio de conformación en la proteína transportadora que hace que el Na+ quede expuesto al lado extracelular. El cambio de conformación también produce una disminución de afinidad del transportador por el Na+ que es liberado en el exterior de la célula. 4. En esta conformación, el lugar de fijación del ~ queda expuesto hacia el lado extracelular. El K+ se une y desencadena la eliminación del grupo fosfato. S. La desfosforilación provoca una vuelta a la conformación inicial del transportador 6. Se produce la liberación del K+ al citosol, y queda de nuevo expuesto el sitio de unión del Na+ en la cara citosólica. La acción de esta bomba, presente en las células animales, hace que la concentración de Na+ sea muy elevada en el exterior, tal y como se mostraba en la tabla 9-1 (Recuadro 9-1). El gradiente de Na+ como fuente de energía secundaria Este gradiente de Na+ creado por la actividad de la bomba de sodio-potasio es utilizado por algunas bombas de transporte activo secundario en las que se acopla la reacción favorable de entrada del Na+ al interior de la célula con la entrada de Fluido extracelular Citoplasma Figura 9-18. Etapas de actuación de La bomba de sodio-potasio. Los diferentes pasos se describen detalladamente en el texto. CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y TRANSPORTE 171 Recuadro 9-1. la ouabaína puede estimular el músculo cardíaco La ouabaina (que significa "veneno de flecha" en somalí) es un glucósido que se une a la parte externa de la proteína transportadora de la bomba de sodio-potasio. en el lugar de fijación del K•, impidiendo los cambios de conformación necesarios para que se produzca el transporte. El bloqueo de la bomba produce un aumento del Na• intracelular, y para recuperar el equilibrio la célula expulsa Na• utilizando la bomba de sodio-calcio, que transporta el Na• al exterior e introduce Ca 2• (mediante un sistema antiporte). A dosis adecuadas de ouabaína, este aumento de la concentración de Ca 2• intracelular estimula la contracción muscular. otro soluto en contra de su gradiente (reacción desfavorable). Un ejemplo de este tipo de transportadores se encuentra en la zona apical de los enterocitos del epitelio intestinal. Estos transportadores introducen la glucosa en la célula en contra de gradiente gracias al transporte en el mismo sentido de los cationes de Na+ (Recuadro 9-2). Recuadro 9-2. El tráfico de glucosa en las células epiteliales del intestino Las células epiteliales del intestino sirven de ejemplo para ver cómo una combinación específica de transportadores tipo carrier mantiene reguladas las necesidades celulares de un determinado soluto, la glucosa, en diferentes situaciones del organismo. Estas células se encargan de captar glucosa de la luz intestinal y lo hacen mediante un sistema de cotransporte activo secundario unidireccional, tipo simporte, situado en la zona apical de la célula. Esta proteína introduce glucosa en la célula desde la luz intestinal. aunque la concentración en ésta sea menor que en el interior celular (por ejemplo, después de una comida con escasa glucosa). gracias a la fuerza impulsora del Na• (a favor de gradiente), que arrastra a la glucosa al interior de la célula. De esta manera se mantienen de forma continua elevados niveles de glucosa intracelulares que permiten que sea distribuida a otros tipos celulares a través de la sangre. La glucosa abandona la célula gracias a la presencia de transportadores pasivos en la zona basal de la célula que actúan a favor de gradiente. Cualquier proceso que colapse la bomba de Na•/K+ repercutirá en la regulación de la concentración de Na•. y por lo tanto, en la captación de glucosa en las células intestinales. De ahí que la bomba Na•/K+ se considere un transporte primario y el simporte Glucosa/Na+ se denomina secundario. El potencial de membrana se genera por el flujo de iones a través de la membrana Las membranas plasmáticas presentan un potencial de membrana que surge como consecuencia de la distribución de los iones en el medio extracelular e intracelular y que se genera por la actuación de los diferentes transportadores presentes en la membrana. Como se ha descrito, la acción de la bomba de sodio-potasio hace que la concentración intracelular de K+ sea muy elevada por lo que este catión tiende a salir de la célula a favor de 9radiente. Además, en la membrana plasmática existen numerosos canales de K, denominados canales de fuga de K que, en condiciones de reposo, permanecen abiertos más tiempo que otros canales iónicos. Esto hace que los cationes K+ salgan de la célula _a favor de gradiente y se genere un déficit de carga positiva en el interior celular (Fig. 9-19). La fuga de K+ se detendrá cuando la fuerza del gradiente químico se iguale con la fuerza contraria creada por el potencial eléctrico negativo que se crea en el interior celular. Esto ocurre a un valor de potencial de membrana que oscila entre -20 y -200 milivoltios (mV). (a) + + + + + + - (b) + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - + + + + + - + + + + + - - + - + + + + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - Figura 9-19. Potencial de membrana. (a) Membrana en reposo . (b) El potencial se genera por la salida de los K+ por los canales de fuga , lo que crea una descompensación de cargas que genera un potencial de membrana negativo en el interior celular. --172 SECCIÓN 11 . LA ENE_RGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES 0 o-L~s receptores de membrana son proteínas que se unen a un ligando específico. Esta unión inicia una respuesta celular. RECEPTORES DE MEMBRANA Las células poseen un gran número de proteínas de membrana que actúan como receptores y que responden ante diferentes estímulos con el inicio de una respuesta celular específica. Los receptores pueden estar en la membrana plasmática o en membranas intracelulares. Las moléculas que desencadenan el estímulo se denominan ligandos y- pueden ser generadas en la misma célula y actuar en una membrana de la misma c;élula, o pueden ser generadas por células diferentes. Si los ligandos son moléculas cargadas o de gran tamaño (algunos péptidos) solo pueden actuar sobre la membrana plasmática, ya que no pueden atravesarla. Sin embargo, moléculas apolares como los esteroides pueden pasar por difusión simple. La unión del ligando al receptor es muy específica y se puede comparar con la unión de una enzima a un sustrato, aunque en este caso el ligando no sufre modificaciones químicas. A medida que aumenta o disminuye la concentración del ligando en el medio, se produce una asociación o disociación al receptor. Los receptores de membrana son diferentes en distintos tipos celulares, por lo que un mismo ligando tiene diferente efecto en tejidos distintos . Un ejemplo de esta situación es el efecto de la insulina, que activa el metabolismo de la glucosa en el músculo y en el h ígado pero no en otros tejidos . La función de los receptores se verá con más detalle en el capítulo 10. CONCEPTOS CLAVE Las membranas biológicas son estructuras de gran importancia para las células que permiten crear compartimentos independientes al mismo tiempo que facilitan el intercambio selectivo de sustancias. o La existencia de receptores de membrana permite la generación de respuestas celulares ante determinados estímulos. o Los principales constituyentes de las membranas biológicas son los fosfolípidos y las proteínas. o Los fosfolípidos son molécula antipáticas con dos cadenas apelares que se disponen formando bicapas o liposomas cuando se encuentran en un entorno acuoso. o El modelo actual de membrana biológica es el de mosaico fluido: en la bicapa lipídica se integran las proteínas que pueden establecer un mayor o menor grado de interacción con los fosfolípidos. o Las moléculas se pueden desplazar lateralmente en la bicapa, pero los movimientos de una capa a otra son menos frecuentes y necesitan la acción de enzimas específicas denominadas flipasas. o La fluidez de la membrana está condicionada por varios factores: temperatura, longitud de las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos y presencia de insaturaciones. En las células animales también está condicionada por la presencia de colesterol. o La presencia de Ca 2+ reduce la fluidez de las membranas. o La bicapa de lípidos es asimétrica y presenta diferente composición en el lado externo e interno. o Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica y las periféricas se mantienen unidas de forma más débil a la zona externa o interna de la membrana. o Existen oligosacáridos en el lado externo de la membrana plasmática que pueden actuar como receptores o tener funciones de reconocimiento y adhesión celular. o La membrana plasmática es permeable a sustancias apelares y polares pequeñas, y necesita proteínas transportadoras para el paso de moléculas polares grandes y sustancias con carga. o Los canales iónicos son estructuras proteicas que permiten el paso selectivo de iones según su tamaño y su carga. o Las proteínas tipo carrier se unen de forma específica a la sustancia que transportan y sufren cambios conformacionales que facilitan el paso de un lado a otro de la membrana. o Los parámetros cinéticos de los transportadores tipo gue la cinética de Michaelis-Menten. 1 carrier son análogos a los de una reacción enzimática que si- CAPÍTULO 9. MEMBRANAS BIOLÓGICAS Y. TRANSPORTE 173 o El paso de una sustancia sin carga a un lado u otro de la membrana depende de las concentraciones relativas a las que se encuentre a ambos lados (gradiente químico). o En el caso de una sustancia con carga, el paso viene determinado por la suma del efecto del gradiente químico y de la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana (gradiente electroquímico). o El transporte a favor de gradiente se denomina pasivo, y el que ocurre en contra de gradiente se llama activo. o La fuente de energía utilizada por las proteínas tipo carrier puede ser primaria, como en el caso de los transportadores que usan ATP o luz, o secundaria cuando el transportador acopla la reacción no favorable (en contra de gradiente) con una reacción espontánea (a favor de gradiente). 0 o Las membranas plasmáticas presentan un potencial de membrana que surge como consecuencia de la distribución de los iones en el medio extracelular e intracelular y que se genera por la actuación de los diferentes transportadores presentes en la membrana. o Las células poseen un gran número de proteínas de membrana que actúan como receptores que responden ante diferentes estímulos con el inicio de una respuesta celular específica. EJERCICIOS Se han analizado los parámetros cinéticos del transportador de glucosa de los eritrocitos para diferentes sustratos y se han obtenido los siguientes datos: K, = 1,5 mM para la o-glucosa K, = 20 mM para la o-manosa K, = 30 mM para la o-galactosa Teniendo en cuenta que la concentración habitual de glucosa en sangre es 5 mM , explique el significado de los parámetros cinéticos obtenidos. SOLUCIÓN Los valores de K, para los dos epímeros de la o-glucosa son mucho mayores, lo que indica que el transportador de glucosa muestra una elevada especificidad por su sustrato, ya que un valor mucho mayor de K, refleja una afinidad mucho menor de este transportador por la manosa y la galactosa. Para transportar la galactosa y la manosa a la misma velocidad que la glucosa, se requiere una concentración de soluto mucho mayor (20 ó 30 mM en lugar de 5 mM). liD Indíquese algún mecanismo mediante el cual los organismos procariotas puedan regular la fluidez de su membrana. DI Indíquese cómo sería la secuencia de aminoácidos de una proteín a transmembrana que atraviesa la membrana c;_on una estructu ra secundaria de a hélice. DI Una proteína de membrana interacciona con las cabeza s polares de los gangliósidos. ¿Podría esa misma proteína interaccionar con la fosfatidiletanolamina ? ~ Indíquese cómo se orienta una proteína transmembrana que se encuentra N-glucosilada, atraviesa una sola vez la memb rana y sólo presenta un residuo de Asn en su extremo e-terminal. 0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 111111 Si el paso de una sustancia desde el exterior al interior celular una I'>.G de -24 kj/ mol. La sustancia entrará en la célula de forma espontánea. La su stancia saldrá de la célula de forma espontánea. La sustancia solo podrá entrar espontáneamente si se aporta energía. d) El paso de una sustanci a a través de una membrana es independiente de la variación de energía libre. tiene a) b) e) liD Un ión con carga positiva: a) Podrá pasar a través de la membrana por difusión simple. b) Podrá atravesar la membrana facilitado por una proteína transportadora. e) Al tener naturaleza polar con carga atravesará libremente la membrana. d) Todas las opciones son falsas. DJI Una proteína transmemb ranal: a) Es una proteína integral de membrana. b) Tiene al menos una parte hidrofóbica Y. dos partes polares. 1i e) Se pueden sEtparar de la membrana desestabilizando las interacciones hidrofóbicas. d) Todas las opciones son ciertas. DI Los fosfoglicéridos: Forman micelas de forma espontánea al poseer un a sola cola hidrofóbica. b) Forman liposomas debido a las dos colas hidrofóbicas y la cabeza polar. . e) Son molécula s hidrofóbicas y no pueden formar bicapas. d) Son moléculas polares que pueden estar libremente en el citoplasma. a) 174 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES .O Una membrana rica en ácidos grasos insaturados: a) Será más rígida que una membrana con ácidos grasos saturados. b) Será más fluida que una membrana con ácidos grasos saturados. e) Será más rígida cuanto mayor sea la temperatura a la que se en·cuentre dicha membrana. d) La fluidez de la membrana es independiente de la naturaleza de los ácidos grasos. II!D El colesterol: Es un componente básico de la membrana de las células animales. b) Es una molécula antipática. e) Regula la fluidez de la membrana al intercalarse entre los espacios que dejan las colas de los fosfoglicéridos. d) Todas las opciones son ciertas. a) liD Una proteína tipo carrier presenta un valor K, = S mM para un soluto A y un valor de 15 mM para un soluto B: a) Para una concentración de 1O mM, A entra más deprisa · que B. b) Para una concentración de 1O mM, B entra más deprisa que A. e) A y B entran a la misma veloCidad . d) Los valores de K, representan la espontaneidad del sistema de transporte . 1111 En las células de la mucosa intestinal: a) La glucosa entra por difusión simple desde la luz del intestino. b) La glucosa entra desde la luz del intestino por un sistema simporte facilitado por la entrada de Na•. e) La glucosa entra desde la luz del intestino facilitado por un canal Na•. d) La glucosa sale del intestino a la sangre por un sistema de transporte activo. llill El potencial de membrana se genera: Por la diferente distribución de los iones a ambos lados de la membrana, gracias a la acción de los diferentes proteínas transportadoras. b) Por la gran cantidad de cargas negativas de las proteínas en la cara citosólica. e) De forma espontánea, sin necesidad de energía. d) De forma independiente a la bomba de Na+/K+, ya que cuando se inhibe la bomba, el potencial se mantiene inalterado. a) mJI Un receptor insertado en una membrana: a) Si está glucosilado, el azúcar se orientará en la cara citosólica. b) . Si está glucosilado, el azúcar se orientará en la cara extracelular. e) Se unirá a una señal externa por la porción transmembranal. d) Une cualquier ligando de forma inespecífica. .· \ SEÑALIZACIÓN CELULAR o CONTENIDOS o o o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Comprender los principios fundamentales en los que se basa la comu- Introducción nicación entre células. Conceptos básicos de señalización celular o Sistemas de transducción o o Conocer la diversidad de sistemas de señalización celular. o Entender el importante papel que juega la señalizacíón celular para el funcionamiento correcto y coordinado de todo el organismo. de señales o o Rutas de señalización Integración de señales · Familiarizarse con la enorme variedad de respuestas celulares que pueden desencadenarse tras la llegada de una molécula señal o ligando y cómo las células pueden ejecutar estas respuestas. r Todo organismo vivo debe ser capaz de reconoce r el ambiente que le rodea y detectar los cambios que se producen para así responder de una forma adecuada. Los capítulos previos (Capítulos S, 8 y 9) habrán proporcionado los conocimientos necesarios para comprender los mecanismos moleculares que va a experimentar la célula diana al recibir una señal desde el exterior. En los organismos pluricelulares, la información debe ser transmitida al resto de las células que forman el organismo, por lo que se hacen necesarios distintos sistemas de comunicación o señalización celular. Por otro lado, estos sistemas de señalización también han sido adaptados para coordinar en el espacio y en el tiempo la proliferación celular, la diferenciación y la organización de las células resultantes en tejidos y órganos. En definitiva, son imprescindibles para el 5=orrecto funcionamiento de todo el organismo. ~,. ~ El conocimiento en los distintos mecanismos de señalización celular es fundamental para entender los sistemas de control . del metabolismo y la regulación de la expresión génica que sé' describirán en las siguientes secciones, dando las claves necesarias para comprender la biología de los organismos vivos, así como las alteraciones que se producen en distintas situaciones patológicas. 176 SÉCCIÓN 11. LA ENERGÍA v· LAS FUNCIONES CELULARES 0 O los receptores de se ñales son proteínas, generalmente integra les de membrana, que se unen específicamente a moléculas señales y desencadenan la respuesta celular. O cada tipo celular responde de una forma concreta a una determinad a señal. La respuesta celular depende rá del conjunto de proteínas que exprese dicha célu la. Hay respuestas celula res generales a todos los tipos celulares (proliferación, dife renciación, supervivencia) y otras específicas que dependerán de la fun ción que desempeña cada tipo celular. INTRODUCCIÓN Hace ·3,5 millones de años ya existía la vida en la Tierra como formas unicelulares bastante parecidas a las células p rocariotas que existen actualmente. Estos microorganismos tuvieron que desarrollar complejos sistemas que les permitieran comprobar y reconocer los cam bios que se producían en su entorno (cambios tales como variaciones de temperatura y pH, presencia de nutrientes o presencia de otros microorganismos) y así responder de una manera adecuada a estos cambios. Varios millones de años después surgieron los organismos pluricelulares, que contienen distintos tipos celulares originados a partir de divisiones sucesivas de una única célula. Cada tipo celular se especializó en una función concreta aportando ciertas ventajas evolutivas a los organismos pluricelulares . Para conseguir esta organización tuvieron que aparecer sistemas que mantuvieran unid as a las células y, por supuesto, sistemas que permitieran una comunicación entre las diferentes células, para que éstas trabajaran de manera coordinada consiguiendo un funcionamiento correcto de todo el organismo. Los mismos mecanismos que empleaban las células para reconocer el ambiente exterior fueron adaptados para la comunicación celular. Estos mecanismos se basan en proteínas de la membrana plasmática, conocidas como receptores de membrana, que se unen específicamente a moléculas del exterior. Una vez que se produce esta unión, el receptor va a influir en la actividad de distintas proteínas intracelulares desencadenando la respuesta celular. Este proceso se conoce como transducción de la señal. Pero-, ¿cómo llevan a cabo las proteínas la respuesta celular ordenada por la señal? La llegada de la señal va a tener como consecuencia la activación/inhibición de un amplio conjunto de enzimas. Muchas de estas enzimas son reguladas por cambios estructurales inducidos por la unión de alguna molécula (unión del 2 ligando a su receptor, unión de Ca + a diversas enzimas, etc.) y otras son reguladas por modificaciones reversibles, como la unión covalente de un fosfato en algún aminoácido de su secuencia. Por ejemplo, los linfocitos B responden al reconocimiento de ciertos antígenos (molécula externa que dispara o desencadena la respuesta inmune) sintetizan do grandes cantidades de anticuerpos. Cuando el receptor de membrana de la célula B se une al antígeno, se inicia la activación secuencial de distintas proteínas implicadas en disparar los mecanismos de síntesis de proteínas. Debe producirse la activació'n de factores de transcripción, es -decir, proteínas que se unen específicamente a secuencias reguladoras del DNA e inician la síntesis de RNA mensajeros (transcripción). Dicho RNA mensajero transporta, hasta el ribosoma, la información necesaria para sintetizar un tipo de anticuerpo en concreto, aquel capaz de unirse al antígeno detectado y neutralizarlo. Existen innumerables ejemplos de posibles respuestas celulares. Cada tipo celular está especializado en una función, por lo que posee respuestas celulares específicas, como puede ser la secreción de anticuerpos por los linfocitos B, la secreción de hormonas por distintas glándulas, la contracción muscular, la transmisión del impulso nervioso a través de las neuronas, la absorción de nutrien tes por las células epiteliales que recubren la pared del intestino, y así un largo etcétera. Pero se diferencian cuatro tipos de respuestas gen erales en cualq uier tip o celular: • Proliferación: Los factores d e crecimiento son señales extracelulares (presentes en el suero sanguíneo) que disparan la progresión del ciclo celular, es decir, duplicación del DNA y entrada en mitosis. • Diferenciación: Cada tipo celular presenta unas estructuras y una morfología características y especializadas en una función concreta. Puesto que toda célula de un organismo se ha originado a partir de divisiones sucesivas de una única célula, debe sufrir distintos cambios morfológicos que le perm itan llevar a cabo su función. Este proceso se conoce como diferenciación, e implica la síntesis de proteínas que van a constituir las diferentes estructuras celulares, como p uede ser el axón de un a neuron a, la~ fibras contráctiles en un célula muscular o los distintos transp ortadores de membrana que presenta una célula del epitelio intestinal. ... ,, - . . CAPjTULO 10. SEÑALIZACIÓN, CEL_ULAR • Supervivencia: Se ha comprobado mediante ensayos con células en cultivo. que la ausencia de factores de creCimiento provoca que la célula entre én apoptosis (muerte celular programada). Parece ser que toda célula está programada para morir si no recibe señales que le indiquen lo contrario. Así, los factores de crecimiento regulan tanto la supervivencia como la proliferación celular, representando un complicado mecanismo por el cual el organismo controla el número y tipo de células que lo forman. • Apoptosis: En ausencia de factores de crecimient0, o ante la llegada de otras señales, la célula puede iniciar una serie de mecanismos que van a llevar a su muerte, como son la ruptura del DNA y la degradación de todos los componentes celulares. A diferencia de la necrosis, en la que lacélula muere de forma accidental liberando su contenido celular al exterior, el cual puede provocar ciertas lesiones y disparar la respuesta inflamatoria, la apoptosis es una muerte programada y limpia: todos los componentes celulares acaban encerrados en -vesículas que son eficientemente eliminadas por los fagocitos. La apoptosis es otro mecanismo imprescindible para controlar el número celular y juega un papel crucial durante el desarrollo del organismo. 177 •' En este capítulo se describirán los mecanismos básicos de señalización celular y el importante papel que juega en multitud de procesos fisiopatológicos, terminando con distintos ejemplos de las rutas de señalización ·mejor caracterizadas. 0 CONCEPTOS BÁSICOS DE SEÑALIZACIÓN CELULAR Las células emisoras secretan moléculas señal T odos los mecanismos de señalización comparten un esquema general de funcionamiento: la célula emisora secreta una señal química al exterior celular; esta señal o ligando puede recorrer una distancia más o menos larga hasta que encuentra una célula receptora o célula diana; entonces se unirá específicamente a su receptor de membrana iniciando una respuesta celular concreta (Fig. 10-1). El mecanismo por el cual el receptor transforma una señal extracelular en una n ueva señal ·intracelular se conoce como transducción de señales. La mayoría de las señales químicas son de naturaleza polar, por lo que no p ueden atravesar la membrana celular (señales extracelulares), aunque hay cierto n úmero de señales hidrofóbicas capaces de introducirse en la célula y allí activar a su receptor especifico (señales intracelulares) . El oxido nítrico (NO) es un ej emplo de señal liposoluble que d ifunde desde el interior de la célula que lo p roduce hasta las células vecinas. No recorre mucha distancia ya que rápida- c:flas señales pueden ser de muy distinta naturaleza: señales químicas extracelulares e intracelulares como iones, aminoácidos, azucares, lípidos, nucleótidos, péptidos, hormonas, así como señales físicas tales como la luz o tensiones. En todos los casos una proteína receptora se encarga de la transducción de la señal. (a) Célula emisora (b) .,.,.. / Receptor de membrana Transducción de la señal Receptor de membrana Célula receptora o célula diana Molécula señal o ligando ............ ' División Diferenciación Migración Supervivencia - Figura 10-1. Esquema básico de señalización celular. (a) La célula emisora secreta al exterior celular moléculas señal que viajarán por el espacio extracelular o por el torrente sanguíneo hasta alcanzar una célula diana. (b) La molécula señal se une específicamente a un receptor de membrana, proteína que en el interior de la célula va a desencadenar la respuesta celular al regular la actividad de ' muchas otras proteínas. 17.8 SECCIÓN 11. ~ ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES O En la mayoría de los casos los receptores nucleares funcionan como factores de transcripción que se unen al DNA regulando la expresión de distintos genes celulares y de esta forma la célula sintetiza las proteínas necesarias para la respuesta celular. mente reacciona con el agua y el oxígeno del exterior celular. Las células endoteliales que forman las paredes de los vasos sanguíneos son capaces de generar NO en respuesta a la llegada de un impulso nervioso . El gas difunde alcanzando a las células de músculo liso que rodean las paredes del vaso y consigue disminuir la presión sanguínea al provocar la relajación en estas células. Por eso distintos tratamientos frente a enfermedades cardiovasculares implican el uso de nitratos que van a generar NO en el organismo y así inducen una vasodilatación y una disminución de la presión sanguínea. Otro ejemplo de señales liposolubles son algunas hormonas que van a introducirse en el núcleo celular donde encontrarán a su receptor. El receptor nuclear es, a su vez, un factor de trancripción capaz de regular la expresión de distintos genes una vez que se ha unido a su ligando. De esta forma se sintetizan los RNA mensajeros y a partir de éstos las proteínas específicas necesarias para ejecutar la respuesta celular. La naturaleza de las señales extracelulares es muy diversa. Se pueden encontrar desde iones, aminoácidos, azucares, nucleótidos y principalmente péptidos y hormonas (también de naturaleza peptídica pero de mayor tamaño) hasta señales físicas como pueden ser la luz o tensiones mecánicas. las señales se pueden clasificar en función de la distancia recorrida En función de la distancia entre la célula emisora y la célula receptora se puede clasificar la señalización como: • Endocrina: La célula emisora es una célula secretora capaz de sintetizar hormonas y liberarlas al torrente sanguíneo desde donde se distribuirán por todo el organismo (Fig. 10-2a). Las hormonas son almacenadas en (a) .... (b) Célula emisora Figura 10-2. Tipos de señales entre células. (a) La señalización endocrina la llevan a cabo células secretoras que constituyen las glándulas. especializadas en sintetizar y secretar un tipo de hormona al torrente sanguíneo, desde donde se distribuirán por todos los tejidos. (b) A través de la señalización autocrina/ paracrina las células que componen un tejido se pueden comunicar para funcionar de forma coordinada. (e) En la señalización neuronal, la señal (transmisión del impulso nervioso + neurotransmisores) recorre largas distancias en muy poco tiempo. (d) En la señalización dependiente de contacto, tanto la molécula señal como el receptor se encuentran anclados en la membrana celular. (e) (d) e- ~ - \ CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR vesículas secretoras hasta que la célula recibe la orden de secretadas; esta orden puede venir dada en forma de impulso nervioso o por otros mecanismos. Un ejemplo de señalización endocrina lo encontramos en las células ~ del páncreas, que responden a concentraciones elevadas de glucosa en sangre, producida tras la ingesta de alimentos. La entrada de glucosa en estas células provoca la liberación de la insulina almacenada, que viajará . hasta las células diana provocando distintas respuestas. En las células de ' hígado y músculo la respuesta a la insulina será bloquear las rutas de degradación de glucógeno y activar las rutas de síntesis para almacenar la glucosa recién ingerida. Sin embargo, en el tejido adiposo se bloqueará la lipolisis (degradación de triglicéridos para la obtención de energía). Cada tipo celular va a actuar de una forma adecuada a la llegada de nutrientes gracias a la señal de la insulina consiguiendo una respuesta coordinada de todo el organismo. • Paracrina: En este caso la célula emisora y las células receptoras se encuentran próximas (Fig. 10-2b). La señal viaja por el medio extracelular sin llegar muy lejos, ya que queda atrapada en la matriz extracelular y rápidamente es secuestrada por los receptores de las células diana o degradada por enzimas presentes en la matriz. En la mayoría de los casos la célula emisora también presenta receptores en su membrana que reconocen a la molécula secretada; en este caso la señalización es autocrina y la célula responde a las señales que ella misma envía. Este tipo de comunicación (paraerina y autocrina) juega un papel importante durante el desarrollo embrionario, consiguiendo que células idénticas y próximas en el espacio tomen las mismas decisiones y lo hagan de manera coordinada. • Neuronal: Tanto en la señalización endocrina como paracrina el tiempo que tardan las señales en llegar a la célula diana puede ser demasiado largo. Los organismos pluricelulares han necesitado desarrollar un mecanismo de comunicación que recorra grandes· distancias rápidamente, para poder coordinar los distintos sistemas celulares. Este proceso lo llevan a cabo las neuronas, capaces de emitir largas prolongaciones de su membrana plasmática (dendritas y axón) y ponerse en ~ontacto con otras células mediante la sinapsis neuronal. La transmisión del impulso nervioso puede alcanzar velocidades de hasta 100 m/s. Cuando el impulso (señal eléctrica) llega al terminal presinaptico provoca la liberación de neurotransmisores (señal química) en la hendidura sináptica y estos alcanzan a la célula diana (célula postsináptica) en cuestión de un nanosegundo (Fig. 10-2c). A diferencia de las hormonas y otras señales químicas que son efectivas a bajas concentraciones [10-8 M] los neurotransmisores tienen muy baja afinidad por su receptor; esto no es un problema ya que es fácil conseguir altas concentraciones de neurotransmisor en la diminuta hendidura sináptica [10-4 M] y de esta forma es más rápida la terminación de la señal, al eliminarse el neurotransmisor por mecanismos de degradación o recaptura (la neurona presináptica endocita el exceso de neurotransmisor). La célula diana puede ser otra neurona que va a transmitir un nuevo impulso nervioso en respuesta a la llegada del neurotransmisor. También podría tratarse de una célula muscular, que se va a contraer o relajar, o de una célula secretora que responde liberando sus vesículas. De esta forma el sistema nervioso se comunica con el resto del organismos para que lleve a cabo sus órdenes. • Dependiente de contacto: Otro tipo de señalización importante durante el desarrollo y el mantenimiento de los tejidos es la señalización dependiente de contacto. En este caso la molécula señal está de alguna manera anclada a la membrana de la célula emisora (Fig. 10-2d). El mensaje que llega a las células contiguas puede ser el de diferenciarse en otro tipo celular distinto al de la célula emisora; de esta manera se consigue la diversidad celular que suele encontrarse dentro de un mismo tejido. También las células del sistema inmune conectan mediante su receptor de membrana con moléculas de la superficie celular de otras células del organismo. Esta es la base del reconocimiento celular, a través del cual las células del sistema inmune diferencian entre células propias y células ajenas o invasoras. También son capaces de reconocer si una célula ha sido infectada por un virus, ya que 179 o -Las células que componen un organismo pluricelular están continuamente comunicándose entre sí, a través de los distintos mecanismos descritos, para conseguir un funcionamiento correcto y coordinado de todos los sistemas y órganos. 180 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y -LAS FUNCIONES CELULARES dicha célula presentará unas moléculas específicas en su membrana que así se lo indicarán. 0 SISTEMAS DE TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Un sistema de transducción de señales se compone de una molécula señal o ligando, un receptor celular que se va unir específicamente a dicho ligando y un conjunto de enzimas efectoras intracelulares que, en respuesta a la activación del receptor, van a generar una nueva señal, pero en este caso la señal es intracelular y regulará distintas proteínas diana que son las encargadas de llevar a cabo la respuesta celular. Los receptores son proteínas de membrana que se encargan de transmitir la señal al interior celular O la transducción de la señal o transformación de una señal extracelular en una señal intracelular, se consigue mediante cambios conformacionales del receptor inducidos por la unión con su agonista específico. t JLos receptores acoplados a proteínas G participan en el sentido de la visión. Las células de la retina presentan en su membrana receptores acoplados a proteínas G que responden a la llegada de luz. Cuando la luz incide en el receptor, éste sufre un cambio conformacional que activa a la proteína G asociada, iniciándose una cascada de señales que culmina con la transmisión del impulso nervioso desde la célula de la retina hasta el cerebro. Los receptores son proteínas que atraviesan la membrana plasmática. Su dominio extracelular está especializado en unirse a una molécula con gran afinidad y de manera específica. Cada receptor reconoce a una sola molécula o a uQas pocas, por lo tanto en el genoma existen cientos de genes que codifican receptores de membrana. Ligeras diferencias estructurales en los ligandos que se unen al receptor pueden desencadenar efectos opuestos: los ligandos que al unirse activan al receptor reciben el nombre de agonistas, mientras que los que lo bloquean impidiendo responder a otras señales se llaman antagonistas. La unión de un agonista a su receptor va a provocar ligeros cambios en su estructura que se transmitirán hacia el dominio intracelular. En este sentido se pueden encontrar tres tipos básicos de receptores de membrana que se diferencian en los mecanismos que utilizan para llevar a cabo la transducción de la señal, aunque en los tres casos el fin es regular la actividad de múltiples enzimas efectoras, que llevarán a cabo la respuesta celular: Receptores acoplados a proteínas G heterotriméricas (GPCRs). El cambio de estructura que sufre el receptor activa su dominio intracelular con lo que adquiere la capacidad de unirse y activar a las proteínas G heterotriméricas (Fig. 10-3a). Todos los receptores de esta familia presentan una estructura común con siete dominios atravesando la membrana, un dominio extracelular N-terminal y un dominio intracelular C-terminal. Las proteínas G están constituidas por tres subunidades (a, 13 y y) que forman un trímero asociado a la cara citosólica de la membrana, mediante la unión covalente de ácidos grasos. La subunidad Ga tiene actividad GTPasa; esta enzima se mantiene inactiva mientras presenta GDP en su centro activo y se encuentra asociada al dímero ¡3y. Ante la llegada del agonista y la activación del receptor, éste desencadena la' activación de la proteína G al inducir la salida de GDP y la entrada de GTP. La entrada de este nucleótido provoca un cambio de estructura que rompe el trímero y permite que la subunidad Ga por un lado y el dímero ¡3y por otro influyan en la actividad de distintas enzimas efectoras. Al tiempo, la subunidad Ga hidroliza el GTP que se encuentra en su centro activo con lo que se inactiva y se vuelve a asociar con el dímero ¡3y. Así, las proteínas con actividad GTPasa funcionan como interruptores-moleculares, que están programados para apagarse al poco rato de haberse encendido. Como se detallará más adelante, algunas de las enzimas efectoras que han sido activadas, se encargan de transformar un sustrato abundante en la célula (lípidos, ATP ... ) en un producto que va a actuar como un segundo mensaj~ro al regular nuevas actividades enzimáticas. Existen cientos de receptores acoplados a· proteínas G que participan en procesos tan diversos como la percepción sensitiva (vista, gusto y olfato), la liberación de ácidos gástricos en la digestión o el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios. Receptores con actividad enzimática. En este caso el propio dominio intracelular del receptor tiene una actividad enzimática (Fig. 10-3b). La familia de\ receptores de este tipo más numerosa es la de los receptores con actividad tirosina quinasa. Estas proteínas sólo presentan un dominio transmembrana que es inca- CAPÍTUL0- 10. SEÑALI.ZACIÓÑ CELULAR (a) GDP (b) Respuesta celular (e) • •••••• • •• •• ••• •• • •• .· .... '\ .·: .·. • •e• Respuesta celular Despolarización • \ Transmisión del impulso nervioso p az de transmitir cambios conformacionales desde el exterior hacia el interior tal y como lo hacen los receptores acoplados a proteínas G. La estrategia adoptada en este caso es distinta: la unión del ligando con el receptor provoca que éste p ueda asociarse con otro receptor del mismo tipo. Ahora que los dos receptores están próximos en el espacio, son capaces de fosforilarse uno al otro en sus dom inios citoplasmáticos y activarse completamente, proceso conocido como transactivación. Los fosfatos añadidos al receptor áhora sirven de sitios de anclaje para otras proteínas implicadas en señalizacióñ. Estas proteínas presentan un dominio común, llamado SH2, especializado en unirse a tirosinas fosforiladas. M uchas de estas proteínas son quinasas que van a ser fosforiladas por el receptor y, en consecuencia, activadas; ahora estas quinasas van. a regular a otras proteínas iniciando la respuesta celular. Otras, llamadas proteínas andamio, carecen de actividad enzimática pero juegan un papel clave al servir de plataforma donde se van a unir simultáneamente varias proteínas señalizadoras. La ausencia de estas proteínas andamio bloquea en gran medida ·la transmisión de la señal. T ambién pueden reclutarse hacia el receptor a proteínas activadoras de GTPasas monoméricas. Las GTPasas monoméricas son similares a la subunidad Ga de las proteínas G y también se encuentran asociadas a la membrana. Sólo cuando sus activadores se unen al receptor son capaces de aproximarse a ellas y llevar a cabo su activación (salida del GDP del centro activo y entrada de GTP). La m ayoría de receptores de factores de crecimiento tienen actividad tirosina quin asa. En las rutas de señales iniciadas por estos receptores se produce una activación en cadena de las quinasas de la familia MAPK. Entre otras funciones, estas quinasas desencadena la entrada en mitosis al regular enzimas que controlan la progresión del ciclo celular. Muchas células tumorales presentan alteraciones en estas rutas de señales, lo que les permite continuar su-ciclo celular en ausencia de factores de crecimiento, de ahí su capacidad proliferativa e invasiva. 181 Figura 10-3. Sistemas de transducción de señales. (a) Receptores acoplados a proteínas G (GPCRs). Estos receptores tienen la capacidad de activar a las proteínas G heterotriméricas una vez que han reconocido a su señal extracelular específica. Las proteínas G están constituidas por tres subunidades (a, ~ y y). El receptor desencadena la activación de la proteína G al inducir la salida de GDP y la entrada de GTP en la subunidad Ga. La entrada de este nucleótido provoca un cambio de estructura que rompe elt rímero -y permite que la subunidad Ga por un lado y el dímero ~y por otro influyan en la actividad de distintas enzimas efectoras. (b) Receptores con actividad tirosina quinasa. La unión del ligando a su receptor favorece la dimerización de éste con otro receptor. Una vez que están próximos en el espacio, un receptor fosforita y activa al otro (transactivación). Ahora ·cada receptor puede fosforilar y activar a distintas proteínas celulares,' o servir de punto de anclaje para proteínas que solamente realizan su función cuando están cerca de la membrana plasmática. (e) Receptores asociados con canales iónicos. En este caso el receptor es un canal iónico o está asociado a uno, de tal forma que la unión del ligando con el receptor provoca la apertura del canal y el consiguiente movimiento de iones. Si el canal deja pasar específicamente iones de Na+, tiene lugar la despolarización de la membrana, que dispara la transmisión del impulso nervioso. Otros iones como el Ca 2+ entran en el citosol donde regularán a distintas proteínas que llevarán a cabo la respuesta celular. · o ..-Q El mecanismo básico de transmisión de la señal, desde el exterior al interior celular, se basa en cambios conformacionales que sufre el receptor al unirse físicamente con la señaL De esta forma el receptor pasa de un estado inactivo a un estado activo adquiriendo la capacidad de influir en la actividad de proteínas intracelulares. --182 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Receptores asociados con canales iónicos. También conocidos como canales iónicos regulados por unión a ligando. En este caso el mecanismo de transmisión de la señal es más sencillo, la unión del ligando provoca la apertura del canal y el consiguiente movimiento de iones (Fig. 10-3c). Las consecuencias de ese proceso dependerán de la especificidad del canal (es decir, de los iones que deja pasar) Y. del tipo celular. Por ejemplo, las neuronas presentan canales de Na+ que responden a la unión del neurotransmisor acetilcolina; la entrada de Na+ va a provocar una despolarización de la membrana que se propagará por toda la neurona en forma de impulso nervioso. En cambio, la apertura de canales de en respuesta a otro neurotransmisor, como el GABA, tiene el efecto contrario al dificultar la despolarización de la membrana. A diferencia de los receptores acoplados a proteínas G y los receptores con actividad enzimática que se pueden encontrar en todos los tipos celulares, los canales iónicos están menos distribuidos, encontrándose principalmente en la membrana plasmática de neuronas y otras células con excitabilidad eléctrica como las fibras musculares .• En cambio, en la membrana del retículo endoplásmico de todas las células podemos encontrar canales de Ca2+ que se abren tras la unión · de distintos ligan dos. El 2 retículo endoplásmico es el principal almacen de Ca + celular, mientras que en el citoplasma la concentración de este ión es muy baja. Tras la llegada de determi2 nadas señales se abren los canales de Ca + del retículo endoplásmico provocando un rápido incremento en la concentración de Ca2+ citosólica, este Ca2+ se va a unir a diversas enzimas regulando su actividad y desencadenando distintas respuestas celulares. cr c JLas proteínas implicadas en señalización celular se conocen como interruptores moleculares ya que pueden encontrarse en un estado activo (ON) o inactivo (OFF) . El paso de un estado a otro depende de la unión de la proteína con pequeñas moléculas, como segundos mensajeros (AMPc, Ca 2+, inositol-trifosfato) o de la unión del agonista al receptor. Otras veces la activación de las proteínas se regula por modificaciones covalentes reversibles. Recuadro 10-1. Transmisión de señales Los mecanismos que utilizan las proteínas efectoras para transmitir la señal pueden basarse en: • Interacciones directas entre proteínas; éstas pueden ser activadoras, como la asociación entre Gas y adenilato ciclasa, o inhibidoras, como la asociación entre PKA y su subunidad reguladora. • Generación de segundos mensajeros por proteínas con actividad enzimática, como las adenilato ciclasas o las fosfolipasas. • Movimiento de iones que van a afectar a ia actividad de otras proteínas. • Modificaciones covalentes reversibles llevadas a cabo por proteínas con actividad enzimática, como las quinasas. • Modificaciones irreversibles, como cortes proteolíticos o degradación de proteínas. • Cambios en la localización subcelular, como puede ser la exportación/importación de un factor de transcripción desde el núcleo al citosol. Segundos mensajeros y proteínas efectoras llevan a cabo las órdenes de la señal Una vez que se ha producido la transducción de la señal desde el exterior celular al interior, gracias a los mecanismos explicados en el anterior apartado, el siguiente paso es la activación secuencial de enzimas efectoras que se van a encargar de amplificar y divergir la señal. El receptor es capaz de activar varias enzimas efectoras que, a su vez, activarán a otras, y éstas a otras, de tal forma que en cada paso de activación se incrementa el número de enzimas implicadas consiguiendo una rápida amplificación y la activación coordinada de distintas actividades enzimáticas, que finalmente son las ejecutoras de la respuesta celular. En muchos casos, estas enzimas efectoras generan segundos mensajeros, pequeñas moléculas (AMPc, diacilglicerol, inositol-trifosfato), o provocan la entrada ·de iones como el Ca2+ capaces de moverse con libertad por el citoplasma y así regular la actividad de varias proteínas encontradas en distintas localizaciones de la célula, e incluso pasar a las células vecinas a través de uniones comunicantes. En otros casos es la propia enzima efectora la que se traslada a una localización subcelular concreta. Algunas guinasas de la familia MAPK, de las que se ha hablado anteriormente, sólo cuando son activadas son capaces de viaja{ al interior del núcleo y allí iniciar los eventos que van a conducir a la progresión del ciclo celular (Recuadro 10-1) . A continuación se describirán los ejemplos más comunes de enzimas efectoras, pero antes es importante señalar que cualquier suceso de activación (por ejemplo la entrada de GTP en las proteínas G o la fosforilación de quinasas) va a tener su correspondiente mecanismo de inactivación (la hidrólisis del GTP o la desfosforilación de las quinasas por enzimas fosfatasas) . Todas las proteínas implicadas en señalización celular, incluidos los receptores, van a presentar dos posibles estados, ON y OFF, por lo que muchas veces reciben el nombre de interruptores moleculares (Fig. 10-4). Una vez que el ligando se ha unido al receptor y se han iniciado los distintos mecanismos de activación de una vía de señalización, paralelamente se van a iniciar los mecanismos de inactivación, permitiendo la terminación de la señal y que cada componente de la vía vuelva a su estado original y esté preparado ante la posible llegada de una nueva señal. Se encuentran ampliamente distribuidas por todos los tipos celulares las siguientes enzimas efectoras: _ \ Quinasas: Sin duda alguna las proteínas de señalización que mejor se conocen son las que .presentan actividad quinasa. La fosforilación fue uno de las primeras CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR 1'83 Respuesta celular Respuesta celular Figura 10-4. Todas Las proteínas implicadas en señalización funcionan como interruptores moleculares. En ausencia de señal, todas las proteínas de una vía de señalización estarán inactivas (OFF). Una vez que llega la señal se produce la activación secuencial de los distintos component es de la vía (ON) lo que va a llevar a la ejecución de la respuesta celular. EL tiempo que permanecen activos los distintos participantes (receptor + enzimas efectoras + enzimas diana) dependerá de los mecanismos de inactivación, que son desencadenados por la propia vía de señalización. Los receptores acoplados a proteínas G son fosforilados e inactivados por quinasas especificas, los receptores con actividad tirosina quinasa son desfosfo rilados e inactivados por fosfatasas específicas, y los canales iónicos suelen estar programados para cerrarse al poco tiempo de abrirse: la concentración de iones retornará a las condiciones iniciales gracias al trabajo de bombas ATPasa. De la misma forma que los receptores vuelven a su estado inactivo, también lo hacen las proteínas efectoras a través de distintos mecanismos. En el caso de las proteínas G, la subunidad Ga transforma el GTP en GDP, sufriendo de nuevo un cambio conformacional que le impide activar a sus enzimas diana y le obliga a reasociarse al dímero ~y. m odificaciones postraduccionales de proteínas en identificarse y esto provocó que la mayoría de científicos del campo de la biología molecular centraran su atención en el estudio de las quinasas, que son las proteínas que llevan a cabo dichas fosforilaciones . Se han descrito quinasas implicadas en señalización que fosforilan específicamente residuos de serina y treonina (PKA, PKC, MAPK, etc.), de tirosina (receptores con actividad tirosina quinasa, Src, JAK, etc.) y fosfolípidos (PI3K). Prácticamente en cualquier vía de señalización hay una o varias quinasas implicadas, por lo que el papel específico que lleva a cabo cada una se detallará a continuación. Fosfatasas: Las fosfatasas cortan los enlaces que mantienen unido el fosfato a distintas proteínas, con lo que revierten los efectos de las quinasas (Fig. 10-5). Por ejemplo, la proteína fosfatasa 1 se encuentra activada constitutivamente y desfosforila la mayoría de proteínas fosforiladas por PKA (quinasa que se activa en respuesta a AMPc, como se verá más adelante). La calcineurina es otra fosfatasa que se activa por unión de Ca2+. Su diana mejor conocida es el factor de transcripción NFAT, al que solamente cuando es desfosforilado por acción de la c:f Muchas proteínas implicadas en señalización celular (receptores y enzimas efectoras) se encuentran distribuidas por todos los tipos celulares pero otras pueden ser específicas ya que llevaran a cabo una función exclusiva del tipo celular que las exprese. 184 SECCIÓN 11. LA. ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES calcineurina se le permite el paso al núcleo donde activará la expresión de distintos genes. QUINASAS - ~ On Off T -+-+-+ ---~,. FOSFATASAS Figura 10-5. Las modificaciones covalentes reversibles regulan la activación/desactivación de proteínas de señalización. Muchas proteínas implicadas en señalización son enzimas que van a modificar covalentemente a otras proteínas regulando su función, es decir. definiendo su estado de activación/inactivación. Así podemos encontrar enzimas que añaden grupos fosfato (quinasas) o que los eliminan (fosfatasas), pero también enzimas que añaden grupos metilo (metilasas). grupos acetilo (acetilasas) y muchos otros tipos de modificaciones que van a influir en la estructura de la proteína y, por tanto. en su función. Fosfolipasas: Son enzimas que se encuentran insertadas en la membrana y cortan enlaces dentro de las moléculas de fosfolípidos. Existen varias familias, pero la única implicada en señalización celular es la fosfolipasa C (PLC). Algunas proteínas Ga son capaces de activar PLC~ (isotipo dentro de la familia PLC); entonces éstas comienzan a cortar al fosfolípido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP 2), generando dos productos, el diacilglicerol (DAG), que permanece insertado en el lado citosólico de la membrana, y el inositol-1,4,5-trifosfato (IP 3) que se libera al citosol (véase Fig. 10-11). Ambas moléculas van a actuar como segundos mensajeros: el IP 3 se une a 2 canales presentes en el retículo endoplasmático provocando la salida de Ca +; y 2 el DAG, con la ayuda del Ca +, activa a las quinasas de la familia PKC, que regulan la actividad de distintas proteínas diana al fosforilar residuos de serina o treonina. Una consecuencia de la activación de PKC es la activación del factor de transcripción NFKB que se encuentra atrapado en el citosol por la asociación de otra proteína inhibidora. La PKC fosforila a esta proteína y su interacción con NFKB se rompe, con lo ~ue dicho factor de transcripción viaja al núcleo y activa a sus genes diana. El Ca + es otro segundo mensajero que regula a diversas proteínas, además de las PKCs, provocando distintas respuestas en función del tipo celular. Cuando se inactiva la proteína G, el resultado es que la PLC~ deja de procesar fosfolípidos, el Ca2+ vuelve al retículo por la acción de bombas específicas, el IP 3 es desfosforilado a IP 2 y, junto al DAG libre, serán aprovechados por la célula para sintetizar nuevos lípidos. De esta manera la señal termina tan rápido como se inició. Adenilato ciclasa: Son proteínas de membrana que catalizan la formación de AMP cíclico (AMPc) a partir de ATP (véase Fig. 10-10). Su activación es inducida por algunas proteínas Ga aunque también puede estar influida por otros factores como el Ca2+ o los dímeros ~Y- El AMPc es también un segundo mensajero que se moverá libremente por el citosol activando a su principal diana la quinasa de la familia PKA. Esta quinasa fosforila distintas proteínas en residuos de serina y treonina, regulando su actividad. Un ejemplo es el factor de ti-anscripción CREB que sólo inicia la expresión génica cuando está fosforilado por la PKA. Otra diana del AMPc es un canal iónico que permite el paso de Na+ iniciando el impulso nervioso. Este tipo de canal se encuentra exclusivamente en las células del epitelio olfativo (véase Fig. 10-1 O) y junto a ellos hay cientos de receptores acoplados a proteínas G, diseñados cada uno para identificar una sola molécula aromática. La presencia de alguna de estas moléculas aromáticas activará a su correspondiente receptor provocando la apertura del canái y la transmisión del impulso nervioso hasta el cerebro. También existen guanilato ciclasas, es decir, enzimas capaces de ciclar el GMP. La rodopsina es un ·receptor acoplado a proteínas G exclusivo de células de la retina (conos y bastones) que no une ningún ligando: responde a la presencia de luz. Cuando la luz incide sobre el receptor, éste sufre un cambio en su estructura, con lo que se activa la proteína G asociada y ésta activa a la guanilato ciclasa. Al igual que ocurría en el epitelio olfativo el segundo mensajero generado (GMPc) se une a canales de Na+ iniciando el impulso nervioso que viajará hasta el cerebro. Para formar una imagen el cerebro interpreta el conjunto de impulsos que vienen de las distintas células sensoriales de la retina. Fosfodiesterasas: son enzimas que se encuentran activadas constitutivamente y se encargan de transformar nucleótidos cíclicos (AMPc o GMPc) en su correspondiente nucleótido monofosfato (AMPo GMP). De esta forma las fosfodiesterasas regulan negativamente la señalización de estos segundos mensajeros. La célula puede decidir la localización de sus fosfodiesterasas consiguiendÓ que la señal del AMPc no sea igual en toda la célula (compartimentalización de la señal) (Fig. 10-6). CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR Fosfodiesterasas P roteínas con actividad GTPasa: ya se ha descrito que las proteínas con actividad GTPasa actúan como interruptores moleculares, que son encendidos con la unión de GTP y ellos mismos se apagan al transformar este GTP en GDP (véase Fig. 10-4). Se han identificado dos tipos de GTPasas, las proteínas G heterotrimericas y las proteínas G monoméricas, ambas ancladas a la membrana por la unión con ácidos grasos. Aparte de la diferencia en el número de subunidades, las proteínas G monoméricas no son activadas directamente por el receptor sino por otras proteínas intermedias. La familia Ras es un conjunto de GTPasas que se activan por receptores de factores de crecimiento y participan en la activación de la vía MAPK (véase Fig. 10-12), de ahí su importancia en regular procesos de proliferación. Otra de las respuestas celulares mejor caracterizada donde participan las proteínas G monoméricas es la migración celular. La activación de estas proteínas en respuesta a distintos receptores provoca la activación de otras que conjuntamente llevarán a cabo la reorganización del citoesqueleto, necesaria para el movimiento celular. Fosfoinositol-3-quinasas (PI3K): Estas quinasas actúan sobre el fosfolípido de mem brana PIP 2 fosforilando el carbono 3 del inositol, con lo que se genera PIP 3 (Fig. 10-7): ahora muchas proteínas de señalización que presentan un dominio especifico de unión a PIP 3 (dominio de homología con pleckstrina PH) quedarán enganchadas a la membrana y serán activadas . Un ejemplo es la quinasa PDK que activará a la quinasa PKB (también conocida como Akt), la cual juega un papel fundamental en la supervivencia, al frenar los mecanismos de apoptosis y acelerar la síntesis de proteínas (véase Fig. 10-12). El mismo receptor que activa PI3K inicia rutas paralelas que activan a la fosfatasa PTEN, ésta desfosforila a PIP 3 y la señal terminará apagándose. Los receptores de factores de crecimiento, además de activar la vía de MAPK, también inician la vía P13K/PKD/ PKB contribuyendo a la supervivencia celular. Receptores acoplados a proteínas G también son capaces de activar estas dos vía participando así en los mecanismos que disparan la división celular. Quinasas que responden a factores de crecimiento (MAPK): Esta es una familia de quinasa capaces de fosforilar serinas y treoninas. Ellas mismas tienen que ser 11 85 Figura 10-6. Las fosfodiesterasas regulan la señal del AMPc. La célula presenta en distintas localizaciones del citoplasma a fosfodiesterasas constitutivamente activas. Estas enzimas van a transformar el AMPc en AMP, con lo que reducen los niveles de segundo mensajero. De esta forma se restringe el radio de actuación del AMPc y la célula puede decidir en qué espacio intracelular quiere que el AMPc tenga efecto distribuyendo sus fosfodiesterasas de una manera concreta. Cuando el receptor y la proteína G se inactivan, las fosfodiesterasas son las encargadas de que los niveles de AMPc vuelvan a la situación inicial. Domi~ io On PH Off Figura 10-7. Diversas proteínas dependen de la presencia de lípidos fosforilados en membrana para poder llevar a cabo su función. La llegada de distintas señales puede activar a la enzima fosfoinositol-3-quinasa (PI3K), la cual fosforita especificamente al fosfolipido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP 2). Durante varios años no se supo qué sentido práctico tenían estas fosforilaciones de lípidos de la membrana plasmática. Finalmente se identificó el dominio de homología con pleckstrina (PH). presente en distintas p¡¡oteínas de señalización, que está especializado en unirse a 1-fosfatidilinositol-3.4.5-trifosfato (PIP 3). En general. las proteínas que presentan dominios PH solo son activas cuando se encuentran ancladas a la membrana, mientras que si no actúa PI3K y no hay PIP 3 disponible. las proteínas con dominios PH se encontrarán inactivas en el citosol. Las mismas señales que activan a PI3K activan los mecanismos de regulación negativa y terminación de la señal. En este caso se activa la fosfatasa PTEN que convierte PIP; en PIP 2 nuevamente. 186 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES fosforiladas en estos residuos para ser activadas y algunas son capaces de autofosforilarse . Existen varias subfamilias de MAPK que participan en multitud de procesos, siendo la progresión del ciclo celular uno de los mejor caracterizados. Cada subfamilia presenta un conjunto de quinasas que se activan en cadena obteniéndose una rápida amplificación de la señal: MAPKKK ~ MAPKK ~ ~ MAPK (véanse Figs. 10-11 y 10-12) . Cada quinasa activa a la siguiente de la cadena, y también activa o inhibe muchas otras proteínas diana. En general la última quinasa de la vía (MAPK) es capaz de introducirse en el núcleo y activar la expresión de proteínas necesarias para entrar en mitosis. Estas quinasas se identificaron como dianas de receptores de factores de crecimiento pero, en la actualidad, se han descrito multitud de receptores capaces de activarlas y muchos otros procesos en los que intervienen aparte del ciclo celular y la supervivencia. Vía JAKISTAT: Las proteínas JAK son quinasas que fosforilan residuos de tirosina y se encuentran permanentemente unidas a los receptores de citoquinas (moléculas señalizadoras que participan en la respuesta inmune). Estos receptores carecen de actividad enzimática propia pero el mecanismo es similar al descrito anteriormente para los receptores con actividad tirosina quinasa: cuando el ligando se une a su receptor, éste se asocia con otro del mismo tipo y las quinasas JAK quedan lo suficientemente cerca como para fosforilarse una a-la otra (transactivación) (Fig. 10-8) . Una vez activadas, las JAK también fosforilan al receptor creando puntos de unión para los factores de transcripción STAT, que permanecían inactivos en el citosol. El factor STAT unido al receptor se fosforila por JAK y ahora dos moléculas de STAT fosforiladas son capaces de formar un dímero que se transporta al núcleo donde activará la expresión génica. Calmodulina: es una proteína ampliamente distribuida y muy conservada. Se puede encontrar tanto en células animales como vegetales y su función es la de actuar como un receptor intracelular de Ca2+. Esta proteína no tiene actividad enzimática pero es capaz de unirse al Ca2+ lo que dispara un cambio conformacional. Esta nueva estructura permite que la calmodulina se una a distintas proteínas intracelulares y regule su función (véase Fig. 10-11). Existe un conjunto 2 importante de quinasas cuya activación depende de la unión con Ca +/calmodulina; a su vez, estas quinasas fosforilan residuos de serina y treonina, modulando la función de proteínas dianas. Por tanto, la respuesta celular inducida por el 2 2 Ca + dependerá del conjunto de proteínas diana sensibles a Ca +/calmodulina presentes en la célula. En ausencia de señales, la concentración de Ca2+ en el citosol es muy inferior a la concentración en el exterior celular y en el retículo endoplasmático, de esta forma se genera un potente gradiente electroquímico. Cuando distintos receptoFigura 10-8. La vía de señalización JAK/ STAT. Distintos receptores, como los de qu imioquinas, se encuentran asociados a las tirosina quinasas JAK. Tras la unión de la señal con su receptor se produce la dimerización de receptores y la transactivación de las quinasas JAK: una fosforita a la otra y fosforilan el dominio citosólico del receptor. Las tirosinas fosforiladas del receptor son reconocidas por dominios SH2 presentes en los factores de transcripción STAT. Dichos factores de trancripción se encuentran inactivos en el citosol pero, al unirse a las tirosinas fosforitadas del receptor, ellos mismos son fosforitados por JAK. Dos moléculas de STAT fosforiladas pueden formar un dímero que rápidamente es transportado al núcleo , donde activaran la transcripc ión de diversos genes. Las quimioquinas estimulan la migración de los leucocitos, por eso la vía JAK!STAT juega un papel fundamental en la respuesta inmune e inflamatoria, pero también en muchos otros procesos fisiológicos. CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR 187 2 res activan canales de Ca + el movimiento de los iones es tan rápido que la concentración en el citosol aumenta unas 1.000 veces; esto activa a la calmodulina y a otras proteínas sensibles a Ci+, como las PKCs, desencadenando la respuesta celular. Para finalizar la señal la célula dispone de bombas ATPasas en la membrana plasmática y en la del retículo que eliminan el Ca2+ del citosol, con lo que se recuperan las concentraciones iniciales y se desactivan las proteínas sensibles a este ión. La activación de estas bombas depende de Ca2 +/calmodulina, por lo que el Ci+ activa los mecanismos necesarios para la terminación de la señal. En este apartado se han descrito algunos ejemplos de las enzimas· efectoras más ampliamente distribuidas en diferentes tipos celulares y, por tanto, mejor caracterizadas. Existen muchos más ejemplos de proteínas implicadas en señalización y cada vez se descubren nuevos participantes y nuevas funciones que no estaban descritas. Por otro lado, aunque la fosforilación es el tipo de modificación covalente en las proteínas mejor estudiado, también se han descrito otros tipos (metilaciones, acetilaciones, ubiquitinaciones, cortes proteolíticos, etc.) que, al igual que la fosforilación, sirven para regular la actividad de distintas proteínas, entre otras aquellas implicadas en señalización celular. Cada vez se dispone de más información sobre las innumerables rutas de señalización que se activan en las células. La diversidad de rutas es enorme, puesto que cada receptor activa varias simultáneamente al ser capaz de activar distintas enzimas, y cada enzima efectora también puede ser activada por varios receptores de distinta clase. Por otro lado, dependiendo del tipo celular, un mismo receptor puede desencadenar distintas rutas de señalización, ya que tendrá a su alcance a distintas enzimas efectoras. La historia se complica puesto que en cada tipo celular las enzimas efectoras influirán en la actividad de distintas proteínas diana dando lugar a diversas respuestas celulares (Recuadro 10-2). t Recuadro 10-2. Patologías Numerosas patologías como el cáncer, la diabetes, enfermedades inflamatorias, enfermedades cardiovasculares, etc. son consecuencia de alteraciones en las rutas de señalización. Estas alteraciones pueden ser consecuencia de defectos funcionales del receptor o de las proteínas efectoras implicadas en la ruta, de cambios en los niveles de estos participantes o de segundos mensajeros, de fallos en los sistemas de regulación negativa que se encargan de terminar la señal, o una mezcla de todos estos motivos. Ventajas de los sistemas de señalización celular El sistema que las células han diseñado para comunicarse (transducción de señales+ enzimas efectoras y/o segundos mensajeros) ha definido ciertas ventajas o características funcionales: • Los segundos mensajeros y muchas de las enzimas efectoras son capaces de moverse libremente por el citosol, con lo que se consigue transportar y distribuir la señal desde el punto donde se originó (la membrana) hasta cualquier región de la célula. • El hecho de que las moléculas implicadas en señalización trabajen en cadena, donde la activación de una va a provocar la activación de la siguiente, tiene un claro objetivo: la amplificación de la señal. Un único receptor es capaz de activar varias moléculas de enzima efectora en poco tiempo. Por ejemplo, un único GPCR puede activar varias proteínas G en el transcurso de tiempo que se mantiene activo y cada una de estas proteínas G va activar a varias adenilato ciclasas (que generan AMPc) hasta que se inactive. Por tanto, el número de proteínas implicadas en cada paso crece exponencialmente y se consigue una rápida amplificación de la señal (Fig. 10-9). Lo mismo ocurre con las cascadas de quinasas como las de MAPK donde cada quinasa fosforila y activa múltiples moléculas de quinas5t diana. • Cada segundo mensajero o enzima efectora no tiene una única enzima diana sino varias, con lo que se obtiene una divergencia de la señal (Fig. 10-9) y, de forma simultánea, se van a iniciar distintos procesos celulares que en conjunto llevan a la respuesta celular. Algunos ejemplos de estos procesos ya se han comentado: - Activación/inhibición de factores de transcripción, con lo que se regula la expresión de los genes. - Activación/inhibición de enzimas implicadas en procesos como el metabolismo, la regulación del ciclo celular o el inicio de la apoptosis. - Activación/inhibición de proteínas que modifican el citoesqueleto, por lo que son actores principales en procesos como la migración, la contracción, la secreción de vesículas o cambios en la morfología necesarios para la diferenciación celular (por ejemplo, la extensión de la membrana plasmática para forma el axón de neuronas) . ~~- 1S8 SECCIÓN 11. lA ENERGÍA Y lAS FUNCIONES CELUlARES Retrocontrol negativo .... .. .. .. . .. .. E. .. 1\ Distribución de la señal y amplificación 1\ 1\ 1\ 1\ 1\ 1\ 1\ . . Divergencia de la señal Figura 10-9. Ventajas de los mecanismos de señalización celular. Los distintos mecanismos de transducción de señales descritos hasta ahora presentan varias características comunes. En primer lugar son sistemas que permiten una rápida amplificación de la señal. Cada receptor activado en la membrana va a activar en muy poco tiempo a varias enzimas efectora;, y éstas, a su vez, activarán a muchas otras enzimas, directamente o a través de la generación de segundos mensajeros, consiguiendo la amplificación de la señal. En segundo lugar se obtiene una divergencia de la señal, ya que cada receptor puede activar a más de un tipo de enzima efectora y éstas a muchos tipos de proteínas diana. Con esta divergencia se consigue activar en paralelo y de forma coordinada todas las proteínas necesarias para la respuesta celular. Por último, todas las vías de señalización activan distintas rutas encargadas de terminar la señal, es decir, se inician distintos sistemas de regulación negativa que van a inactivar tanto al receptor como a las enzimas encargadas de propagar la señal). • El diseño en cadena junto con la divergencia de la señal se completa con el desarrollo de distintos sistemas de regulación negativa (Fig. 10-9). Cada eslabón de la cadena se encarga de transmitir la señal iniciando los mecanismos que llevan a la respuesta celular pero también aquellos que van a parar la transmisión de la señal, como una forma de retrocontrol negativo. Por tanto, la regulación negativa se presenta en todos los niveles dentro de la ruta de señalización (al nivel del receptor, de las proteínas efectoras y de las proteínas diana) y la célula es capaz de modular los distintos mecanismos de activación/inhibición obteniendo distintos grados de potencia en la transmisión de la señal y, en consecuencia, distintas respuesta~. -c 0 RUTAS DE SEÑALIZACIÓN En los apartados anteriores se ha presentado a los distintos participantes" en la comunicación celular. A continuación se describirán de forma esqúemática algimos ejemplos de rutas de señalización iniciadas por los receptores de membrana y qué consecuencias tienen en distintos tipos celulares. Se entiende como ruta de señalización la secuenCia lineal de proteínas que son activadas en respuesta a la señal. Esta secuencia comienza en el receptor y se transmite de unas proteínas a otras. Las enzimas que se encuentran en el comienzo de la ruta suelen ser comunes a distintos tipos celulares y son las que se denominan enzimas efectoras, mientras que las enzimas que se encuentran al final de la ruta pueden ser muy diferentes según el tipo celular y se conocen como enzimas diana. Por supuesto en una ruta de señalización cada enzima es diana de la enzima ante~:~?us:~ectora sobre la siguiente; por lo tanto, esta clasificación puede ser hl\go ·Rutas de señalización iniciadas por receptores acoplados a proteínas G Los receptores acoplados a proteínas G provocan la activación de ésta al ·inducir el intercambio de GDP por GTP en el centro activo de la subunidad d. Estos receptores e·s tán implicados en prácticamente cualquier proceso fisiológico por lo que la diversidad de ligandos que reconocen es enorme. Se han identificado • CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR moléculas de naturaleza lipídica, péptidos donde se incluyen algunos neurotransmisores, hormonas, iones, etc. Además de la diversidad de receptores (cerca de 1.000 genes distintos en mam íferos) también existen distintos tipos de subunidades a, ~y y que se combinan para dar lugar a las proteínas G heterotriméricas. Existen cuatro subfamilias de proteínas G que se diferencian en el tipo de subunidad Ga; esta puede ser G as, Gai, Gaq y Ga12, y cada una de ellas está especializada en la activación de unas enzimas efectoras concretas. En la flgura 10.10 se describe cómo las rutas iniciadas por receptores acoplados a proteínas de la familia Gas activan la prod ucción de AMPc, mientras que los receptores acoplados a Gai tienen el efecto contrario: l. La unión del ligando al receptor lo activa y éste activa a las proteínas G. La subunidad Gas, libre del dímero ~y, se une directamente a la adenilato ciclasa (AC) y la activa incrementando así los niveles de AMPc intracelulares. 2. Solamente en células del epitelio olfativo existe un canal de Na+ regulado por unión a AMPc que iniciará un impulso nervioso. 3 . La quinasa PKA, cuya distribución es ubicua, está formada por cuatro subunidades, dos reguladoras y dos catalíticas. En ausencia de AMPc, las cuatro subunidades forman un complejo inactivo. La unión de AMPc con la subunidad reguladora rompe el complejo dejando libres a las subunidades catalíticas que van a fosforilar distintos sustratos dependiendo de la célula. 4. La adrenalina es una hormona secretada por la glándula suprarrenal y algunas neuronas en situaciones de estrés, que media la respuesta "lucha o huida". Ante alguna sorpresa, el organismo se prepara para responder y lo primero que hace es incrementar los niveles de glucosa en sangre y la frecuencia cardiaca para que todas las células dispongan de una fuente de energía necesaria para la lucha o para la huida. En células del hígado o del músculo, la ruta iniciada por la adrenalina lleva a la activación de la quinasa PKA que va a fosforilar enzimas metabólicas; de esta forma se inhibe la síntesis de glucógeno a la vez que se activa la degradación. Así, las células hepáticas liberarán glucosa al torrente sanguíneo desde donde se repartirá por todos los tejidos, y las células musculares la tendrán a su disposición por si fuera necesario generar ATP para la contracción muscular. En cambio, en las células cardiacas la activación de PKA por la adrenalina va a provocar que esta quinasa fosforile y abra canales de ci+ presentes en el retículo. El Ca2+ fluye al citosol donde va a desencadenar la contracción de las células cardiacas aumentando el ritmo cardiaco y favoreciendo la distribución de glucosa y oxigeno. La adrenalina provocará otros efectos como la vasodilatación en el músculo esquelético, la relajación bronquial o la dilatación de la pupila. 5. En distintos tipos celulares la PKA fosforila a la proteína CREB aumentando su actividad transcripcional. Dicha proteína se une a regiones de DNA conocidas como elementos de respuesta a AMPc (CRE) activando la expresión de varios genes. 6. La diversidad de respuestas celulares inducida por la adrenalina se debe tanto a la presencia de distintas proteínas diana para PKA como a la existencia de varios receptores para adrenalina. Algunos de ellos no están acoplados a subunidades Gas sino a Gai cuyo efecto es totalmente opuesto: inhibe a la adenilato ciclasa reduciendo los niveles de AMPc (en la célula hay fosfodiesterasas que se encargar de transformar rápidamente el AMPc en AMP). Esta inhibición la llevan a cabo tanto la subunidad Gai como los dímeros ~y a los que se asocia. Como se ha explicado, la adrenalina es una hormona que va a provocar incrementos en los niveles de AMPc al fijarse a receptores acoplados a Gas llamados ~-adrenérgicos. Existe otro tipo de receptores también activados por adrenalina llamados a2-adrenérgicos, los cuales están acoplados a Gai. De esta forma la adrenalina puede desencadenar distintas respuestas en diferentes tipos celulares dependiendo del tipo de receptores presentes en la membrana celular. Incluso en una misma célula los niveles de AMPc se modularán en fun- f !~. 189 190 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Células epitelio olfativo Células musculares • Bloquea la despolarizacion Células cardiacas Off . . . On --~-· ----+ ¡ On • • G quin asa í\ Proteínas implicadas eh contracción muscular Gl"'V"' ···¡-· On . . . . Glucógeno sintasa Off Incremento de glucosa en sangre y en músculo Incremento del ritmo cardiaco G 1 Distribución de la glucosa a todo el organismo Distintas respuestas celulares en función de los genes activados por CREB y de otras dianas activadas por PKA Figura 10-10. Activación de receptores acoplados a Gas o Gai. (1) La unión del agonista al receptor conduce a la activación de la proteín a Gs y esta, a su vez, activa a la adenilatociclasa (AC) con lo que rapidamente se incrementa la concentración de AMP cíclico (AMPc). (2) El AMPc provoca la apertura de canales de Na+ en el epitelio olfativo iniciando así la transmisión del impulso nervioso. (3) En varios tipos celulares el AMPc activa a la quinasa PKA. (4) Dependiendo del tipo celular, la PKA modulará la actividad de distintas proteínas iniciando así una respuesta celular específica. (S) La PKA tambien actua sobre factores de transcripción regulando así la expresión génica. (6) La activación de proteínas Gi conduce a que estas proteínas inhiban a la adenilatociclasa regulando la concentración de AMPc. (7) Otro efector de las proteínas Gi son los canales de K+ presentes en células musculares; su apertura en respuesta a distintas señales modula la contracción. :. .. ., ~ .' 1. ....... ~ _:, . ;. · .. .·~ 1 ' : • '· • , .; cwn del tipo y número de receptores adrenérgicos que expresen, obteniéndose distintas respuestas en cada situación. 7 ; Además de su función inhibitoria sobre la producción de AMPc, las subunidades Gai también son capaces de regular un tipo de canal de K' presente en células musculares. Estas células presentan receptores de acetilcolina acoplados a proteínas Gi. ·La acetilcolina es un neurotransmisor capaz de activar distintos .receptores. En células neuronales existen canales • CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR 191 de Na+ dependientes de acetilcolina, y la llegada de este neurotransmisor provoca la apertura de los canales -con lo que tiene lugar la propagación del impulso nervioso. Sin embargo .e n células musculares el receptor de acetilcolina no es un canal, sino un receptor acoplado a proteínas Gi. Tras su activación la sub unidad Gai es capaz de unirse al canal de K' provocando su apertura. El objetivo es dificultar la despolarización de la · membrana y por este motivo la acetilcolina puede tener efectos relaj_antes r en células musculares. Otra sub familia de proteínas G es la conocida como Gaq, en la_figura 1 O.11 se describe cómo estas proteínas a través de la activación de PLC~ desencadena 2 la salida del Ca + almacenado en el retículo endoplásmico. 2 El Ca + actúa como segundo mensajero en una amplia variedad de respuestas donde destacan la secreción de vesículas, la contracción nerviosa y la proliferación . En los dos primeros procesos, el impulso nervioso llega a la célula y provoca la apertura de canales de Ca2+ sensibles a voltaje. Este ión influye sobre distintas proteínas que trabajan en la maquinaria encargada de la secrecióri o de la contracción . Los canales sensibles a voltaje sólo se encuentran en células con e'x:citabilidad nerviosa. Pero existe otro sistema, con una distribución ubicua,' que dispara la entrada de Ca2+ en el citosol: se trata de los receptores acoplados a proteínas Gq. l. Cuando esta subunidad es activada por el receptor, ella misma va a activar a la fosfolipasa C~ con lo que comienza a generarse DAG e IP 3 . 2. Como se ha comentado en anteriores apartados, el IP 3 se une a canales de Ca 2+ presentes en la membrana del retículo y provoca su apertura, con lo que la concentración de Ca2+ en el citosol aumenta considerablemente. 3. El Ca2+, junto con el DAG, llevan a la activación completa de la quinasa PKC. Ésta fosforila diversos sustratos entre los que se encuentra el factor de transcripción NFKB y a quinasas de la familia MAPK. Conjuntamente la activación de estas proteínas va a iniciar procesos de transcripción génica y la progresión del ciclo celular. 4. El Ca2+ también activa a la calmodulina que se unirá a distintas proteínas modulando su actividad. Un conjunto importante de dianas de la calmo2 dulina son las quinasas dependientes de Ca +/calmodulina (CaM) que van a fosforilar distintos sustratos desatando la respuesta celular. 5. También la calmodulina se encarga de activar los mecanismos necesarios para terminar la señal, al unirse y activar a una bomba ATPasa de Ci + presente en la membrana plasmática de todas las células eucariotas. Junto con la acción de otras bombas de ci+ del retÍculo los niveles de este ión vuelven a la situación inicial. 6. Otra proteína sensible a Ca2+ es la fosfatasa calcineurina que, una vez activada por la unión con Ca2+, va a desfosforilar al factor de transcripción NFAT permitiendo su translocación al núcleo. Rutas de señalización iniciadas por receptores con actividad tirosina quinasa Se han descrito varios tipos de receptores con actividad enzimática, como pueden ser receptores con actividad guanilato ciclasa (producen GMPc) o con actividad fosfatasa, pero los más abundantes y, por tanto, mejor conocidos, son los receptores con actividad tirosina quinasa. Dentro de este grupo encontramos a los receptores de factores de crecimiento y a otros como puede ser el receptor de insulina. En la figura 10.12 se describen algunas de las rutas que pueden ser iniciadas por el receptor del factor de crecimiento epitelial (EGF): l. La llegada del agonista (factor de crecimiento epitelial, -EGF) provoca la dimerización de dos receptores y esto induce que se fosforilen uno a otro (transactivación). 2 . Varias proteínas señalizadoras son capaces de unirse a tirosinas fosforiladas a través de dominios llamados SH2. Un ejemplo es la proteína Shc, que carece de actividad enzimática pero_cumple una función . importante UNIVERSIDAD CES ~ii"'ll~Un Compromiso COil!a &ce/encia BISLIQTECA FUNDADClRES 192 SECCIÓN 11. L:A ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES On Distintas enzimas diana según el tipo celular /!\ 1! \ 1 ! \ u On M ~I@$:M On Respuesta celular On lfJJI Expresión génica ~___:,_ Off Núcleo Figura 10-11. La activación de receptores acoplados a Gq provoca la salida del Ca'• almacenado en el retículo endoplasmático. (1) Las proteínas de la familia Gq activan a la lipasa PLC~ . PLC~ hidroliza el lípido 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato rindiendo diacilglicerol (DAG) e inositol1,4,5-trifosfato (IP 3). (2) IP 3 se mueve libremente por el citoplasma hasta unirse a canales específicos del retículo endoplásmico provocando su apertura y la salida del Ca' • allí almacenado. (3) El DAG permanece unido a la membrana citoplasmatica donde se unirá y activará a las quinasas de la familia PKC. Para dicha activación tambien es necesario que el Ca'• se una a estas proteínas. Ahora, la PKC regulará distintas proteínas de señalización como las quinasas MAPK o el factor de transcripción NFKB. (4) El Ca,. libre en el citosol modula la actividad de multiples proteínas como, por ejemplo, la calmodulina. Esta proteína a su vez presenta diversos efectores como las quinasas dependientes de Ca' •/calmodulina (CaM) . (S) La propia calmodulina es la encargada de restaurar las bajas concetraciones de Ca'• en el citosol al activar bombas Ca'•/ATPasas presentes en la membrana plasmática. (6) Otra diana celular del Ca' • es la fosfatasa calcineurina, que defosforila distintas proteínas como el factor de transcripción NFAT; una vez desfosforilado, NFAT es capaz de translocarse al núcleo y regular la expresión de distintos genes. 3. 4. 5. 6. al unirse al receptor de EGF a través de su dominio SH2, constituyendo una plataforma donde se van a unir otras proteínas específicas. El receptor fosforila a Shc en tirosinas y a estas tirosinas se unirá la proteína Grb2, también a través de su dominio SH2. La proteína Grb2 recluta y activa a una tercera proteína llamada SOS capaz de activar GTPasas monoméricas al inducir la salida del GDP. Ahora que SOS se encuentra unida al complejo del receptor, fácilmente tendrá lugar la unión y la activación de la GTPasa monomérica Ras, que se encuentra siempre anclada a la membrana. La. proteína Ras se encarga de activar a la MAPKKK Rafa través de mecanismos que todavía no se comprenden, pero que parecen implicar una fosforilación en Raf. La proteína Raf fosforila y activa a las proteínas MEKl y MEK2 (MAPKK) y cada una fosforila y activa a su MAPK diana, ERKl y ERK2, que modulan la activación de distintos sustratos citosolicos y además se mueven hacia. el interior del núcleo donde regularán la expresión de varios genes. . · \ Otra proteína que presenta un dominio SH2 capaz de unirse al receptor de EGF es la subunidad reguladora de PI3K. La unión va a provocar un · CAPÍTULO ·1O. SEÑALIZAGIÓN CELULAR 193 Off Off • --- Figura 10-12. La activación de recepetores de factores de transcripción inicia rutas de señalización que promueven supervivencia y/o proliferación. (1) La unión del agonista con su receptor específico permite la dimerización de dos receptores, lo que conduce a que estos receptores se fosforilen uno al otro (transactivación) . (2) Los residuos fosforilados del receptor sirven de punto de anclaje para distintas proteínas como la proteína andamio Shc, que a su vez se una a Grb2 y ésta al intercambiador de nucleotidos SOS. (3) SOS induce la salida de GDP y entrada de GTP en la proteína GTPasa monomérica Ras llevando a su activación. (4) Ras inicia la ruta de las MAPK quinasas al activar a Raf (MAPKKK) que activa a MEK1 y 2 (MAPKK) y éstas activan a ERK1 y 2 (MAPK). (S) Las MAPK t ienen múltiples efectores como pueden ser factores de transcripción que in iciarán la expresión de genes necesarios para la progresión del ciclo celular. (6) La quinasa que fosforita PIP 2, llamada · PI 3K, también necesita un irse a residuos fosforilados en el receptor para que tenga lugar su activación. (7) PIP 2 ·es fosforilado por PI3K generandose PIP 3 que sirve como punto de anclaje para distintas proteínas de señalización, como la quinasa PDK que ahora fosforita y activa a PKB, quinasa que modula multitud de proteínas implicadas en promover la síntesis de proteínas y la producción de ATP , así como, inhibir la muerte celular o apoptosis. cambio conformacional que se transmite a la subunidad catalítica y comienza la fosforilación de lípidos de la membrana. 7 . La quinasa PDK es una de las proteínas que se activa al unirse a lípidos fosforilados por PI3K, a través de un dominio PH. Ahora.PDK fosforila y activa a la PKB que, a su vez, va a fosforilar múltiples proteínas diana. Como resultado se bloquean los mecanismos que disparan la apoptosis y se inician procesos metabólicos para obtener energía y sintetizar proteínas. 0 INTEGRACIÓN DE SEÑALES Dentro de un organismo pluricelular cada célula está continuamente expuesta a m ultitud de señales, disueltas en el líquido extracelular, embebidas en lamatriz o ancladas en la membrana de células vecinas. La respuesta celular es consecuencia de la activación conjunta de diversas rutas de señalización que comienzan en distintos receptores de la membrana. Entendemos como integración de señales la influencia que van a tener unas vías sobre otras. La potencia y tiempo de activación de una vía de señalización depende de distintas variables que se comentan a continuación. Si a esto se le suma el hecho de que unas vías van a regular a otras, se obtiene un enorme número de combinaciones posibles (Fig. 10-13) . Los factores que van a determinar la respuesta celular son: 194 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARES Activación de enzimas efectoras Señal t 2 3 1+ 2 1+2+3 • 11] 11] t t t t Respuesta celular 1 t t t t t• Respuesta celular 2 • Respuesta celular 3 Respuesta celular 4 tt Respuesta celular S Figura 10-13. La respuesta celular es consecuencia de la integración de señales. Las células están recibiendo continuamente cientos de señales a la vez. Cada molécula señal activará un receptor y éste, a su vez, varias vías de señalización intracelular. Como cada vía puede iniciarse a partir de distintos receptores, el tiempo y potencia de la activación dependerá del número y tipo de receptores activados. La activación simultanea de varias vías y el entrecruzamiento entre ellas provocará una diversidad de respuestas celulares enorme. (AC: adenilato ciclasa, PLCP: fosfolipasa cp, PKA: proteína quinasa A dependiente de AMPc, PKC: Proteína quinasa C dependiente de Ca 2•, MAPK: quinasas que responden a factores de crecimiento. Las flechas verdes indican activación de la proteína efectora, las flechas rojas indican inhibición mientras que las flechas amarillas indican que no hay modulación sobre dicha proteína efectora). c:fcada respuesta celular es el resultado de múltiples vías de señalización que actúan conjuntamente; muchas de estas vías se entrecruzan, influyendo unas sobre otras de tal forma que el grado de activación de cada enzima efectora depende del número de vías activadas en cada situación. La respuesta celular será distinta en cada caso. Presencia del receptor en la membrana. Muchas señales no van a tener efecto alguno sobre ciertas células por el simple hecho de que estas células no tienen el receptor específico. Por la misma razón una señal puede tener distintos efectos en una célula dependiendo del número de receptores específicos que dicha célula presente en la membrana. Concentración de la molécula señal. En anteriores apartados se ha indicado la posibilidad de que una sola señal pueda activar distintos receptores, como la adrenalina activa a la familia de receptores adrenérgicos. Cada receptor puede tener una afinidad distinta por la molécula señal, de tal forma que a bajas concentraciones de señal sólo se activarán los receptores con alta afinidad. Si aumenta la concentración de la señal podrán activarse también los receptores con menos afinidad. La respuesta celular será distinta en cada caso, pues será el resultado d e la combinación de receptores activados y las vías que estos inicien. También un único tipo de receptor puede responder de manera distinta ante distintas concentraciones de ligando, ya que la respuesta depende en gran medida del número de receptores activados. Tipo celular. Cada tipo celular presenta un conjunto específico de proteínas efectoras y proteínas diana. De esta forma se consigue que un mismo par señal/ · receptor dispare distintas rutas de señalización en cada tipo celular y así, cada una de las células que constituyen el organismo va a llevar a cabo su función de forma coordinada con el resto. Entrecruzamiento de señales. Muchas de las proteínas efectoras que se han descrito en este capítulo participan en varias rutas de señalización. Por ejemplo, las quinasas de la familia "MAPK pueden ser activadas tanto por receptores con actividad tirosina quinasa, como por receptores acoplados a proteínas G. Algunos receptores inician rutas que llevan a la activación de las quinasas mientras que otros inician rutas de inhibición. Puesto que la célula recibe cientos de señales a la vez, el grado de activación de las MAPK, como de otras enzimas efectoras, será el resultado de la integración de las distintas vías que se inician con cada señal (Fig 10.13). Todas estas variables complican el estudio de la señalización celular. La mayoría de datos sobre la comunicación entre células se ha conseguido gracias a las técnicas de cultivos celulares. La posibilidad de trabajar con células aisladas permite reducir el número de variables y así, poco a poco se van desentrañando las rutas intracelulares que se activan por distintos ligandos. Pero este modelb experimental, aunque ha permitido obtener mucha información, está muy alejado de la situación real que vive una célula dentro del organismo. CAPÍTULO 10. SEÑALIZACIÓN CELULAR [( J (§/ 195 CONCEPTOS CLAVE o La comunicación entre células se basa en un sistema compuesto por una señal o agonista, un receptor de la señal, las proteínas efectoras y las proteínas diana. Se entiende como célula emisora aquella que produce la señal y como célula receptora o célula diana aquella que presenta un receptor y, por tanto, es capaz de responder de una determinada forma a la llegada de la señal. o La respuesta celular es el cambio que va a sufrir la célula diana tras la llegada de la señal. La activación del receptor, provocada por la señal, va a regular la activación de diversas proteínas efectoras que, a su vez, regulan a otras proteínas diana. Estas proteínas diana serán las ejecutoras finales de la respuesta celular. o Cada tipo celular tiene una función concreta en el organismo y, para llevarla a cabo, ejecuta distintas respuestas celulares: absorción de nutrientes por células del intestino, contracción en células musculares, transmisión del impulso nervioso por neuronas y células sensoriales, secreción hormonal por células glandulares, etc. Otros tipos de respuestas más generales son la proliferación, la supervivencia, la migración y la diferenciación. o La señalización celular se puede clasificar en función de la distancia recorrida por la señal y el tiempo requerido para inducir una respuesta. Así, se puede hablar de señalización endocrina, paracrina/autocrina, neuronal y dependiente de contacto. o El mecanismo básico de transmisión de la señal, desde el exterior al interior celular, se basa en los cambios conformacionales que sufre el receptor al unirse físicamente con la señal. Con esta unión , el receptor pasa de un estado inactivo a un estado activo, adquiriendo la capacidad de influir en la actividad de determinadas proteínas intracelulares. o Hasta la fecha se han descrito tres familias de receptores de membrana: los receptores acoplados a proteínas G, los receptores con actividad enzimática y los canales iónicos sensibles a ligando. o Las enzimas efectoras que resultan activadas por el receptor se encargan de amplificar y divergir la señal, bien generando segundos mensajeros o bien modificando covalentemente a las proteínas diana. Ambos mecanismos regulan la actividad de dichas proteínas diana. o Dependiendo del tipo de enzimas efectoras que presente una célula, su respuesta celular será diferente. De esta forma se consigue que, ante una misma señal, cada tipo celular responda de una forma específica. o Cualquier sistema de transducción de señales presenta tres características básicas: - Amplificación de la señal: en cada paso de la ruta se incrementa el número de proteínas implicadas. - Divergencia de la señal: un solo receptor activa varias rutas de señalización. - Retrocontrol negativo: algunas de las proteínas efectoras que son activadas tienen como función terminar la señal al regular negativamente al receptor y a otras proteínas efectoras. o Cada célula está expuesta continuamente a multitud de señales que activan de forma simultánea distintas rutas de señalización; por tanto, la respuesta celular es el resultado de la integración de las distintas señales recibidas. 0 EJERCICIOS Observe la figura 10-12 ¿Por qué el receptor no activa directamente a ERK1/2? ¿Por qué son necesarias tantas proteínas intermedias (Shc, Grb2, SOS, ras, raf, MEK1/2)? SOLUCIÓN Una ruta de señalización está divid ida en va rias etapas en las que se encuentra una proteína señalizadora implicada. Esto permite que la célula disponga de varios sitios desde donde puede regular la ruta: la amplificación de la señal. puesto que en cada etapa se incrementa el número de moléculas activadas, la integración de distintas señales que activan a proteínas efectoras comunes y la propagación de la señal a través de diversas rutas divergentes. 11!11 ¿Qué se entiende por respuesta celular? IJlll ¿A través de qué mecanismos se puede apagar una ruta de se- ñalización intracelular? liD Describa los 'sistemas de transducción de señales que conozca. IIlD Los receptores de membrana son diana de un gran porcentaje de medicamentos presentes en el mercado. Explique cuál pued e ser la razón . ·;r '196 0 SECCIÓN 11. LA ENERGÍA Y LAS FUNCIONES CELULARfS PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN IIlll La señalización endocrina: Es aquella en la que la céfula emisora es a su vez la célula diana. ~ b} Es aquella en la que la célula emisora se encuentra alejada d.e la célula diana. por lo que la molécula señal tend'rá que viajar por el torrente sanguíneo, e} Es aquella en la que la célula emisora se encuentra cerca de la célula diana por lo que la señal debe difundir por el medio extracelular. d} Es aquella en la que la célula emisora y la célula diana están en contacto directo. b} El AMPc se une a las proteínas G para activarlas. e} El AMPc es generado por fosfodiesterasas que son activadas por proteínas G (familia Ga s). d} El AMPc es generado por la adenilato ciclasa que es activada por receptores con actividad quinasa. a} llliJ De las siguientes afirmaciones, indique cuál es la incorrecta: Una misma molécula señal puede activar distintos tipos de receptores. permitiendo que en cada célula tenga lugar una respuesta específica que dependerá del número y tipo de receptores presentes en su membrana. b} Una misma molécula señal puede disparar distintas respuestas en una célula dependiendo de la concentración a la que se encuentre. e} Cada receptor activa una única ruta de señalización. Las señales extracelulares activan distintos receptores simultáneamente por lo que se activan distintas rutas que van a entrecruzarse e influir unas en otras (integración de señales) _ d} El mismo par señal extracelular/ receptor puede origin ar respuestas celulares diferentes en distintas células ya que la respuesta dependerá de las proteínas efectoras que se activen en el interior celular. a) lliiJ Se. entiende como transducción de señales: Los distintos sistemas que emplean las células para comunicarse. b} Los mecanismos con los que una célula emite una señaL e} Los mecanisfDOS con los que los receptores transforman una señal extracelular en una señal intracelular. d} Todo lo anterior es correcto. a} IIlD El enzima fosfoinositol-3-quinasa (PI3K): a} - Es un ejemplo de receptor con actividad enzimática. b} Se encarga de degradar el inositol-1.4.5-trifosfato que ha sido generado por fosfolipasa CB. Fosforita al lípido de membrana 1-fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (PIP 2) generando 1-fosfatidilinositol-3.4.5-bifosfato (PIP 3) que sirve como punto de anclaje a distintas proteín~s efectoras. d} Es una enzima imRlicada en el metabolismo de lípidos de membrana. IIiiJI ¿En qué se diferencian un receptor de membrana y un receptor nuclear? a) El receptor de membrana permanece siempre en ésta y desde allí transmite la señal. mientras que el receptor nuclear se traslada desde la membrana al núcleo donde inicia la señaL b} El receptor de membrana activa a proteínas de la membrana mientras que el receptor nuclear activa a proteínas del núcleo. e} Las señales de naturaleza polar se unen a receptores de membrana ya que no pueden atravesar esta barrera, mientras que moléculas hidrofóbicas pueden llegar hasta el núcleo y unirse a los receptores nucleares. d} Ninguna de las opciones es correcta. e} ll!IJ Las proteínas G heterotriméricas: Su forma inactiva consiste en un heterotrímero formado por las subunidades a, By y, b} La subunidad a en su estado inactivo está unida a GDP. El receptor acoplado intercambia este GDP por GTP y la subunidad a se separa del dímero BYe} Cuando la subunidad a hidroliza el GTP y lo transforma en GDP se vuelve a reasocia r con el dímero BYd} Todo lo anterior es correcto. a} lliD De las siguientes afirmaciones, indíquese la correcta: La transactivación es el proceso por el que un ligando permite la asociación de dos receptores con lo que se activan uno al otro. b) La calcineurina es un receptor que se activa por la unión de Ca 2•_ e} Las fosfolipasas fosforilan lípidos que actú an como segundos mensajeros. d} Las proteínas JAK son factores de transcripción que son activados en el citosol y viajan al núcleo para activar la expresión génica. a} lllD ¿Qué es un segundo mensajero? Son moléculas presentes en la terminal presináptica que permiten la transmisión del impulso nervioso de una neurona a la siguiente. b} En general son pequeñas moléculas que se generan o se acumulan en el interior de la célula como respuesta a una determinada señal extracelular. Su pequeño tamaño les permite difundir por todo el citoplasma y activar diversas proteínas señalizadoras. e} Son iones presentes en el retículo endoplásmico que.participan en distintas rutas de señalización al regular la actividad de enzimas y la transmisión del impulso nervioso. d} Moléculas capaces de introducirse en el núcleo y activar la expresión de genes necesarios para ejecutar la respuesta celular. a} 1liD De las siguientes afirmaciones. indica cuál es la correcta: a} - . :"' .~ El AMPc es generado por la adenilato ciclasa que es activada por proteínas G (familia Ga s) _ • • ..¡ IIlii!] La comun icación celular: a} Es necesaria para la coordinación de todas las células que componen los órganos y sistemas de un organismo. b} El impulso nervioso. la liberación de moléculas señal al torrente sanguíneo o al espacio extracelular y la señalización por contacto se combinan para llevar a cabo de una manera coordinada todas las funciones del organismo. e} Las señales desencadenan respuestas celulares al activar múltiples rutas de señalización intracelulares. d} Todo lo anterior es correcto. .. 200 SECCIÓN 111. El METABILISMO CELULAR 0 INTRODUCCIÓN El conocimiento hasta aquí expuesto sobre la composición y la estructura de las diferentes biomoléculas, aunque de gran utilidad, no resulta suficiente para comprender el funcionamiento de una célula, especialmente si se quiere entender cómo se forman estas biomoléculas y cómo se obtiene la energía necesaria para el desarrollo de las diversas funciones vitales que desempeña una célula o un organismo vivo. Para poder estudiar estos fenómenos hay que centrarse en el estudio del metabolismo. El metabolismo se podría definir como el conjunto de reacciones catalizadas mediante enzimas que tienen lugar en un organismo o ser vivo, especialmente en una célula. Este conjunto de reacciones tienen distintas finalidades, entre las cuales se podrían destac~r las siguientes: OEI ! ! metabolismo se podría definir como el conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en un organismo o ser vivo. J ~~ • Obtención de la energía necesaria para realizar las funciones del organismo a partir de los nutrientes. • Obtención de las moléculas precursoras o sillares (monómeros) necesarias para la formación de las macromoléculas (polímeros) endógenas, a partir de la degradación de macromoléculas exógenas que se ingieren con los nutrientes. • Formación o síntesis de las macromoléculas endógenas (polisacáridos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) partiendo de las moléculas precursoras. Este proceso suele requerir energía. • Síntesis y degradación de biomoléculas con funciones especializadas, como pueden ser vitaminas u hormonas. El metabolismo, en general, comprende rutas enzimatlcas aparentemente muy complejas y diversas. Hay que señalar, sin embargo, que las principales rutas centrales del metabolismo son muy similares, cuando no idénticas, en la mayoría de las formas de vida. Esta generalidad da idea de la importancia de las rutas metabólicas, puesto que su estudio y comprensión permite entender el funcionamiento básico y común a gran parte de los seres vivos. Las rutas metabólicas centrales representan un ejemplo coordinado de estrategias de regulación y economía celular. 0 ASPECTOS GENERALES Las estrategias tróficas que siguen los seres vivos c flos seres vivos pueden clasificarse en función de su fuente de energía y del origen del carbono que requieren como nutriente. Para vivir, todos los seres vivos necesitan fundamentalmente dos requerimientos: energía y materia, principalmente carbono. Por ello los diferentes organismos pueden clasificarse de acuerdo con dos criterios: la fuente de energía que utilizan y el origen de la forma química del carbono que requieren como nutriente. En función de la fuente de carbono de la que se sirven, se pueden distinguir los siguientes tipos de organismos: autótrofos, que usan como fuente de carbono el carbono inorgánico (dióxido de carbono, CO z); y heterótrofos, que emplean como fuente de carbono el carbono orgánico. En función de la fuente de energía se pueden diferenciar los siguientes tipos de organismos: fotótrofos, que obtienen la energía directamente de la luz del sol; y ,quimiótrofos, que consiguen la energía a partir de compuestos químicos. Los quimiótrofos suelen subdividirse en dos grupos dependiendo de si obtienen la energía de reacciones químicas orgánicas (quimioorgano-) o inorgánicas (quimiolito-). Combinando los dos criterios de clasificación se pueden sistematizar con mayor detalle los diferentes organismos en distintos grupos, tal y como muestra la tabla 11-1: • Fotoautótrofos, organismos que obtienen la energía directamente de la luz solar, y que pueden sintetizar sus compuestos celulares a partir de moléculas simples como el COz y el NH 3 , fuentes de carbono y nitrógeno respectivamente. A este grupo pertenecen principalmente las plantas. • Fotoheterótrofos: organismos que adquieren la energía de la luz sdlar, si bien necesitan como fuente de carbono compuestos orgánicos. Este grupo lo constituyen algunos tipos de procariotas. ... CAPÍTULO .11 . INTRODUCCIÓN Al METABOLISMO 201 Tabla 11-1. Clasificación de los organismos en función de la fuente de energía y de carbono TIPOS GENERALES DE NUTRICIÓN Fuente de energía luz (Fotótrofos) Fotoautótrofo Inorgánica (Autótrofo) Fuente de Carbono Bacterias fotosi ntéticas Cianobacterias Algas Plantas Fotoheterót rofo Orgánica (Heterótrofo) - Bacterias Algas Reacciones Químicas (Quimiótrofos) Com.puestos Organicos (Organótrofos) Compuestos lnorganicos (Litótrofos) Quimioorganoautótrofo Quimiolitoautotrofo Bacterias qu imioautót rofas Bacterias qui mioa utótrofas Quimioorganoheterótrofo Bacterias heterót rofas Protistas protozoos Hongos Anima les Quimiolitoheterótrofo Bacterias heterótrofas Protistas protozoos Hongos • Quimiolitoautótrofos o quimiolitótrofos: organismos que obtienen la energía de las oxidaciones de compuestos químicos inorgánicos como el NH 3 , SH 2 o el hierrü;-y--l:l·tilizan como fuente de carbono el dióxido de carbono. Son, generalmente, bacrer.~como las bacterias nitrificantes. • Quimioorganoautótrofos: se caracterizan por usar carbono inorgánico aunque obtienen la energía de reacciones químicas orgánicas. También forman parte de este grupo algunas bacteria aunque es poco común. • Quimioorganoheterótrofos u organótrofos: oiganismos que extraen tanto la energía como los átomos de carbono a partir' de compuestos orgánicos, por tanto, dependen de los autótrofos para existir. Son, principalmente, los animales, y también la mayoría de los procariotas. • Quimiolitoheterótrofos: se caracterizan por usar carbono orgánico aunque obtienen la energía de reaccion es químicas inorgánicas. Fundamentalmente son bacterias, aunque también pueden formar parte de este grupo algunos hongos . U n tercer criterio de clasificación tiene en cuenta la relación de los seres vivos con el oxígeno molecular (0 2). Existen determinados organismos que solo pueden vivir en presencia de oxigeno, los llamados aerobios o aerobios estrictos. Otros deben vivir en ausencia total del mismo, los denominados anaerobios estrictos. Finalmente, algunos seres vivos son capaces de vivir tanto en ausencia como en presencia de oxigeno, los llamados anaerobios facultativos . Estas diferencias de requerimientos de 0 2 se deben a que, a excepción de los anaerobios estrictos, los seres vivos pueden utilizar el oxigeno como agente oxidante en la degradación de los n utrientes. Se puede hablar así de procesos aerobios y anaerobios, e incluso de metabolismo aerobio y anaerobio. Catabolismo versus Anabolismo Como se ha comentado con anterioridad el metabolismo es un conjunto de reacciones que permiten cubrir las necesidades vitales de las células y del organismo. En general, las rutas implicadas en el metabolismo se suelen dividir en dos fases : las llamadas rutas catabólicas o catabolismo y las denominadas rutas anabólicas o anabolismo. Ambos tipos de rutas ocurren simultáneamente en las células, con una regulación independiente. El conjunto de ambas constituye el metabolism o . Las dos fases del metabolismo son opuestas (Fig. 11-1). Así, se puede precisar que el catabolism o es una fase degradativa, que sirve para quemar las moléculas que se ingieren como nutrientes, o bien moléculas propias, con objeto de d los seres vivos t ambién se clasifi can en func ión de su re lación con el oxígeno, pudiendo habla r de organi smos aerobios, anaerobios y anaerobios facultativos. .;_., ( JEl catabolismo implica las reacciones del metabolismo que son degradativas y que, generalmente, sirven para producir energía. ~l anabolismo implica las reac- ciones del metabolismo que son sintetizadoras y que, generalmente, requ ieren energía. 202 SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR NUTRIENTES Hidratos de carbono Lípidos Proteínas Catabolismo PRODUCTOS DE DEGRADACIÓN C0 2 H20 NH 3 METABOLITOS INTERMEDIARIOS MOLÉCULAS PRECURSORAS MACROMOLÉCULAS Figura 11 -1. Estrategia básica del metabolismo. Papel del ATP, NADP+, NAD+ y FAD en el metabolismo como transportadores de energía y electrones. Proteínas Hidratos de carbono Lípidos Ácidos nucleicos Anabolismo Aminoácidos Monosacáridos Glicerol Ácidos grasos Acetil CoA Bases nitrogenadas producir energía química, tanto en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP), como en forma de moléculas con poder reductor (FADH 2 , NADH y NADPH) , originando una serie de productos de desecho (a destacar C0 2 , H 2 0 y NH¡). De las rutas catabólicas también se obtienen moléculas precursoras o intermediarias a partir de la degradación de macromoléculas. En general, el catabolismo es convergente; es decir, a partir de moléculas muy dispares, se acaba obteniendo una serie limitada de moléculas intermediarias o precursoras, así como una serie limitada de moléculas energéticas. El anabolismo es, en cambio, una etapa biosintetizadora o creadora, en la cual, a partir de una serie limitada de moléculas sencillas -como por ejemplo, acetil CoA, piruvato, aminoácidos, ácidos grasos o azucares-, se sintetizan moléculas más complejas -como ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos o lípidos-. Esta fase sintetizadora suele requerir importantes cantidades de energía, ya sea en forma de nucleótidos trifosfato (ATP, GTP) o como moléculas con poder reductor (FADH 2 , NADH y NADPH) que proceden de las rutas catabólicas. El anabolismo también implica una serie de rutas metabólicás que permiten la fijación de energía y carbono desde fuentes que no son compuestos orgánicos. Entre estas rutas destaca la fotosíntesis, un complejo proceso por el que se fija la energía de la luz y el en compuestos orgánicos, concretamente azúcares. En general, se puede afirmar que el anabolismo es divergente; a partir de una serie limitada de moléculas intermediarias o precursoras, se genera una gran cantidad de macromoléculas y de naturaleza muy dispar: · Las rutas catabólicas y anabólicas, aunque opuestas, no son exactamente inversas. De hecho pueden presentar algunos pasos comunes, pero siempre existen reacciones que las diferencian y que .permiten realizar dichas rutas con la mayor eficiencia posible. Además estos pasos diferenciales permiten una regulación independiente de cada una de estas rutas, puesto que están controladas enzimáticamente por catalizadores diferentes, y además pueden estar ocurriendo en localizaciones distintas dentro de la célula eucariota. co2 c flas rutas del catabolismo y del anabolismo no son exactamente inversas. Implicaciones termodinámicas El catabolismo y el anabolismo están estrechamente relacionados, sob\ e todo a . nivel energético, puesto que el catabolismo es el que aporta la energía necesaria para las reacCiones ·llevadas a cabo en las rutas anabólicas. Así, por ejemplo, CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN Al METABOLISMO cuando una molécula de glucosa se degrada totalmente a dióxido de carbono y agua, proporciona por cada mol aproximadamente unas 686 kcal. Debido a que el calor no puede utilizarse por los seres vivos como fuente de energía, la energía que libera la degradación de la glucosa en una célula se conserva en forma de energía química inherente a los enlaces covalentes de los grupos fosfato de los nucleótidos trifosfato. Hay que recordar que el ATP se genera a partir de nucleótidos difosfato y de fosfato inorgánico (PJ mediante reacciones acopladas a las etapas exergónicas del catabolismo controladas enzimáticamente. El A TP así formado puede emplearse como moneda de intercambio energético, ya que puede difundir hacia aquellos lugares de la célula en los que se necesita energía, constituyendo una forma de transporte de la energía libre (véase capítulo 7). Los electrones constituyen otro vehículo importante para la transferencia de energía química procedente de las reacciones oxidativas del catabolismo a las reacciones reductoras del anabolismo que precisan de tal energía. Para la biosíntesis de moléculas muy reducidas -es decir, muy ricas en hidrógeno como, por ejemplo, los ácidos grasos- se necesitan electrones. Los electrones se transportan desde las reacciones de oxidación del catabolismo, que son las que los liberan, hasta las reacciones que los requieren, reacciones tales como la reducción de dobles enlaces carbono-carbono a enlaces simples. Este trasiego de electrones se consigue mediante coenzimas transportadoras de electrones, entre las que se puede destacar el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADP+), que actúa como vehículo biológico de electrones (en forma de NADPH) desde las reacciones catabólicas hasta las reacciones anabólicas que precisan _electrones (véanse capítulos 6 y 7). También habría que destacar otras coenzimas transportadoras de electrones como el NADH y el FADH 2 , que permiten la síntesis de ATP en la mitocondria a través de la cadena transportadora de electrones (véase capítulo 13). 0 203 o -Existe una importante interrelación entre el catabolismo y el anabolismo, ya que el catabolismo aporta la energía y los elementos que empleará el anabolismo en la síntesis de macromoléculas. LAS RUTAS METABÓLICAS ESTÁN INTERCONECTADAS Todas las reacciones del metabolismo están estrechamente relacionadas e interconectadas de tal manera que la separación entre catabolismo y anabolismo es una separación, más que nada, formal. En las células, ambas fases se desarrollan simultáneamente en el tiempo y en el espacio, si bien esa separación formal perm ite una mejor y más sencilla comprensión del metabolismo. Cada ruta catabólica y anabólica está formada por numerosas reacciones enzimáticas consecutivas que, además, permiten la interconexión con otras rutas distintas. Para facilitar el estudio y la comprensión de las rutas metabólicas, el metabolismo se divide clásicamente en varias etapas: tres para el catabolismo y tres para el anabolismo (Fig. 11-2). Las tres etapas del catabolismo Las etapas del catabolismo se muestran en la figura 11-3. Etapa 1: comprende la digestión de las grandes macromoléculas o biopolímeros a sus moléculas precursoras o sillares químicos. Así, por ejemplo, los polisacáridos se degradan rindiendo monosacáridos, y las proteínas darán los aminoácidos que la constituyen. En esta etapa se encuentran los procesos digestivos de los nutrientes que se ingieren, así como otras rutas metabólicas muy importantes. Por ejemplo, la degradación del glucógeno o glucogenólisis, y el recambio proteico de las proteínas. Etapa 11: las moléculas sillares o monómeros, es decir, los productos de la etapa anterior, se convierten en un reducido número de especies metabólicas intermediarias más sencillas. Así, productos como monosacáridos, glicerol y algunos aminoácidos se degradan hasta dar piruvato, molécula intermediaria· de tres carbonos que, posteriormente, rendirá una especie de dos carbonos: el grupo acetilo del acetil CoA. De igual forma, los ácidos grasos y el resto de aminoácidos se hidrolizan hasta dar acetil CoA y unos pocos productos finales diferentes. En UNIVERSIDAD CES ~~~Un Compf(;m/so con la Excelencia lillibiQTiCA FUNDADC'IRES 204 SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR Citoplasma ¡ ! a Anabolismo Catabolismo Flujo de e- Figura 11-2. Visión general del metabolismo. esta etapa se pueden destacar varias rutas metabólicas: por un lado, la glucólisis, ruta por. la cual la glucosa y otras hexosas se degradan a piruvato, y posteriormente a acetil CoA a través de la descarboxilación oxidativa del piruvato; por otro lado, cabría destacar el proceso de degradación de los ácidos grasos cb múnmente denominado ¡3-oxidaGión, que también acaba rindiendo acetil CoA en las mitocondrias. CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO 205 Nutrientes ETAPA 1 Biopolímeros Glucogenólisis Lipólisis Monómeros ETAPA 11 Tran saminación/ Desaminación Intermediarios 2-3C ETAPA 111 Citoplasma Mitocondria Etapa 111: en esta última etapa, tanto el grupo acetilo del acetil CoA como los demás productos de la etapa anterior se canalizan hacia una ruta catabólica final común, en la que, en último término, pueden ser oxidados, dando dióxido de carbono y agua. En esta etapa se encuentra el ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, así como la cadena transportadora de electrones. La cadena transportadora de electrones sirve para producir grandes cantidades de energía en forma de ATP, gracias a la oxidación de las coenzimas NADH y FADH 2 , que se originan en las rutas del catabolismo, especialmente en la glucólisis, ~-oxidación y ciclo de Krebs. Una de las principales finalidades de esta última etapa del catabolismo es la producción de energía, mientras que en las etapas anteriores, aunque también se produce energía, el principal objetivo es la degradación de moléculas complejas en otras más sencillas. Figura 11 -3. Visión general del metabolismo. Etapas del catabolismo. En la Etapa 1 los polímeros se degradan en monómeros que son absorbidos por las células y comienzan, en la etapa 11, su degradación a compuesto intermediarios. En la Etapa 111, en la mitocondria, se produce la oxidación completa de las moléculas y la obtención de energía. ..... 206 SECCIÓN 111. El METABiliSMO CElUlAR Las tres etapas del anabolismo Las etapas del anabolismo se representan en la figura 11-4. c fEl ciclo de Krebs es una ruta central anfibólica, es decir, que puede servir tanto para el catabolismo como para el anabolismo. -----~' Etapa 1: esta etapa del anabolis~o implica también al ciclo de Krebs, que constituye un ,nexo de unión entre catabolismo y anabolismo. Por ello, a esta ruta central comú~ se la designa como anfihólica, lo que quiere decir que puede servir tanto para el catabolismo como para el anabolismo, en función de cómo se emplee. Así, la ruta puede utilizarse catabólicamente para producir la degradacíón completa de pequeñas moléculas que se derivan de la fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar pequeñas moléculas como precursores para las reacciones biosintéticas. En esta etapa I, también se encuentran otra serie de rutas metabólicas, sobre todo de organismos autótrofos, que utilizan diferentes fuentes de energía para poder fijar moléculas de co2en moléculas orgánicas. Destaca en este aspecto la ruta llevada a cabo por los organismos fotoautótrofos, la fotosíntesis, que sirve para aprovechar la energía solar y poder fijar posteriormente C0 2 en forma de hexosas, a través del ciclo de Calvin. Etapa 11: supone la transformación de los metabolitos intermediarios obtenidos en la etapa II en moléculas sillares o monómeros. Pertenecen a esta etapa~a ruta ETAPA 111 Síntesis de proteínas ETAPA 11 ETAPA 1 Figura 11-4. Visión general del metabolismo. Etapas del anabolismo. La Etapa 1 comienza síntesis de compuestos intermediarios, que en la Etapa 11 se transforman en monómeros que posteriormente en la Etapa 111 polimerizan obteniendo macromoléculas. CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO 207 d e síntesis de ácidos grasos a partir de acetil CoA; la gluconeogénesis o ruta que sirve para formar glucosa a partir de piruvato; y la síntesis de aminoácidos a partir de intermediarios del ciclo de Krebs. Etapa 111: esta etapa comprende la biosíntesis de macromoléculas a partir de las m oléculas sillares o precurs·oras obtenidas en la etapa II del anabolismo o en la etapa I del catabolismo. Así, por ejemplo, a partir de los aminoácidos se obtienen polipéptidos y proteínas a través de la biosíntesis de proteínas, y se generan polisacáridos como, por ejemplo, el glucógeno, a partir de la glucosa por la ruta de la glucogenogénesis. 0 c fEl ciclo de Krebs es una ruta central anfibólica, es decir, que puede servir tanto para el catabolismo como para el anabolismo. CONTROL DEL METABOLISMO C omo se ha comentado con anterioridad, el princrpw de la máxima eficacia preside todos los aspectos del metabolismo, sobre todo en el aspecto de minimizar los gastos energéticos. Esta máxima eficacia se consigue ejerciendo un control y una regulación precisa y constante. En realidad, de forma general, se puede simplificar diciendo que el ritmo metabólico se controla por las necesidades energéticas de la célula. Así, la velocidad del catabolismo viene controlada por las necesidades de ATP de la célula en cada momento, y no por la concentración de sustratos. Las células sólo consumen su combustible, los nutrientes, para p roporcionar la energía necesaria con la que cubrir las actividades que se precisan en un instante determinado. De forma similar, la velocidad de biosíntesis de los componentes celulares se ajusta a las necesidades inmediatas. Los niveles de regulación y control del metabolismo Los diferentes mecanismos que controlan la actividad de cualquier ruta metabólica, es decir, la regulación, puede ocurrir a diversos niveles: • Primer nivel: control de la cantidad de enzima que regulará la velocidad de reacción de cada una de las reacciones enzimáticas de la ruta. Este control se realiza principalmente a través de dos mecanismos distintos: por un lado, el control genético de la velocidad de síntesis de la enzima; y, por otro lado, el control de la velocidad de degradación de la enzima. Las enzimas que están siempre en cantidades casi constantes en una determinada célula reciben el nombre de enzimas constitutivas, mientras que aquellas que se sintetizan ,s olamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos se llaman enzimas inducibles. Un ejemplo de este nivel de control es la regulación génica sobre la hidroximetilglutaril CoA reductasa, enzima clave en la síntesis del colesterol (véase capítulo l4), sobre la cual se ejerce un fuerte control genético, tanto sobre la velocidad de síntesis del mRNA, como sobre la velocidad de traducción del mismo. • Segundo nivel: control de la actividad de la enzima. Este control puede llevarse a cabo por mecanismos comunes tales como las concentraciones intracelulares de sustratos o productos y del cofactor, el pH o la temperatura (véase capítulo 8). O bien puede ocurrir por mecanismos específicos: como se estudió en el capítulo de enzimología, la actividad puede regularse de forma muy sensible gracias a las enzimas reguladoras. Muchas enzimas resultan inhibidas por el producto final de la reacción, mientras que otras se estimulan o inhiben por algún metabolito o cofactor. También las enzimas pueden sufrir procesos de modificación covalente como respuesta de otras proteínas reguladoras. Por ejemplo, la hexoquinasa, primera enzima regulada de la glucólisis (véase capítulo 12), presenta una inhibición por su producto, la glucosa-6-fosfato, de tal forma que dicho factor de regulación permite controlar la cantidad de glucosa que se almacena en la célula. • Tercer nivel: compartimentalización celular. La existencia de diferentes orgánulos dentro de una célula eucariota permite un control del metabolismo basado en la distribución espacial y en la existencia de barreras físicas (membranas), que controlan el trasiego y la disponibilidad de sustratos, cofactores y enzimas en cada momento y lugar. Este fenómeno lleva a la c fEl control de los procesos metabólicos, puede realizarse sobre la cantidad de enzima, sobre la actividad de la enzima y sobre la localización de la enzima. 208 SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR· d El control de los procesos metabólicos puede realizarse sobre la cantidad de enzima, sobre la actividad de la enzima y sobre la localización de la misma. especialización de diferentes orgánulos, como, por ejemplo, los cloroplast9s con relación a la fotosíntesis, o la mitocondria con relación a la producción de energía y de procesos principalmente catabólicos: cadéna transport~dora de electr~mes, ciclo de Krebs y ~-oxidación. También se puede · generalizar esta corripartimentalización a un nivel tisular, de tal manera · que los diferentes tejidos se especializan y hay determin~dos procesos me. tab9licos que se dan únicamente en algunos tejidos como, por ejemplo, la gluconeogénesis que ocurre casi exclusivamente en el tejido hepático. Al hablar de la C01Ilpartimentalizacióri hay que destacar la actuación de las isoenzimas (Recuadro 11-1). .• ·cuarto nivel: controÍ hormonal. En organismos inás complejos, normalmente pluricelulares, ~ay que resaltar un último nivel de regulación: el que ejercen las hormonas, mo~éculas sintetizadas y secretadas por diferentes glándulas endocrinas, que actúan como mensajeros químicos. Estos compuestos, de distintas naturalezas, se trasladan desde su lugar de origen, por la sangre, hasta ciertos órganos o tejidos donde estimulan o inhiben de forma 'específica determinadas rutas metabólicas. El mecanismo de regulación hormonal se produce por su actuación sobre la actividad de enzimas clave de dichas rutas, normalmente a través de una modificación covalente reversible, siendo la fosforilación-desfosforilación el mecanismo más _habitual. Así, por ejemplo, el glucagón, una hormona peptídica sintetizada en el páncreas y formada por 29 aminoácidos, controla los niveles de glucosa en sangre mediante la activación e inhibición de distintas rutas metabólicas de los hidratos de carbono (véase capítulo 12). Cuando el organismo requiere más azúcar en la sangre, las células alfa del páncreas elaboran glucagón. Esta hormona moviliza las reservas de glucosa presentes en el hígado en forma de glucógeno, al activar la glucogenólisis, y también favorece la síntesis de nuevas moléculas de glucosa al potenciar igualmente la gluconeogénesis hepática. El glucagón activa a nivel celular una proteína quinasa dependiente del mensajero AMPc, la cual fosforila varias enzimas, activándolas o inhibiéndolas, y de esta forma favorece una rutas metabólicas y bloquea otras (véase capítulo lO) . De esta manera, una de las consecuencias de la secreción de glucagón es la disminución de la fructosa-2,6-bifosfato por fosforilación de la fosfofructoquinasa-2 o PFK-2/FBPasa-2, enzima cuya forma fosforilada presenta activi~ad quinasa rompiendo la fructosa-2,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato. El descenso de los niveles de fructosa 2,6-bifosfato favorece la activación de la gluconeogénesis y la inhibición de la glucólisis. Recuadro 11-1. lsoenzimas. Lactato deshidrogenasa Las isoenzimas son isoformas (variantes moleculares estrechamente relacionadas) de las enzimas. Normalmente las isoenzimas son enzimas que difieren entre sí ligeramente en su secuencia de aminoácidos, pero catalizan la misma reacción química. La lactato deshidrogenasa (LDH. de 140 kDa) cataliza de forma reversible la transformación de piruvato en lactato, reacción típica de la fermentación homoláctica. Dicha enzima esta formada por cuatro subunidades, cada una de unos 35 kDa. Se conocen dos tipos de subunidades: H y M, que presentan pequeñas diferencias en su secuencia -de aminoácidos. Estas diferencias en la secuencia provocan que la subunidades H se inhiban por piruvato, mientras que las subunidades M no resultan inhibidas por el piruvato. Ambas subunidades pueden asociarse independientemente para formar tetrámeros, dando lugar a cinco isoenzimas (isoformas de· la enzima) , correspondientes a las cinco combinaciones posibles, cada una de las cuales se encuentra preferentemente en determinados tejidos. • • • • • LDH-1 LDH-2 LDH-3 LDH-'4 LDH-5 (H4): principalmente en el corazón. (H3M): principalmente en eritrocitos y cerebro: (H2M2): principalmente en leucocitos y cerebro. (HM3): principalmente en el páncreas. (M4): principalmente en el hígado y músculo esquelético. La asociación de las subunidades para formar tetrámeros es aleatoria, por lo que la composición isoenzimática de un tejido está determinada esencialmente por el nivel de expresión de· cada uno de los genes que codifican las subunidades H y M. Cada una de las isoenzimas, en función de la proporción de la subunidad H y M, presenta diferencias en su actuación, sobre todo en cuanto a la inhibición inducida por el piruvato. Así, la isoenzima LDH-1 es muy sensible a los niveles de piruvato mientras que la isoenzima LDH-5 es insensible. Esta diferencia provoca que, bajo las mismas condiciones, una de las 'formas pueda ser inactiva mientras que la otra sea muy activa, permitiendo de tal manera un control diferencial en función del tejido. La LDH también es útil en el diagnostico de diversas patologías, pues dicha enzima pasa a la sangre tras la destrucción de ciertos tejidos, bien sea por una causa traumática, infecciosa o neoplásica. De esta forma , su elevación en el suero es un signo inespecífico de organicidad de un proceso, es decir, de que un órgano o tejido ha sido lesionado. A pesar de la inespecificidad del signo, es de gran utilidad en diversas patologías, como por ejemplo para el diagnostico de fallos cardíacos, donde el incremento de la LDH-1 se relaciona fácilmente con infartos. CAPÍTULO 11. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO La localización intracelular del metabolismo 209 ~n las células eucariotas, la existencia de diferentes compartimentos En las células eucariotas, la existencia de diferentes orgánulos y compartimentos intracelulares, permite la distribución espacial de las diferentes rutas metabólicas, lo cual facilita el desarrollo de un control por compartimentalización tal y como se ha comentado anteriormente. En la figura 11-5 se representan los principales orgánulos de una célula eucariota arquetípica y se indican las principales funciones y rutas metabólicas que se originan en cada una de estos orgánulos o compartimentos. Cabe destacar el citoplasma o citosol, donde se originan la glucólisis (ruta dedicada a la degradación de monosacáridos con la fi~alidad de obtener energía), la síntesis de ácidos grasos (ruta básica para la posterior síntesis de lípidos saponificables) o las fermentaciones (especialménte la fermentación homoláctica, ruta que, en el caso de los animales y el ser humano, son de utilidad para evitar el bloqueo de la ruta de la glucólisis) . También debe resaltarse la mitocondria, en cuya matriz se produce el ciclo de Krebs (ruta central del metabolismo, de gran importancia porque en ella confluyen las rutas metabólicas de las principales biomoléculas tales como los hidratos de carbono, los lípidos y los / intracelulares (orgánulos) permite la distribución espacial de las rutas metabólicas entre dichos compartimientos, favoreciendo el control de los procesos metabólicos. Centriolos Mitocondria: Ciclo de Krebs Fosforilación oxidativa Usoso mas peroxisomas Retículo endoplásmico liso: Síntesis de lípidos Núcleo: Síntesis de DNA Síntesis de tRNA y mRNA Membrama plasmática: Protección Transporte de sustancias ~-~~~f-::::::==- Ribosomas: Síntesis de proteínas Citosol: Glucólisis Gluconeogénesis Síntesis ácidos grasos Fermentaciones Retículo endoplásmico rugoso: Síntesis y maduración de proteínas Nucleolo: Síntesis de RNA ribosómico Figura 11-5. Localización de algunas de las rutas metabólicas en una célula arquetípica. Con cortesía de Editorial Hélice. Recuadro 11-2. Métodos de estudio de las rutas metabólicas Cuando se estudia el metabolismo se hace necesario conocer los intermediarios metabólicos, las Hay tres formas clásicas para estudiar el metabolismo: en~¡mas implicadas en la ruta y su regulación . ' • Aislamiento y caracterización de las enzimas y los intermediarios implicados en la ruta. Se utilizan principalmente. técnicas de HPLC o proteómica a través de análisis bidimensionales en geles de electroforesis. También se trabaja con fracciones o subfracciones celulares, principal. mente obtenidas con técnicas de ultracentrifugación. • Uso de mutantes auxótrofos, es decir, mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir. Su estudio permite determinar el orden en que se suceden los metabolitos de la ruta. También se emplean mutantes con deficiencias genéticas en alguna de las enzimas implicadas en la ruta, o enfermos con algún defeeto genético, debido a que los fallos llevan a la acumulación de los intermediarios metabólicos. • Uso de precursores isotópicamente marcados (los isótopos son elementos con el mismo número atómico pero con distinta masa atómica). Por ejemplo, los isótopos radiactivos son fácilmente detectables porque son inestables y emiten partículas subatómicas 2 P, 14C y 3 H). La resonancia magnética nuclear (RMN) detecta isótopos específicos por las caraGterísticas de su espín nuclear CH. 13 C, 31 P). Esto permite realizar un rastreo y seguimiento de lobteAerompuestos a través de una o varias rutas metabólicas. e 210 SECCIÓN III: EL METABILISMO CELULAR compuestos nitrogenados, principalmente aminoácidos) y en cuya membrana interna se produce la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa (rutas de suma importancia en la producción de energía a nivel celular, debido a que permiten transformar la energía obtenida en la reacciones rédox -y fijada en las moléculas de NADH + H+ y FADH 2 - en energía en forma de ATP, fácilmente utilizable por la célula para todo tipo de reacciones y trabajos celulares, 'tales como la contracción muscular). El conocimiento de la existencia y de la importancia de la separación en compartimentos celulares se ha obtenido gracias a trabajos de investigación que se realizan con distintas fracciones celulares. En el recuadro 11-2 se comentan algunas de las técnicas, métodos y herramientas empleadas para el estudio de las rutas metabólicas y de su localización. CONCEPTOS CLAVE El metabolismo es el conjunto de reacciones catalizadas enzimáticamente que tienen lugar en un organismo, con las finalidades de obtener energía, obtención de moléculas precursoras y sintetizar macromoléculas. Se puede dividir en dos fases: el catabolismo, que es una ruta degradativa y convergente y que, por lo tanto, produce ener~ía; y el anabolismo, ruta biosintetizadora, divergente y que requiere energía. o Etapas del catabolismo: 1: de macromoléculas a moléculas sillares. 11: de moléculas sillares a moléculas intermediarias. 111: degradación de las moléculas intermediarias. o Etapas del anabolismo: 1: suministro de moléculas intermediarias y fijación de la energía de los fotones. 11: de moléculas intermediarias a moléculas sillares. 111: de moléculas sillares a macromoléculas. o Existen varios niveles de control metabólico para obtener el máximo de eficacia así como un control sobre las distintas rutas metabólicas: - 0 Control de la cantidad de enzima. Control de la actividad de la enzima. Compartimentalización celular. · Control ho-rmonal. EJERCICIOS 1111 Complete el siguiente crucigrama: VERTICALES: 1. Fase del metabolismo degradativa, que sirve para quemar las moléculas que ingerimos como nutrientes o bien moléculas propias, para producir energía química. 3. Fase del metabolismo biosintetizadora, en la cual a partir de una serie limitada de moléculas sencillas obtenemos moléculas más complejas. 4. Enzimas que se sintetizan solamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos. S. Organismos que obtienen la energía de la luz solar y pueden sintetizar sus compuestos celulares a partir de moléculas simples como el C0 2 y el NH 3• 6. ¿Qué es a la vez catabólico y anabólico? HORIZONTALES: 2. Tipo de control del metabolismo basado en la existencia de distintas partes (órganos, tejidos, orgánulos) y barreras en el organismo. 7. Organismos mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir. 8. Organismos que obtienen la energía y los átomos de carbono de compuestos orgánicos. 9. Organismos que usan como fuente de carbono el carbono inorgánico. CAPÍTULO 11 : INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO 0 21 J PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN liD Un organismo quimiótrofo es aquel que obtiene: a) b) e) d) La energía de la luz del sol. El carbono de una fuente de carbono inorgánico. La energía de compuestos químicos. La energía del sol y el carbono de una fuente de carbono inorgánico. 1111 Un organismo fotótrofo es aquel que obtiene: a) b) e) d) La energía de la luz del sol. El carbono de una fuente de carbono inorgánico. El carbono de una fuente de carbono orgánico. La energía del sol y el carbono de una fuente de carbono inorgánico. I I I J interretacionando el catabolismo y el anabolismo, se 'puede(n) encontrar: a) Diversas biomotécutas, sobre todo sillares y moléculas intermediarias. b) Transportadores de electrones, como el NADH + W. e) Moléculas trifosfato como el ATP , d) Todas son verdaderas. 1111 Respecto a las fases del metabolismo: La fase 11 del anabolismo implica la biosíntesis de las macromotécutas. b) La fase 111 del anabolismo implica el ciclo de Krebs. e) La fase 1 del anabolismo implica la fotosíntesis. d) La fase 111 del anabolismo implica la degradación de tás macromotécutas. a) III:J Respecto a las partes del 1\letabolismo: a) El ciclo de Krebs es exclusivo del catabolismo. b) El catabolismo es una fase degradativa del metabolismo en la que se consume energía. e) El catabolismo es una fase degradativa del metabolismo en la que se libera energía. d) El catabolismo es una fase de síntesis del metabolismo en la que se libera energía. 111'1 Respecto a la fase 11 del anabolismo: a) En dicha fase interviene el ciclo de Krebs. b) Implica la transformación de macromotécutas a moléculas · · sillares. e) Implica la transformación de moléculas intermediarias a moléculas sillares. d) Un ejemplo de esta fase es la gtucogeñogénesis. ,¡>"' IJD Respecto a las fas~!ÍI del catabolismo: a) En dicha fase interviene el ciclo de Krebs. b) Implica la transformación de macromotécutas a moléculas sillares. e) Implica la transformación de moléculas sillares a moléculas intermediarias. d) Un ejemplo de esta fase es la gtucogenólisis. 1111 El carácter anfibólico del ciclo de Krebs hace referencia: A una serie de reacciones de repuesto de tos intermedia· rios del ciclo de Krebs. b) A que el éido· de Krebs sirve para prodücir aminoácidos. a) 212 SECCIÓN 111. EL METABILISMO CELULAR e) _A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía. d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos catabólicos como anabólicos. Suele implicar una modificación covalente por fosforilación-desfosforilación de un enzima. d) Todas son verdaderas. lliiiJ La existencia de diversos orgánulos permite un control por: 1011 El control hormonal: Es típico de organismo complejos. normalmente pluricelulares. b) Normalmente actúa mediante la modificación de la actividad de una enzima . a) . e) a) b) e) d) Actividad de la enzima. Hormonas. Factores alostéricos. Compartimentalización. •' ~-- '- \ METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO o CONTENIDOS o Introducción o Digestión de azúcares de la dieta o La glucólisis o La gluconeogénesis o Destino del piruvato o La ruta de las pentosas o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Tener una visión general del metabolismo de los hidratos de carbono. o Conocer y entender las principales rutas relacionadas con la glucosa, así como de otros monosacáridos. o Tener un conocimiento general sobre cómo se obtiene energía y poder reductor a partir de los hidratos de carbono. o Entender los procesos de regulación de las rutas metabólicas de los hidratos de carbono y conocer cuáles son los principales factores que influyen en su activación o inhibición. fosfato o El metabolismo del glucógeno En este capítulo, que trata del metabolismo de los hidratos de carbono , se estudian las diferentes rutas que utilizan los organismos y sus células para obtener energía y otras moléculas a partir de los sacáridos, principalmente a partir de la glucosa. Se destaca una de las rutas clave de este tipo de biomoléculas: la ruta de la glucólisis. Se ha optado por elegirlo como primer capítulo del bloque dedicado a las principales rutas metabólicas, porque los carbohidratos son la principal fuente de energía de la mayoría de las células, siendo, por tanto, vital el conocimiento de dichas rutas para una mejor comprensión del metabolismo celular. Además, se ha querido mantener un orden similar al seguido en la sección 1, donde se empezó igualmente por el estudio de los hidratos de carbono, debido a su menor}"complejidad química. En este capítulo se explican las rutas metabólicas de los hidratos de carbono y se resalta, desde un punto de vista fisiológico, su importancia en el mantenimiento de los niveles de glucosa en sangre. La regulación de la glucemia es de extrema importancia para mantener un nivel energético óptimo en el organismo, de tal forma que todas las células puedan alimentarse adecuadamente y cumplir sus funciones con efectividad . llil.lQTiQA FYN9AQ~ RES 214 SECCIÓN IIJ . · EL METABOLISMO CElULAR . 0 INTRODUCCIÓN El ·metabolismo de ·los hidratos de carbono· es una de las principales rutas del metabolismo· celular. Entre los azúcares utilizados como fuente de energía para la célula, destaca uho principalmente, la glucosa que, como ya se ha visto en el capítulo '2, es la base de muchos polisacáridos. La glucosa desempeñ:a un papel central en el ·metabolismo de los hidratos de carbono, de tal forma que el presente capítulo se articula en torno al estudio de las rutas metabólicas de esta hexosa1 aunque también se vinculará con las rútas ·de diferentes azúcares presentes en la dieta y en el organismo.· . · Las principales rutas metabólicas que se van a estudiar están relacionadas estrechamente con la producción de energía y de poder reductor, ya que la energía que se utiliza normalmente procede principalmente del metabolismo de los azúcares, sobre todo de la glucosa. En la figura 12-1, se presentan las principales vías del metabolismo de la glucosa que se irán desarrollando a lo largo de este capítulo: • Las rutas relacionadas con el glucógeno, polisacárido de reserva energética a corto plazo en los animales. Es de gran importancia para mantener un correcto estatus energético en el organismo, especialmente en músculo e hígado. La glucogenólisis comprende las reacciones de degra dación, mientras que la glucogenogénesis incluye las vías de síntesis a partir de la glucosa. 1 ~ 1. 1 ~ 1 ~ l ' ! Polímeros Glucógeno ·v; "' Q) r::: •Q) b.O or::: ~ o u .:0 <..:> o- H 1 1 Monómeros -o-P-0-C - H ~ Citopla~a ~OH H H H vía pentosas fosfato H OH OH Ribosa-5-P ¡ ANbolismo ! CataboUsmo a flujo de!" .. . OH 1 Figura 12-1. Principales rutas metabólicas de la glucosa. .. ~ lactato o O /j CH 3 -C-c\ o- /j eH 3 -c-e 11 o \ Piruvato o- Intermediarios CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE .LOS HIDRATOS DE CARBONO 215 • Las rutas relacionadas con los monosacáridos. Entre ellas la principal ruta catabólica es la glucólisis, ruta degradativa de la glucosa que sirve para obtener energía de esta molécula y también de otras hexosas y m.o~;wsacári~ dos. La gluconeogénesis e~ la principal ruta a11abólica que sinteti;za glucosa a partir de intermediarios metabólicos. La ruta de las pentosas fosfa~o es la principal fuente de obtención de poder reductor en forma de NADPH, , aunque también es de gran interés d€:bido a que permite obtener una gran variedad de monosacáridos. • Como intermediario metabólico, el piruvato juega un. impqrtante papel como vía de entrada en las rutas catabólicas de fermentacione$ (láctica y alcohólica) y la descarboxilación oxidativa del piruvato. Tarp.bién servirá de sustrato para la síntesis de glucosa. El análisis de este conjunto de rutas se completará con el estudio del proceso digestivo de los hidratos de carbono, ya que en el caso de los seres humanos y de los animales, organismos organótrofos, la ingesta de azúcares, sobre todo"polisacáridos de la dieta, constituye la principal fuente de hidratos de carbono. Aunque estos organismos pueden sintetizar az.úcares. a partir de moléculas intermediarias, principalmente a través de la gluconeogépesis, esta capacidad es relativamente poco importante en comparación con el aporte de azúcares d~ su dieta y, sobre todo, si se compara con la gran cantidad de azúcares que sintetiza cualquier organismo autótrofo como, por ejemplo, las plantas, a partir de moléculas sencillas. 0 DIGESTIÓN DE AZÚCARES DE LA -DIETA Clasificación de los hidratos de carbono según su digestión En función de su comportamiento durante el proceso de digestión en organismos superiores, los hidratos de carbono se pueden dividir en dos grandes grupos: hidratos de carbono no digeribles e hidratos de carbono digeribles. Los primeros son los que, comúnmente, se conocen con el nombre de fibra de la dieta o fibra alimentaria que, en su mayoría, son polisacáridos complejos que no se pueden digerir porque el organismo no posee las enzimas necesarias para hidrolizar los enlaces que unen los distintos monosacáridos. Entre estos compuestos podemos destacar la celulosa y otros heteropolisacáridos vegetales como la inulina (fructano) o compuestos como el agar, derivados de algas marinas. No obstante, a pesar de que la fibra alimentaria no tiene un papel como nutriente (al no poder ser digerida y asimilada por el organismo), desempeña diversas funciones fisiológicas importantes, como estimular la peristalsis intestinal y facilitar el correcto tránsito intestinal. Entre otros beneficios, se puede destacar que la fibra ralentiza el vaciamiento gástrico y aumenta su distensión, prolongando la sensación de saciedad: esto provoca una disminución en la absqrción de glucosa, lípidos y aminoácidos, que ayuda a regular los niveles glucémicos y de colesterol. Dentro de los hidratos de carbono digeribles, hay que destacar el papel del almidón, principal hidrato de carbono de la dieta: se estima que puede representar hasta un 50% de las calorías consumidas por un organismo. Cabe recordar que la existencia de dos tipos de estructuras en el almidón, amilosa y amilopectina, implican una mayor complejidad a la hora de poder digerir y asimilar totalmente los monosacáridos del almidón; además, también tienen mucha importancia en la dieta ciertos productos derivados del almidón como pueden ser las dextrinas. Otros hidratos de carbono que presentan gran importancia en la dieta son los disacáridos, principalmente la sacarosa y la lactosa, así como otros polisacáridos como el glucógeno. En general, el proceso digestivo de los hidratos de carbono implica la transformación del azúcar en sus constituyentes básicos, es decir, los monosacáridos, a través de enzimas digestivas específicas. Estos monosacáridos posteriormente serán asimilados por la acción de transportadores específicos a nivel intestinal. Relacionadas con los procesos digestivos de los hidratos de carbono y su absorción, se encuentran diversas patologías conocidas normalmente como intolerancias alimenticias. /' c:Jlos hidratos de carbono de la dieta se pueden dividir en dos grand"es grupos, hidratos de carbono no digeribles (fibra) e hidratos de carbono digeribles. c:!La fibra alimentaria sirve para estimular los movimientos peristálticos y facilitar el correcto transito intestinal. c:JEl almidón es el principal hidrato de carbono de la dieta. / 216 SECCIÓN IIJ. EL METABOLISMO CElULAR Enzimas digestivas de azúcares y. productos obtenidos d la amilasa hidroliza el almidón originando maltosas, maltotriosas y a-dextrinas, que se hidrolizarán dando moléculas de glucosa por acción de la maltasa y de la isomaltasa. ~as alfa glucosidasas son enzimas que degradan enlaces a entre glucosas, como la maltasa rompe enlaces al ~4 entre glucosas de disacáridos y trisacáridos, y la isomaltasa, que rompe enlaces al ~6 entre glucosas y libera maltosa y maltotriosas. (a) La digestión del almidón, principal hidrato de carbono de la dieta, viene determinada por el'tipo de estructura que esté implicada. Así, la"estructura amilosa, estructura _lineal cori enlaces (<:1 ~4) va a ser digerida por lá. enzima amilasa. Esta enzima se secreta ya en la saliva (amilasa salival), iniciándose desde la degluéión el proéeso digestivo del almidón, si bien es la amilasa pancreática secretada en el intestino la que termina de hidrolizar la mayor parte de la amilosa. La amilasa r~mpé los enlaces· (al ~4) del almidón, aunque no hidrollza enlaces contiguos, de .tal forma que va rompiendo uno de cada dos o tres enlaces. Como resultado de esta actividad · se obtienen disacáridos y trisacáridos de glucosa: la maltosa y la maltotriosa, respectivamente. Esi:a misma enzima, la amilasa, también ataca parcialmente a la estructura amilopectina del almidón, estructura ramificada con una estructura central de moléculas de glucosa con enlaces (al ~4) y puntos de ramificación (c;xl ~6). Sólo puede hidrolizar enlaces (al ~4) que estén alejados de los enlaces (al ~6), de tal forma que la actuación de la amilasa sobre la estructura amilopectina del almidón origina tres productos distintos: la maltosa, la maltotriosa (como la obtenida a partir de la amilosa) y las llamadas dextrinas límite o a-dextrinas, que son los fragmentos restantes del almidón que no han podido ser hidrolizados por la amilasa debido a la presencia del enlace (al ~6). Estas moléculas de dextrina tienen entre 4 y 9 moléculas de glucosa· unidas mediante enlaces (al ~4) y presentan un punto de ramificación mediante un enlace (al ~6) (Fig. 12-2a) . Las dextrinas terminan de ser hidrolizadas por acción de la isomaltasa, enzima que hidroliza el enlace (al~ 6), liberando moléculas de maltosa y maltotriosa, o bien fragmentos de varias glucosas que serán hidrolizados nuevamente por la amilasa, originando. moléculas de maltosa y maltotriosa. Finalmente, las moléculas de maltosa y maltotri9sa se digieren por la maltasa, que hidroliza los enlaces (al~ 4) de disacáridos y trisacáridos, liberando moléculas de glucosa, que serán incorporadas por transportadores específicos de glucosa hacia el interior de Amilopectina a1 ~ Amilosa 4 ~ a1 ~ 4 -o-o-oMaltotriosa Dextrinas (b) BORDE EN CEPILLO ~ru~ 1 Lactosa 1 1 · Almidón 1 -----------------~~~-~ Galactosa Amilasa Maltosa Maltotriosa Dextrinas límite . 1 · 1Sacarosa 1 · EPITELIO INTESTINAL · 1 a -glu cÓsidasas ~ ---"'-----~ Glucosa / Sacarasa ~ Fructosa LUMEN INTESTINAL Digestión Figura 12-Í. (a) Estructura básica de la amilopectina y ami losa. ··se irtdican los productos de degradación después de la actuación de la ·ami lasa (flecha) : maltosa, maltotriosa, dextrina límite. (b) Enzimas y productos implicados en la digestion de los hidratos de ·carbono. · CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO ----------------------------------------------------------------- las células intestinales. Dichos transportadores son el SGLT-1 y el GLUT-2 (Tabla 12-1). El glucógeno, al poseer una estn,¡ctura similar .a la amilopectina del almidón, también requiere la presencia de amilasa y de· isomaltasa para hidrolizar los enlaces (al ~4) y (al ~6) respectivamente. Se llberan igu~lmente moléculas de maltosa y ní.altotriosa que hidrolizadas, por la maltasa rendirár¡. JJ).onómeros de glucosa, listos para ser asimilados por las células intestinales. . La hidrólisis de los disacáridos se produce a través de disacaridasas espec.iflcas que liberarán los monosacárido~ constituyentes del disacárido. Así, sobre _la sacarosa actuará la sacarasa, que hidroliza el enlace (al--:12) y libera un m(mosacárido de glucosa y de fructosa: la glucosa se asimilará en las células del intt~st:~no gracias al SGLT-1 o al GLUT-3, y la fructosa a través del GLUT-5 . Sobre la lactosa intervendrá la lactasa, que hidroliza el enlace (~1 ~4), liberando un monosacárido de glucosa Y. otro de galactosa: la glucosa se absorberá por acdón dc:;l SGLT-1 o del GLUT-3, y 1!1 galactosa a través del SGLT-1. T?do est.e proceso de hidrólisis se resume en la figura 12-2b. · · .. Cabe destacar que, relacionados con las enzimas digestivas isomaltasa, lactasa y sacarasa, se encuentran cie~;tos trastornos alimenticios denominados intolerancias alimenticias que suelen originar cuadros de dolores abdomin¡iles y diarreas, ' · · principalmente (Recuadro 12-1). Los monosacáridos asimilados por las células intestinales se liberan rápidamente al torrente sanguíneo gracias a un transportador, el GLUT-2: Es J..lll 21 7 1 I TExisten diversos transportadores a nivel intestinal que facilitan la asimilación de los monosacáridos. Tabla 12-1. Transportadores de monosacáridos Transportador Transp. activo secundario Función Lugar de expresión SGLT 1 Absorción de GLU Intestino delgado- riñón SGLT 2 Absorción de GLU Túbulos renales GLUT 1 Captación basal de GLU GR. encéfalo, riñón, tejidos GLUT 2 KM 40 mM Sensor de GLU en cél ~ memb. basolateral intestino y riñón Cél. ~----------,_-------------------------------------r----Difusión facilitada ~. intestino, riñón , hígado GLUT 3 Captación basal de GLU Encéfalo, riñón, tejidos GLUT 4 KM 3 mM Captación de GLU ESTIMULADA POR INSULINA Músculo esquelético, cardiaco, tejido adiposo GLUT S Transporte de fructosa Yeyuno, esperrT)a Transportador de glucosa 6-P en retículo endoplásmico Hígado, tejidos GLUT 6 GLUT 7 Recuadro 12-1. Intolerancias alimenticias El déficit de las enzimas digestivas de los disacáridos y de la dextrina límite o su funcionamiento incorrecto, hace que estos hidratos de carbono no se puedan degradar y se acumulen, lo que provocará que las bacterias se alimenten de ellos, produciendo formación de gases y ácidos. Esto desencadena: o o Molestias intestinales, hinchazón de la región abdominal y meteorismo Descenso del pH, que origina daños en la pared intestinal que puede originar trastornos alimenticios y malabsorción, que puede ser muy grave si afecta a la asimilación de las vitaminas. La acumulación de los disacáridos provoca también que el bolo alimenticio del intestino se vuel~jl hiperosmótico, por lo que se expulsarán grandes cantidades de agua por medio de diarreas hídricas. arrastrando el resto de nutrientes y originando el síndrome de malabsorción. Este trastorno puede ser muy grave en bebés. Las intolerancias alimenticias más típicas son: Intolerancia a la leche. Aunque no es frecuente, esta intolerancia puede ser hereditaria, al producirse un déficit de lactasa. Más simultáneo es la intolerancia a la leche adquirida, como consecuencia de dejar de consumirla en la edad adulta y, por tanto, de producir lactasa. Es muy típica de poblaciones asiáticas y africanas. Los caucásicos, sin embargo, mantienen una buena tolerancia a la leche siendo adultos, como resultado de los hábitos culturales de seguir alimentándose de leche de vaca. Para tratar esta intolerancia se hace necesario eliminar la leche de la dieta. En lactantes se sustituía por leche de soja, pero se ha visto que de esta forma se puede producir una deshidratación muy rápida en los bebés. Deficiencia en sacarasa e isomaltasa. Estas dos enzimas presentan un control genético común, por lo que se suele dar siempre el fallo común de ambas enzimas. El almidón se tolera mal porque la amilasa pancreática genera alrededor d'el 30% de a -dextrina, que no será hidrolizada por el fallo de la isomaltasa. También se toleran mal las frutas por su elevado porcentaje de sacarosa. El trastorno puede ser grave y provocar la ausencia de microvellosielades, si bien la intolerancia mejora con la edad. · ... 218 SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR transportador de grupo capaz de arrastrar los principales monosacáridos de la die~a, la glucosa, la fructosa y la galactosa, desde el intestino hasta la sangre, para su distribución y utilización por todos los tejidos del organismo. Gran cantidad de la glucosa procedente de la dieta será asimilada por el hígado, órgano encargado de mantener los niveles de glucosa en sangre. 0 LA GLUCÓLISIS Aspectos generales de La degradación de glucosa glucólisis, una de las rutas degradativas más importantes del organismo ya que procesa la glucosa, también es útil para hidrolizar otros monosacáridos. c JLa glucólisis se produce en el citoplasma y se suele dividir en dos fases: la fase preparativa y la fase de rendimiento energético. La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética del organismo. Es una de las rutas más importantes del metabolismo, ya que constituye uno de los primeros pasos en el procesamiento y aprovechamiento de la glucosa para la obtención de energía para la célula. La glucólisis puede considerarse como el proceso oxidativo de la glucosa, bien mediante su degradación hasta generar piruvato o bien mediante su fermentación para dar ácido láctico. La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía de combustión. El tipo de glucólisis más común y más conocida és la vía de EtñbaenMeyerhoff, explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhoff. La ruta se encuentra estructurada en diez reacciones enzimáticas que permiten la transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato, mediante un proceso catabólico. La glucólisis tiene lugar en el citosol o citoplasma de la célula, tanto de células eucariotas como procariotas, si bien en células vegetales algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran también en d ciclo de Calvin (fase de fijación del co2de la fotosíntesis) que ocurre en los cloroplastos. Clásicamente la glucólisis se divide en dos fases: la fase preparativa y la fase de beneficios o de rendimiento energético (Fig. 12-3): • La fase preparativa: implica la transformación y escisión de la glucosa en dos triosas fosfato, el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfa~o, entre las cuales existe un equilibrio. En esta fase se produce un gasto energético: dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La finalidad de esta fase es la de activar y preparar las moléculas de glucosa, para su posterior procesamiento. • La fase de beneficios o de rendimiento energético: implica la transformación de la molécula de gliceraldehído-3-fosfato en piruvato, mediante unas serie de reacciones que liberan energía. Se obtienen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH + H+ por molécula de glucosa, por lo que se libera más energía quera gastada en la fase preparatoria, lo que da una ganancia neta de 2 ATP y 2 NADH + H+ por molécula de glucosa. La energía que se obtiene de la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato la aprovecha la célula para de.s empeñar todo tipo de funciones celulares. Esta fase de rendimiento se produce dos veces por cada molécula de glucosa que se hidroliza, ya que en cada una de las vueltas se metaboliza una de las dos triosas fosfato en las que se escindió la glucosa. Las diez reacciones de La glucólisis La glucólisis implica diez pasos enzimáticos, que est~n representados en la figura 12-3, y que se detallan a continuación: Fase preparativa l. Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato: requiere el gasto de una molécula de ATP ·y, en las condiciones fisiológicas, es una reacción irreversible. Esta reacción está catalizada por la hexoquinasa, si bien en el hí\ gado también la puede realizar la glucoquinasa. . . 2. Conversión de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato: es una reacción reversible catalizada por la fosfoglucoisomerasa. CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO Fase preparatoria Fosforilación y conversión de la glucosa en gliceraldehído-3-P CHPH Obtención de poder reductor y fosforilación o~ / H 1 Glucosa HO :-j 1 t 6. Gliceraldehído-3-P desh idrogenasa T H-T-OH OH Primera reacción ATP ,__f_o_sf_o_ri_la_c_ ió_n_ __, ADP _..- Fase de rendimiento energético Fosforilación y conversión de la glucosa en gliceraldehído-3-P OH Q Se consumen 2 ATP o( CH2-o - 4) Gliceraldehído-3-P ( o ,__ o- 4) "'T / í ') P; ( NADH NAD+ H-T- OH +W CH 2- o - 4) 1,3-Bisfosfoglicerato · Hexoquinasa 7. Fosfoglicerato quinasa CH 2 0-~H 0 o~ Glucosa-6-P 1 219 HO c lF ADP Fosforilación a nivel del ATP ~ustrato ~-----~ / o- 1 H-C - OH 1 OH CH2- o -Q H 3-Fosfoglicerato 2. fO<fogl"co" l<omec•<> 8. fo<foglim.to m""" G-O-H2~°CH2-0H HO OH H. Fructosa-6-P OH Segunda reacción ATP ~ _ _f_o_ sf_o_ri_la_c_ ió_n_ __, ADP _ 3. Fosfofructoquinasa- 1 t o 1 o -o-H2v-~H2-o- o ~OH Fructosa-1,6-bisP A. o~ OH R!'o::t-~ur_a_d~e~u~n-az_ú_c_a_r--P ~ de 6 carbonos a dos .. azúcares-P de 3 carbonos -o- t:t. CH 1 2 " C=O 1 CH 2- 0H Dihidroxiacetona-P 1 11 Aldolasa S. Triosa-Pisomerasa / oc c-o-G CH 2 ____., Fosfoenolpiruvato o~ e 1O. Piruvato quinasa /H 1::- ~~: ,~o 1 H-C-OH 1 CH2- o- 4) Gliceraldehído-3-P o /j eH ) - c-e 11 \ o o- 11 R-0-P-OH 1 OH Piruvato Figura 12-3. Reacciones y fases de la ruta glucolítica. 3 . Fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bifosfato: requiere el gasto de una segunda molécula de ATP y, en las condiciones fisiológicas, en una reacción irreversible. Está catalizada por la fosfofructoquinasa-1 . 4. Escisión de la fructosa-1,6-bifosfato en dos triosas fosfato: la dihidroxia7 cetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato: es una reacción reversible catalizada por la aldolasa. · 5. lnterconversión de las triosas fosfato: es un equilibrio catalizado por la enzima triosa fosfato isomerasa. Dicho equilibrio se encuentra desplazado hacia la formación de gliceraldehído-3-fosfato, puesto que es el compuesto que puede ser metabolizado en los siguientes pasos de la glucólisis, en la fase de beneficios. 1~. Fosforilación a nivel de sustrato 220 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR Fase de rendimiento energético 6. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato_ a 1,3-bifosfoglicerato: en este paso se oxida el grupo aldehído hasta una forma ácido, lo cual permite obtener una molécula de NADH + H+, a la vez que se aprovecha para fi. jar un grupo fosfato, que permitirá en la siguiente reacción obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. Esta reacción es reversible y está catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. Constituye el primer paso de la fase de beneficios, paso que se repetirá posteriormente con la molécula de dihidroxiacetona que, por acción de la triosa fosfato isomerasa, se convertirá en una nueva molécula de gliceraldehído-3-fosfato. 7. Primera fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el 1,3-bifosfoglicerato hasta un ADP, liberando ATP y 3-fosfoglicerato. La enzima que cataliza es la fosfoglicerato quinasa, y la reacción es reversible. 8. Conversión del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato: por medio de la fosfoglicerato mutasa, es una reacción reversible. 9. Deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato: reacción reversible catalizada por la enolasa. Esta reacción permite la creación de un enlace fosfato de alta energía, que será aprovechado en el siguiente paso para obtener energía en forma de un nucleótido trifosfato. 10. Segunda fosforilación a nivel de sustrato: en esta reacción se produce la síntesis de una molécula de ATP, gracias a la transferencia de un grupo fosfato desde el fosfoenolpiruvato hasta un ADP, liberando ATP y piruvato, mediante la enzima piruvato quinasa. Esta reacción es irreversible en condiciones fisiológicas. Teniendo en cuenta estos procesos la ecuación global o balance de la glucólisis y de cada una de las fases de la glucólisis seria: 1a Fase: O bien Glucosa+ 2 ATP ~ gliceraldehído 3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato+ 2ADP Glucosa+ 2 ATP ~ 2 gliceraldehído 3-fosfato + 2ADP 2a Fase: Gliceraldehído 3-fosfato + 2 ADP + NAD+ +Pi ~ Piruvato + 2 ATP + NADH + H+ Global: Glucosa+ 2ADP + 2NAD+ +2Pj ~ +H 0 2 2 Piruvato + 2ATP + NADH + 2H+ + 2H 2 0 Los tres puntos regulados de la glucólisis En la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación, correspondientes con los tres pasos irreversibles y que están catalizados, respectivamente, por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa. Estas enzimas están reguladas principalmente a través de una regulación alostérica que se esquematiza en la figura 12-4. La hexoquinasa está regulada alostéricamente por su producto, la glucosa-6fosfato , que inhibe la actuación de la enzima. También se inhibe por ATP, un indicador de que las necesidades energéticas ·de la célula están satisfechas. Esta regulación controla la cantidad de glucosa que será aprovechada en la glucólisis. La fosfofructoquinasa-1 está activada por fructosa-2,6-bifosfato y AMP (un indicador de una baja producción de energía), inhibiéndose por citrato, ATP y H+. Los protones son un control para prevenir un posible daño por un incremento de la concentración de ácido, ya que el producto final de la glucólisis puede originar fácilmente ácido láctico, que podría ser causa de una acidosis. La fructosa-2,6-bifosfato se produce por la acción de la fosfofructoquinasa-2 o PFK-2/FBPasa-2, que es una enzima controlada por la acción de la insulina y el glucagón, lo cual permite un control hormonal de la glucólisis. Así, la insulina, una hormona que indica un· alto nivel de glucosa en sangre, favorece la glucólisis, y el resultado es que disminuye los niveles de glucosa en sangre, mieh tras que el glucagón actuá de forma opuesta inhibiendo la glucólisis. Los demás factores de regulación de la fosfofructoquinasa-1 informan del nivel energético de CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 221 -rr --- Fructosa-6-P • Fosfofructoquinasa-1 AMP, ADP, Fructosa-2,6-biP • ATP, Citrato, W k::: t~ ATP ADP Fructosa-1,6-bifosfato --- ~ u (2) Gliceraldehído¡ 3-P (2) NAO' (2) NADH + 2 H' ----.tt ..-¡. (2) 1,3-Bisfosfoglicerato (2) ADP ------tt (2) ATP ~ . Regulación por modificación covalente (2) 3-Fosfoglicerato Glucagón • ~------- 1 1 1 1 1 (2) 2-Fosfoglicerato 1 ' ~ 1 ATP 1 1 1 1 1 1 1 -=-:::Jt (2) ADP ( ) ATP ~ 2 p· · lrUVat. UI:~: • Piruvato quinasa L activa y (2) Fosfoenolpiruvato · · .. .. · · .. · · · · · · · · · · · .... · · · · · · · · · .. · · · · · ATP , Alan ina, Ac CoA (2) Pi ruvato ADP Piruvato quinasa L Q inactiva ·-> < Q H,O Figura 12-4. Regulación de la glucólisis. la célula, de tal forma que si la célula tiene un bajo nivel energético, la glucólisis se incrementa y viceversa. Finalmente, el último paso regulado en la glucólisis es la fosforilación catalizada por la piruvato quinasa. Esta reacción resulta inhibida cuando hay suficiente ATP o existen ·o tros combustibles como el acetil CoA o la alanina, y está potenciada por la presencia de AMP y fructosa-1,6-bifosfato. Este último compuesto permite transmitir la información que regula el paso de la fructoquinasa-1. La piruvato quinasa presenta, además, una regulación por -modificación covalente a través de un mecanismo de fosforilación y desfosforilación controlado hormonalmente por el glucagón. Cuando los niveles de glucagón son altos, se activa una proteína quinasa A que produce la fosforilación y la consiguiente inactivación de la piruvato quinasa. c fEn la ruta de la glucólisis existen tres pasos importantes de regulación que se corresponden con las tres reacciones irreversibles. Entrada de otros monosacáridos en la ruta glucolítica La ruta de la glucólisis no solo sirve para degradar glucosa, sino que también se utiliza para catabolizar otra serie de monosacáridos. Entre estos monosacáridos destacan la fructosa, la manosa y la galactosa. La ruta de entrada de estos azúca~ res se representa en la figura 12-5 . cframbién se utilizada la ruta de la glucólisis para degradar otra serie de monosacáridos, como la fructosa, la manosa y la galactosa. \ 222 SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR lactosa Sacarosa Glucosa Galactosa Galact~quinasa 1 ATP UDP·Glucosa Galactosa-1-P H~xoquinasa Fructosa Uridit transferasa ATP Fructoquinasa 1 ATP 1 __..----~ f UDP : Fosforilasa Hexoquinasa l Galactosa-1-P Glucógeno UDP-galactosa UDP-Galactosa ep1merasa f 1 Glucosa-1-P ...__ _ __._____ UDP-glucosa ATP Glucosa-6-P ~ UDP-Glucosa Galactosa-1-P Uridi! transferasa Manosa Fosfoglucomutasa Fructosa-1-P 1 ! Hexoquinasa f Fosfomanosa isomerasa ATP Fructosa-6-P ...__ _ _ _ _ _ _ _ Manosa-6-P Gl"1cera ld e h'd . t o na-f osf at o 1 o + Dh"d 1 1 rox1ace ATP Triosa quinasa Triosa-fosfato \ _ _ lsomerasa ---------~ , J..,_ 1,6-Bifosfato j Fosfomanosa isomerasa 1---<- - f Gliceraldehído-3-P Figura 12-S . Rutas de incorporación de otros monosacáridos a la ruta de la glucólisis. La manosa va ser activada a través de la hexoquinasa mediante el gasto de una molécula de ATP, originando manosa-6-fosfato que será isomerizada a fructosa-6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa, entrando ya de esta forma en la ruta glucolítica. La fructosa también puede fosforilarse a fructosa-6-fosfato por acción de la hexoquinasa e incorporarse a la glucólisis. En el hígado la fructosa entra en la ruta glucolítica mediante fosforilación en posición 1 catalizada por la fructoquinasa. La acción posterior de una aldolasa escinde la fructosa-1-P en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído. El gliceraldehído se fosforila a continuación a gliceraldehído-3-fosfato, obteniéndose de esta forma las dos triosas fosfato que serán aprovechadas en la ruta glucolítica. Errores en esta ruta alternativa de la glucosa provocan la intolerancia a la fructosa. La ruta de entrada de la galactosa es algo más compleja, ya que este monosacárido se suele aprovechar para la formación de los oligosacáridos de los glucolípidos, que son de gran importancia en la formación de las membranas celulares, sobre todo de las células cerebrales. La galactosa se activa, pero esta vez a través de su unión a UDP y, posteriormente, se transforma en UDP-glucosa, que se convertirá en glucosa-6-fosfato y entrará en la glucólisis. Las enzimas implicadas en esta ruta están relacionadas con una serie de patologías conocidas como galactosemias (Recuadro 12-2). 0 LA GLUCONEOGÉNESIS Aspectos gen.e rales de la 'biosíntesis de la glucosa La gluconeogénesis es la ruta que utilizan las células de los organismos no autótrofos para sintetizar moléculas de la glucosa. Constituye una ruta muy importante, ya que permite suministrar glucosa a los tejidos .cuando el aporte de la dieta o los niveles presentes en sangre no son adecuados. Esta ruta comparte una serie de reacciones con la glucólisis, concretamente los pasos reversibl¿s, pero presenta tres pasos exclusivos: los tres pasos opuestos a los pasos irreversibles de la glucólisis. Estos son los que· se van a detallar en este apartado. La gluconeogé- CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 223 Recuadro 12-2. lntplerancias de los monosacáridos Galactosemias Existen tres enfermedades relacionadas con el metabolismo de la galactosa, debidas a un déficit de: • Galactoquinasa: un defecto genético en la síntesis de esta enzima parece que acumula galactosa. que sigue una de las rutas alternativas como es la conversión en galactitol. azúcar alcohol que se almacena fundamentalmente en el cristalino del ojo. Puede originar el hinchamiento y la pérdida de transparencia del cristalino por escasez de NADPH. que debería usarse para el mantenimiento de dicha transparencia. produciéndose cataratas. • Galactosa-1-fosfato uridiltransferasa: como resultado de su carencia se acumula galactosa-1-P. generándose problemas hepáticos principalmente. Puede surgir ictericia y fallo hepático. pero también puede producirse daño renal y retraso mental. ya que la galactosa es necesaria para la formación de cerebrósidos y gangliósidos de gran importanc ia en las membranas de las células cerebrales. • Galactosa epimerasa. Produce dos formas de galactosemia: -Benigna: Sólo afecta a eritrocitos y leucocitos. manteniendo tanto el hígado como los fibroblastos una activic;lad normal. -Grave: Es más generalizada y afecta sobre todo al hígado. Fructosuria esencial Debida al déficit de fructoquinasa, constituye un error metabólico congénito benigno. Intolerancia a la fructosa Se produce por la deficiencia de aldolasa B (o fructosa-1-fosfato aldolasa) y a la consiguiente acumu lación de fructosa-1-P en el hígado, lo que desregula su funcionamiento y ocasiona alteraciones hepáticas principalmente. Puede originar hipoglucemia y, además, pérdida de peso. vómitos, hepatomegalia e ictericia. nesis va a permitir sintetizar glucosa a partir de piruvato, a través de un proceso anabólico que requiere una importante inversión de energía, en forma de moléculas de ATP y de NADH + H+. La gluconeogénesis también permite la síntesis de glucosa a partir de diversos precursores no glucídicos, entre los que podemos encontrar aminoácidos, lactato, glicerol o intermediarios del ciclo de Krebs, como fuentes de carbono para esta vía metabólica anabólica. La gluconeogénesis es una ruta que se lleva a cabo únicamente en el hígado y en la corteza renal. Ocurre principalmente en el citosol o citoplasma de la célula, si bien el primer paso de esta ruta, la formación de oxalacetato a partir de piruvato, se da en el interior de la mitocondria. gluconeogénesis es la ruta que se utiliza para sintetizar moléculas de glucosa. principalmente en las células hepáticas. Las reacciones alternativas Para evitar los pasos irreversibles que se originan en la glucólisis, la gluconeogénesis utiliza una serie de reacciones alternativas catalizadas por enzimas diferentes. En la figura 12-6 se muestra un esquema de la ruta gluconeogénica, enfrentada a la ruta glucolítica. Los tres pasos irreversibles de la glucólisis se solventan a través de las siguientes reacciones, que son termodinámicarp.ente favorables: l. Síntesis de fosfoenolpiruvato: la conversión del piruvato en fosfoenolpiruvato requiere dos reacciones catalizadas po r sendas enzimas: la piruvato carboxilasa, que cataliza la conversión de piruvato en oxalacetato; y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, que cataliza la conversión del oxalacetato en fosfoenolpiruvato . La primera enzima, la piruvato carboxilasa, re-quiere el gasto de una molécula de ATP para fijar un nuevo átomo. de carbono, procedente del co2para generar oxalacetato, proceso que exige biotina como cofactor enzimático. La conversión de una molécula de tres carbonos en otra de cuatro ocurre en la mitocondria. Posteriormente la hidrólisis del GTP impulsa la transformación del oxalacetato en fosfoenolpiruvato y co2, gracias a la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, enzima que puede actuar tanto en la mitocondria como en el citoplasma celular dependiendo de la especie. Posteriormente, el fosfoenolpiruvato se convertirá en fructosa-1,6-bifosfato siguiendo, en sentido contrario, las reacciones reversibles de la glucólisis, ya descritas. 2 . Conversión de la fructosa-1,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato: ésta es una reacción hidrolítica por la cual se elimina el grupo fosfato en posición 1 de la fructosa por acción de la enzima fructosa-1,6-bifosfatasa. En esta reacción no se regenera ATP si no que se obtiene P;. A continuación, la fructosa-6-fosfato se convertirá en glucosa-6-fosfato por la reacción reversible detallada en el apartado de la glucólisis. ~~· SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR Gluconeogénesis Glucóli.sis Glucosa ~i Hexoquinasa ATP ADP i--- O Glucosa-6-fosfatasa ['--- H,O 1 Glucosa-6-P 1 t 1 Fructosa-6-P 1 Fosfofructoquinasa ATP ADP ~i t--.-0 Glucosa-1,6-bisfosfatasa ['--- H,O 1 Fructosa-1,6-bifosfato 1 GU""ldohfdo-3-P· J/ ~ NAO'~ NADH + H' 1 -D-ih-id-ro-x-ia-ce-to-n-a--P'I- '1 1 Glicerol 1 1,3-Bifosfoglicerato ADP----t ATP - 1 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato t.--f'--- GTP GDP, C0 2 Piruvato quinasa ADP ATP Oxalacetato 1 i - - - AoP Figura 12-6. Pasos de la gluconeogénesis, enfrentados a los de la glucólisis. Se señala en rojo los pasos en los que se diferencian ambas vías. O la glucólisis y la gluconeogénesis comparten ciertos pasos y enzimas, pero difieren en aquellos pasos que son irreversibles. Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa f'--- ATP, C0 2 1 Alanina 1 Piruvato carboxilasa Piruvato 3. Formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato: ésta es una reacción hidrolítica por la cual se libera el grupo fosfato en posición 6 de la glucosa por acción de la glucosa-6-fosfatasa. La enzima solo se encuentra en el hígado y en el riñón . Tampoco en esta reacción se regenera ATP, pero se obtiene P;. La glucosa originada en esta ruta se libera a la sangre para ser aprovechada por otros tejidos que la necesiten, ayudando de esta manera a mantener unos niveles estables de glucosa en sangre. Regulación de La gluconeogénesis Las enzimas que se han estudiado en la gluconeogénesis están reguladas alostéricamente por una serie de factores que, muchas veces, son los mismos que regulan la enzima opuesta de la glucólisis, aunque el efecto regulador es el contrario. La regulación de dos enzimas que catalizan pasos opuestos a través de los mismos factores genera lo que se conoce como ciclo de sustrato. Este sistema permite una coordinación muy precisa de ambas rutas, de tal manera que el\mismo factor que está activando una ruta, a su vez está inhibiendo la ruta opuesta; por lo tanto, el control de las dos rutas es muy preciso y se minimiza el gasto e.nergé- CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO tico a pesar de que ambas enzimas estén funcionando al mismo tiempo. En la figura 12-7 se presenta los ciclos de sustratos típicos de la ruta glucolítica y gluconeogénica, as·í como los factores que potencian e inhiben cada enzima. Hay que destacar que la glucosa-6-fosfatasa es inhibida por la glucosa-6-fosfato; la fructosa 1-6-bifosfatasa se inhibe por la fructosa-2,6-bifosfato y AMP, y está potenciada por el citrato; mientras que el ADP es un inhibidor de la fos- . foenolpiruvato carboxiquinasa y de la piruvato carboxilasa. ' 225 O las enzimas reguladas en la gluconeogénesis son la glucosa-6-fosfatasa, la fructosa-1-6-bifosfatasa, la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y de la piruvato carboxilasa. Sustratos gluconeogénicos Como se ha comentado anteriormente para la glucólisis, existen varias moléculas distintas que pueden ser precursores de la síntesis de glucosa gracias a la ruta gluconeogénica. Destacan entre estos sustratos principalmente tres: el ácido láctico, el glicerol y la alanina. Así, el ácido láctico, que se genera en cantidades importantes en diversas células que no poseen mitocondrias (como, por ejemplo, los eritrocitos) o que presentan en determinados momentos unas bajas concentraciones de oxígeno (como puede suceder en el músculo durante un ejercicio intenso), se libera y transporta por vía sanguínea hasta el hígado. En este órgano se transforma en piruvato, que servirá para la síntesis de nuevas moléculas de glucosa, _yertidas después a la sangre para que sean aprovechadas por esas células sin mitocondrias o con carencias de oxígeno. Este proceso, conocido como ciclo de Cori (Fig. 12-8a), permite compartir el gasto metabólico entre diversos tejidos y el hígado. El glicerol, que es un producto de la degradación de los lípidos, puede ser utilizado para formar glucosa gracias a la gluconeogénesis y a la enzima glicerol quinasa. Esta enzima transforma el glicerol en qihidroxiacetona fosfato a través de una oxidación que requiere NADH + H+. La dihidroxiacetona fosfato es uno de los intermediarios de la ruta gluconeogénica que puede fácilmente emplearse en la síntesis de glucosa. . e 1 Hexoqu inasa Glucosa ~ 1) G-6-P • ' Glucosa-6-fosfatasa ,.---G-l-u-co_s_a--6---fo-s-fa_t_o---,l Fructosa-6-fosfato •• •• ••• • F-2,6-BP AMP Fosfofructoquinasa Fructosa-1 ,6-bifosfatasa Citrato ATP H+ GLUCÓLISIS GLUCONEOGÉNESIS Fructosa-1 ,6-bifosfato J Fosfoenolpiruvato .____________________) _. Piruvato quinasa ~ ADP . . Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa . Oxalacelato \ : · :~~ilCo~ 1Piruvato car~oxi las~ .-------Pi-ru_v_a-to--------,~ 7 · ~Figura 12-7. Regulación de la gluconeogénesis, enfrentada a la regulación de la glucólisis. Ciclos de sustrato. Las flechas rojas indican los pasos regulados de la glucólisis y las azules los de la gluconeogénesis. 226 SECCIÓN 111.. EL METABOLISMO-CELUlAR (a) Anabolismo en el hígado Catabolismo en el músculo ~ NADH/NAD+ ;~~t~!~:!s rr ~ Glut! mato Alanina -...;::- .• Trans minasa (b) Figura 12-8. (a) Ciclo de Cori. (b) Ciclo glucosa-alanina. c:fEl ácido láctico, el glicerol y la alanina, junto con el piruvato, son los principales precursores de la ruta gluconeogénica. .... De todos los aminoácidos capaces de convertirse en sustratos gluconeogénicos, seguramente el más importante es la alanina que, gracias a la actividad de las enzimas aminotransferasas, se convierte fácilmente en piruvato, y éste, a su vez, en alanina. Este proceso origina un ciclo similar al ciclo de Cori, conocido como ciclo de la glucosa alanina (Eig. 12-8h), que permite transportar piruvato desde los tejidos al hígado para que éste sintetice glucosa, a la vez que permite transportar nitrógeno de forma segura por la sangre, para posteriormente eliminarlo en forma de urea (véase capítulo 15). 0 DESTINOS DEL PIRUVATO Un metabolito versátil O las fermentaciones son una serie de rutas metabólicas que permiten el reciclaje del NAD+. Este proceso es fundamental en células que carecen de mitocondrias, orgánulo encargado habitualmente de dicha regeneración. El piruvato, q.u e se genera principalmente gracias a la ruta de la glucólisis, es un metabolito intermedio ·que va a ser aprovechado por diversas rutas metabólicas, tanto catabólicas como anabólicas, con la finalidad de aumentar la producción de energía o servir para la síntesis ·de diversas moléculas, principalmente aminoácidos. Entre las rutas catabólicas que se resumen en la figura 12-9, destacan principalmente dos: las fermentaciones (láctica y alcohólica) y la descarboxilación oxidativa del piruváto. Ambas rutas trabajan junto con la glucólisis para optimizar la utilización de la glucosa. La utilización anabólica del piruvato en la gluconeogénesis ya se ha estudiado anteriormente. Las fermentaciones y el reciclaje de NADH + W Las fermentaciones constituyen una serie de rutas metabólicas que permiten el re.ciclaje del NAD+ gastado en la formación NADH + H+ en la ruta glucolítica. Si no se-pudiera producir dicho reciclaje, la glucólisis se vería bloquea~a por la CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 227 Glucosa 1[ Glucólisis J Piruvato descarboxilasa t---- 12 Etanol+2C02 I ....... Fermentación alcohólica en levaduras t Lactato deshidrogenasa 2 Piruvato Aicohol deshidrogenasa 1 .. 1 2. Lactato 1 Piruvato deshidrogenasa ~ 2C0 2 12 Acetil CoA 1 Animales, plantas y algunos microorganismos en condiciones aeróbicas Figura 12-9. Destinos metabólicos del piruvato. falta de NAD+, y con ella se bloquearía la producción de energía en forma de ATP que se genera en esta ruta catabólica. En la mayoría de las células eucariotas, la regeneración del NAD+ se produce en la mitocondria gracias a la cadena transportadora de electrones, dependiente de un aceptor final de electrones que, en este caso, es el oxigeno (véase capítulo 13). Por ello, en organismos procariotas y en aquellas células eucariotas que carecen de mitocondrias o bien se encuentran en condiciones de reducidos niveles de oxígeno, la regeneración del NAD+ a través de las fermentaciones es crucial, porque no pueden aprovechar la cadena transportadora de electrones, y la escasez de NAD+ podría bloquear la glucólisis. Los dos principales tipos de oxidaciones incompletas, es decir, que no terminan en la producción de C0 2 , son la fermentación láctica y la alcohólica, ambas con gran importancia no solo a nivel bioquímico, sino también a nivel industrial. Ambas fermentaciones se producen en el citoplasma a partir del piruvato. Fermentación táctica: la reducción del piruvato Existen diversos tipos de fermentación láctica, si bien la más destacable es la conocida como fermentación homoláctica, por la cual el piruvato se reduce a lactato en presencia de NADH + H+, por acción de la lactato deshidrogenasa: Piruvato + NADH + H+ Lactato+ NAD+ Esta reacción permite regenerar la cantidad suficiente de NAD+ para que la glucólisis siga funcionando, al menos durante un período corto de tiempo en aquellas situaciones en las cuales el suministro de oxígeno se ve reducido, como en células musculares que se contraen rápidamente y presentan una demanda energética elevada. La reducción del pir'u vato a lactato ocurre en las células animales y vegetales y, especialmente, en muchos microorganismos. La fermentación láctica tiene una enorme importancia industrial ya que está implicada en la elaboración de u na gran cantidad de productos derivados principalmente de la leche, como yogures y quesos, con un gran valor comercial. Fermentación alcohólica: una descarboxilación no oxidativa .c!el piruvato Este tipo de fermentación se da sobre todo en levaduras y en algunos tipos· de bacterias y tiene igualmente un interés industrial elevado, ya que está implicada ~ ..· 228 SECCIÓN 111: El METABOLISMO CEtULAR O los principales productos catabólicos del piruvato son el ácido láctico, el etanol y el acetil CoA. . ~ en la elaboración de bebidas alcohólicas como, por ejemplo la cerveza o el vino, y también en la fabricación de pan. La fermentación alcohólica realmente consta de 'dos · reacciones consecutivas: la primera implica la descarboxilación del piruvato por la enzima piruvato descarboxilasa, que utiliza como factor el pirofosfato de tiamina y, posteriormente, el producto se reduce a etanol por acción de la alcohol deshidrogenasa: Piruvato C0 2 + acetaldehído + NADH + H+ Etanol + NAD+ La descarboxilación oxidativa del piruvato El piruvato procedente de la glucólisis es una molécula que todavía retiene bastante energía química, y que puede ser empleada para obtener una cantidad sustancial de ATP. Para ello, el piruvato debe oxidarse por completo. El primer paso es una descarboxilación que origina una molécula de acetil CoA, la cual posteriormente se degradará en el llamado ciclo de Krebs ·produciendo mucha energía. Este proceso de eliminación de un átomo de carbono se conoce como descarboxilación oxidativa del piruvato y lo realiza un complejo multienzimático, conocido como piruvato deshidrogenasa, compuesto por cinco coenzimas y tres enzimas o actividades enzimáticas distintas: • Piruvato descarboxilasa: produce la eliminación del átomo de carbono del piruvato. Para actuar requiere pirofosfato de tiamina como cofactor, y origina como producto un acetaldehído, de manera similar a la fermentación alcohólica. · • Dihidrolipoil transacetilasa: emplea dos lipoamidas como cofactores enzimáticos, que utiliza para transferir el acetaldehído a una molécula de coenzima A, a la vez que lo oxida originado el acetil CoA. • Dihidrolipoil deshidrogenasa: esta última enzima ayuda en la regeneración de las lipoamidas de la dihidrolipoil transacetilasa, para lo cual requie_.r-' re como cofactor FAD, que las oxida. Finalmente los electrones de la oxidación serán cedidos por el FADH 2 a un molécula de NAD+, formando NADH+H+. El balance de la reacción del complejo de la piruvato deshidrogenasa sería el siguiente: Piruvato + CoA-SH + NAD+ ' O la .-descarboxilación oxidativa tiene lugar en el interior de la mitocondria. O la piruvato deshidrogenasa es una enzima fuertemente regulada. C0 2 + acetil CoA+ NADH + H+ En la descarboxilación oxidativa, al contrario que en las fermentaciones, no se gasta NADH + H+ para regenerar NAD+, sino que se consume una nueva molécula de NAD+ que origina una nueva molécula de NADH + H+. Las moléculas NADH + H+, en condiciones aerobias y en células eucariotas, se van a aprovechar en la cadena transportadora de electrones para obtener energía en forma de ATP. Esto, a la larga, produce que la degradación de una molécula de glucosa por vía aerobia usando la descarboxilación oxidativa, el ciclo de Krebs y la cadena transportadora rinda mucha más energía (proceso que se suele conocer como glucólisis aerobia) que si esa misma molécula se utilizara por vía anaerobia en la glucólisis y luego en alguna fermentación (proceso denominado glucólisis anaerobia). La descarboxilación oxidativa tiene lugar en la matriz mitocondrial, con la finalidad de que sus productos sean rápidamente aprovechados por el ciclo de Krebs o la cadena transportadora de electrones. Ambos procesos serán objeto de estudio en el siguiente capítulo. El complejo de la piruvato deshidrogenasa se encuentra fuertemente regulado. Presenta una regulación alostérica basada principalmente en la relación NADH + H+JNAD+ y acetil CoNCoA-SH; de tal manera que si esta relación es elevada -lo cual indica un nivel energético alto de la célula-, la enzima se inhibe, y si es baja -lo que indica un bajo nivel energético de la célula-, la enzima se activa. También presenta un control por fosforilación-desfosforilación (modificación covalente), que afecta a la primera enzima o actividad enzimática (la piruvato descarboxilasa) del complejo multienzimático de la p~ruva­ to deshidrogeriasa, de tal forma que la piruvato deshidrogenasa fosforilada es inactiva. En la figura 12-10 se muestran los factores que favorecen los procesos de fosforilación y desfosforilación de la enzima. Uno de losJactores que CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE ·CARBONO Insulina 2 Ca + ~ o Piruvato deshidrogenasa fosfatasa 229 (Act iva) ~ Piruvato deshidrogenasa (El) Acetil CoA ATP ~ NADH ATP Piruvato deshidrogenasa quinasa ~ Piruvato H20 ADP ADP Ca 2• (Inactiva) Figura 12-10. Factores de control de la regulación por modificación covalente de la piruvato deshidrogenasa. selndica con let ra en roj o los inhibidores de la piruvato deshidrogenasa y en ve rde los activadores. permite la forma activa, es decir, la desfosforilada, está favorecido por la presencia d e insulina, que es p arte d el control hormon al sobre el metabolismo de la glucosa. 0 LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO Aspectos generales de la ruta La ruta de las pentosas fosfato es otra ruta catabólica que parte de la glucosa. En esta ruta la glucosa se oxida, y se obtiene energía pero no en forma de ATP. Entre las finalidades de la ruta de las pentosas fosfato se encuentran: • La o btención de poder red uctor en el citoplasma, en forma de NADPH + H+, q ue es un agente reductor necesario para infinidad de reacciones anabólicas, además de ser un antioxidante muy potente de gran utilidad en células con un elevado riesgo de daño oxidativo como, por ejemplo, los eritrocitos. • La obtención de diversos monosacárid os de lon gitud entre 3 y 7 átomos de carbono. U n o de los más importantes es· la ribosa-5-fosfato, necesaria para las síntesis de los n ucleótidos -base de los ácidos n ucleicos- , los n ucleótidos trifosfato y gran cantidad d e cofactores enzimáticos. Otro glúcido imp ortante que se origina en esta ruta es la erit rosa-4-fosfato, esencial para la síntesis de amin oácidos aromáticos. O la finalidad de la ruta de las pentosas fosfato es la obtención de poder reductor -para utilizar en las biosíntesis reductoras- y la generación de diversos monosacáridos. Fases de la ruta de las pentosas fosfato La ruta de las pentosas fosfato, clásicamente, se divide en dos fases : la fase oxidativa, d onde se produce el NADPH + H+, y la fase no oxidativa, dond e se generan diversos monosacáridos. Las reacciones tienen lugar en el citoplasma celular. La fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato consta de tres reacciones (Fig. 12- ll a) . En ellas, una molécula de glucosa-6-fosfato va sufrir una oxidación originan do 6-f~ogluconolactona, que será h idrolizada a 6-fosfoglucanato, el cual sufrirá una descarboxilación oxidativa rindiendo ribulosa- 5-fosfato. En esta fase es en la que se produce la generación del poder reductor, formándose dos moléculas de NADPH + H+: una, en el primer p aso catalizado por la glucosa-6-fosfato deshid rogenasa; y otra, en el último catalizado por la 6-fosfoglucon ato deshidrogenasa. La fase no oxid ativa implica una serie de reorganizaciones moleculares entre distintos mon osacáridos, caracterizadas principalmente por la transferencia de fragmentos de dos o tres átomos de carbono de un monosacárido a otro (Fig. 12~ll b). En esta fase p articipan una serie de enzimas tales como isomerasas y epimerasas, aunque las enzimas encargadas de transferir fragmentos de carbono son las transcetolasas y tran saldolasas. El azúcar que cede los carbonos es siemp re una cetosa, mientras q ue el azúcar aceptor es siempre una aldosa. Las transcetolasas transfieren dos átomos de carbono, el aldeh ído aceptar se convierte en un alcoh ol q ue ad quiere configuración L. La reacción requiere pirofosfato de O En la fase oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato se produce poder reductor en fo rma de NADPH +W. o -En la fas-e no oxidativa se -t ransforman unos monosacáridos en otros, destacando la obtención de ri bosa-5-fosfato y eritrosa-4-fosfato. 1 230 . SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CHULAR -'• (a) Fase oxidativa NADPH + H+ CH,o - o -o ~ 0 H OH . Ht ~ CH,-:~ t ___¿___ O Glucosa OH 6-fosfato OH desh1drogenasa ~ HO-t - H OH NADPH + CO, 0· :~:OH 6-fosfogluconolactonasa J'---6---fo_fa_f~-t~-~~-~-o_n_o~ 1'-_G_Iu_ co _s_a_-6_-_P__)] o 1 H,~-OH t ~ C= O Fosfo- • 1 HC- OH gluconato HC-OH Ht-OH desh 1drogenasa Ht-OH 1 , 1 CH,- 0-o CH,- o -o 6-fosfoglucon ato J 1 Ribulo sa-5-P ] (b) Fase no oxi dativa o~ " e/ CH,-OH H o~ 1 1 + HC-OH 1 1 HC-OH Ho-CH 1 HC-OH 1 HC-OH 1 HC-OH 1 CH,- 0 -o 1 Gliceraldehído 3-P H "e/ Transcetolasa c =o Ribulosa-5-fosfato isomerasa 1 HC-OH 1 H e~ oH 1 CH,-0 -o 1 CH,-o-G [ Sedoheptulosa 7-P j 1 Ribosa-5-P 1 ~- H,C- OH Transaldolasa 1 -~ c= o )===F=====< ____ __, Ho- ~H Ribulosa-5-fosfato epimerasa H~ -oH CH,- 0 -o 1 Xilulosa-5-P 1 CH,- OH CH,-OH 1 o~ c=o " e/ 1 Ho-CH. HC-OH 1 HC- OH 1 HC- OH 1 1 1 Fructosa-6-P Ho-CH 1 HC-OH 1 HC-OH HC- OH + ' Transcetolasa 1 Eritrosa-4-P 1 1 HC-OH + 1 CH,- 0 -o 1 CH,- o -o 1 o~c /H c=o 1 CH,- o-G Figura 12-11. Reacciones de la ruta de la pentosas fosfato . (a) Fase oxi dat iva . (b) Fase no oxidativa. 1 H CH;- 0-o 1 Fructosa-6-P 1 Gliceraldehído -3-P ~ 1: .E tiamina, que actúa como transportador intermediario. Las transaldolasas transfieren tres átomos de carbono y el aldehído aceptar se convierte en alcohol, que adquiere configuración D. Regulación de la ruta de las pentosas fosfato O la ruta de las pentosas fosfato está regulada a nivel de la glucosa-6fosfato deshidrogenasa. El punto clave de regulación de la ruta de las pentosas fosfato es el primer paso de la fase oxidativa, que está catalizad o por la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Esta enzima se inhibe fuertemente por el NADPH + H+, uno de sus prod uctos finales, y se activa por el GSSG (glutatión oxidado, forma oxidada del glutatión reducido, GSH, que es un potente agente antioxidante celular). También se activa por la presencia de su propie sustrato: la glucosa-6-fosfato . Además la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es una enzima cuya síntesis se puede inducir, es decir, aumentar si la d ieta es rica en h idratos de carbono. Esta enzima está relacionada con una serie de trastornos. que suelen cursar con anem ias h erriolíticas, y también lo está con la resistencia a la malaria (Recuad ro 12-3). CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 231 Recuadro 12-3. Patologías relacionadas con alteraciones glucosa-6-fosfato deshidrogenasa Anemias hemolíticas Las alteraciones de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. en general, provocan una pérdida o descenso del NADPH + W. Este descenso es especialmente grave en los eritrocitos. al ser células enucleadas, lo cual limita el número de rutas metabólicas disponibles. La falta de NADPH + W, que es un potente antioxidante, acaba originando daño oxidativo sobre todo a los lípidos de la membrana de los eritrocitos. Este daño provoca que ésta se vuelva frágil y quebradiza, favoreciendo la ruptura de los glóbulos rojos. lo que origina un cuadro de anemia hemolítica. Malaria En ciertas regiones de África donde la malaria es endémica, algunas etnias de raza negra presentan un déficit congénito de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Este fallo enzimático produce una perdida parcial de la actividad de la enzima. pero conlleva una protección contra la malaria porque el trofozoíto causante de la enfermedad necesita grandes cantidades de NADPH + W para poder entrar y parasitar las células. De tal forma que, en este caso, el fallo de la enzima protege de la malaria, y es por este motivo por el que dicho fallo metabólico persiste en la población. 0 EL METABOLISMO DEL ·GLUCÓGENO Aspectos generales del polisacárido de reserva animal El glucógeno es un polisacárido de origen animal, formado por una gran cantidad de moléculas de glucosa. Presenta una estructura ramificada, como se comentó en el capítulo 2 dedicado a la estructura de los hidratos de carbono. La función de este polisacárido es constituir un reservorio de moléculas de glucosa con la finalidad de cubrir las necesidades a corto plazo de este monosacárido (que, como ya se ha visto, es una de las principales fuentes de energía); por lo tanto, el glucógeno sirve como una reserva de energía a corto plazo. Aunque todas las células pueden tener glucógeno, éste principalmente se forma en dos tejidos: el músculo y el hígado. El tejido muscular va a utilizar las reservas de glucógeno para cubrir las necesidades propias de ese tejido, especialmente en los momentos de un ejercicio intenso, mientras que el hígado almacena el glucógeno con la finalidad de mantener los niveles de glucosa en sangre; en este sentido, el hígado también se ayuda de la gluconeogénesis para sintetizar glucosa y mantener los niveles en sangre, tal y como se ha comentado anteriormente. Mantener los niveles de glucosa dentro de unos limites aceptables es importantísimo, ya que es la glucosa disponible en sangre la que utilizan la mayoría de los tejidos para obtener la energía que necesitan en circunstancias normales. Los. niveles de glucosa en sangre son cruciales para una serie de células (entre las cuales se encuentran los erítrocitos) que obtienen toda su energía de esta glucosa circulante, puesto que no pueden aprovechar otras fuentes de energía como pudieran ser los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos. Las células cerebrales también dependen en gran medida de la glucosa en sangre, aunque éstas sí pw:;den adaptarse y obtener energía de los cuerpos cetónicos (véase capítulo 15). El metabolismo del glucógeno se suele dividir en dos procesos, a saber: la glucogenogénesis o síntesis de glucógeno y la glucogenólisis o degradación del glucógeno. Estos son dos procesos opuestos: el primero es anabólico mientras que el segundo es catabólico. O El glucógeno sirve como una reserva de energía a corto plazo. O El metabolismo del glucógeno comprende dos rutas: la de síntesis conocida como glucogenogénesis y la ruta degradativa conocida como glucogenólisis. Glucogenogénesis La síntesis de glucógeno se produce normalmente después de la ingestión, sobre todo si la dieta es rica en carbohidratos, pues en esos momentos habrá una gran cantidad de glucosa en sangre procedente de la dieta. Esta glucosa será almacenada tanto el tejido muscular como el tejido hepático en forma de glucógeno. El tejido hepático será el que se encargue de acumular la mayor cantidad de glucosa en forma de glucógeno, debido a la presencia de la glucoquinasa, enzima que permite almacenar gran cantidad de glucosa en la célula en forma de glucosa-6fosfato. Al contrario que la hexoquinasa presente en los demás tejidos, esta enzima hepática no se inhibe por la glucosa-6-fosfato, lo. cual permite introducir una mayor cantidad de glucosa dentro de las células. La glucogenogénesis comienza con la transformación de la glucosa-6-fosfato en glucosa-1-fosfato por acción de la fosfoglucomutasa, a través de una reacción reversible. Posteriormente se va a transformar en UDP-glucosa. Como ya se ha ;~. 232 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR visto, la activaci6n de rrionosacáridos con UTP es un mecanismo habitual en las células~ Esta activación determina que el monosacárido sea aprovechado para la formación de ósidos, ya que la formación del enlace o-glucosídico es un proceso endergónico que necesita energía-aportada por la hidrólisis del UDP del monosacárido. Para la síntesis de glucógeno a partir de moléculas de UDP-glucosa, se necesitan: c JPara la biosíntesis de glucógeno se requieren dos enzimas -la glucógeno sintasa y la enzima ramificante-, moléculas de UDP-glucosa y una cadena preexistente de glucógeno o un cebador. • Una molécula preexistente de glucógeno o un cebador como la glucogenina (Recuadro 12-4). • La enzima glucógeno sintasa, cuyo papel será alargar las cadenas lineales del glucógeno mediante la adición de moléculas de glucosa procedentes de -la UDP-glucosa, uniéndolas' mediante enlaces O-glucosídicos (cd ~ 4) con la cadena preexistente de glucógeno. • La enzima ramiflcante, cuyo papel es crear los puntos de ramificación mediante enlaces (al~ 6). Esta enzima tiene una actividad glucosil transferasa, que transfiere parte de la cadena de moléculas de glucosa con enlaces al ~4, uniéndola al glucógeno a través de un enlace al ~6 (Fig. 12-12). Glucogenólisis La degradación de glucógeno normalmente se produce horas después ele ·las comidas, pues en esos momentos habrán descendido los niveles de glucosa en sangre. En estos momentos el tejido hepático empezará a degradar el glucógeno para intentar liberar la mayor cantidad posible de glucosa a la sangre. Mientras, en el tejido muscular, la degradación del glucógeno tendrá lugar cuando se realice un mayor gasto energético que no pueda ser cubierto con el aporte de glucosa desde la sangre, normalmente cuando se produce un ejercicio intenso. Para la degradación de glucógeno, se necesitan fundamentalmente dos enzimas: • La glucógeno fosforilasa, cuyo papel será eliminar las moléculas de glucosa de los extremos no reductores de tal forma que va recortando las cadenas lineales del glucógeno. La glucógeno fosforilasa rompe los enlaces (al~ 4), liberando moléculas de glucosa-1-fosfato. Recuadro 12-4. Glucogenina La glucogenina es una proteína que interviene en la biosíntesis de glucógeno. Esta proteína cataliza la unión de una primera molécula de glucosa a un residuo de tirosina de la propia proteína y posteriormente permite la creación de una cadena de moléculas de glucosa por adición de unidades de glucosa (UDP-glucosa). Esta cadena, que tiene entre tres y siete moléculas de glucosa unidas mediante enlaces (al ~4), actúa como cebador, permitiendo en este punto que comience la acción de la glucógeno sintasa y de la enzima ramificante, alargando y creando así las nuevas ramas que acabarán originando una molécula de glucógeno. La molécula de glucogenina permanece unida a la molécula de glucógeno en su único extremo reductor. Figura 12-12. Mecanismo de actuación de La enzima ramificante. CAPÍTULO 12. METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO • La enzima desramificante, cuyo papel es el de eliminar los puntos de ramificación. Para ello, esta enzima cuenta con dos actividades: una actividad glucósil transferasa, que transfiere la cadena de moléculas de glucosa con enlaces (al ~4) a una cadena central de glucógeno mediante un enlace (al~ 4), dejando únicamente la molécula de glucosa que tiene el enlace (al~ 6); y, por otra parte, una actividad glucosidasa, que eliminará el en- . lace (al ~6) liberando una molécula de glucosa (Fig. 12-13). ' 233 O Para la degradación de glucógeno se requieren dos enzimas: la glucógeno fosforilasa y la enzima desramificante. Las moléculas de glucosa-1-fosfato serán transformadas en fructosa-6-fosfato por la fosfoglucomutasa (véase Fig. 12-5). En el tejido muscular, la glucosa-6fosfato se oxidará en la glucólisis. En el tejido hepático, sin embargo, será transformada en glucosa libre por la glucosa-6-fosfatasa, y posteriormente se liberará al torrente circulatorio para elevar los niveles de glucosa en sangre. Figura 12-13. Mecanismo de actuación de La enzima desramificante. Regulación hormonal del metabolismo del glucógeno La síntesis y degradación del glucógeno e~tán reguladas cuidadosamente para que la disponibilidad de glucosa, especialmente en el torrente sanguíneo, permita cubrir las necesidades energéticas del organismo. El control de estos procesos metabólicos se produce principalmente a través de tres hormonas: la insulina, el glucagón y la adrenalina: Estas hormonas actúan a través de receptores celulares que regulan normalmente la actividad de una enzima adenilato ciclasa, de modo que la adrenalina y el glucagón estimulan la síntesis de AMP cíclico (AMPc), mientras que la insulina inhibe su síntesis. El AMPc es un mensajero secundario que activa una serie de quinasas encargadas de fo.sforilar a la glucógeno fosforilasa y a la glucógeno sintasa (véase capítulo 10). La· glucógeno fosforilasa fosforilada es la forma activa de la enzima, mientras que la glucógeno sintasa fosforilada es inactiva, de tal forma que el glucagón y la adrenalina, al favorecer las formas fosforiladas, impiden la síntesis de glucógeno y favorecen la degradación del mismo. La insulina, por el contrario, no incrementa los niveles de AMPc y, por tanto , en su presencia, no se activa la quinasa que fosforilará las enzimas del metabolismo del glucógeno. Además, la insulina favorece la actividad de unas enzimas fosfatasas que desfosforilan a la glucógeno fosforilasa y a la glucógeno sintasa, lo que provoca que pasen a una forma inactiva y activa, respectivamente. Así, la insulina potencia la síntesis de glucógeno e inhibe la degradación del mismo, al contrario de lo que sucedía con la adrenalina y el glucagón. Por último, es interesante resaltar que el hígado tiene receptores para las tres hormonas, mientras que el tej ido muscular principalmente tiene receptores de adrenalina. De esta manera, la insulina y el glucagón afectan fundamentalmente al hígado, mientras.que la.adrenalina regula la síntesis y degradación de glucógen0 en el músculo. Este hecho tiene su lógica, pues la insulina y el glucagón informan de los niveles de glucosa en sangre, niveles que se encarga de controlar el hígado. La adrenalina se sintetiza como respuesta a un estímulo de alerta o un estrés emocional, de tal forma que, al favorecer la glucogenólisis en el músculo, facilita una respuesta rápida frente a un estímulo. O la regulación del metabolismo del glucógeno a nivel hepático se realiza principalmente por la insulina y el glucagón, lo cual permite regular los niveles de glucosa en sangre. .) j 11 ~' \ RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INT!ERMEDIARIO o CONTENIDOS o Introducción o El ciclo de Krebs o La cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa o OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Tener una visión general del metabolismo intermediario. o Comprender los procesos oxidativos y de respiración celular que producen energía. o Entender el papel de interconexión que presenta el ciclo de Krebs entre los distintos metabolismos. o Lanzaderas de NADH + W Se estudian en este capítulo una serie de rutas metabólicas; el ciclo de Krebs, la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, que reciben conjuntamente el nombre de metabolismo intermediario debido a que intervienen , de forma confluente compuestos derivados de los distintos tipos de biomoléculas, principalmente, de los hidratos de carbono, de los lípidos y de los aminoácidos y compuestos nitrogenados. Este capítulo se sitúa inmediatamente después del capítulo dedicado al metabolismo de los hidratos de carbono, cuyas vías derivan en la formación de compuestos (acetil CoA, FADH 2 y NADH + W) que son utilizados por las rutas objeto de estudio en éste. Así, con la idea de que el estudiante comience a relacionar los conceptos importantes de unas rutas y otras, se ha intentado seguir de forma lineal el procesamiento de estos compuestos, y dar una visión más integradora de todo el proceso, para poder entender que las rut~.s actúan en conjunto y no de una forma aislada. Las rutas del metabolismo intermediario tienen un papel clave en la interconexión de los distintos metabolismos, por lo que su estudio será de gran utilidad para comprender los procesos que se analizarán en los capítulos posteriores dedicados a las rutas metabólicas de los lípidos (Capítulo 14) y de los compuestos nitrogenados (Capítulo 15). De esta forma se demuestra que todo el metabolismo está estrechamente relacionado entre sí formando una unidad. 238 SECCIÓN 111.-· El METABOLISMO CELULAR 0 c::fEl ciclo de Krebs se considera anfibólico y tiene lugar en la matriz mitocondrial. INTRODUCCIÓN Las rutas centrales del metabolismo intermediario, ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones, están estrechamente relacionadas con el desarrollo evolutivo desde· los organismos anaerobios a los organismos aerobios. En las condiciones del caldo de cultivo primigenio, donde surgió la vida, la escasa presencia inicial de oxígeno determinó la aparición de una serie de organismos que realizaban sus reacciones vitales sin la presencia de este compuesto oxidante. El incremento de determinados organismos que producían oxígeno como producto de desecho de sus actividades metabólicas, cambió estas condiciones, pasando a un medio en el cual la presencia del oxígeno fue relativamente importante. En consecuencia, algunos organismos se adaptaron a la presencia del oxígeno, los llamados anaerobios facultativos que, posteriormente, evolucionaron dando origen a los organismos aerobios. El oxígeno es un compuesto altamente oxidante que, de no ser aprovechado por los· seres vivos adecuadamente, y de no tener éstos los mecanismos antioxidantes apropiados, puede producir la muerte de un organismo o célula con relativa facilidad. Simultáneamente, el hecho de poder utilizar el oxígeno como aceptor de electrones lleva a la oxidación de las biomoléculas hasta dar dióxido de carbono y agua, lo que permite producir mucha más energía a partir de cada átomo de carbono, con un mayor rendimiento energético, confiriendo una ventaja evolutiva importante a aquellas células capaces de aprovechar el oxígeno. El metabolismo oxidativo de las principales biomoléculas -hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos- habitualmente se divide en tres etapas (Fig. 13-1): Citop~sm~ i MJbolismo CJtl!bolismo a flujo eH, e- ·-. .. . ........ ·. Figura 13-1. Etapas del metabolismo oxidativo. ·........... \ CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO • En la primera etapa, las macromoléculas son fragmentadas en moléculas m ás pequeñas, normalmente moléculas sillares que posteriormente, son degradas a moléculas de acetil CoA, de dos carbonos. En esta fase -se incluyen las vías catabólicas de aminoácidos (desaminación oxidativa), la ~-oxi­ dación de ácidos grasos y la glucólisis en el caso de los monosacáridos. • En una segunda etapa se encuentra el ciclo de Krebs, que implica la oxidación de los átomos de carbono del acetil CoA hasta moléculas de C0 2 , liberando energía en forma de nucleótidos trifosfato (GTP) y en forma de poder reductor (FADH 2 y NADH + H +). • En la tercera etapa se ubica la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, en la cual _el poder reductor generado en el ciclo -de Krebs se emplea para la síntesis de ATP, moneda de intercambio energético de la célula. Estas últimas etapas -el ciclo de Krebs, la cadena transportadora de energía y la fosforilación oxidativa- son las rutas objeto de estudio del present~ tema. Son rutas muy importantes en la producción de energía dentro de la célula, si bien, como se verá más adelante, también desempeñan un papel crucial como conexión entre las distintas rutas metabólicas. 0 239 . c:fEl ciclo de Krebs, la cadena . transportadora de energía y la fosforilacif;n oxidativa son rutas clave en la producción de energía dentro de la célula. EL CICLO DE KREBS Aspectos generales del ciclo de los ácidos tricarboxílicos El ciclo de Krebs, llamado así gracias a su descubridor Hans AdolfKrebs (1937), tam bién se denomina ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Es una ruta metabólica que forma parte de lo que se conoce como la respiración celular típica de los organismos aeróbicos. El ciclo de Krebs, como se ha com entado anteriormente, es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de las moléculas de acetil CoA proveniente de monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir C0 2 , liberando gran cantidad de energía química, sobre todo en forma de poder reductor que, gracias a la cadena transportadora de electrones y de la fosforilación oxidativa, será utilizada en la síntesis de ATP. El acetil CoA suele venir de la ¡3-oxidación de los ácidos grasos o del piruvato, a través de la descarboxilación oxidativa. El piruvato suele originarse como producto de la glucólisis, o bien como consecuencia de la actuación de las transaminasas. Aparte de este papel catabólico, el ciclo de Krebs también presenta una parte anabólica, ya que proporciona precursores para muchas rutas biosintéticas de diferentes biomoléculas como, por ejemplo, la biosíntesis de aminoácidos, aunque también suministra intermediarios para la biosíntesis de ácidos grasos o azúcares. Por ello, se considera como una vía anflbólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo. El hecho de que varios intermediarios del ciclo de Krebs sean la base para formar diversas biomoléculas tiene un papel importantísimo 'a nivel celular, ya que permite interconectar las principales rutas metabólicas de los hidratos de carbono, de los lípidos y de los aminoácidos; de tal forma que un tipo de biom olécula puede servir de precursor para otros tipos de biomoléculas, lo cual supone optimizar los recursos disponibles por la célula y depender en menor medida de los aportes exógenos, procedentes principalmente de la dieta. El ciclo de·Krebs tiene lugar en la _matriz mitocondrial de las células eucariotas. Por ello, determinados tipos celulares carentes de mitocondrias, como pueden ser los glóbulos rojos, no pueden realizar el ciclo de Krebs ni la cadena transportadora de electrones, y dependen, casi exclusivamente, de la energía form ada en la glucólisis para cubrir sus necesidades energéticas, lo cual implica una m ayor dependencia de los niveles de glucosa. Reacciones del ciclo de Krebs U na visión general del ciclo de Krebs muestra una secuencia de reacciones que oxidan los dos átomos de carbono de una molécula de acetil CoA hasta rendir C 0 2 • El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, implica una serie de pasos enzimáticos que están representados detalladamente en la figura 13-2: c:fEl ciclo de Krebs desempeña un papel crucial como nexo entre las distintas rutas metabólicas. c:fEl ciclo de Krebs, a través de sus intermediarios, proporciona precursores para muchas rutas biosintéticas. 240 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULA~ Acetil-CoA o 11 CH,- C-5-CoA [ 1. Condensación ] Oxalacetato CH,-Coo· Citrato sintasa O=c-coó· 1 cH,-coo· Ho-2-coo· Citrato 1 CH,-coo· - ~H,O 8. Deshidrogenación Aconitasa 2a. Deshidratación \\ ·coo· 1 cH,-coo· 1 c-coo· l-Malato HO- ~H CH, 11 1 ( 7. H;d""dóo l t¡ Fumarato Hr 1r\/ 1 H oooF"m"'" H,O~·coo· 1 V Aconitasa ¡FÁoH H,O ['-----~ ~atación cH,-coo· 1 H-~-coa· HO-c-coo· 2 ] coo· lsocitrato 1 Succinato deshidrogenasa H 3. Descarboxilación oxidativa 6. Deshidrogenación CH,-Coo· Succinato Cis-Aconiato c-coo· cH,-coo· 1 CH, 1:~-~ Sus~~~~~~~:A ~ S. Fosforilación a nivel de sustrato CoA-5H eo, 1 c-coo· a-Cetoglutarato 11 cH,-coo· 1 CH, o 1 c-5-CoA GDP g (ADP) +P, Succinil-CoA eo, a-Cetoglutarato deshidrogenasa 4. Descarboxilación oxidativa Figura 13-2. Reacciones del ciclo de Krebs. l. Condensación entre una molécula de acetil CoA (de dos carbonos) y una molécula de oxalacetato (de cuatro carbonos). Esta reacción es una condensación aldólica a la que sigue una hidrólisis que libera la coenzima A libre. Dicha réacción está catalizada por la citrato sintasa, dando como producto final el citrato (de seis carbonos), uno de los compuestos que da nombre al ciclo. Es un paso irreversible. 2. Transformación del citrato en isocitrato. Con esta reacción que sucede en dos pasos, una deshidratación seguida de una hidratación, se pasa de un sustrato con un alcohol terciario a una molécula con un alcohol secundario que resulta más fácilmente oxidable. Esta reacción se lleva a cabo por la aconitasa formando un intermediario conocido como cisaconitato. 3. Primera descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del isocitrato (de seis carbonos) a a -cetoglutarato (de cinco carbonos) reacción que conlleva la reducción de una molécula de NAD+ a NADH + H+ y la eliminación de un átomo de carbono en forma de C0 2 • Esta reacción la cataliza la isocitrato deshidrogenasa y es la primera etapa en la que se produce NADH + H+ y también la primera en la que se genera C0 2 • Es un paso irreversible. 4. Segunda descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del a -cetoglutarato (de cinco carbonos) a succinil CoA (de cuatro carbonos), reacción que conlleva igualmente la generación de NADH + H+ y la eliminación de un átomo de carbono. La reacción la efectúa el complejo multienzimático a-cetoglutarato deshidrogenasa, que es bastante similar CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO 5. 1 6. 7. 8. en su composición y actuación al complejo enzimático de la piruvato des: hidrogenasa. Como resultado, se obtiene, además del succinil CoA, la reducción de una segunda molécula de NAD+ a NADH + H+ y la generación de una segunda molécula de COz. Hasta este momento, ya se han producido dos moléculas de COz, por lo que se ha completado la oxidación neta del grupo acetilo. La reacción es un paso irreversible. Fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se acopla la ruptura del enlace de alta energía del succinil CoA con la síntesis de una molécula GTP, a partir de GDP y P; (en algunos organismos se fosforila el ADP) liberando succinato y coenzima A libre. Esta reacción la lleva a cabo la enzima succinil CoA sintetasa. Oxidación del succinato a fumarato, por acción de la succinato deshidrogenasa. Es una reacción de deshidrogenación, en la cual se produce la oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de succinato, dando lugar a un doble enlace trans. El hidrógeno eliminado se acopla a la síntesis de una molécula de FADHz, a partir de FAD. Hidratación del doble enlace del fumarato, originado una molécula de L-malato: La enzima que cataliza esta reacción es la fumarasa. Oxidación del fumarato a oxalacetato, gracias a la enzima malato deshidrogenasa que oxida el grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona. Esta reacción conlleva la reducción de una tercera molécula de NAD+ a NADH + H+, la tercera que se obtiene en el ciclo. Con esta ultima reacción de oxidación se regenera el oxalacetato que se utilizará, junto con el acetil CoA, en la generación del citrato, al principio de un nuevo ciclo. 241 degr~dación O la de una molécula de acetil CoA en el cic;lo de Krebs origina tres moléculas de NADH + W, una molécula de FADH 2 y una molécula de GTP. Las últimas reacciones a partir de la formación del succinato suponen la preparación de otra vuelta del ciclo mediante la regeneración del oxalacetato necesario para la primera reacción. De esta forma se puede oxidar un número ilimitado de grupos acetilo con la mediación de una sola molécula dé oxalacetato, ya que ésta se regenera en cada vuelta del ciclo (Fig. 13-3). También hay que destacar que, en numerosas enzimas del ciclo de Krebs, la estereoespecifidad juega un papel clave a la hora de determinar la actuación catalítica de las mismas. Esto sucede, sobre todo, en las enzimas aconitasa, isocitrato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, fumarasa y malato deshidrogenasa. La oxidación completa de los grupos acetilo sigue entonces el siguiente balance: Acetil CoA+ 3 NAD+ + FAD + GDP + P; + 2 HzO ~ 2 COz + 3 NADH + 3 H+ + FADHz + GTP + CoA-SH Acetil-CoA 0 \ O En el ciclo de Krebs se realiza la oxidación de las moléculas de acetil CoA hasta producir C0 2 generando gran cantidad de energía. Figura 13-3. Esquema del ciclo de Krebs según el rendimiento de moléculas de C0 2, poder reductor y energía. Se hace referencia al número de carbonos de las moléculas que participan en el ciclo. Los números en azul indican las ocho reacciones enzimáticas. 242 SECCIÓN 111 . EL METABOLISMO CELULAR El NADH + H+ y el FADH 2 , que son productos clave del ciclo, se van a reoxidar rápidamente a través de la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa, siendo el aceptor final de los electrones el oxígeno. De esta forma se completa la degradación de los metabolitos celulares, maximizando la obtención de energía mediante la síntesis de nuevas moléculas de ATP. El GTP se puede utilizar como fuente de energía· en determinadas reacciones, o bien se puede aprovechar para sintetizar ATP a través de la siguiente reacción catalizada por la nucleósido difosfoquinasa: . GTP + ADP GDP + ATP Regulación del ciclo de Krebs El ciclo de Krebs está fuertemente regulado en distintos pasos. Se debe a que, por un lado debe satisfacer con precisión las necesidades energéticas de la célula, ya que es la vía final para la degradación de las moléculas energéticas; y, por otro lado, como se estudiará en el siguiente apartado, el ciclo de Krebs es una fuente muy importante de precursores de gran cantidad de biomoléculas. La regulación del ciclo de Krebs sucede principalmente a dos niveles (Fig. 13-4) : ·l ! J ' ·~ J ,j XI ~1 c:fEl ciclo de Krebs está fuertemente regulado, principalmente por el estado energético de la célula (a través de la relación NADH + W! NAD+ mitocondrial) y por la disponibilidad de sustrato. • Disponibilidad de sustrato; esto se debe a que la concentración de acetil CoA y oxalacetato es baja en la mitocondria con relación a la enzima que los utiliza, la citrato sintasa. El aumento de la disponibilidad de estos sustratos estimula fuertemente la síntesis de citrato y, por consiguiente, el ciclo de Krebs. La disponibilidad de acetil CoA depende en gran medida de la actuación de la piruvato deshidrogenasa, mientras que la disponibilidad de oxalacetato depende sobre todo de la actuación de la piruvato carboxilasa, enzimas ya estudiadas en el capítulo 12. De tal forma que estas enzimas, ajenas al ciclo de Krebs, afectan en gran medida a la regulación del ·mismo al determinar el grado de utilización del piruvato. • Modulación de enzimas clave. Diversas enzimas clave del ciclo de Krebs .(principalmente aquellas que catalizan pasos irreversibles) están finamente reguladas mediante efectores alostéricos. Esta regulación afecta sobre todo a la citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y a-cetoglurarato deshidrogenasa. La citrato sintasa y la a-cetoglutarato deshidrogenasa se inhiben principalmente por succinil CoA y NADH + H+, mientra~ que la isocitrato deshidrogenasa se inhibe principalmente por ATP y NADH + H+. Como se puede observar en la figura 13-4, el NADH + H+ está presente como regulador alostérico en todas las enzimas reguladas, de tal forma que Acetil-CoA ~OH, s,cclml-CoA [~-0-xa-l-ac-e-ta.::...t_o~] NADH [ ' lsocitrato ) [ NADH ] \ •C\ Malato Citrato j o J• NADH, ATP ~~ (±) ADP Fuma rato Figura 13-4. Regulación del ciclo de Krebs. La regulación se ejerce principalmente por la disponibilidad de sustratos, la relación.· NADH/ NAD+ mitocondrial y la· regulación alostérica ejercida sobre ·las enzimas citrato sintasa (1), isocitrato deshidrogenasa (2) y a -cetoglutarato deshidrogenasa (3). (±) Succinil-CoA ) • NADH, ATP, Succinii-CoA CAPÍTUlO 13. RUTAS CENTRAlES DEl -METABOliSMO -INTERMEDIARIO la relación NADH + H+/NAD+ mitocondrial, que refleja el estado energético celular del momento, es uno de los principales controladores del ciclo de Krebs. En general, se podría decir que, en condiciones normales, las velocidades de la glucólisis y del ciclo de Krebs están integradas de forma que sólo se metaboliza a piruvato la cantidad de glucosa necesaria para abastecer al ciclo, y de esta fo rma cubrir las necesidades energéticas de la célula. La velocidad de la glucólisis se acopla a la del ciclo del ácido cítrico no sólo a través de su inhibición por altos niveles de ATP y NADH, productos del ciclo, sino también por la inhibición por citrato, producto de la primera etapa del ciclo. Diversos compuestos exógenos pueden bloquear el ciclo de Krebs produciendo graves daños e incluso la muerte. Uno de esos compuestos es el arsénico, motivo por el cual es un tóxico tan potente (Recuadro 13-1) . 243 7 Reacciones anapleróticas y carácter anfibólico G ran cantidad de rutas catabólicas convergen en el ciclo de Krebs, como muestra la figura 13-5. Estas reacciones, que tienen su origen en el metabolismo de los hidratos de carbono, de los lípidos y sobre todo en el metabolismo de los aminoácidos, tienen gran importancia a la hora de reponer los intermediarios del ciclo. Las reacciones que generan dichos intermediarios se conocen como reacciones anapleróticas. La reposición d e un intermediario, teniendo en cuenta que es un ciclo cerrado, lleva a la larga a la reposición de cualquier intermediario d las reacciones anapleróticas son rutas que convergen en el ciclo de Krebs y permiten reponer los intermediarios del ciclo para que éste siga funcionando. ' Recuadro 13-1. lnhibidores del ciclo de Krebs Uno de los más conocidos inhibidores del ciclo de Krebs es el arsénico, cuyo mecanismo tóxico se basa en que su forma trivalente interacciona con grupos sulfhidrilo (- SH), y su forma pentavalente sustituye a los fosfatos de las enzimas de la mitocondria. El arsénico inhibe la actuación, entre otras enzimas, de la dihidrolipoil transacetilasa, que utiliza como coenzima la lipoamida (grupos - SH). La dihidrolipoil transacetilasa forma parte de los complejos multienzimáticos piruvato deshidrogenasa y a-cetoglutarato deshidrogenasa, ambos estrechamente relacionados con el ciclo de Krebs, por lo que la presencia de arsénico bloquea el ciclo, interrumpiendo a su vez la fosforilación oxidativa. En consecuencia, se bloquea así toda la respiración celular y con ella la generación de energía, lo que desencadena un fallo multiorgánico. El arsénico también inhibe la transformación de la tiamina en acetil CoA y succinil CoA. La ingestión de grandes dosis lleva a problemas gastrointestinales, cardiovasculares, disfunciones del aparato nervioso y, finalmente, a la muerte. Hay que recordar que el arsénico ha sido uno de los venenos más utilizados en la historia de la humanidad, siendo Napoleón la ~ íctima más famosa . Dosis bajas pero sostenidas pueden llevar aj desarrollo de cánceres. Otro compuesto que puede interferir con el ciclo de Krebs es el fluoracetato de sodio (FAS). La toxicidad de este compuesto es secundaria a una serie de transformaciones metabólicas que resultan en la formación de fluorocitrato en el ciclo de Krebs. Dicho sustrato no es reconocido por la enzima aconitasa, y produce la inhibición de esta enzima y, por consiguiente, la del ciclo completo. Este compuesto fue descubierto y utilizado, debido a su letalidad, durante la Segunda Guerra Mundial. Dentro de las manifestaciones clínicas asociadas a la intoxicac ión se encuentran: trastornos gastrointestinales, convulsiones, irritabilidad , fallo renal aguda, arritmias cardíacas, hipocalcemia e hipopotasemia. Glucosa co 2 ~ Piru¡ato f Fosfoenolpiruvato Piruvato carbox1lasa ~ PEP carboxiquinasa~ ~------, (±) --.--~ [ Acet1I-CoA ) ~'--=,.,.,.-----., / 1 ( \ Citrato (,.--,M~al;-a.,...to---, Aminoácidos - ~(t málica / Fumarato \ ) ( lsocitrato ) J 1 ( a-Cetoglutarato) ¡ Succinato Tirosina Fenilanina Ácidos grasos colesterol \ ( Oxalacetato) [ Transami~ P1ruvato - ) ~ - ((:!! Transaminación J / ........_(Succinii-CoA) lsoleucina ~~ Metionina Va tina "' Porfirinas Propionato . ~ Aminoácidos Figura 13-5. Diagrama de las reacciones ailapleroticas y. del carácter anfibólico del ciclo de Krebs: Las reacciones anapleróticas sirven para reponer intermediarios del ciclo. --244 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR que falte. Las reacciones anapleróticas permiten que el ciclo continúe funcionando, a pesar de que diversos intermediarios sean utilizados para la síntesis de distintas biomoléculas, tal y como se verá posteriormente. Destacan entre estas reacciones anapleróticas la actuación de la piruvato carboxilasa (Fig. 13-6a) y de la enzima málica (Fig. 13-6b), que permiten restablecer diversos intermediarios del ciclo de Krebs (malato y oxalacetato) a partir del piruvato (procedente normalmente de la glucólisis). También cabría destacar la actuación de diversas transaminasas que reponen el oxalacetato y el a-cetoglutarato a partir de los aminoácidos. Es obvio el carácter degradativo del ciclo de Krebs, siendo el ciclo un importante sistema para la fijación de la energía química en la mayoría de organismos, mediante la oxidación de las moléculas de acetil CoA procedentes principalmente del metabolismo de los ácidos grasos y de los hidratos de carbono. Es interesante realizar unas puntualizaciones sobre la doble naturaleza del ciclo de Krebs . Esta doble naturaleza, catabólica y anabólica del ciclo, es lo que se conoce como carácter anfibólico del ciclo de Krebs y viene determinada por el hecho de que algunos de los intermediarios del ciclo intervienen como precursores de diversas rutas biosintéticas. Esto implica que continuamente tengan que ser repuestos en el ciclo del ácido cítrico para no desabastecer de sustrato aquellas reacciones, reposición que realizan las reacciones anapleróticas estudiadas anteriormente. Entre los distintos intermediarios del ciclo de Krebs (véase Fig. 13-5) que pueden utilizarse como precursores destacan: ¡ ·¡ l ¡• t ~~,) j :a ~1 c flos intermediarios del ciclo de Krebs intervienen como precursores de diversas rutas biosintéticas, destacando el citrato, la succinil CoA, el oxalacetato y el a-cetoglutarato. • El citrato, que se puede emplear en la biosíntesis de lípidos. Se utiliza para sacar el acetil CoA que se genera en la mitocondria y que no puede atravesar la membrana mitocondrial interna (Fig. 13-7), ya que la síntesis de colesterol o de los ácidos grasos (base de los lípidos saponificables) requiere acetil CoA y dichas síntesis se produce en el citoplasma. • El a-cetoglutarato, que se utiliza en la biosíntesis de aminoácidos como el glutamato y sus derivados; algunos de ellos intervienen además en la síntesis de las bases púricas. • El succinil CoA, que es un precursor de la síntesis de porfirinas de las cuales se obtienen los grupos hemo y los citocromos. • El oxalacetato, que se emplea en la gluconeogénesis -proceso que ocurre principalmente en el citosol- y en la síntesis de aminoácidos como el aspartato y sus derivados. Dichos aminoácidos a su vez están relacionados con la síntesis de bases púricas y pirimidínicas. (a) Pirivato carboxilasa (PC)-biotina o o e o- ~/ 1 e=O e e=O 1 1 ~ 1 eH 3 ~ 1 Piruvato 1 1 (b) Enzima málica = Malato deshidrogenasa o o o- 1 eH 3 Figura 13-6. Reacciones anaRleroticas. (~) ~eac<;:iqrl ~e · ra , pi rúv~tó ;~ktboxilasa. (b)' Enzima málicat · :. ·- .. -;,,.· ::, . ! :. • • - . •• ·.' . ¡ •• ~- ... :: ' ~ ;.~r,f : 1 Piruvato 1 dependiente de NADP+ o· e 1 e 1 Oxalacelato 1 ~ / ~/ e=O o- ~/ eH OH 1 ~ ~ 1 Malato 1 Obtención de NADPH en la síntesis de ácidos grasos en citoplasma \ CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO ·INTERMEDIARIO 245 Citoplasma -1 Acetil-CoA t carboxilasa [ Malonii-CoA) •• ___., 1 ~cido graso f stntasa [Ácido graso) Q Figura 13-7. Transporte de acetil CoA al citoplasma a través de citrato. Transferencia de acetil CoA desde la mitocondria al citoplasma y obtención de NADPH para la síntesis de ácidos grasos. LA CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Protones, electrones y oxidación-reducción Los seres vivos consumen oxígeno y producen dióxido de carbono como parte de su metabolismo celular. Este hecho, que había demostrado Lavoisier, junto con el desarrollo de la. enzimología a principios del siglo XX que demostró que las oxidaciones biológicas eran catalizadas mediante enzimas intracelulares, permitió descubrir que estas reacciones de transferencia electrónica aprovechan la energía libre producida para obtener energía química en forma de ATP, siendo estas reacciones la base de la obtención de energía a nivel celular. En los sistemas vivos, los electrones involucrados en las oxidaciones celulares no pasan directamente al oxígeno, sino que se transfieren a través de diversas vías con múltiples etapas. Los electrones de las oxidaCiones se emplean en una primera etapa para reducir el NA.D+ y FAD a NADH + H+ y FADH 2 , respectivamente. Los electrones fijados en estas coenzimas pasan entonces a la cadena transportadora de electrones, gracias a la reoxidación mitocondrial del NADH + H+ y del FADH 2 a NAD+ y FAD respectivamente . Los electrones sufren un proceso de oxidación-reducción secuencial a través de determinados centros rédox (complejos mitocondriales) para finalmente reducir el oxígeno a agua. Este proceso, por el cual se transfieren los electrones desde las biomoléculas del alimento hasta el oxígeno, suele denominarse respiración aerobia o respiración celular. En este proceso, una serie de protones se transfieren desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana de la mitocondria, de modo que se crea un gradiente de protones (gradiente electroquímico). Este gradiente resultante sirve para impulsar la síntesis de ATP, a partir de ADP y P;, a través de la llamada fosforilación oxidativa. La respiración celular (cadena transportadora de electrones) y la fosforilación oxidativa tienen lugar en las mitocondrias de los eucariotas, cuya membrana interna es impermeable a la mayoría de las pequeñas moléculas e iones, incluyendo los protones. En los procariotas, que carecen de mitocondrias, pueden realizar la respiración celular gracias a las proteínas de la cadena de transporte electrónico que se encuentran en la membrana plasmática. c JLa respiración aerobia o respiración celular supone la transferencia de los electrones desde las biomoléculas hasta el oxígeno, proceso que está implicado en la producción de energía de la célula. UNIVERSIDAD CES Bli&.IQTiCA FUNQAC"RES J 246 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELUlAR Complejos y transporte electrónico La mayoría de los electrones que S€ v:an a t,ttilizar en la cadena transportadora de electrones provienen de la acción de las deshidrogenasas, que recogen los electrones de los distintos procesos catabólicos y los canalizan hacia los aceptores univers·ales de electrones (principalmente NAD+ y FAD). Entonces los electrones fijados por estas coenzimas se transfieren a una serie de transportadores asociados a .la membrana interna de la mitocondria conocidos como complejos (Fig. 13-8). Estos complejos transportadores de electrones son de naturaleza proteica y poseen diversos grupos prostéticos capaces de aceptar y de donar electrones (Tabla 13-1). En la cadena respiratoria intervienen tres tipos de moléculas capaces de transferir electrones. La ubiquinona o coenzima Q (una quinona hidrofóbica) , los citocromos (proteínas que tienen como grupos prostéticos grupos hemo con hierro) y las proteínas con agrupaciones sulfo-férricas (centros Fe-S)._E tránsito de electrones a través de los complejos se produce en orden creCiente de afi-nidad electrónica, transfiriendo los electrones desde las coenzimas reducidas hasta el oxígeno, aceptor final de los electrones. Los complejos implicados en la transferencia de electrones son: c:fla cadena transportadora de electrones aprovecha los electrones del NADH + W y del FADHb para crear un gradiente electroquímico, generando una fuerza protón-motriz. c:flos electrones . del NADH + W se transfieren a través de los complejos 1, 111 y IV hasta el oxígeno. • El complejo 1, también llamado NADH-ubiquinona oxidorreductasa o NADH deshidrogenasa, que transporta los electrones del NADH a la ubiquinona. • El complejo 11 es la succinato deshidrogenasa, única enzima del ciclo de Krebs unida a membrana, que pasa los electrones del FADH 2 a la ubiquinona. • El complejo 111, también llamado citocromo bc 1 o complejo ubiquinonacitocromo e oxidorreductasa, que acopla la transferencia de electrones desde la ubiquinona al citocromo c. • El complejo N, también llamado citocromo e oxidasa, es la última etapa de la cadena de transporte electrónico de la respiración y conduce a los electrones desde el citocromo e hasta el último aceptor de los electrones, el oxígeno, que se reduce a agua. Los electrones del NADH + H+ se transportan al complejo I, y allí son aceptados por el nucleótido de flavina FMN; posteriormente se transfieren a una serie de centros Fe-S, que, finalmente, trasladan los electrones a la ubiquinona. El paso de los dos electrones del NADH + H+ por el complejo I permite el tránsito de un to.tal de cuatro protones al espacio intermembrana. La ubiquinona reducida difunde libremente por la membrana transportando los electrones hasta el complejo lii; en este complejo los electrones se transfieren de uno en uno a través deun p.roceso complejo de varios pasos. El hecho de que los electrones pasen individualmente hace que se genere ubisemiquinona (molécula de ubiquinona reducida por un solo electrón) que, gracias a los citocromos b del compfejo II, se reduce nuevamente y cede el segundo electrón. Al final, los dos ,electrones Complejo 11 Succinato-ubiquinona reductasa Complejo 111 Ubiquinona-citocromo e reductasa citocromo Complejo IV Citocromo e oxi dasa e .... ~ATRIZ Figura 13-8. Transporte de electrones. .. CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO 247 ( rabia 13-1. Cofactores de los complejos de la cadena transportadora de electrones Complejo Subunida~s~proteicas Cofactores ~--------------------------4---- NADH-ubiquinona reductasa 16-25 1FMN 22-24 F.e-5 en 5-8 centros 11. Succinato-ubiquinona reductasa 4 1 FAD 8 Fe-S en 3 centros Citocromó bs•o 111. Ubiquinona-citocromo e reductasa 8 2 centros Fe-S Citoéromo b5¡¡; Citocromo b, •• Citocromo e, IV. Citocromo e oxidasa 7 Citocromo a Citocromo a3 2 iones cobre son cedidos a dos citocromos e (cada citocromo e transporta un electrón): durante este proceso se logran transportar otros cuatro protones al espacio intermembrana. Los citocromos e se encargan de transferir los electrones desde el complejo III al complejo IV. .Dicho complejo IV es el responsable de reducir una molécula de oxigeno, a agua, proceso para el cual necesita cuatro electrones y en el que es importante la presencia de varios citocromos a y de dos átomos de cobre que colaboran en la reducción de la molécula de oxigeno. El citocromo IV, al transferir los cuatro electrones al oxígeno, logra transportar cuatro protones hacia el espacio intermembrana; si bien, como el NADH + H+ cedió solo dos electrones por cada molécula, el complejo IV únicamente transfiere dos protones, lo cual supone un total de diez protones por molécula de NADH + H+ reoxidada a NAD+. La principal fuente de NADH + H+ son los diver~os pasos del ciclo de Krebs estudiados en el apartado anterior. Los electrones de las moléculas de FADH 2 entran en la cadena transportadora de electrones a través del complejo 11 (complejo succinato deshidrogenasa del ciclo de Krebs) que transfiere los electrones a la ubiquinona. Otras enzimas como la acil CoA deshidrogenasa también transfieren los electrones del FADH 2 a la ubiquinona, aunque estos procesos no logran trasladar ningún protón al espacio intermembrana. Á partir de la ubiquinona, los electrones del FADH 2 siguen el mismo camino que los electrones del NADH + H+, siendo transferidos al complejo 111, al citocromo e, al complejo IV y, finalmente, cedidos al oxígeno formándose agua. El trasiego de los electrones procedentes del FADH 2 permite el paso de un total de seis protones por molécula al espacio intermembrana. La utilización de la cadena transportadora de electrones y del oxígeno implica una serie de riesgos para la célula; estos riesgos -son consecuencia de la capacidad oxidante del oxígeno y de la formación de radicales libres que pueden originar daño oxidativo a las biomoléculas (Recuadro 13-2). - O las electrones del FADH 2 son transferidos a través de los complejos 11, 111, IV hasta el oxígeno. O El NADH + W crea un mayor gradiente electroquímico que el FADH 2, al utilizar el complejo 1 y no el complejo 11 (que no transfiere protones al espacio intermembrana). La fosforilación oxidativa La síntesis de ATP a partir de ADP y P; en las mitocondrias está catalizada por la ATP sintasa (o complejo V). Peter Mitchell propuso en 1961 el mecanismo conocido como "Teoría quimiosmótica de acoplamiento" que infiere que la síntesis de ATP está acoplada al transporte de electrones mitocondrial (Fig. 13-9). Este mecanismo se basa en que: • Los complejos transportadores de electrones logran pasar protones al espacio intermembrana en contra de gradiente, creando así un gradiente eléctrico y un gradiente de protones a través de la membrana interna. A este gradiente electroquímico generado por el transporte de los electrones por los diversos complejos mitocondriales se le denomi_na fuerza protón-motriz. • El potencial electroquímico de este gradiente o fuerza protón motriz lo aprovecha la ATP sintasa para sintetizar ATP. La ATP sintasa transporta O la ATP sintasa aprovecha la fuerza protón-motriz para sintetizar ATP a partir de ADP y P¡. 248 - ' SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR Recuadro 13-2. Daño oxidativo y defensas antioxidantes La formación de cierta tasa de radicales libres es un proceso normal e inevitable, ya que son producto de infinidad de reacciones químicas imprescindibles para la vida celular. Estas especies tan reactivas, no causan daño oxidativo en condiciones normales debido a que la célula está provista de gran cantidad de mecanismos antioxidantes. El estrés oxidativo se define como una alteración del equilibrio entre las especies prooxidantes y las antioxidantes. Este desequilibrio puede originarse por un exceso de sustancias prooxidantes, una deficiencia de agentes antioxidantes o por ambos factores a la vez. El resultado de este desequilibrio es un daño oxidativo, que puede afectar a diversas moléculas y, de esta forma , alterar diversas funciones fisiológicas. Los radicales libres pueden ser de origen endógeno o exógeno. Así, algunos radicales libres de origen endógeno surgen como reacciones secundarias no deseadas entre las biomoléculas; por ejemplo, la formación de anión superóxido como consecuencia de la cadena transportadora de electrones. Y otros, se generan in vivo con un fin determinado, como en el caso de los fagocitos activados, que producen ·o;, 'OH y H,O,. El organismo también está expuesto a radicales libres procedentes de fuentes externas: la dieta supone la ingesta de muchos compuestos de naturaleza prooxidante. Otras fuentes pueden ser el humo del tabaco, la polución ambiental, el ozono, metales, etcétera. El organismo ha desarrollado una serie de mecanismos de defensa antioxidante enzimática y no enzimática, diseñados para protegerse de la acción de los radicales libres y de las especies reactivas de oxígeno (ROS) . Bajo el punto de vista de la fisiología celular, los antioxidantes se clasifican en antioxidantes primarios, secundarios y terciarios. l . Los antioxidantes primarios previenen la formación de nuevas especies de radicales libres. Actúan destoxificando los radicales libres (o especies que pueden generarlos) convirtiéndolos en moléculas menos dañinas, o impidiendo su formación. Dentro de este grupo se incluye a la superóxido dismutasa, la glutatión peroxidasa, la catalasa y las proteínas ligadoras de metales (ferritina y ceruloplasmina). 2. Los antioxidantes secundarios son protectores no enzimáticos que intervienen cuando hay superproducción de radicales libres y los sistemas enzimáticos están desbordados, previniendo así las reacciones en cadena. Se comportan como tal el glutatión, la vitamina E, la vitamina C, el ácido úrico, la bilirrubina y la albúmina. 3. Los antioxidantes terciarios ejercen su defensa mediante la reparación de biomoléculas dañadas por los radicales libres. Entre ellos se encuentran los sistemas proteolíticos intracelulares, que actúan degradando proteínas dañadas oxidativamente, evitando de este modo su acumulación. También se pueden destacar las enzimas reparadoras de DNA, la metionina sulfóxido reductasa y la fosfolipasa A2 que escinde los fosfolípidos oxidados de la membrana. Desde un punto de vista bioquímico, las defensas antioxidantes se clasifican en antioxidantes enzimáticos (por ejemplo, catalasa, superóxido dismutasa, glutatión reductasa y glutatión peroxidasa) y antioxidantes no enzimáticos (por ejemplo, glutatión, vitamina A, E y C) . OXIDACIÓN H+ +++++++++++++++ Figura 13-9. Hipótesis quimiosmótica. síntesis de ATP (fosforilación oxidativa) lleva a cabo por la ATP sintasa, utilizando fuerza protón motriz que se genera en cadena transportadora de electrones. La se la la membrana externa los protones a la matriz mitocondrial a favor de gradiente y acopla este proceso a la síntesis de ATP. Como se ha visto anteriormente~ el transporte electrónico provoca que los complejos I, III y IV muevan protones a través de la membrana mitocondrial interna desde la matriz (una región de baja concentración de protones y potencial eléctrico negativo) al espacio intermembrana (una región de elevada concentración de protones y potencial eléctrico positivo). Esto hace que las moléculas de NADH + H + originen una mayor transferencia de protones que las\ moléculas de FADH 2 , y produce que las primeras generen un gradiente mayor, lo cual permitirá una mayor síntesis de ATP. CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARI0 249 [ ATP sintasa ) Matriz - ADP 3 - Adenosina nucleótido translocasa La ATP sintasa es una de las estructuras más complejas de la membrana mitocondrial: contiene dos subestructuras principales (F 0 y F 1), cada una con una función determinada. La porción F0 es una proteína submembranal insoluble en agua y que contiene un canal transmembrana para los protones; la denominada F 1 es una proteína periférica de membrana, soluble en agua, que participa directamente en la síntesis de ATP a partir de ADP y P; (Fig. 13-10). Actualmente se piensa que la entrada de tres protones desde el espacio intermembrana impulsa un movimiento rotatorio de la F0 • Este giro es aprovechado por la F 1 para sintetizar una molécula de ATP a partir de ADP y P;. Se necesita otro protón para la entrada del P; en la matriz mitocondrial, mientras que el ADP se transporta gracias a la salida del ATP. Esto hace que, aproximadamente, la reoxidación de cada NADH + H+ da lugar a la síntesis de 2,5 ATP, y la de un FADH 2 a 1,5 ATP. 0 LAS LANZADERAS DE NADH Figura 13-10. Estructura y funcionamiento de la ATP sintasa o complejo V. El· 'ATP formado debe salir al citoplasma para ser utilizado en los procesos anabólicos. El ADP y el P; generados deben transportarse al interior de la mitocondria para que se produzca de nuevo la síntesis de ATP. c:fla reoxidación de una molécula de NADH + W da lugar a la síntesis de aproximadamente 2,5 moléculas de ATP, mientras que la reoxidación de una molécula de FADH 2 a aproximadamente 1,5 moléculas de ATP. +W Una vía indirecta al interior de la mitocondria La membrana interna mitocondrial resulta impermeable no sólo a los protones sino también a otra gran cantidad de moléculas, entre las que se encuentra el NADH + H+. Esto significa que el NADH + H+ citosólico no puede entrar libremente en la mitocondria para ser reoxidado, lo cual implicaría a la larga, y entre otras posibilidades, el bloqueo de la glucólisis (véase capítulo 12). Por ello, las células eucariotas han generado varios mecanismos que permiten la entrada a la mitocondria de los electrones fijados en el NADH + H+ citosólico. Estos mecanismos se conocen con el nombre de lanzaderas: las más comunes son la lanzadera glicerol-3-fosfato y la lanzadera malato-aspartato. Una vez dentro de la mitocondria, los electrones son transferidos a la cadena transportadora de electrones permitiendo así la síntesis de ATP. c:fla membrana interna mitocondrial es impermeable el NADH + W. Para que los electrones puedan atravesarla tienen que emplear un mecanismo indirecto denominado lanzaderas. Lanzadera glicerol-3-fosfato La lanzadera glicerol-3-fosfato aprovecha un intermediario de la glucólisis, la dihidroxiacetona fosfato, para reoxidar el NADH + H+ originando glicerol-3fosfato. Esta molécula se transporta al espacio intermembrana donde es oxidado por la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial que utiliza FADH 2 como cofactor (Fig. 13-11). El FADH 2 , posteriormente, cederá los electrones a la cadena transportadora de electrones, produciendo, como ya se ha indicado, tan solo una media de 1,5 moléculas de ATP por molécula de NADH + H+ citosólico. Esta lanzadera se encuentra principalmente en el músculo esquelético y -en el cerebro. · c:fla lanzadera glicerol-3-fosfato transfiere los electrones del NADH + W citosólico a una molécula de FADH 2 mitocondriaL 250 SECCIÓN 111. El "METABOLISMO CELULAR Citosol glicerol-3-fosfato 1 1 Dihidroxiacetona fosfato 1 Membrana Externa glicerol-3-fosfato 1 1 Dihidroxiacetona fosfato 1 Espacio lntermembrana Membrana Interna Figura 13-11. lanzadera glicerol-fosfato. Matriz lanzadera aspartato-malato lanzadera malato-aspartato transfiere los electrones del NADH + W citosólico a una molécula de NADH + W mitocondrial. La lanzadera aspartato-maláto es algo más compleja que la lanzadera glicerol-3fosfato. Aprovecha el intercambio de aminoácidos e intermediarios del ciclo de Krebs entre el citoplasma y la mitocondria para introducir los electrones fijadds en el NADH + H+ durante la glucólisis. El NADH + H+ se utiliza para reducir el oxalacetato (proveniente del aspartato por transaminación) a malato, que penetra en la mitocondria a través de un cotransporte con cx-cetoglutarato. El malato, dentro de la mitocondria se oxida por la malato deshidrogenasa, que utiliza NADH + H+ como cofactor, para generar de nuevo oxalacetato. El oxalacetato se transforma po.r acción de una transaminasa en aspartato, el cual sale de la mitocondria a través de un cotransporte con glutamato, cerrando el mecanismo (Fig. 13-12) . Como resultado de la actuación de esta lanzadera, el NADH + H+ citosólico se introduce dentro de la mitocondria originando NADH + H+ mitocondrial que, posteriormente, cederá los electrones a la cadena transportadora de electrones, produciendo una media total de 2,5 moléculas de ATP por molécula de NADH + H+ citosólico. Esta lanzadera se encuentra principalmente en las mitocondrias del hígado y del corazón. Aunque la lanzadera malato-aspartato es más compleja que la lanzadera glicerol-3-fosfato, es energéticamente más eficaz ya que cada NADH + H+ citosólico produce 2,5 moléculas de ATP frente a los 1,5 ATP de la otra lanzadera. Sin embargo, la lanzadera glicerol-3-fosfato tiene otras ventajas, como puede ser la rapidez. De hecho, algunos organismos carecen de lactato deshidrogenasa y dependen completamente de la lanzadera glicerol-3-fosfato para regenerar el NAD+ citoplasmático. En condiciones normales, las coenzimas reducidas que se obtienen tanto en la glucólisis como en el ciclo de Krebs; como consecuencia principalment~ de su actuáción eh el catabolismo aerobio de la glucosa, son aprovechada? en la cadena · transportadora de electrones para obtener ATP y así cubrir las necesidades CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO Espacio lntermembrana Transportador malato/a-cetoglutarato (NAo+) malato ) deshidrogenasa c~OH+H ' 1 251 (NAo+) l desh~~~~~nasa J( ~--~/ ~---v (NAOH + H ~ 1 Oxalacetatoj Oxalacetatol Aspartato aminotransferasa Aspartato am inotransferasa Transportador glutamato-Aspartato Matriz Figura 13-12. Lanzadera malato-aspartato. energéticas de la célula. En el recuadro 13-3 se calcula el rendimiento energético de la degradación de una molécula de glucosa. Recuadro 13-3. Rendimiento energético de la glucosa Como ya se ha descrito, la glucosa se oxida a CO, en primer lugar mediante las reacciones de la glucólisis; posteriormente los productos de ésta sufren la descarboxilación oxidativa del piruvato y, finalmente, entran en el ciclo de Krebs. De tal manera que la oxidación completa de la glucosa se puede describir como indica la siguiente expresión: Glucosa + 6 o, -----,) 6 co, + 6 H,O Sin embargo, esta expresión no es del todo cierta, pues gran cantidad de energía queda englobada en los electrones. Los electrones involucrados en la oxidación de la glucosa no pasan directamente al oxígeno, sino que se transfieren a las coenzimas NAD+ y FAD, formándose las correspondientes formas reducidas, que se utilizarán para obtener energía. Los electrones de las coenzimas reducidas pasan a la cadena transportadora de electrones donde participan (por la reoxidación mitocondrial del NADH + W y el FADH 1) en un proceso de oxidación-reducción secuencial de determinados centros rédox antes de reducir el oxígeno a agua. En este proceso, los protones son expulsados de la matriz mitocondrial creando un gradiente electroquímico, conocido como fuerza protón motriz que impulsará la síntesis de ATP , a partir de ADP y P;. a través de la fosforilación oxidativa. A continuación se va a calcular cuántas moléculas energéticas en forma de ATP, se pueden obtener como consecuencia de la degradación aerobia de la glucosa. Ciclo de Krebs: Glucólisis (citoplasma): + + + + + Fase preparatoria: -1 ATP (hexoquinasa) -1 ATP (fosfofructoquinasa-1) Fase de beneficios: + 2 NADH + W (gliceraldehído-3-P deshidrogenasa) + 2 ATP (fosfoglicerato quinasa) + 2 ATP (piruvato quinasa) Descarboxilación oxidativa del piruvato (mitocondria): + 2 NADH + W (piruvato deshidrogenasa) ' 2 NADH + W (isocitrato deshidrogenasa) 2 NADH + W (a-cetoglutarato deshidrogenasa) 2 GTP (succinil CoA sintetasa) 2 FADH, (succinato deshidrogenasa) 2 NADH + W (malato deshidrogenasa) Lo cual hace un total de: +2 ATP + 2 GTP"' 2ATP +2NADH+W citosólicos (x 1,5=3ATP, o x 2,5=5ATP según la lanzadera) + 8 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 20 ATP) + 2 FADH 2 (x 1,5 = 3 ATP) Las moléculas de NADH + W mitocondriales originaran 2,5 ATP cada una, las moléculas de FADH, generaran 1,5 ATP cada una y las moléculas NADH + W citosolicos darán 1,5 ATP, al entrar en la mitocondria por la lanzadera glicerol-3-fosfato, o 2,5 ATP al usar la lanzadera malato-aspartato. El total es de 30 ATP al usar la lanzadera glicerol-3-fosfato, o 32 ATP al intervenir la lanzadera malato-aspartato. 252 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR CONCEPTOS CLAVE El paso final en la oxidación de muchas moléculas implica al ciclo de Krebs, a partir de la formación de acetil CoA o de intermediarios de dicho ciclo. 0 o El acetil CoA reacciona con una molécula de oxalacetato (4C) para formar citrato (6C), mediante una reacción de condensación. o A través de una serie de reacciones, el citrato se convierte de nuevo en oxalacetato. Durante estas reacciones, se sustraen dos átomos de carbono del citrato (6C) para dar oxalacetato (4C); dichos átomos de carbono se liberan en forma de C0 2• o El ciclo consume netamente una molécula de acetil CoA y produce dos de C0 2• También consume 3 NAD+, 1 FAD y 1 GDP + P¡, produciendo 3 NADH + W, 1 FADH 2 y 1 GTP. o El ciclo de Krebs es anfibólico, lo cual se debe a la capacidad de diversos intermediarios del ciclo para participar en la biosíntesis de otras biomoléculas. o o Las reacciones anapléroticas sirven para reponer los intermediarios del ciclo de Krebs. Las moléculas de NADH + W y FADH 2 ceden sus electrones a los complejos de la cadena transportadora de electrones. Estos complejos transfieren los electrones al oxígeno a la vez que crean un gradiente electroquímico conocido como fuerza protón, motriz. o La ATP sintasa sintetiza ATP aprovechando el gradiente de protones creado por acción de la cadena transportadora de electrones. o Cada NADH, cuando se oxide en la cadena transportadora de electrones, originará 2,5 moléculas de ATP, mientras que el FADH 2 dará lugar a 1,5 ATP. Por tanto, por cada acetil CoA que ingresa en el ciclo de Krebs se obtienen 10ATP. o Los sistemas de lanzaderas son mecanismos necesarios para introducir en la mitocondria las moléculas de poder reductor generadas en el citoplasma. EJERCICIOS Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de fructosa-1 ,6-bifosfato. SOLUCIÓN 2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs) + 2 GTP (Succinil-CoA sintetasa) Glucólisis (citoplasma): Fase preparatoria. 2GTP:::2ATP Fase de beneficios: + 2 NADH + W (Gliceraldehído-3-P deshidrogenasa) 2 NADH + W citosólicos (x 1,5 = 3 ATP o x 2,5 = 3 ATP 5 según la lanzadera) . + 2 ATP (Fosfoglicerato quinasa) + 2 ATP (Piruvato quinasa) Descarboxilación Oxidativa del piruvato (mitocondria): + 2 NADH + W (Piruvato deshidrogenasa) 2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs) Ciclo de Krebs: + 2 NADH + W (lsocitrato deshidrogenasa) 2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATPs) + 2 NADH + W (a:-cetoglutarato deshidrogenasa) + 2 FADH 2 (Succinato deshidrogenasa) 2 FADH 2 (x 1,5 = 3 ATPs) + 2 NADH + W (Malato deshidrogenasa) 2 NADH + W mitocondriales (x 2,5 = 5 ATP) Glucólisi:l. 7 ATP o 9 ATP según la lanzadera Descarboxilación Oxidativa del piruvato (mitocondria): 5ATP Ciclo de Krebs: 20ATP \ Lo cual da un total de 32 ATP al usar la lanzadera Glicerol 3-fosfato o 34 ATP al usar la lanzadera Malato-aspartato. r CAPÍTULO 13. RUTAS CENTRALES DEL METABOLISMO II')ITERMEDIARIO liD La adición de pequeñas cantidades de oxaloacetato a una suspensión de células estimula mucho el consumo de oxígeno de la preparación. La cantidad de oxígeno consumido es muy superior a la cantidad necesaria para la oxidación completa del oxaloacetato (a CO, y H,O). a) ¿A qué se debe esta estimulación? 253 1111 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de fosfoenolpiruvato. liD Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de manosa. b) ¿Por qué se incrementaba más de lo esperado la cantidad de oxígeno consumido? 11111 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de dihidroxiacetona fosfato. 0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 1111 El carácter anfibólico del ciclo de Krebs hace referencia: a) A una serie de reacciones de repuesto de los intermediarios del ciclo de Krebs. b) A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía. e) A que el ciclo de Krebs sirve para producir intermediarios metabólicos. d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos catabólicos como anabólicos. liD Las reacciones anapleróticas hacen referencia : a) A una serie de reacciones de repuesto de los intermediarios del ciclo de Krebs. b) A que el ciclo de Krebs sirve para producir energía. e) A que el ciclo de Krebs sirve para producir intermediarios metabólicos. d) A que el ciclo puede servir tanto para realizar procesos catabólicos como anabólicos. 11111 El ciclo de Krebs, al degradar una molécula de acetil CoA, genera: a) b) e) d) 1 ATP y 3 NADH + W. 1 GTP, 3 FADH 2 y 1 NADH + W. 1 ATP y 1 FADH 2• 1 GTP, 1 FADH, y 3 NADH + W. 1111 El ciclo de Krebs esta regulado por: a) b) e) d) La relación NADH + W/NAD• mitocondrial. La succinil-CoA. La disponibilidad de substratos. Todas son verdaderas. liD ¿Cual de las siguientes enzimas no cataliza una reacción anaplerótica del ciclo de Krebs?: a) Piruvato carboxi lasa. b) Piruvato descarboxilasa. e) PEP carboxiquinasa. d) Enzima málica. 111.1 Calcula el rendimiento energético aerobio de una molécula de láctico. 111.1 El receptor de los electrones del NADH es: a) b) e) d) Un centro sulfo-férrico del complejo l. La ubiquinona. El FMN del complejo l. El complejo 11. IIIJ El receptor de los electrones del FADH, es: a) b) e) d) Un centro sulfo-férrico del complejo l. La ubiquinona. El FMN del complejo l. El complejo 11. 11111 De las siguientes afirmaciones de la cadena transportadora de electrones, ¿cual es verdadera?: a) Una molécula de FADH, puede generar hasta 2,5 moléculas de ATP. b) Una molécula de NADH + W puede generar hasta 1,5 moléculas de ATP. e) Los protones colaboran en el transporte de P; dentro de la matriz mitocondrial. d) El complejo 111, utiliza como cofactores átomos de cobre. liD De las siguientes afirmaciones de la cadena transportadora de electrones, ¿cual es falsa?: a) El citocromo IV usa cobre como cofactor. b) El ATP se genera gracias a la fuerza protón-motriz. e) El complejo 11 produce la salida de protones hacia el espacio intermembrana. d) El citocromo C transporta un único electrón. liiilJ La lanzadera malato-aspartato: a) Transporta los electrones del FADH, al interior de la mitocondria. b) Trabaja con oxalacetato. e) En el interior de la mitocondria genera FADH,. d) Todas son falsas. 7 { \ METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS o CONTENIDOS o o o OBjETIVO"S DEL APRENDIZAjE o o Introducción Digestión y absorción de lípidos o Lipoproteínas Comprender el proceso digestivo de las grasas, principalmente de los triaci lglicéridos. o Obtener unas nociones básicas de la composición de las lipoproteínas, así como entender el papel fis iológico de las mismas en el transporte de los lípidos por la sangre. o Metabolismo de ácidos grasos o o Cuerpos cetónicos o Obtener una visión general del metabolismo de los lípidos. Biosíntesis de lípidos Entender el proceso por el cual los lípidos, especialmente a través de los ácidos grasos, producen energía que el organismo aprovech a para sus funciones metabólicas, directamente o vía cuerpos cetónicos. o Conocer de forma general la síntesis de los lípidos, destacando la biosíntesis del colesterol. , En el presente capítulo se estudian las diferentes rutas que utilizan los organismos y las células para obtener los distintos tipos ae lípidos necesarios para su correcto funcionamiento. También se estudia cómo estos compuestos altamente energéticos se _ emplean en la producción de energía útil para la célula, destacando la ruta conocida como ~-o x idación. Se requieren ciertos conocimientos expuestos en capítulos anteriores, como el dedicado al metabolismo intermediario, ya que muchos compuestos que van a ir apareciendo en el presente capítulo provienen o van a ir a algunas de esas rutas intermediarias, como el ciclo de Krebs. Para un mejor entendimiento de las rutas metabólicas de los lípidos, se hace imprescind ible tener una idea muy clara de la estructura de cada una de las distintas moléculas lipídicas. Dentro de este capítulo se tratarán diversos temas y se describirán varias rutas metabólicas, trat~r;1 do siempre de explicar dichos procesos desde un punto de vi sta fisiológico. Así, se destaca la importancia que tienen ciertas rutas lipídicas para mantener los niveles energéticos de las células, cómo colaboran al balance energético del organismo y cómo están relacionados con la homeostasis de la glucosa en sangre. Se resalta la importancia del metabolismo de los lípidos en la salud, describiendo las diversas patologías relacionadas con el metabolismo de estos compuestos. 256 . SECCIÓN . Iil. EL METABOLISMO CELULAR 0 d la oxidación de los ácidos grasos desempeña un destacado papel como fuente de energía. ¡ 1 l ¡' i Los lípidos, tal y como se ha estudiado en el capítulo 3, son un grupo muy heterogéneo de sustancias en los cuales la única característica común es la de ser insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. Entre estos compuestos destacan los triacilglicéridos como fuente y reservorio de energía. Aunque los carbohidratos son el combustible principal de las células, las grasas también desempeñan un destacado papel como fuente de energía. La oxidación de los ácidos grasos es importante en los animales superiores, que pueden almacenar grasas como sustancias de reserva. El valor calórico es muy elevado; se cifra alrededor de 9 kcal/g y duplica prácticamente al valor calórico de los hidratos de carbono. Igualmente los lípidos, más concret;¡.mente los fosfolípidos, son fundamentales para la formación de membranas celulares, ya que actúan como constituyentes básicos de las mismas. Dada la gran diversidad de los lípidos, sería muy extenso tratar el metabolismo de todos ellos, por lo que este capítulo se va a centrar principalmente en el estudio del metabolismo de los triacilglicéridos y los ácidos grasos, si bien se fijarán unas pequeñas nociones sobre el metabolismo de los demás lípidos (colesterol, esfingolípidos y fosfoacilglicéridos). Primero se estudiará la digestión de los lípidos, su transporte en sangre y, posteriormente las principales rutas metabólicas de los ácidos grasos, como la ¡3-oxidación y su biosíntesis. Se hará especial hincapié en el aprovechamiento energético de los lípidos, principalmente de los ácidos grasos; y, desde este punto de vista, se estudiará el metabolismo de los cuerpos cetónicos. 0 ~ INTRODUCCIÓN DIG.ESTIÓN Y ABSORCIÓN DE LÍPIDOS La emulsión de las grasas ingeridas d Previamente a la digestión enzimática debe producirse la emulsión de las grasas a partir de las sales biliares, las cuales facilitan la digestión. Los triacilglicéridos son el mayor componente energético en la dieta humana y de los animales superiores en general. Sin embargo, estos lípidos no pueden atravesar libremente las membranas celulares, lo que se agrava en las células epiteliales del intestino, los enterocitos, por la presencia de una capa de agua inmóvil que rodea las microvellosidades. Para que se produzca la co1recta asimilación de los lípidos, estos deben ser hidrolizados por distintas enzimas digestivas intestinales hasta formar compuestos anfipáticos, que sí podrán atravesar las membranas celulares, principalmente al nivel del yeyuno. Pero previamente a la digestión enzimática, debe producirse la emulsión de las grasas por acción de las sales biliares, las cuales facilitan la digestión (Fig. 14-1). Debido a la actividad detergente de las sales biliares, las grandes gotas lipídicas de ~ dieta se transforman en numerosas gotitas de pequeño tamaño (micelas), consiguiendo aumentar enormemente la superficie; esto facilita la actuación de las enzimas digestivas. La emulsión de las grasas se ve favorecida por los movimientos peristálticos intestinales. Las sales biliares se sintetizan en el hígado y se almacenan en la vesícula biliar hasta su utilización tras la ingesta de grasas de la dieta. Enzimas digestivas y productos que generan d los triacilglicéridos son digeridos por la lipasa pancreática hasta formar compuestos antipáticos, que pueden atravesar las membranas del enterocito. Sobre los triacilglicéridos actua principalmente la lipasa pancreática, ju.ino con la colipasa. Estas enzimas hidrolizan los triacilglicéridos de la dieta dando, por cada molécula inicial, un monoacilglicerol y dos moléculas de ácidos grasos, aunque pueden liberar glicerol en algunos casos. Dichas sustancias ya son anfipáticas y pueden atravesar con facilidad las membranas celulares, pudiendo ser asimiladas por las células de la mucosa intestinal (Fig. 14-1). Una vez dentro de la célula, los lípidos son reconstruidos en triacilglicéridos. Sobre los fosfolípidos actuá la fosfolipasa A 2 , liberando un ácido graso y un acil lisofosfolípido; mientras que, sobre los ésteres de colesterol, interviene la colesterol esterasa rindiendo colesterol y ácidos grasos. Todos estos compuestos anfipáticos son asimilados por los enterocitos y, de igual manera que se ha descrito con los triacilglicéridos, en su interior, se regeneran los lípidos iniciales. Para poder ser transportados al resto del organismo, los lípidos no pueden estar CAPÍT_ULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 257 Grasas ingeridas en la dieta Vesícula biliar ITLos lípidos asimilados a nivel intestinal se empaquetan junto con proteínas originando los quilomicrones. 1.- En el intestino delgado se produce la emulsión de las grasas de la dieta por las sales biliares, mediante la formación de micelas mixtas 2.- Las lipasas intestinales degradan los triglicéridos 3.- Los ácidos grasos y otros productos de ruptura son absorbidos por la mucosa intestinal y convertidos en triglicéridos Figura 14-1. Digestión y absorción de los triglicéridos de la dieta. en forma libre, sino que deben constituir un complejo estable uniéngose a las apoproteínas para originar las llamadas lipoproteínas. En el intestino se origina, principalmente, un tipo de lipoproteína denominado quilomicrón. - 0 LIPOPROTEÍNAS las lipoproteínas viajan por la linfa y la sangre Las lipoproteínas son unas estructuras complejas que sirven para transportar los lípidos por el organismo, a nivel sanguíneo y linfático. También colaboran en el transporte de aminoácidos. En la figura 14-2 se puede apreciar la disposición típica de una lipoproteína: formada por una capa externa constituida por fosfolípidos, apoproteínas y colesterol libre, de naturaleza anfipática, mientras que en el interior se acumulan los triacilglicéridos y el colesterol esterificado, compuestos totalmente hidrofóbicos. La principallipoproteína del intestino es el quilomicrón, como se ha comentado anteriormente. Los quilomicrones son vertidos a la linfa y, vía linfática, son transportados hasta la sangre, de tal forma que lleg~n primero a los tejidos periféricos y posteriormente al hígado. Este orden facilita que las grasas se almacenen en los tejidos periféricos, preferentemente en el músculo y en el tejido adiposo. Tipos y función de las lipoproteínas Existen distintos tipos de lipoproteínas: quilomicrones (QM), VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad), IDL (lipoproteínas de densidad intermedia), ~as lipoproteínas sirven para transportar los distintos lípidos por el organismo, y también colaboran en el transporte de aminoácidos . 258. SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR Triacilgliceroles Ésteres de colesterol Figura 14-2. Estructura de una lipoproteína. c:flas distintas lipoproteínas se caracterizan por su densidad y por la relación de lípidos y proteínas que las constituyen. O los quilomicrones transportan fundamentalmente los triacilglicéridos exógenos, mientras que las VLDL transportan los triacilglicéridos endógenos. Apoproteína LDL (lipoproteínas de baja densidad) y HDL (lipoproteínas de alta densidad). Se diferencian principalmente por su densidad y tamaño, de modo que su nombre deriva de esta propiedad. Las diferencias de densidad permiten su aislamiento fácilmente mediante técnicas de ultracentrifugación o de electrofóresis (Fig. 14-3). En la tabla 14-1 se presentan los principales parámetros de las lipoproteínas, tanto físicos como químicos y, además, los de las apoproteínas constituyentes de cada una de ellas. Como se observa en la tabla, a la vez que el porcentaje de triacilglicéridos disminuye, va aumentando el porcentaje de proteínas y de colesterol libre o esterificado. Este hecho es uno de los factores que determina que la densidad de las lipoproteínas vaya en aumento. Tal y como se ha comentado anteriormente, en el intestino se forman gran cantidad de quilomicrones, pero también se pueden originar pequeñas cantidades de VLDL. Estas lipoproteínas se vierten a la linfa, que las transporta hasta la sangre, sin pasar por la circulación enterohepática, de tal forma que llegan primero a los tejidos periféricos (Fig. 14-4). En estos tejidos la enzima lipoproteína lipasa plasmática ataca a los triacilglicéridos, hidrolizándolos en glicerol y ácidos grasos, que son asimilados por las células tisulares, principal~ente adipocitos y miocitos, gracias a que reconocen a la apo C-II, típica de los quilomicro- (a) Figura 14-3. (a) Perfil de las lipoproteínas tras una ultracentrifugación. (b) Perfil electroforético de las lipoproteínas. (b) -------- Quilomicrón VLDL Origen- IDL Pre-~- LDL ~- HDL a- VHDL = CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 259 Características físico-químicas Electroforesis Densidad (g/ml) Diámetro (nm) Origen < 0,95 90-100 pre-j3 0,95-1 ,006 30-90 pre~j3 y j3 1,006-1,019 25-30 a j3 1,019-1,063 20-25 1,063-1,21 o 7-20 20-25 6-10 7-10 35-42 ·15-22 <1 40-55 3-4 3-4 12-20 25-35 <1 B-100 A, C, D. E Componentes (% de peso seco) Proteínas Triacilglicéridos Colesterol libre Ésteres de colestero l Fosfolípidos Ác. grasos libres 5-1 o 50-60 5-10 10-15 15-20 <1 1-2,5 85-90 1-3 3-5 6-9 <1 15-20 30 7-9 22-24 22-26 <1 Composición en apoproteínas A, B-48, C, E B-100, C, D. E B-100, C, D, E Hígado Intestino remanentes VLDL . remanentes (IDL) Quilomicrones Ácidos grasos libres Tejido adiposo, muscular, mamario. nes y las VLDL. El glicerol y los ácidos grasos entran por difusión simple a las células de los tejidos periféricos y son utilizados para formar triacilglicéridos y almacenar así grandes cantidades de energía cuando sea necesaria. De esta forma se produce el transporte de los triacilglicéridos de la dieta (TG exógenos) hasta los tejidos. Los restos de los quilomicrones que quedan tras la actuación de la lipoproteína lipasa plasmática se conocen como quilomicrones remanentes, pobres en triacilglicéridos pero no en fosfolípidos y apoproteínas; estos restos son retirados por el hígado, suministrándose así fosfolípidos, colesterol, ácidos grasos y aminoácidos al tejido hepático. Con las VLDL ocurre un proceso similar, aunque estas lipoproteínas suelen ser de origen hepático y transportan los triacilglicéridos propios del organismo, sintetizados a nivel hepático (TG endógenos). La actuación de la lipoproteína lipasa sobre las VLDL origina igualmente glicerol y ácidos grasos que serán asimilados por los tejidos. Ade.m ás se generan las IDL o VLDL remanentes, que son ricas en colesterol; estas lipoproteínas residuales son retiradas igualmente por el hígado, que las usa como fuente de fos- Figura 14-4. Transporte exógeno y endógeno de los lípidos mediante lipoproteínas. Las LDL son la fuente de colesterol para los tejidos periféricos, aunque también aportan fosfolípidos y aminoácidos. 260 SECtiÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR • ' c:Jlas HDL recogen el exceso de colesterol depositado en los tejidos periféricos y los retiran al hígado. folípidos, colesterol y aminoácidos. Estas IDL se pueden enriquecer aún más en colesterol por acción de la proteína transportadora de colesterol esterificado (CETP), que actúa a nivel sanguíneo, provocando que las IDL se transformen en LDL, que son una forma de transporte de colesterol a los tejidos. Las LDL son retiradas por las células de los tejidos periféricos a través de transportadores específicos que reconocen la apo B-100, apoproteínas constitutivas de las LQL. En realidad las .células incorporan la lipoproteína entera por un proceso de endocitosis mediado por receptor dependiente de clatrina; así las LDL suministran de fosfolípidos, colesterol y aminoácidos a los tejidos. Por último, a nivel sanguíneo, también aparecen las HDL, que tienen un origen principalmente hepático y sirven para recoger el exceso de colesterol depositado en los tejidos periféricos y transportarlo al hígado. De la misma manera, esta lipoproteína interviene intercambiando apoproteínas y colesterol esterificado con las demás lipoproteínas; principalmente las LDL. En la tabla 14-2 se resumen la fúnción y el origen de cada una de las lipoproteínas descritas. Hay que destacar que las HDL tienen un papel importante en la esterificación del colesterol catalizada por la enzima lecitina colesterol aciltransferasa (LCAT), que esterifica el colesterol que las HDL han recogido, con ácidos grasos procedentes de los fosfolípidos presentes en los quilomicrones y las VLDL principalmente. Existen varias patologías por defectos en las lipopoproteínas (Recuadro_ 14-1); en aquellas patologías en las que no hay quilomicrones y VLDL (abetalipoproteinemia), la LCAT puede aprovechar los ácidos grasos de los fosfolípidos de los eritrocitos en lugar de obtenerlo de los QM, ésto produce que la membrana de los eritrocitos se vea alterada, originando lo que se conoce como acantocitos. 0 METABOLISMO DE ÁCIDOS GRASOS lipólisis r JLa lipólisis es el mecanismo de movilización de los lípidos almacenados como reservorio de energía. La lipólisis es el mecanismo de movilización de los lípidos que se encuentran almacenados como reservorio de energía. Esta movilización sucede cuando hay una deficiencia del aporte energético o cuando se ayuna. Estos lípidos acumulados en forma de triacilglicéridos se encuentran en forma anhidra, como gotitas de gr.asa, en el citoplasma de las células adiposas. El primer paso para su catabolismo es la hidrólisis, por medio de la triglicérido lipasa intracelular, que origina como productos los componentes de los triacilglicéridos: glicerol y tres ácidos grasos. La enzima triglicérido lipasa actúa bajo una estrecha regulación hormonal: el glucagón y la adrenalina potencian su actividad, favoreciendo la lipólisis al fosforilar a la triglicérido lipasa a través de la proteína quinasa A dependiente de AMPc; mientras que la insulina, al potenciar una fosfatasa que desfosforila la lipoproteína lipasa, bloquea la lipólisis. Los ácidos grasos salen del adipocito y se unen en sangre a la albúmina. Esta proteína plasmática (que también se conoce como VHDL, lipoproteínas de muy alta densidad) transporta típicamente entre dos y cuatro moléculas de ácidos grasos, si bien puede llegar a transportar hasta seis. Estos ácidos grasos movilizados llegan, transportados por la albúmina, hasta los tejidos que requieran energía; típicamente, el hígado, el músculo cardiaco y el músculo esqueléti- Tabla 14-2. Función y origen de las lipoproteínas plasmáticas QM VLDL IDL LDL HDL ORIGEN Intestino Hígado (e Intestino) Circulación (VLDL) e Hígado Circulación (VLDL) e Hígado Hígado (e Intestino) FUNCIÓN Transportan la grasa (TG exógenos) del alimento desde el intestino a los tejidos periféricos Transportan los TG sintetizados en el hígado (TG endógenos) a los tejidos periféricos Proceden de las VLDL. Tras la hidrólisis de los TG endógenos en los capilares son captados por el hígado. Precursores de las LDL Son la principal forma de transporte del colesterol a los tejidos Eliminan el exceso de colesterol de los tejidos y lo devuelven al hígado para s~. metabolismo o excreción ' CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 261 co (Fig. 14-5) . En estos tejidos, los ácidos grasos serán oxidados en una vía metabólica muy importante, denominada ~-oxidación, para producir grandes cantidades de energía. Otra fuente importante de ácidos grasos son los fosfolíRecuadro 14-1. Dislipemias Las dislipemias son enfermedades que se caracterizan por el acúmulo o la falta de alguna lipoproteína en plasma. Cuando se produce un acúmulo, hablamos de hiperlipoproteinemias. Estas patologías suelen tener un marcado carácter genético, si bien ciertos factores como el alcoholismo, el sedentarismo, la obesidad o dietas hiperi:aloricas muy ricas en grasas pueden contribuir a desencadenar o a agravar estas patologías. En la siguiente tabla se muestran las principales patologías que cursan con un acúmulo de lipoproteínas. El mayor interés en el estudio de estas patologías es conocer su riesgo aterogénico, es decir, la capacidad de que desencadenen la formación de placas de ateromas, que son depósitos de colesterol principalmente. Dicho riesgo aterogénico está relacionado con accidentes cardiovasculares graves. Normalmente el tratamiento de estas dislipemias requiere un control dietético y, en los casos con mayor riesgo aterogénico como hipercolesterolemias, un tratamiento farmacológico. Nombre Tipo lla Defecto Caracterizado por Déficit LPL familiar Hipertrigliceridemia Hiperquilomicronemia familiar Fuertemente genética Hipercolesterolemia familiar TG Quilomicrón Sin riesgo aterogénico Hipercolesterolemia LDL Colesterol Fuertemente genética Fallo de la lipólisis, fallo de la lipoproteína lipasa o de la apo C-11 Rara Fallo del Receptor LDL Común Riesgo aterogénico alto Tipo llb Hi perbetaprotei nem ia familiar LDL y VLDL Colesterol Fallo del Receptor LDL, además seincrementa la síntesis de VLDL Común B-VLDL Colesterol Fallo de la apo E Poco común VLDL TG Incremento de la síntesis de VLDL Común Hipertrigliceridemia Quilomicrón TG VLDL Menor actividad de la lipoproteína lipasa Poco común Relacionada con el alcoholismo Hipercolesterolemia Fuertemente genética Riesgo aterogénico alto Tipo 111 Disbetalipoproteinemia familiar Enfermedad de eliminación de LP residuales Hipercolesterolemia Fuertemente genética Riesgo aterogénico alto Enfermedad beta Deficiencia en apo E Tipo IV Hipertriacilglicerolemia familiar Tipo V Hipertrigliceridemia Riesgo aterogénico moderado Riesgo aterogénico Bajo Las dislipemias que cursan con descenso o desaparición de alguna lipoproteína se conocen como hipolipoproteinemias. En la siguiente tabla se muestran las principales patologías. Aumento de grasa en enterocitos:~-\Tl alabsorción (falta de vit. E, antioxidante) · Abetalipoproteinemia (acantocitosis, síndrome de Bassen-Kornzweig) Ausencia de QM, VLDL y LDL. Hipobetalipoproteinemia familiar LDL (1 0-20% del normal) Casi asintomáticos. Fallo en la síntesis de la Apo B Deficiencia de a-lipoproteína f amiliar (Analfalipoproteinemia o Enfermedad de Tangier) HDL Acumulación de ésteres de cole.s terol (CE) en tejidos. Apo A-1 Fallo en la síntesis de la Apo B Alteraciones de la membrana de eritrocitos (formas extrañas, acantocitos) y neuronas (alteraciones neurológicas). Hepatomegalia frecuente / 262 . SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR - Receptor Hígado Hormona Adenilato ciclasa Ácidos grasos Glicerol Glicerol quinasa /' ~ATP ~ADP CH 20H 1 HO-C-H 1 O 11 CH-0-P-o2 ¡ Glicerol-3-fosfato deshidrogenasa 1 o- L-Giicerol-3-fosfato ~NAO+ ~NADH +W CHpH 1 O=C O 1 11 CH 2-0- P-o- ·1 Dihidroxiacetona-fosfato Trio.sa fosfato 1somerasa o- Ji H • l Glucagón, adrenalina Lipasa . Insulina O '- e« 1 H-C-OH 1 ciclo de Krebs, cadena respiratoria O 11 CH-0-P-o2 1 D-Giiceraldehído-3-fosfato o- Transporte de ácidos grasos Figura 14-5. Lipólisis y transporte plasmático de los triglicéridos. Reutilización del glicerol a nivel hepático. c fla lipólisis está regulada a nivel hormonal, siendo favorecida por el glucagón y la adrenalina. pidos, componentes de la membrana celular. Estos lípidos estructurales están sometidos a una renovación continua y, por tanto, su degradaci<?p y síntesis son constantes. El glicerol también sale a la sangre, pues en el tejido adiposo no puede metabolizarse; de la sangre es retirado por el hígado, donde se transforma en dihidroxiacetona fosfato gracias a la actuación secuencial de la glicerol quinasa, enzima no presente en los adipocitos, y la glicerol-3-P deshidrogenasa (Fig. 14-5) . La dihidroxiacetona fosfato suele. entrar en la gluconeogénesis a nivel hepático, aunque también puede seguir la vía glucolítica, sirviendo para la producción de energía. Degradación de ácidos grasos la [3-oxidación \) Esta ruta fue postulada por Klloop en 1904 y confirmada por Leloir, Lehninger y Lynen. En la ~-oxidación se p roducen sucesivas oxidaciones en el carbono ~, que van separando fragmentos de. dos carbonos en forma de acetil CoA, que se incorporarán después al ciclo de Krebs . Al tiempo se producen, tanto en la ~-oxidación como en el ciclo de Kiebs, coenzimas reducidas que serán r~oxida­ das en la "cadena respiratoria" ril}.diendo energía en forma de ATP. La ~-oxida­ ción tiene lugar en la· matriz mitocondrial, por lo tanto es necesario que el ácido CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS graso penetre en este orgánulo. Así, se puede dividir la oxidación de los ácidos grasos en tres fases: la primera fase implica la activación del ácido graso esterificándose con el CoA y a expensas del ATP; la segunda fase supone la entrada en la mitocondria, gracias a un transporte mediado por carnitina; y la tercera fase será la ~-oxidación propiamente dicha, degradándose el ácido graso a moléculas de acetil CoA. Los ácidos grasos que entran en la célula, rápidamente van a ser transforma- : dos en su correspondiente éster tiólico con la CoA (Fig. 14-6), con la finalidad de activar el compuesto y solubilizarlo mejor en el entorno celular. Esta transformación está catalizada por la acil CoA sintetasa: en un primer paso, la enzima produce la adenilación--del icido graso formándo el acil adenilato, que permanece unido a la enzima, y el pirofosfato, que se hidroliza; posteriormente, el ácido graso se transfiere a la molécula de CoA, formando el acil CoA, con la consiguiente liberación de AMP. Como se puede apreciar, la formación de un éster tiólico necesita mucha energía; tanta, que implica la hidrólisis de ATP a AMP, además de la hidrólisis subsiguiente del pirofosfato. La acil CoA sintetasa se encuentra localizada en la membrana del RE y en la membrana externa de la mitocondria. La enzima de la membrana del RE activa los ácidos grasos que se incorporarán en la biosíntesis de lípidos, mientras que la enzima de la membrana externa de la mitocondria activa los ácidos grasos que entrarán en el interior de la mitocondria para su degradación en la ~-oxidación. La actuación de esta última enzima forma las moléculas de acil CoA en el espacio intermembrana de la mitocondria. Sin embargo, las largas moléculas de acil CoA no pueden entrar en la mitocon~ria, al no poder atravesar su membrana interna. Logran penetrar ayudadas por un sistema de lanzadera (Fig. 14-7): el resto de ácido graso se transfiere a un . transportador denominado carnitina para formar un intermediario acil-carnitina, gracias a la acción de la carnitina acil tránsferasa-1. La acil-carnitina puede atravesar las membranas mitocondriales debido a la presencia de un transportador especifico: la carnitina acil-carnitina translocasa, que se localiza en la membrana interna mitocondrial. Este transportador, a la vez que introduce la acilcarnitina en el interior mitocondrial, saca carnitina al espacio intermembrana. Ya en la matriz, el resto de ácido graso es cedido a una molécula de CoA, en una reacción catalizada por la carnitina acil transferasa-11, quedando la carnitina disponible nuevamente para salir al espacio intermembrana e introducir nuevos ácidos grasos al interior de la mitocondria. Este mecanismo de transpor- o o 11 O la oxidación de los ácidos grasos implica: la activación del ácido graso, el transporte a la mitocondria mediado por carnitina y su degradación mediante la ~-oxidación. c fla activación de los ácidos grasos la realiza la acil CoA sintetasa en la membrana externa de la mitocondria. -¡._ • • O Para entrar en el interior de la mitocondria el resto de ácido graso debe ser transferido a la carnitina. o 11 f\ 11 ·o- P-O- P-0- P-0- 1 Adenoslna 1 1 1':1 o· o· o· ATP 263 1 o·1 - / R-C~ Ácido graso o 11 o ~ o 11 1 1 o· o· + / R-C ( Plrofosfato ! 11 \ .o - P-O- 11 ·o-P-O-P-0" CoA-SH .:\G'0 = -19 kj/mol o· 1 Adenoslna 1 1 ~o Acil-adenilado (unido a la enzima) 1~Ac il CoA sintetasa Pirofosfatasa 2P1 : d i CoA •loteto,; AMP ~o R-C Acii-CoA ' S-CoA ~G' 0 = -15 kj/mol Figura 14-6. Activación de los ácidos grasos. 264 SECCIÓN 111. EL' METABOLISMO CELULAR Carnitina aciltransferasa-11 0 R-C1' " S-CoA Carni o R-C, CoA-SH 1 Carnitina 1 Figura 14-7. Transporte de ácidos grasos a la matriz mitocondrial mediado por L-carnitina. Carnitina aclltransferasa-1 Matrii te al in terior mitocondrial tiene como finalidad mantener aisladas las ffioleculas de CoA de la mitocondria de las del resto de la célula, de tal manera que la relación existente entre CoA libre y la acil CoA o acetil CoA sirve como indicador del nivel energético de la mitocondria y permiten un mejor control del gasto metabólico. Una vez dentro de la matriz mitocondrial, las molé.culas de acil CoA comienzan propiamente el proceso degradativo de la ~-oxidación. Este proceso se basa en cuatro pasos que se repiten consecutivamente hasta que toda la molécula de acil CoA ha sido degradada en moléculas de acetil CoA, que, finalmente, entrarán en el ciclo de Krebs produciendo más energía. Los cuatro pasos que se r~piten en el ciclo son (Fig. 14-8) : l. Deshidrogenación: gracias a la actuación de la enzima acil CoA deshidrogenasa se introduce un doble enlace trans (entre los carbonos a y ~ del . •.. .,. ,, ¡, ,_ ( 11 1· ácido graso) obteniéndose una molécula con poder reductor FADH 2 , y originando una molé_c ula de enoíl CoA. 2. Hidratación: la molécula de enoíl CoA se transforma en un hidroxiacil CoA, mediante la incorporación de una molécula de agua por acción de la 1enoíl CoA hidratasa: el OH del agua en la posición~' y el H en laposición a. Acil CoA (ácido graso activado) '" H H 1 1 0 11 R- CH - CH- C- C- C- SCoA 2 1~ 1" 2 ~ IAceti!CoA I H H 0 CH 3-C-SCoA 11 ct ~ r R- CH2CH 2-C - SCoA ~ \ Tiolasa Acil CoA CoASH (acortado en 2C) ~ FAD . Ac1lCoA deshidrogenasa • 0 O~H O H O 11 11 1 11 1 R-CH '-- CH':..... c ...:. c .:... C-SCoA 2 2 FADH2 1:! 1" ,H 1 R- CH - CH -C = C-C-SCoA ~-cetoacil CoA 2 e NADH + W OH H O 1 1 t 1 ~ 1 "1 H ~ 1 , ""------:-- ---., 1 trans-~ 2 -enofl CoA 1 H20 Enoíl-CoA hidratasa 11 R-CH-CH-CC-C - SCoA 2 2 NAO+ 2 ~H 1 H L-~-hidroxiacil CoA 1 \ CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 3. Deshidrogenación: gracias a la hidroxiacil CoA deshidrogenasa se oxida la molécula hasta una molécula de cetoacil CoA, oxidando el grupo hidroxilo a un grupo cero. Esta oxidación sirve para reducir una molécula de NAD+ a NADH + H+. 4. Ruptura tiólica: catalizada por una tiolasa y con la intervención de una molécula de CoA libre. Se genera una molécula de acetil CoA y un acil CoA que tiene dos carbonos menos en su cadena que el original. El acetil CoA se incorporará al ciclo de Krebs, mientras que el acil CoA acortado en dos carbonos, inicia una nueva "vuelta" en la ~-oxidación. El ciclo .se repite tantas veces como sea necesario hasta "cortar" totalmente la cadena de ácido graso en fragmentos de acetil CoA de dos carbonos. Al final, todos los productos originados en la ~-oxidación se aprovechan en la mitocondria para rendir más energía. Por cada vuelta en la ~-oxidación, un ácido graso rinde una molécula de NADH + H+, una molécula de FADH 2 y una molécula de acetil CoA. Además, en la última vuelta se genera no una, sino dos moléculas de acetil CoA. Las moléculas de NADH + H+ y FADH 2 entrarán en la cadena transportadora de electrones donde se oxidarán para producir energía en forma de ATP; mientras que las moléculas de acetil CoA se degradarán en el ciclo de Krebs, originando GTP y más moléculas de poder reductor (NADH + H+ y FADH 2) que también se utilizarán para la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa. Para tener más información sobre la degradación de los ácidos grasos de cadena impar y los ácidos grasos insaturado consúltese el recuadro 14-2. ;. ' 265 ~-oxidación c:Jla se basa en cuatro pasos cíclicos: una primera deshidrogenación (FADH 2), una hidratación, una segunda deshidrogenación (NADH + W) y una ruptura tiólica (acil CoA y acetil CoA). J Recuadro 14-2. Degradación de ácidos grasos insaturados o de cadena impar Durante la oxidación de los ácidos grasos insaturados, se plantea un problema derivado de la presencia de dobles enlaces. Las insaturaciones no se suelen encontrar entre los carbonos a. y ~. sino entre el carbono ~y y; además, suele tener configuración cis en vez de la configuración trans que es la que se genera y procesa en la ~-oxidación. Estos ácidos grados insaturados se oxidan por la vía general pero. al encontrarse con el doble enlace lo primero que sucede es que no se origina la primera deshidrogenación de la ~-qxidación . Si el o los dobles enlaces están en una posición o configuración inconveniente, deben intervenir otras dos enzimas para que estos ácidos grasos se oxiden: la enoíl CoA isomerasa y la 2,4-dienoíl CoA reductasa, enzimas que se encargan de colocar el doble enlace en la posición apropiada para que actúe la enoíl CoA hidratasa y pueda continuar la ~-oxidación. La oxidación de los ácidos grasos de número impar de átomos de carbono, que raramente se encuentran en la naturaleza, se realiza de forma natural por la ~-o xidación hasta llegar a la última vuelta, donde, además de formarse una molécula de acetil CoA, se origina un resto terminal de tres átomos de carbono: el propionil CoA. Éste sufre una carboxilación enzimática gracias a la propionil CoA carboxilasa para convertirse en o-metilmalonil CoA, proceso que requiere el gasto de una molécula de ATP y el aporte de una molécula de C0 2• Dicho compuesto, por acción de la metilmalonil CoA epimerasa se convierte en L-metilmalonil CoA, que, en presencia de la succinil CoA mutasa, se transforma en succinil CoA. El succinil CoA, de cuatro átomos de carbono, es un intermediarjo del ciclo de Krebs y puede incorporarse directamente al ciclo. La enzima metilmalonil CoA mutasa requiere como cofactor la adenosilcobalamina, derivado de la vitamina B12• Oxidaciones secundarias de los ácidos grasos - Existen diversas variantes de la ~-oxidación, con la finalidad de cubrir diferentes necesidades celulares. Por ejemplo, en los peroxisomas se origina una variante en la que la acil CoA deshidrogenasa transfiere los electrones al oxígeno formando peróxido de hidrógeno, empleado en estos orgánulos como agente oxidante y para facilitar su actividad degradativa. Esta ~-oxidación presenta especificidad por ácidos grasos de cadena larga. Existen otras rutas para degradar ácidos grasos como puede ser la a-oxidación y la m-oxidación. En estas rutas la oxidación va precedida de la hidroxilación de un carbono mediante una oxidasa de función mixta (retículo endoplásmico liso, mitocondria o peroxisomas). Cuando se produce la higroxilación del carbono a. seguida de oxidación a carbonilo y de la descarboxilación del C-1 en / forma de C0 2 , se habla de la a-oxidación. Dicha ruta es importante en la oxidación de ácidos grasos metilados, como el ácido fitánico. El déficit de esta vía produce la enfermedad de Refsum, trastorno neurológico congénito muy grave, que origina, entre otras complicaciones, retinitis pigmentosa, sordera, ataxia cerebelosa y neuropatía periférica. Cuando se produce la hidroxilación del último carbono, seguida de la oxidación secuencial a aldehído y a carboxilo, se habla de m-oxidación. Por esta ruta se forman ácidos dicarboxílicos que pueden entrar en la ~-oxidación por ambos lados, degradándose más rápidamente. ~xisten otras rutas para degradar ácid os grasos como puede ser la a-oxidación y la m-oxidación. ca~~~~~~ llblQTiQA ~UN(:IA~~A~~ 266 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR La biosíntesis de ácid9s grasos c fla glucosa ingerida en exceso se convierte en ácidos grasos y éstos en triacilglicéridos. c fPara proceder a la síntesis de ácidos grasos se requiere poder reductor (NADPH + H+) y moléculas de malonil CoA. Puesto que la capacidad de los animales para almacenar glucosa es bastante limitada, la ru~a biosintética que conduce desde la glucosa a los ácidos grasos es una vía muy importánte ~ La glucosa ingerida en exceso se convierte en ácidos grasos y éstos, a su vez,._en triacilglicéridos que pueden almacenarse en grandes cantidades en el tejido adiposo. Después d el descubrimiento, de la ~-oxidacióp en las mitocondrias y el papel que desempeña el acetil CoA, se supuso que la biosíntesis de ácidos grasos consistiría en una simple inversión de las mismas etapas enzimáticas. Sin embargo, se hicieron algunas observaciones que no estaban de acuerdo con este punto de vista: un hecho importante es que un citoplasma sin mitocondrias es capaz de sintetizar ácidos grasos, incluso aumenta su capacidad si las mitocondrias no es, tán presentes. Aderriás, se precisa C0 2 que se incorpora al ffiálonil CoA, pero no se incorpora al ácido graso.· Este' último hallazgo condujo a1 descubrimiento de que el precursor inmediato de las unidades de dos carbonos que entran en la síntesis de ácidos grasos es ~1 malonil CoA. Para proceder a la síntesis de ácidos grasos se requiere disponibilidad de poder reductor, NADPH + H+, que se obtiene de la ruta de las pentosas fosfato (véase capítulo 12) y de la actuación de la enzima málica (véase capítulo 13). Además se necesitan s~ficientes moléculas de acetil CoA citoplásmicas, -p ues la síntesis de los ácidos grasos tiene lugar en el citoplasma, para lo cual las moléculas de acetil CoA tienen que salir de la mitocondria, donde se generan a partir del piruvato. Co¡:no las moléculas de acetil CoA no pueden atravesar las membranas de la mitocondria, ·recurren a un transporte con citrato y piruvato como vía de salida, transporte conocido como ciclo del piruvato-citrato (Fig. 14-9) . Las moléculas de acetil CoA se utilizan para sintetizar malonil CoA a través de la enzima acetil CoA carboxilasa, que emplea como cofactor biotina en un proceso que requiere energía proceden.te de una molécula de ATP para poder fijar el átomo de carbono procedente del C0 2 . La formaCión de malonil CoA es el paso clave de regulación, regulación que principalmente tiene lugar a nivel hormonal. En la formación de los nuevos ácidos grasos interviene la ácido graso sintasa, complejo multienzimático (Fig. 14-10) que desempeña todas las funcio- ------1 Glucosa ·1 '' •··.... . ' 1 Piruvato Piruvato ! carboxilasa 1 OxalacetatQ 1 Citrato sintasa 1 AcetilCoA , +carboxilasa : 1 Citrato Malonll CoAI '- .. _.- 1~cid o graso +s1ntasa Figura 14-9. Ciclo del citrato-pi'J"~· Origen del citrato y actuación e- la acetil CoA carboxilasa. 1 Ácido graso 1 ~o..\M :r ~ eo (::.J-O ~ fl\ d( o\ ,q;,o. o-';) 1, 1 CAPÍTULO 14. METABOI:ISMO DE LOS LÍPIDOS Q Acetil CoA-ACP Transacilasa CoA-S SH E<scH SH E...-- e .___SPH + t~ -CO-SCoA } ~ Ac;et1l CoA i,- .___ S H Reductasa J NADP+ 1a Reducción 1 . Tioesterasa CH 3-CH 2-(CH 2-CH 2) 6-CH 2-COOH /') E.___ P H~~;~~~~;o-scoA ~H ~ , Transferencia de malonilo ~-cetoacil-ACP . ...--sc-CO-CH 2-(CH 2-CH 2k CH 2-CH 3 E...--sc-CO-CH3 Malonil CoA-ACP _ Transacilasa CoA-SH +l HO ' Hidrólisis 1 267 NADPH + H+ 1 • NADPH + H+ Enoíl-ACP Reductasª 2• Reducción J ~-hidroxiacil-ACP Deshidratasa Figura 14-10. Actuación del complejo multienzimático de la ácido graso sintasa. nes necesarias para formar un nuevo ácido graso a partir de moléculas de malonil CoA, NADPH + H+ y una molécula de acetil CoA. La ácido graso sintasa habitualmente va a sintetizar siempre el mismo ácido graso, el ácido palmítico, que, posteriormente, se transformará .en los demás ácidos grasos que necesite la célula, mediante enzimas de tipo elongasas y desaturasas. El ciclo de la ácido graso sintasa es muy similar a la 13~oxidación, si bien se realiza en sentido contrario y, en vez de usar la CoA como transportador de ácidos grasos, usa una proteína, la denominada proteína portadora de grupos acilo (ACP). · El proceso se inicia con la transferencia del grupo acetilo desde la acetil CoA al brazo de oscilación de fos,fopanteteína de la ACP (ScH: SH central). El grupo acetilo se transfiere luego a la fosfopanteteína de la ACP (SpH: SH periférico). Posteriorment_e, al grupo acetilo se une un nuevo resto acetil~, procedente de una molécula de malonil CoA que se había dispuesto en el SH central. La- unipn ocurre mediante una condensación en la cual se produce la descarboxilación del malonil CoA y deja el residuo de acetil CoA, que se unirá al primer fragmento de acetil CoA, de modo que se forma un ácido graso de dos átomos de carb0no más, oxidado en el carbono 13 (forma cero). A continuación, y de forma inversa a la 13-oxidación, el grupo cero se ·Teduce a un alcoho1, se eli~ina una molécula de agua formando un doble enlace entre los carbono a y 13, y se sa;gra el doble enlace mediante otra reducción. Tanto en la primera reducción, como en esta segunda, el poder reductor que se utiliza lo aporta el·NADPH + H +. Al final del primer ciclo, se obtiene un ácido graso saturado de cuatro átomos de carbono,. Este grupo butirilo se transfiere al mismo grupo tiol periférico (SpH) ; es entonces cuando puede iniciarse otro ciclo mediante la transferencia de un nuevo grupo malonil al brazo de fosfopanteteína (ScH). Tras siete ciclos consecutivos, se completa la formación del ácido graso palmítico, ·que se libera por acción de una tioesterasa.' El balance de la biosíntesis del ácido palmítico, precursor de todos los démás ácidos grasos, sería el siguiente: O la ácido graso sintasa es un complejo multienzimático encargado de la síntesis de ácidos grasos. 268 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR • Síntesis del malonil CoA: 7 Acetil CoA+ 7 C0 2 + 7 ATP ~ 7 malonil CoA+ 7 ADP + 7 P; + 7 H+ • Actuación de la ácido graso sintasa (siete ciclos): ~ Acetil CoA+ 7 malonil CoA+ 14 NADPH + 14 H+ Palmitato + 7 C0 2 + 8 CoA+ 14 NADP+ + 6 H 2 0 • Balance global: ~ 8 Acetil CoA+ 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ A partir del ácido palmítico, y empleando diversas desaturasas y elongasas, se obtienen los distintos ácidos grasos. ----------~------~ biosíntesis de ácidos grasos está regulada principalmente a nivel hormonal, siendo favorecida por la insulina e inhibida por el glucagón. Una vez formado el ácido palmítico, distintas desatura:sas del retículo endoplásmico ·liso -enzimas que introducen dobles enlaces de forma específica en un determinado carbono- y distintas elongasas -enzimas que introducen dos átomos de carbono en un ácido grafo a partir de acetil CoA, en la mitocondria, o malonil CoA, en el retículo endoplásmico liso- comienzan la transformación del ácido palmítico en los demás ácidos grasos que se necesitan tal y como se muestra en' la figura 14-11. Hay que resaltar el hecho de que las células de mamífero no tienen desaturasas que introduzcan dobles enlaces por encima de la , , , nueve, es d eClr, · d esaturasas '-'A 12 y '-'A 15 : esas d esaturasas son t1p1cas ' • de pos1c10n plantas. Este es el motivo por el que los ácidos grasos poliinsaturados se consideren como ácidos grasos esenciales, pues no se pueden introducir dichos dobles enlaces, tan sólo transformar algunos de esos ácidos grasos poliinsaturados mediante elongasas o introducción de dobles enlaces por debajo del C-9. También hay que destacar que las elongasas mitocondriales realizan la ruta inversa de la [3-oxidación consumiendo como poder reductor NADPH + H+, y que las dongasas del retículo endoplásmico liso realizan el mismo mecanismo que la ácido graso sintasa utilizando la CoA como transportador de acilos en vez de la .ACP. La biosíntesis de ácidos grasos esta regulada, principalmente, a nivel hormonal mediante fosforilación-desfosforilación. La insulina potencia la actuación de la acetil CoA carboxilasa favoreciendo una forma desfosforilada que es la forma activa; mientras que el glucagón provoca la inhibición de la acetil CoA carboxi- palmltolelco ] 16:1 !J..9 desaturasa palmitlco est eá r1co t:,9 t 16:0 elongasa [ Palmitato + 8 CoA+ 7 ADP + 7 P; + 14 NADP+ + 6 H 2 0 l ~l t 1 22:1 01::' 18:O 2/ ~ tJ.IS 1 !J. 13 ¡1 ~-------.,¡ l:,t 1 / i_ r-------;:::==::::-------"( l:,t 11 20:1 t1 11 A'desaturasa \ (Estearoil CoA desaturasa) 20:2 22:3 t:,7.10,13 Á 4 desaturasa 22:4 /1'-----~--- 20:3 5 ~( ll 1 olelco] 9 18:1 t:. u·•desaturasa t:, 18:2 6·9 desaturasa (plantas) co-6 r--- ( llnolelco J 18:1 t:. .ó. 15 desaturasa 1 / 11 ; 9 y-llnolelco l 18:3 t:,6.9,l2 ' 1, 1 1 r - -(p-la_n_ta-s)- -r- -;::==2= 0:=2=t:.="=·"::-----¡ 1 ~ ( a-llnolelco J c:o-3 t:,S.8.11 _ _ _ _ ___:.___,. ------1-----------.,¡· / Figura 14-11. Formación de diversos ácidos grasos a partir de palmitato. Actuación de las desaturasas (flechas en azul) y las elongasas (flechas en rojo). desaturasa Á 1 9 c:o12 t:,8,11 18:3 t:,9.12.1 >-· --~ 18:4 t:,6.9.12.15 V 7 10 13 16 Y~~~~~~~~0 ( araquld6nlco J ¡ 20:3 - t:,8,11,14 20:4 t:,S,8,11 ,14 ,_t:._._ _. _. _ _ _ _ _ _11J 1 ... ¡---~------- [ elcosanoldes J o / 22:4 - - - - - 22:5 22:5 - - - - - 22:6 ' !~:~. 14~ !~.;,,,14, 17 t:,7.10,13,16,19 / 1 1 ,.__ _ _ _ _ _ __ 1 \ 1 1 '- · .., CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS 269 lasa favoreciendo una forma fosforilada que es inactiva. Esta enzima también se inhibe mediante una regulación alostérica mediada por malonil CoA y palmitoil CoA, dos factores alostéricos, mientras que la actuación del citrato potencia a la enzima a través de una regulación alostérica. 0 CUERPOS CETÓNICOS Los cuerpos cetónicos, acetoacetato, hidroxibutirato y acetona, son sustancias que se producen a partir de acetil CoA en las mitocondrias del tejido hepático, cuando la velocidad de la ~-oxidación supera a la velocidad de oxidación del acetil CoA en el ciclo de Krebs, por ejemplo, en situaciones de ayuno. Estos compuestos, que se pueden distribuir a través del sistema circulatorio por todos los tejidos, sirven como fuente de energía para el corazón, el músculo y otros tejidos. Así, favorecen un ahorro de glucosa, glucosa que es fundamental para otra serie de tejidos que dependen más estrechamente de este hidrato de carbono para obtener energía como, por ejemplo, el cerebro y los glóbulos rojos. Incluso si se produce un ayuno muy prolongado pueden ser utilizados por el cerebro como fuente de energía alternativa a la glucosa. Estos compuestos se utilizan ya que los animales no pueden transformar de forma neta los ácidos grasos en hidratos de carbono, al carecer del denominado ciclo del glioxilato (Recuadro 14-3). 1· 1 -- Recuadro 14-3. Ciclo del glioxilato El ciclo del glioxilato es una ruta cíclica que se da en plantas y microorganismos. Esta ruta se localiza en unos orgánulos subcelulares, conocidos como glioxisomas. Es una vía alternativa del metabolismo de la acetil CoA, que sirve para convertir dos unidades de acetilo (en forma de acetil CoA), en una molécula de succinato. El succinato es un intermediario del ciclo de Krebs que puede originar fácilmente oxalacetato, molécula que, por gluconeogénesis, permite formar glucosa. Esta ruta permite fijar de forma neta los átomos de carbono de los ácidos grasos en azúcares. Los animales, al carecer de este ciclo, no pueden realizar dicha conversión. Esta vía emplea enzimas del ciclo de Krebs, la citrato sintasa y la aconitasa, además de dos enzimas exclusivas de este ciclo del glioxilato: la isocitrato liasa y la malato sintasa (véase figura). En el ciclo del glioxilato, el oxalacetato se condensa con el acetil CoA originando citrato. El citrato se transformará en isocitrato, que se escinde en dos moléculas originando succinato y glioxilato, mediando la isocitrato liasa. El glioxilato se condensará con otro acetil CoA formando el malato, por acción de la malato sintasa y, finalmente, el malato regenerá el oxalacetato. El suEcinato formado por la actuación de la isocitrato liasa va a salir del glioxisoma, originando oxalacetato, que puede transformarse en glucosa por la vía de la gluconeogénesis. El ciclo de glioxilato permite la conversión de acetil CoA en glucosa, por lo tanto, permite la conversión de forma neta de los ácidos grasos en glucosa. Acetil CoA sintasa Oxalacetato E: NADH alato deshidrogenasa NAD+ coo1 CICLO DEL GLIOXILATO HO-CH 1 CH 2 1 cooMalato ~~~:~~ Acetil CoA f' Glioxilato Succinato Cetogénesis El proceso de la creación de los cuerpos cetónicos se conoce como cetogénesis (Fig. 14-12). Básicamente consiste en la condensación de dos moléculas de acetil CoA por acción de una tiolasa, formando el acetoacetil CoA. Posteriormente se fusiona una nueva molécula de acetil CoA, gracias a la acción de la enzima hidroximetilglutaril CoA sintasa, originando el hidroximetilglutaril CoA. Este O la cetogénesis es el proceso de formación de los cuerpos cetónicos. 270 SECCIÓN 111. -El METABOLISMO CELULAR 2 Acetil CoA Acetoacetil CoA . FAcetiiCoA + H2O HMG CoA s1ntasa CoA-SH OH o~ ~o 1 C-CH -C-CH-C / -o 2 2 tH " S-CoA 3 J'}-Hidroxi-J'}-metilglutaril CoA (HMG CoA) compuesto sirve para la síntesis de los cuerpos cetónicos y también se utiliza para la biosíntesis de colesterol (véase más adelante). El hidroximetilglutaril CoA se escinde en acetil CoA y en acetoacetato, el primer cuerpo cetónico, por acción de la hidroximetilglutaril CoA liasa. El acetoacetato es el precursor de los demás cuerpos cetónicos que existen en el organismo. Así, por reducción, se origina el hidroxibutirato, en una reacción catalizada por la hidroxibutirato deshidrogenasa. Por descarboxilación del acetoacetato se forma la acetona; si bien este paso puede ser realizado enzimáticamente, suele ocurrir de forma cinéticamente espontánea y de cierta forma no deseada. La descarboxilación implica la pérdida de un átomo de carbono, de tal manera que la acetona pierde capacidad energética y va a rendir menos ATP que el hidroxibutirato y el acetoacetato. Posteriormente estos compuestos salen de la 'mitocondria y atraviesan la célula hepática hasta llegar a la sangre, que se encarga de distribuirlaos por todo el organismo. Utilización de los cuerpos cetónicos Los cuerpos cetónicos que son asimilados por los tejidos extrahepáticos se utilizan para producir moléculas de acetil CoA que serán degradadas ·e n el ciclo de Krebs. El hidroxibutirato se oxida a acetoacetato, originando NADH + H+ que será utilizado para proHMG CoA liasa f. Acetil CoA ducir ATP mediante la fosforilación oxidativa en la cadena transportadora de electrones. El acetoacetato se unirá a CoA formando, o o~ 11 gracias a la enzima cetoacil CoA transferasa, una molécula de aceC-CH 2- C- CH 3 / toacetil CoA. La escisión del acetoacetil CoA por una tiolasa ren-o dirá dos moléculas de acetil CoA que se degradarán posteriormenReducción te en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, generando gran cantidad de energía (Fig. 14.13a). La acetona, debido a que ha perdido un Acetoacetato/ c átomo de carbono, se suele aprovechar transformándose en láctico descarboxilasa vía formación de propanodiol (Fig. 14.13b), aunque también se puede romper originando ácido fórmico y ácido acético (Fig. co2 14.13c). Cualquiera de estas dos posibilidades aporta menos enerO OH ~ 1 gía que la que aporta la degradación del hidroxibutirato y el aceC-CH 2- CH - CH 3 / toacetato. -o El uso de los cuerpos cetónicos depende de las fluctuaciones de los niveles de glucosa en sangre. Así, después de las comidas, D-fl-Hidroxibutirato Acetona cuando la cantidad de glucosa es elevada, todos los tejidos, incluidos el músculo liso, usan la glucosa como principal fuente de Figura 14-12. Formación de cuerpos cetónicos. energía. En ese momento el hígado aprovecha para almacenar glucosa en forma de glucógeno. Cuando los niveles empiezan a descender; el hígado intenta mantener los niveles de glucosa liberando las reservas que había almacenado en forma de glucógeno, así como generando nuevas moléculas de glucosa a través de la gluconeogénesis. A su vez, ciertos tejidos como el músculo O los cuerpos cetónicos son utilicardiaco y esquelético, comienza a usar como principal fuente de energía los zados por diversos tejidos para pro_, ácidos grasos procedentes de la lipólisis del tejido adiposo, favoreciendo un meducir energía. nor consumo de glucosa. Estos ácidos grasos también los emplea el hígado para realizar la ~-oxidación , obtener gran cantidad de moléculas de acetil CoA y con ellas generar los cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos son enviados a la sangre para que también sirvan de fuente de energía a diversos tejidos, principalmente al tejido muscular. Cuando el proceso de inanición o ayuno es muy prolongado y se agotan las reservas de glucógeno decayendo los niveles de glucosa en sangre de forma importante, la gran mayoría de los tejidos pasa a alimentarse de ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Incluso el cerebro puede adaptarse y utilizar los cuerpos cetónicos como fuente de energía, en parte debido a que no puede aprovechar los ácidos grasos. Esta situación de ayuno lleva a un descenso importante del consumo de glucosa, que queda reservada casi exclusivamente c:fla utilización de los cuerpos cepara los glóbulos rojos, los cuales, al carecer de núcleo, sólo pueden realitar la tónicos como sustituto de la glucosa glucólisis para obtener energía. Además, el hígado sigue generando pequeñas favorece un ahorro de glucosa. cantidades de glucosa a través de la gluconeogénesis; principalmente a partir del __________________ CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS lÍPIDOS (a) D-13-Hidroxibutirato OH -7 1 ' o- D-j3-Hidroxibutirato deshidrogenasa 1 O 1 CH 3-C-CH 2-C H3 271 fk NAD+ t "'N ""A ~D ,...,.., H...,+..,... H ..... - o Fosforilación oxidativa -70 11 CH 3-C-CH¡-C, r----_,oIAcetoac=cetatol lsouccinil CoAI P-Cetoacil CoA transferasa ooo . :' 1' ~ -vo CH -C-CH-C 2 3 lsuccinatol Ciclo de Krebs \ ' r:-------::--::-----, S-CoA 1 Acetoacetil CoA 1 ,-----::----, 1 Tiolasa Oxalacetato 1 t ~ ·1. Citrato _'-.......__/'_ l--CoA-SH -- -~ 2 Acetil CoA 1 (b) F.osforilación oxidativa CH,- g - CH, 1 Acetona ~ CH,- CHOH-CH,OH ~ CH,~CHOH-:- COOH 1 H20 IPropanodiotl 1 1 Láctico 1 r·~NAo• ~NADH+W 1 Acetil CoA CH,- CO - COOH 1 - 1 Piruvato 1 NADH/ FADH 2 Fosforilación oxidativa (e) o 11 [OH] CH,- C-CH, 1 Acetona 1 o 11 HO- C- CH, + H- CHOH 1 Acético 1 1 Fórmico 1 Figura 14-13. Utilización de cuerpos cetónicos. (a) Utilización del hidroxibutirato y del acetoacetato. (b) Utilización de la acetona vía ácido láctico. (e) Utilización de la acetona vía ácido fórmico. ~- glicerol procedente de la lipólisis, pero también a partir de la degradación de aminoácidos o el aprovechamiento del ácido láctico. Así seguirá abasteciendo a los eritrocitos de la glucosa que necesitan para seguir realizando sus funciones. Un incremento importante de los niveles de los cuerpos cetónicos en sangre puede originar lo que se conoce como cetoacidosis, que es un trastorno grave que puede poner en riesgo la vida y que exige tratamiento inmediato. Algunos síntomas de este trastorno son náuseas, vómitos, dolor abdominal, respiración rápida y, en casos, graves, pérdida de conciencia. La. cetoacidosis más conocida es la cetoacidosis diabética, que es una forma severa y específica de acidosis metabólica. Los trastornos metabólicos que se producen en la cetoacidosis diabética -272 SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR- son generados por una deficiencia absoluta o relativa de insulina, amplificados por un incremento en los niveles de las hormonas antiinsulina, principalmente glucagón y cortisol. 0 BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS Debido a la gran heterogeneidad estructural que presentan, la biosíntesis de lípidos abarca gran cantidad de rutas y procesos metabólicos. Este apartado se centrará en la síntesis de dos compuestos sumamente importantes: los triacilglicéridos, que son la forma de almacenamiento a largo plazo preferida por los organismos superiores (principalmente mamíferos, entre los que se encuentra el hombre) y el colesterol, compuesto de gran importancia para las membranas celulares animales y por su papel como precursor de hormonas esteroideas, ácidos biliares y vitamina D (véase capítulo 3). La biosíntesis de los acilglicéridos La síntesis de los triacilglicéridos, que tiene lugar en el retículo endoplásmico liso (REL) de células adiposas y hepáticas, se origina mediante la esterificación secuencial de una molécula de glicerol-3-fosfato con tres moléculas de acil CoA (ácidos grasos activados). Requiere la formación previa de un fosfolípido intermediario, el ácido fosfatídico, compuesto por dos ácidos grasos, glicerol y un grupo fosfato (véase capítulo 3). El proceso de síntesis del ácido fosfatídico se · puede dividir en diversas etapas (Fig. 14-14): c:Jl a síntesis de los triacilglicéridos se origina en el retículo endoplásmico. c JEl ácido fosfatídi co sirve para la síntesis de triaci lglicéridos y para la síntesis de fosfog licéridos. • Síntesis de glicerol-3-fosfato, a partir de glicerol por la acción de la glicerol quinasa (principalmente en hígado y riñón) o mediante la reducción de la dihidroxiacetona fosfato a glicerol-3-fosfato por catálisis de la glicerol3-P deshidrogenasa, reacción típica de los adipocitos. • Activación de los ácidos grasos, por efecto de la acil CoA sintetasa, tal y como se describió en la activación de los ácidos grasos durante la ~-oxida­ ción (véase Fig. 14-6). • Transferencia de los ácidos grasos activados para originar el ácido fosfatídico, gracias a la actuación de acil transferasas que transfieren los ácidos grasos de la moléculas de acil CoA a la posic.i ones 1 y 2 del glicerol-3-P. El ácido fosfatídico originado no sólo sirve para la síntesis de triacilglicéridos, sino también para la síntesis de fosfoglicéridos (Recuadro 14-4). En la formación de un triacilglicérido, el ácido fosfatídico debe desprenderse del grupo fosfato presente en la posición 3, proceso que ocurre gracias a la acción de una fosfatasa. La ácido fosfatídico fosfatasa (Fig. 14-15) deja, tras su acción, un diacilglicerol. El diacilglicerol se transformará en triacilglicerol mediante la acil transferasa que transferirá un ácido graso procedente de una molécula de acil CoA a la posición 3. Finalmente, los triacilgliceroles pueden almacenarse en el citoplasma en grandes gotas, como ocurre en los adipocitos, o incorporarse en vesículas de secreción: en lipoproteínas, en intestino e hígado, o leche en la glándula mamaria. La biosíntesis del colesterol La síntesis de colesterol tiene lugar en el citoplasma a partir de moléculas de acetil CoA, y se puede dividir en tres fases (Fig. 14-16): • Primera etapa: síntesis de los isoprenos activados a partir de acetil CoA. Esta fase comienza con un mecanismo análogo a la síntesis de cuerpos cetónicos, por la que a partir de tres moléculas de acetil CoA se obtiene·una molécula de hidroximetilgluraril CoA (HMG CoA, véase Fig. 14-11). Posteriormente el grupo carboxilo del HMG, que está formando un tioéster con la coenzima A, se reduce a aldehído y después a un alcohol. El NADPH + H+ es el agente reductor en la dos etapas de la reacción~ originando el mevalonato. La reacción de reducción está . catalizada por la HMG CoA reductasa y es la etapa limitante de la síntesis del colesterol. La CAPÍTUlO 14. METABOliSMO DE lOS lÍPIDOS 273 i Glucosa l 1, 1 Glucólisis Glicerol CH 2 0H Dihidroxiacetona-3-P 1 C=O O 1 11 CH 2 0H 1 CHOH CH 2-0- P-o- ¿;:¿·+H+ 1 CH 2 0H NAO+ Adipootos Glicerol3-fosfato deshidrogenasa CH 20H ADP _ , ./ 1 HO-C-H Hígado O e!ol Riñón qu1nasa Intestino X 11 1 CH-O-P-o2 1 Glándula mamaria ol-Giicerol-3-fosfato 1'0 R'-c " Acil transferasa + PP¡ ' AMP CoA-SH • \ S-CoA ) R'-coo- Acil CoA sintetasa CoA-SH + PP¡ ' AMP CoA-SH • \ ) R2 -coo- Acil CoA sintetasa Acil transferasa CoA-SH o . O R2 Triacilglicéridos - - - - 11 11 CH 2-O-C- R1 1 e- o- e- H o 11 1 Fosfoglicéridos CH-O-P-o' 1 o- Ácido fosfatídico enzima está muy regulada y es una diana farmacológicamente importante. El mevalonato es activado hasta dar los isoprenos activados, isopentil-pirofosfato y dimetilalil-pirofosfato, paso que implica la descarboxilación del grupo ácido del mevalonato y el gasto de tres moléculas de ATP, dos para la formación del pirofosfato y una tercera para favorecer la descarboxilación del ácido. Estas unidades de isopreno activadas son la moléculas claves en la biosíntesis de gran número de moléculas, entre ellas el colesterol y los terpenos. • Segunda etapa: condensación de seis moléculas de isoprenos activados para formar escualeno (C 30). A partir de la condensación de una molécula de isopentil-pirofosfato y otra dimetilalil-pirofosfato se origina el geranilpirofosfato; el cual se condensa, a su vez, con otra molécula de isopentilpirofosfato dando lugar al farnesil-pirofosfato La condensación posterior de dos moléculas de farnesil-pirofosfato, de tres isoprenos cada una, genera el escualeno. • Tercera etapa: ciclación del escualeno a lanosterol (C 30) y conversión final a colesterol (Cd. La formación del núcleo esteroideo a partir del escualeno comienza con la formación del epóxido de escualeno. Este inter- Figura 14--1 4. Obtención del acido fosfatídico necesario para la síntesis de triacilglicéridos y fosfoglicéridos. r c:fla síntesis de colesterol se divide en tres fases: síntesis de los isoprenos activados, condensación de l·os isoprenos para formar escualeno y conversión del escualeno en colesterol. 274 SECCIÓN IIL EL METABOJ,ISMO CELULAR · Recuadro 14-4. Síntesis y degradación de fosfoglicéridos y esfingolipidos Ácido fosfatídico SÍNTESIS La síntesis de estos lípidos tiene lugar en el retículo endoplásmico liso. El ácido fosfatídico es la base para la síntesis de fosfoglicéridos. Como se estudió en el capítulo 3 dedicado a los lípidos, la diferencia fundamental entre los distintos fosfoglicéridos es la estructura química de su cabeza polar, por lo que la clave del proceso es la adición de las distintas cabezas polares. Esta adición se puede realizar sobre el ácido fosfatídico mediante dos mecanismos distintos. El primer mecanismo consiste en la activación del ácido fosfatídico mediante la creación del diacilglicerol activado mediante el nucleótido difosfato CDP (CDP-diacilglicerol); este intermediario reacciona con un alcohol formando el fosfolípido. En el segundo mecanismo, lo que se activa mediante CDP ·es el alcohol (CDP-alcohol) y así se une al ácido fosfatídico para originar el fosfolípido. En ambos casos se libera también nucleótido monofosfato CMP. Así, por ejemplo, la formación de fosfatidilserina sigue el primer mecanismo descrito, formándose a partir de serina y CPD-diacilglicerol; mientras que la fosfátidiletanolamina sigue el segundo mecanismo, generándose a partir del ácido fosfatídico y la CDP-etanolamina. o 11 cH-o-p-o2 1 oÁcido fosfatídico fosfatasa J Para la formación de esfingolípidos lo primero es la construcción de la larga cadena de la esfingosina, a partir de serina y palmitoil CoA, gracias a la actuación de la serina palmitoil transferasa. Realmente lo que se produce como consecuencia de las reacciones es la cetoesfinganina, que difiere de la esfingosina en que carece del doble enlace y que cuenta con un grupo ceto en el C-3. Este grupo ceto se reduce a un alcohol originando la esfinganina, todavía sin el doble enlace de la esfingosina. A la esfinganina se le une un ácido graso a partir de una molécula de acetil CoA, formándose la acil-esfinganina que originará la ceramida al crearse el doble enlace entre los c;:¡rbonos 4 y 5, típico de la esfingosina. Esta molécula de ceramida es la base de los demás esfingolípidos. Así los fosfoesfingolípidos, como la esfingomielina, se originan por transferencia de la cabeza fosfocolina desde la fosfatidilcolina hasta la ceramida, mientras que los glucoesfingolípidos se originan por transferencia secuencial de diversos monosacáridos, a través de glucosil transferasas específicas. 1'0 3 R-C "S-CoA Acil transferasa CoA-SH o 11 CH 2-0-C- R1 1 ~ ~ CH-0-C- R2 1 CH 2-0-C- R3 1 Triacilglicerol 1 Figura 14-15. Lipogénesis. Síntesis de triglicéridos a partir del ácido fosfatídico. DEGRADACIÓN En la degradación de los fosfoacilglicéridos intervienen principalmente cuatro enzimas, que pueden ser citosólicas o lisosomales: la fosfolipasa A 1, que hidroliza el enlace éster entre el glicerol y el ácido graso en posición 1; la fosfolipasa A2, que hidroliza el enlace éster entre el glicerol y el ácido graso en posición 2; la fosfolipasa C, que hidroliza el enlace éster entre el glicerol y grupo fosfato en posición 3; y, finalmente, la fosfolipasa D, que hidroliza el enlace éster entre el fosfato y la cabeza polar. Típicamente, en la remodelación de los fosfolípidos, los ácidos grasos de las posiciones 1 y 2 pueden ser cambiados mediante reacciones de desacilación-acilación, catalizadas por las fosfolipasas A y por acil-CoA: lisofosfolípido aciltransferasas. En su degradación, primero se eliminan los dos ácidos grasos y posteriormente la cabeza polar liberando glicerol-3-P, que se recicla. La degradación de los esfingolípidos se realiza principalmente en los lisosomas por hidrolasas lisosomales especificas, que suelen ser glucoproteínas integrales de la membrana lisosomal. La degradación ocurre mediante la hidrólisis secuencial de residuos de azúcar o sulfato, haciendo que en cada reacción se elimine un único residuo de azúcar y dejando como producto final una molécula de ceramida. El déficit genético de ciertas enzimas de la ruta produce la acumulación en los lisosomas del sustrato de ese enzima, originando una patología conocida genéricamente como esfingolipidosis, si bien el fallo de cada enzima origina una patología característica . Como estos esfingolípidos forman parte de numerosas membranas celulares, sobre todo del cerebro, estas patologías cursan con importantes daños a nivel cerebral, produciendo típicamente retraso mental grave. También producen problemas hepáticos, esplenomegalia, afectación del sistema inmune, ceguera y, en los casos más graves, pueden conducir a la muerte en los dos o tres primeros años de vida. mediario se protona para formar un carbocatión que se cicla para formar una estructura tetracíclica que, a su vez, se reorganiza para formar ellanosterol. Ellanosterol se convierte en colesterol mediante un proceso de múltiples pasos, 19 etapas en total, que comprende la eliminación de tres grupos metilo, la reducción de un doble enlace por el NADPH y la migración del otro doble enlace. Hay que destacar que algunas de las reacciones están catalizadas por enzimas de la superfamilia del citocromo P450, enzimas que son oxidasas de función mixta y que tienen un papel muy importante en la destoxifkación de fármacos sobre todo de origen esteroideo. En los vertebrados, la síntesis de colesterol está controlada principalmente mediante la velocidad a la que el colesterol entra en las células procedente del torrente sanguíneo. La homeostasis se mantiene mediante un mecanisrrlo que coordina el consumo de colesterol en el alimento, la síntesis de colesterol endógeno en el hígado (y, en menor grado, en eLintestino) y la tasa de utilización de CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS· LÍPIDOS 3 Acetoacetil Acetil CoA C2 . Mevalonato ~oA 1 - 1 Primera etapa 275 CH 3 1 c6 -ooc-. CH 2-CCH1 2 CH2; OH OH CH, 1 M•vol: oto O j 1 lsopentil-pirofosfato [Csl j 11 11 CH =C-CH- CH -0- P-0-P-ol 2 .' 2 2J Ó- Ó- lsopreno activado Segunda etapa 1 Farnesil-pirofosfato C15 lineal 1 Farnesil-Pirofosfato Escualeno C30 lineal CH 3 CH 3 CH 3 H3 C ~ ~ CH 3 f. ~ j HO CH 3 J Escualeno Lanosterol C30 Colesterol C27 CH 3 u ....... . Colesterol colesterol por las células. En este mecanismo interviene el receptor de LDL, que es la lipoproteína principal encargada del transporte de colesterol en el torrente sanguíneo. La HMG CoA reductasa es la enzima clave de la síntesis de colesterol endógeno y se controla de múltiples maneras: • La velocidad de la síntesis del mRNA de la reductasa está controlada por la proteína que se une al elemento regulador de esteroides (SREBP, del inglés S tero id Regulatory Elemente Binding Protein). Este factor de transcripción se une a una secuencia corta de DNA, denominada elemento regulador de J CH 3 Figura 14-16. Principales etapas. de la biosíntesis del colesterol. Primera etapa, obtención de los isoprenos activados. Segunda etapa, condensación de seis isoprenos para formar una molécula de escualeno. Tercera etapa, ciclación del escualeno a lanosterol y obtención del colesterol. 276 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR O"La HMG CoA reductasa es la enzima clave de la síntesis de colesterol, esta fuertemente regulada y es una importante diana farmacológica. esteroides (SRE). Los niveles bajos de colesterol producen la activación de SREBP por degradación proteolítica y migración al núcleo, donde se une al SRE del gen de la HMG CoA reductasa, así como a otros genes de la vía biosíntética del colesterol para aumentar su transcripción. Cuando aumenta la concentración de colesterol se bloquea la liberación proteolítica de la SREBP y se degrada la que existe en el núcleo. Estos dos hechos detienen la transcripción de los genes de la vía biosintética del colesterol. • La velocidad de la traducción del mRNA de la reductasa se inhibe por metabolitos no estero les· derivados del mevalonato, así como por el colesterol de la dieta. • La degradación de la reductasa está controlada de modo riguroso, de tal manera que la cantidad de enzima se puede regular de una a 200 veces. La degradación se estimula por colesterol, mevalonato, farnesol y derivados del colesterol. • La fosforilación disminuye la actividad de la reductasa. El proceso se regula a nivel hormonal, de forma que el glucagón favorece la forma fosforilada inactiva de la HMG CoA reductasa, mientras que la insulina induce la forma desfosforilada de la HMG CoA reductasa, que es activa. CONCEPTOS CLAVE En la degradación de los lípidos a nivel intestinal, gracias a las diferentes enzimas digestivas y a las sales biliares, se originan compuestos antipáticos de fácil asimilación a nivel intestinal. 0 o Una vez dentro de los enterocitos, los lípidos son reconstruidos y distribuidos por la sangre junto con diversas apoproteínas en forma de liproteínas. o Las lipoproteínas permiten el transporte de los diversos lípidos procedentes de la dieta, así como de los lípidos endógenos, a los distintos tejidos: principalmente adiposo y .muscular en el caso de los ácidos grasos y triacilglicéridos, y al hígado y a otros tejidos periféricos en el caso del colesterol. o o La ácido graso sintasa, sintetiza el ácido palmítico del que van a derivar todos los ácidos grasos. Los triacilglicéridos sirven de almacén de energía y se sintetizan a través de la lipogénesis, proceso muy importante en los adipocitos. o La movilización de las grasas se realiza a través de la lipólisis y su transporte por la sangre gracias a la albúmina, para llegar a los tejidos que usarán los ácidos grasos como fuente de energía, quemándolos por la P-oxidación previa activación y transporte a la mitocondria. o La síntesis de cuerpos cetónicos se realiza a partir de moléculas de acetil CoA que se utilizan como sustitutos de los hidratos de carbono, en los momentos de inanición o ayuno prolongado. o El colesterol juega un importante papel como precursor de otras biomoléculas y como función estructural en las membranas celulares. EJERCICIOS Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de ácido palmítico. SOLUCIÓN Los ácidos grasos se oxidan a C0 2 mediante las reacciones de la P-oxidación; los productos de ésta posteriormente entran en el ciclo de 1Krebs y, finalmente, van a la cadena transportadora de electrones, donde producen ATP a través de la fosforilación oxidativa. De tal manera que la oxidación completa de un ácido graso típico, como es el caso del ácido palmítico, se puede describir como sigue: CAPÍTULO 14. METABOLISMO DE LOS LÍPIDOS ~-oxidación 27'7 (mitocondria): En cada vuelta se originan: + 1 FADH 2 (1' deshidrogenación, acil CoA deshidrogenasa) + 1 NADH + W (2' deshidrogenación, hidroxiacil CoA deshidrogenasa) + 1 acetil CoA (Ruptura tiólica, tiolasa) + 1 acil CoA (Ruptura tiólica, tiolasa) (ácido graso con dos carbonos menos que volverá a entrar a dar otra vuelta de Como el palmítico tiene 16 carbonos, se necesitarán siete vueltas de ~-oxidación, obteniéndose 7 FADH 2• 7 NADH + una vuelta más, una octava molécula de acetil CoA (última molécula de acil CoA que tiene dos carbonos) ~-oxidación) . W, 7 acetil CoA y, por Ciclo de Krebs (mitocondria): Cada molécula de acetil CoA rendirá: + 3 NADH + W (isocitrato deshidrogenasa, a-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa) + 1 GTP (succinil CoA sintetasa) + 1 FADH 2 (succinato deshidrogenasa) Lo que hace un total de: +8 GTP z 8ATP + 31 NADH + W mitocondriales (x 2,S = 77,S) + 1S FADH 2 (x 1,S =22,S) Como las moléculas de NADH + W mitocondriales originarán 2,S ATP cada una, y las moléculas de FADH, rendirán 1,S ATP cada una, se obtiene un total de 108 moléculas de ATP generadas. Si se tiene en cuenta que, previamente a la entrada del ácido graso en las vueltas de la ~-oxida­ ción, el ácido palmítico tuvo que activarse a palmitoil CoA y este paso requirió el gasto de un ATP hasta AMP (gasto que puede contabilizarse como el gasto de dos ATP a ADP) , se obtiene que la degradación total del ácido palmítico, teniendo en cuenta su activación, rinde un total de 106ATP. La activación se puede describir según la siguiente expresión: Palmítico +CoA+ ATP ~ Palmitoil CoA+ AMP + 2P; El balance de la degradación del ácido palmítico activado sería el siguiente: Palmitoil CoA+ 7 CoA+ 31 NAD+ + 1S FAD + 8 GDP + 8 P; + 23 H20 ~ 16 CO, + 8 CoA+ 31 NADH + 31 W + 1S FADH 2 + 8 GTP 1111 Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de ácido palmitoleico. 11!11 Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de ácido oleico. 0 1!11 Cálculo del rendimiento energético aerobio de una molécula de ácido araquídico. eD Suponga que tiene que subsistir con una dieta exclusiva de grasas y sin ningún carbohidrato. ¿Qué será mejor, consumir ácidos grasos de número par o de número impar? PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN 1!11 La lipoproteína lipasa (LPL) actúa sobre las lipoproteínas que contienen: a) Apoproteína A. b) Apoproteína B. e) Apoproteína C. d) Apoproteína E. 1111 En el proceso de internalización celular de la LDL participa la: a) b) e) d) Carnitina. Ornitina. Clatrina. Glutatión . 11!11 El colesterol es un compuesto: a) De origen endógeno que puede ser malo o bueno según su estructura. b) Que, cuando se acumula su parte nociva, produce la placa de ateroma. e) Forma parte de la membrana celular y no posee más funciones en lo ~seres humanos. d) En los diabét1cos se acumula por la falta de insulina. 1!11 La activación de los ácidos grasos se lleva a cabo por: a) b) e) d) Acil CoA sintetasa. Acil CoA transferasas. Acido graso sintasa. Acido graso activasa. eD En el proceso de internalización mitocondrial de los ácidos grasos participa la: a) Carnitina. b) Ornitina. 278 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR e) Clatrina. d) Glutatión. DD La formación de cuerpos cetónicos: a) Es la ruta catabólica principal de los ácidos grasos. b) Se utiliza en el hígado para la obtención de energía cuando falta glucosa. e) Es una ruta alternativa a la glucólisis que se produce mayoritariamente en el músculo. d) Se generan en los diabéticos por falta de glucosa y genera la cetoacidosis diabética. IIIJ Con respecto a la acetil l::oA carboxilasa, qué afirmación es falsa: a) Sufre una regulación por fosforilación mediada por maloni! CoA. b) Sufre una regulación por asociación-disociación mediada por palmitoil CoA y citrato. e) Su actividad esta inhibida por glucagón. d) Interviene en la formación de malonil CoA. liD Las desaturasas son: a) b) e) d) Oxidasas de función mixta. Específicas del carbono donde introducen la insaturación. Algunas son exclusivas de vegetales. Todas son verdaderas. I!D La fosfolipasa C rompe entre: a) b) e) d) El El El El glicerol y el primer ácido graso. glicerol y el segundo ácido graso. glicerol y el grupo fosfato. grupo fosfato y la cabeza polar. I!IJl] Con respecto a los fosfolípidos, señale qué afirmación es falsa: a) Se forman a partir de palmitoil CoA y serina. b) El producto final de la degradación lisosomal de los fosfolípidos es la ceramida. e) El grupo sanguíneo se debe a la presencia de fosfolípidos en los glóbulos rojos. d) Son importantes en la formación de las membranas celulares. \ METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS o CONTENIDOS o o o o o Tener una visión general del metabolismo de los compuestos nitroge- Introducción nados, principalmente de los aminoácidos. La degradación de proteínas o Conocer el proceso digestivo de las proteínas, así como de su degradación intracelular. La degradación de aminoácidos o La biosíntesis de aminoácidos o El metabolismo de los nucleótidos OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Entender el proceso de degradación de los aminoácidos: cómo estos pueden servir para producir energía para el organismo o pueden ser utilizados para originar cuerpos cetón icos o hidratos de carbono. o Adquirir una visión general del metabolismo del nitrógeno en el organismo: f ijación y eliminación. o o Poseer unas nociones básicas de la síntesis de los aminoácidos. o Entender la importancia de los aminoácidos, por sus numerosas funciones precursoras, y así valorar su papel f isiológico en el organismo. Comprender los fundamentos de la síntesis de las bases nitrogenadas y de los nucleótidos. r El presente capítulo está dedicado al metabolismo de los compuestos nitrogenados. Bajo este té rmino se engloban distintos t ipos de biomoléculas: por un lado, los aminoácidos y las proteínas; por otro lado, las bases nitrogenadas y los nucleótidos. El nitrógeno, que forma grupos funcionales fundamentales para la vida, es, simultáneamente, un producto potencialmente tóxico y peligroso. Parte de este capítulo se orienta al estudio de los distintos mecanismos y rutas bioquímicas por las que los organismos eliminan este compuesto, de la forma más segu ra posible. Este capítulo , que cierra el bloque de metabolismo celular, expone las rutas de la biosíntesis de las diferentes bases nitrogenadas y de los nucleótidos y desoxflil ucleótidos que van a forma r parte de los ácidos nucleicos, base de la información genética y de la transmisión de dicha información, que se describirá en la siguiente sección . En este capítulo se destaca la importancia del metabolismo de los compuestos nitrogenados en la salud, relacionando dichas rutas metabólicas con diversas patologías, algunas muy frecuentes y que pueden tener graves consecuencias pa ra la salud . 280 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR 0 c:f-El met abolismo de los compuestos nitroge nados abarca principalmente el metabolismo de las bases nit rogenadas, de los nucleótidos, de las porfirinas y de los aminoácidos. INTRODUCCIÓN En primer lugar, es importante indicar que el metabolismo de los compuestos nitrogenados, no se refiere únicam ente al metabolismo de las proteínas. El metabolismo de los compuestos nitrogenados también incluye al metabolismo de las bases nitroge~adas, de los ácidos n ucleicos y del grupo de las porfirinas, entre otros compuestos. Además, el metabolismo de los compuestos nitrogenados también comprende otros mecanismos importantes. Por un lado, las reacciones d e fijación de nitrógeno molecular del aire, para su posterior utilización en la síntesis de diferentes compuestos orgánicos. Y también aquellas rutas desarrolladas por los distintos organismos para asegu rar u na correcta eliminación del nitrógeno, especialmente cuando forma parte de compuestos potencialmente tóxicos como, por ejemplo, el amonio. 0 LA DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS La degradación de las proteínas debe estudiarse fundamentalmente a dos. niveles dependiendo de la localización del proceso: • En el tracto digestivo, donde se procesan las proteínas exógenas o ingeridas de la dieta; es la denominada digestión de proteínas. Este proceso digestivo -permite obtener los aminoácidos en forma libre, necesarios para sintetizar las proteínas propias, así como otras biomoléculas que se forman a partir de ellos. • En el interior de la célula, donde se procesan las proteínas endógenas, lo que se suele conocer bajo la denominación de recambio proteico. Este recambio proteico es de gran u tilidad para reciclar los aminoácidos de proteínas que ya no son útiles para el organismo y generar n uevas proteínas, u otras biomoléculas a partir de aminoácidos preexistentes. Además, también sirve para la eliminación de aminoácidos dañados. En cualquier organismo existe, en un momento dado, una reserva de aminoácidos corporales que debe mantenerse constante. En el caso del hombre, dicha reserva de aminoácidos corporales disminuye entre 60 y 100 g diariamente por degradación y eliminación a través de la vía urinaria y fecal, o bien por conversión metabólica de los aminoácidos a otros compuestos. Por este motivo se hace necesario ingerir una cantidad similar en la dieta para reponer dicha pérdida. Además, diariamente se procesan entre 300 y 400 g de proteínas tisulares hasta rendir aminoácidos libres, m ientras se genera aproximadamente la misma cantidad de proteínas a partir de aminoácidos. Enzimas digestivas de las proteínas ~l proceso digestivo de las prot eínas se ve favorecido po r la desnaturalización. La digestión de las proteínas exógenas en el tracto digestivo tiene un papel clave para generar aminoácidos libres (Fig. 15-1). En el ser humano, existen aminoácidos que solo pueden conseguirse de la dieta, ya que el propio organismo no logra sintetizarlos por sí mismo: estos aminoácidos se denominan esenciales y son isoleucina (Ilu), leucina (Leu), lisina (Lys), metionina (Met), fenilalanina (Phe), treonina (Thr), triptófano (Trp), valina (Val) e histidina (His; solo en niños). A los restantes aminoácidos, en contraposición, se les llama no esenciales, porque nuestro organismo tiene las enzimas requeridas para su biosíntesis. El-proceso digestivo de las proteínas de la dieta se ve favorecido por la desnaturalización de las mismas en el estómago, proceso meramente químico en el• que la. fuerza desnaturalizante procede del pH ácido del estómago debido a la presencia del ácido clorhídrico (HCl). Este proceso genera cadenas de proteínas más o menos lineales, mediante la ruptura de los enlaces débiles que establecen la conformación nativa y de los puentes disulfuro y otras interacciones entre cadenas, lo que facilita la posterior acción de las enzimas digestivas. \ · U na vez desnaturalizada la proteína, comienza la hidrólisis proteica, mediante rotura de enlace peptídico. En dicha fase se degradan las proteínas desnatura- CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS 281 Lumen intestinal tripsinógeno enteroquinasa~! <. ) tripsina quimotripsina/ ~ elastasa carboxipeptidasas enteroquinasa aminopeptidasa endopeptidasa Figura 1S-1. Digestión de las proteínas: zimógenos. enzimas implicadas y lugar de actuación. lizadas hasta dar péptidos, dipéptidos y aminoácfdos libres, que .son las únicas formas que pueden absorber las células epiteliales del intestino. Las enzimas digestivas se sintetizan normalmente en forma de zimógenos o proenzimas, desde células de la mucosa gástrica, células del páncreas exocrina y enterocitos del intestino. Los zimógenos son enzimas que se secretan de forma inactiva y, generalmente, se activan de manera secuencial. Algunos zimógenos se activan por el pH y otros por proteólisis parcial. Este último mecanismo de hidrólisis se basa en que otra enzima activa ~ zimógeno, produciéndose una cascada de activaciones. Cada una de estas formas activas rompe únicamente determinados enlaces de la proteína a degradar, de tal forma que sólo el conjunto de rodas ellas produce la degradación total de dicha proteína. El pepsinógeno es un zimógeno que, al entrar en contacto con el pH ácido del estómago, se convierte en pepsina activa; el péptido que mantenía inactivo al pepsinógeno se digiere como una proteína más. La pepsina hidroliza parcialmente las proteínas de la dieta. A nivel estomacal también interviene la renina, proteasa que actúa sobre las caseínas de la leche permitiendo su digestión, por lo que se hace especialmente importante en el período lactante. Estas enzimas estomacales suelen generar grandes fragmentos peptídicos que pasan al intestino. En el intestino delgado, se encuentra la enteropeptidasa, que actúa sobre un primer zimógeno, el tripsinógeno, para generar tripsina. La tripsina tiene capacidad autoproteolítica, es decir, puede actuar sobre su propio zimógeno y, además, también puede atacar a otros zimógenos como proelastasas, procarboxipeptidasas y quimotripsinógenos, originando elastasas, carboxipetidasas y quimotripsinas, respectivamente. La tabla 15-1 recoge el lugar de síntesis del zimógeno, el activador que produce la forma activa, y el tipo de actividad (enclo o exopeptidasa, según intervengan, respectivamente, sobre enlaces peptídicos 'interiores o situados en los extremos del sustrato proteico) de cada enzima digestiva junto con el tipo de enlace peptídico que suelen hidrolizar; se indica también el pH óptimo al que actúa cada una. Estas enzimas intestinales degradan las proteínas y los grandes péptidos procedentes del estómago hasta obtener pequeños fragmentos de péptidos (oligopéptidos de 4 a 6 aminoácidos) y algunos aminoácidos libres. Los oligopéptidos son hidrolizados en péptidos menores por la acción proteolítica de la enteroquinasa, las aminopeptidasas y las endopeptidasas. Las carboxipeptidasas rompen las cadenas por el carboxilo terminal, BIBLIOTECA FUNDADORES 282 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR . Tabla 15-1. Principales enzimas digestivas de las proteínas. Se indica cuál es el activador del zimógeno y las preferencias de corte , es decir, los aminoácidos por los que tiene preferencia para romper enlaces peptídicos vecinos Enzima Proenzima Lugar de síntesis Activador Enlace Pepsina (pH 1,8-2,0) Pepsinógeno M ucosa gástrica HCl. autoactivación Endopeptidasa: Trp, Tyr, Phe, Leu Tripsina (pH 8-9) Tripsinógeno Páncreas Enteropeptripsina Endopeptidasa: Arg, Lis (básicos) Quimotripsina (pH 8-9) Quimotripsinógeno Páncreas Ent~ropeptidasa Endopeptidasa: Tyr, Phe, Trp, Met, Leu (sin carga) Proelastasa Páncreas Tripsina Endopeptidasa: Gly, Ala . Ser Carboxipeptidasa A (pH 7,2) Procarboxipeptidasa A Páncreas Tripsina Exopeptidasa: todos excepto los básicos (extremo carboxilo terminal) Carboxipeptidasa B (pH 8,0) Procarboxipeptidasa B Páncreas Tri psi na Exopeptidasa: Arg, Lis (extremo carboxilo terminal) Aminopeptidasa (pH 7,4) --------- Mucosa intestinal --------- Exopeptidasa (extremo amino terminal) Elastasa (pH 8-9) .. c JLa digestión de las proteínas comienza en el estómago, continúa de forma importante a nivel intestinal y finaliza dentro del enterocito. mientras que las aminopeptidasas liberan aminoácidos por el extremo amino terminal. . Finalmente, los dipéptidos, tripéptidos y aminoácidos libres se asimilan por las células intestinales, normalmente al nivel del yeyuno, mediante transportadores específicos dependientes de Na+, en el proceso conocido como absorción intestinal. Los péptidos absorbidos se hidrolizan completamente dentro del enterocito gracias a las dipeptidasas y tripeptidasas, que dejan aminoácidos libres disponibles para ser aprovechados por las células intestinales. Los aminoácidos pueden pasar a la sangre directamente y, de esta forma, transportarse por todo el organismo. También pueden emplearse para sintetizar proteínas, normalmente apoproteínas de las lipopmteínas, así que dichas lipoproteínas sirven igualmente para el transporte de los aminoácidos por la sangre. Determinadas patología:s pancreáticas o intestinales pueden producir déficit de ciertas enzimas digestivas. Un procesamiento incorrecto de las proteínas ingeridas en la dieta provoca que no puedan ser absorbidas ni, por lo tanto, aprovechadas. En estos casos puede recurrirse a la ingestión de hidrolizados de proteínas. Recambio proteico c JEl recambio proteico hace referencia a la degradación intracelular de las proteínas, destacando los mecanismos de proteólisis lisosómica y del proteosoma. / El.recambio proteico o digestión celular hace referencia a la degradación intracelular de las- proteínas, .con la finalidad de reciclar o degradar los aminoácidos de las mismas. Esta proteólisis puede darse en los lisosomas (orgánulo celular especializado en la degradación de moléculas) o en el citoplasma. Proteólisis lisosómica. Ocurre en vesículas intracelulares especializadas, los lisosomas. El interior de estos orgánulos se encuentra a un pH de ·5,5. y contiene proteasas e hidrolasas, principalmente de la familia de la catepsinas, encargadas de la digestión de las proteínas. Dicha digestión puede ser: • Autofágica, si procesa proteínas intracelulares como, por ejemplo, proteínas de membrana, -receptores hormonales o de ribosomas. • Hetorofágica, si actúa sobre proteínas extracelulares capturadas por endocitosis como, por ejemplo, las procedentes de las lipoproteínas, sobre todo de las HDL. Proteólisis citoplásmica o. no lisosómica. Esta degradación de proteína\ tiene lugar bien a partir de proteasas dependientes de Ca2+ como la calpaína -que presentan actividad proteolítica a pH neutro-, o bien mediante una estructura CAPÍTULO 1S. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS 283 especializada denominada proteosoma. El proteosoma es un complejo multienzimático con diversas actividades catalíticas; presenta una estructura con aspecto de barril en el cual solo entran y se digieren las proteínas que han sido previa~ mente marcadas por la unión de pequeñas moléculas de ubiquitina. 0 LA DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS En el proceso de degradación de los aminoácidos hay dos partes claramente diferenciadas: la primera la determina el grupo amino, que debe ser eliminado de la estructura del aminoácido y transportado de forma segura hasta su eliminación del organismo; y la segunda implica la eliminación o aprovechamiento del resto del aminoácido, es decir, el esqueleto carbonado. La correcta eliminación del grupo amino de los aminoácidos es muy importante, pues es relativamente fácil que dicho compuesto acabe formando amoníaco en el organismo. El amoníaco es un tóxico potencialmente muy peligroso para el ser vivo, cuando se acumula y origina hiperamonemia. El amoníaco se hace especialmente tóxico para el cerebro por diferentes motivos: c fEl proceso de degradación de los aminoácidos implica dos fases: la eliminación del nitrógeno y la eliminación del esqueleto carbonado. • Interfiere con el intercambio iónico a través de las membranas. El ión amonio presenta carga y es muy pequeño, por lo que actúa interfiriendo en los potenciales de membrana. Esto causa grandes daños en el cerebro, ya que las neuronas son células que dependen del potencial de membrana para su correcto funcionamiento. • Bloqueo del ciclo de Krebs. El amonio, en presencia de ·a-cetoglutarato, produce glutamato (Glu), retira dicho intermediario del ciclo de_Kiebs y, en consecuencia, origina una grave interferencia metabólica. • El amonio, en presencia del glutamato (generado por el mismo ión amonio), produce glutamina y, su acúmulo, puede producir edema cerebraL • La glutamina, que ha aumentado por el amonio, a través de determinadas transaminasas, origina a -cetoglutámico, un compuesto tóxico para el cerebro. ~l am oníaco es especialmente tóxico para el cere bro. Para la separación del grupo amino, todos los aminoácidos sufren una reacción de transaminación, que forma un nuevo aminoácido y un nuevo cetoácido; finalmente, todos los grupos amino se transfieren al a-cetoglutarato, formando glutamato que es la única molécula que puede ser ,objeto de una desaminacion oxidativa rápida. Ambas reacciones, transaminación y desaminación, que se verán a continuación, son esenciales en el metabolismo de los aminoácidos. Transaminación Las transaminasas o aminotransferasas son enzimas muy importantes en la degradación y también en la síntesis de aminoácidos. Existe una gran variedad de transaminasas, prácticamente una por cada aminoácido. Las transaminasas usan como cofactor el pirodoxal fosfato, derivado de la vitamina B6 , y actúan mediante mecanismo ping-pong (véase capítulo 8). En la degradación de los aminoácidos, estas aminotransferasas intervienen coordinadamente con la enzima glutamato deshidrogenasa, el ciclo de Krebs y el ciclo de la urea. Transfieren el grupo amino de un aminoácido a un cetoácido, transformando el cetoácido en un aminoácido y viceversa (Fig. 15-2) . Las reacciones son reversibles por lo que también se emplean en el anabolismo. Existen dos transaminasas de gran importancia: la GOT o glutamato oxalacetato transaminasa (también conocida como AST, aspartato aminotransferasa) +H ,N x -ooc o o + ,... R 1 j Amlnoácldo-1 Aminotransfe rasa 1 + -ooc ) l R2 -ooc)lR1 Cetoácldo-2 Cet<?~cldo-1 +H ,N x -ooc ,.·· · R 1 Amlnoácldo-2 1 Figura 1S-2. Reacción genérica de una transaminasa. 284 SECCIÓN 111 . EL METABOLISMO CELULAR y la GPT o glutamato piruvato transaminasa (también denominada ALT, alanina aminotransferasa), que realizan las siguientes transformaciones: GOT: glutamato (aa) + oxalacetato GPT: glutamato (aa) + piruvato I TExisten dos transaminasas de gran importancia la GOT o AST y la GPT o AL T; ambas sirven, además, de indicador de daño hepático. aspartato (aa) + a-cetoglutarato alanina (aa) + a-cetoglutarato Ambas transaminasas juegan un papel clave en el transporte y eliminación de los grupos ainino, tal Y. como se estudiará más adelante. Su medición en sangre sir\re de diagnóstico de enfermedades hepáticas. El aceptor firial, en la mayoría de las transaminaciones de los aminoácidos es el a-éetoglutarato, por lo que se originará siempre glutamato. Desaminación La mayoría de los aminoácidos son desaminados por transaminación, formándose siempre glutamato. La pérdida del grupo amino del glutamato así formado, se produce gracias a la acción de la glutamato deshidrogenasa, enzima muy importante a nivel hepático que cataliza la siguiente reacción (Fig. 15-3) de desaminación oxidativa: ~ glutamato + rl 2 0 + ~J\I)(P)+ ~ a-cetoglutarato + ~AD(P)ri + rf+ + ~ri¡ Como consecuencia, se libera en forma de amonio el nitrógeno recogido de todos los grupos amino de todos los aminoácidos. El amonio se genera principalmente en el hígado, y en el hombre se elimina habitualmente a través del ciclo de la urea. Pero existen varias estrategias de eliminación del nitrógeno entre los animales, que permite clasificarlos en tres grupos: • Amoniotélicos: animales acuáticos en los que el amoníaco difunde de la sangre al aparato excretor, como es el caso de los peces teleósteos. • Uricotélicos: animales que forman una purina oxidada que dará ácido úrico, que precipita excretándose. Ejemplos: gasterópodos, aves, reptiles e insectos. • Ureotélicos: animales que concentran el nitrógeno en un compuesto menos ácido y altamente soluble: la urea. El tejido donde se produce la transformación del grupo amonio en urea es el hígado; de ahí se transporta a los riñones para eliminarse en forma de orina. Es el caso de los elasmobranquios, anfibios, quelonios y mamíferos. La glutamato deshidrogenasa es la enzima responsable de la desaminación del glutamato. Aunque la mayoría de aminoácidos se degradan en el hígado, algunos son desaminados en otros tejidos por transaminación. Una vez que el grupo amino se encuentra en el glutamato, se transferirá, a través de la GPT/ALT a una molécula de piruyato, procedente de la glucólisis, para formar alanina. Este aminoácido sale a la sangre sirviendo de medio de transporte inocuo .dd grupo amino, de tal forma que viaj a por el torrente sanguíneo sin que se produzca un incremento de amonio. La alanina es retirada de la sangre por el hígado, el cual a través de su GPT/ALT forma glutamato y piruvato. Como ya se ha visto, es en el hígado donde el glutamato sufrirá la desaminación catalizada por la glutamato deshidrogenasa produciendo amonio, que será neutralizado formando urea gracias al ciclo de la urea. El piruvato puede ser aprovechado por el hígado para formar nuevas moléculas de glucosa gracias a la gluconeogénesis. Este proceso se conoce como el ciclo de la glucosa-alanina (véase capítulo 12, Fig. 12-8) y supone un mecanismo indirecto de transporte al hígado del grupo amino de los aminoácidos metabolizados en otros tejidos, para que sea excretado como urea. ""' 3 +H N\ Figura 15-3. Mecanismo de actuación de la · glutamato deshidrogenada. NAO+ (o NADP+) +==~:: : : =:/==~• )i -ooc~coo1 Glutamato NADH + W + W) (o NADPH 1 ~Hr HO NW +=\_)=====·~· -ooc~coo- ~ -ooc~coo1 a -cetoglutarato 1 CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS La glutamina posee dos áwmos de nitrógeno a diferencia de la mayoría de los aminoácidos que poseen uno solo (véase capítulo 4). Esta característica convierte .a la glutamina en una molécula ideal para colaborar en el transporte de nitrógeno a través del cuerpo. La glutamina es, por lo tanto, muy abundante en la circulación, pues sirve como una forma de transporte inocua del amoníaco, que es tóxico, hacia el hígado y el riñón (Fig. 15-4). La glutamina y la alanina transportan más de la mitad del nitrógeno del organismo. La glútamina se encuentra en grandes cantidades en los músculos del cuerpo (casi un 60% del total de aminoácidos), siendo fundamental para la eliminación del nitrógeno procedente del tejido muscular. Además la glutamina en el riñón ejerce un papel importante en las células del túbulo renal, interviniendo en la síntesis del amoníaco (NH3), que es empleado por el riñón como un tampón urinario, de tal forma que colabora en la estabilización del pH urinario y sanguíneo. 285 c fla glutamina y la alanina transportan más de la mitad del nitrógeno del organismo. El ciclo de la urea Los seres ureotélicos, como el hombre, eliminan el nitrógeno de los aminoácidos en forma de urea en la orina, de tal modo que el nitrógeno ureico representa el 80% del total de nitrógeno excretado. La molécula de urea presenta dos átomos de nitrógeno, y se forma por un mecanismo cíclico denominado ciclo de la urea. Las reacciones bioquímicas del ciclo se producen en la mitocondria y en el citosol, siendo la ornitina la molécula que ensambla todo los compuestos para la posterior eliminación. Los dos grupos amino que formarán la urea se incorporan al ciclo en dos puntos distintos y proceden de dos vías diferenciadas (Fig. 15-5): • El primero, procede de la matriz mitocondrial, donde el amonio procedente del glutamato se utiliza, junto con el C0 2 , para formar carbamoíl-P, reProteínas Músculo esquelético 1 otros tejidos ! Glutamina sintetasa [Hígado) D Glutaminasa Glutamato Glutamato desh1drogenasa a-cetoglutarato A. A Glutaminasa ~j· ~ ~e ~ ~e .( ~ Figura 15-4. Transporte de nitrógeno al hígado y al riñón. Glutamato Glutamato deshidrogenasa a-cetoglutarato A ~ ~e A ~ ~e ) 286 SECCIÓN· m: H METABOLISMO CELULAR + NH 4 + C0 2 ~2~ + ~ 2ADP+P; 1 o NH 3 11 CH 2 H2N-c-o -G 1 Urea Carbamoil-fosfato sintetasa CH 2 Carbamoil-fosfato 1 CH 2 + Ornitina transcarbamoilasa 1 H3 N-CH-COOOrnitina ~----P; o 11 HN -C-NH 2 1 CH 2 1 CH 2 1 CH 2 + 1 H3 N - CH - COO- Citrulina MITOCONDRIA Arginina Argininosuccinasa coo- -o oc 1 " CH 11 1 HC +/ H3 N "cooFumarato Figura 15-5. Ciclo de la urea. Se destaca la localización celular del ciclo de la urea entre la mitocondria y el citoplasma. l 1 CH 2 ¿H Hcf " cooMatato CH "'- COO- . Glutamato deshidrogenasa T0: 0 _ ) a-Cetoglutaratoy NH coo- H 0 __....::..,.._ _ _"" 2 MITOCONDRIA CH 2 Argininosuccinato NADH,H+ ) CH 2 Glutamato 1 e cf " coo- 4, NADH, H+ ~ H20, NAD+ - Transam inasa Oxalacetato acción en la que se consumen dos ATP y catalizada por la carbamoíl-fosfato sintetasa (carbamoíl-P sintetasa) de la membrana mitocondrial. • El segundo procede del aspartato, al que ha sido previamente transferido por transaminación del glutamato y transportado al citosol. La ornitina se forma en el citosol pero viaja a la mitocondria. Allí, el carbamoíl fosfato se ensambla con la ornitina mediante la ornitina transcarbomoilasa, produciendo citrulina, que mantiene el carbono y el amino .. La citrulina abandona la mitocondria gracias a un transportador específico ubicado en la membrana interna mitocondrial. En el citosol, la argininosuccinato sintetasa condensa el aspartato al grupo carbonilo de la citrulina utilizando ATP para generar AMP + PPi. Como resultado se forma el argininosuccinato, un compuesto intermediario del ciclo de la urea en el que están condensados el carbono y los dos grupos amino . Este compuesto se convierte en arginina gracias a la enzima citosálica argininosuccinasa, liberándose fumarato que servirá para dar malato y re- CAPÍTULO 1S. METABOLISMO .DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS genera el oxalacetato en la mitocondria a través de varias reacciones del ciclo de Krebs, necesario para formar una nueva molécula de aspartato. La a rginina formada a partir del argininosuccinato posee el carbono y los dos grupos amino necesarios para originar la urea. Por la acción de la enzima arginasa, se produce urea y ornitina, que se introduce en la mitocondria para comenzar un nuevo ciclo. Finalmente, la urea será eliminada del organismo vía renal. La arginasa es una enzima exclusivamente hepática, por lo que el ciclo de la urea sólo se da íntegro en el tejido hepático rindiendo urea. En otros tejidos como riñón, hígado e intestino, este ciclo se puede utilizar, además, para la síntesis del aminoácido arginina. Existen numerosas patologías relacionadas con el fallo de las enzimas implicadas en el ciclo de la urea (Recuadro 15-1). El balance del ciclo de la urea es: 287 c:fEl ciclo de la urea sólo se da íntegramente en el tejido hepático. c:fla arginina se puede biosintetizar gracias a diversos pasos del ciclo de la urea en distintos tejidos. C0 2 + NH¡ + 3 ATP + aspartato + H 2 0 -----t -----t Urea+ 2 ADP + 2 P; + AMP + PP; + fumarato Recuadro 15-1. Enfermedades relacionadas con el ciclo de la urea Existen diversas alteraciones relacionadas con el fallo o déficit de diversas enzimas del ciclo de la urea. Las alteraciones se manifiestan por la elevación del amoni0 plasmático. Cuando el amonio supera los (iO micromoles por litro (hiperamonemia), se puede producir daño cerebral. Entre las enzimas que pueden fallar se encuentran: • Ornitina transcarbamoilasa: su deficiencia acumula amoníaco y aminoácidos en sangre. Es la más frecuente y causa retraso mental y muerte. • Arginina succinato sintetasa: su falta ocasiona el aumento de citrulina en sangre y consecuente excreción en orina (citrulinemia). Es benigna y se trata con un suplemento de arginina. • Arginasa: su déficit conduce a una enfermedad muy rara que provoca deficiencias en el sistema nervioso central. Se trata con aminoácidos esenciales pero sin arginina. • Carbamoíl-fosfato sintetasa: se observa hiperamonemia en niños con esta deficiencia, que conduce al retraso mental. --~--------------~ El destino del esqueleto carbonado Una vez eliminado el grupo amino, el siguiente paso en la degradación de los aminoácidos es hidrolizar el resto del esqueleto carbonado. Según el compuesto que se obtenga al fraccionar el esqueleto carbonado (Fig. 15-6) , los aminoácidos se clasifica en: Leucina Lisina Fenilalanina Triptófano Tirosina ! lsoleucina Leucina Triptófano y---...... ,.-------, Glutamato 1 Cetogénesis~ lsocitrato f Alanina Cisteína Glicocola Serina Triptófano c:flos aminoácidos, atendiendo al producto final del la degradación de su esqueleto carbonado, se pueden clasificar en glucogénicos y cetogénicos. Arginina Glutamina Histidina Prolina _ -a---Ce_t::...o_g_lu-t-ar-a-to---,1 '1 Ciclo de Asparagina Aspartato lsoleucina Metionina Treonina Valina l! ~!i Figura 15-6. Destino del esqueleto carbonado de los aminoácidos. En azul los cetogénicos, y en rosa los gluconeogénicos. --288 SECCIÓN· III. El METABOliSMO <;:ELULAR · • · Glucogéni¿os: los · á.ininoácidns que;· al degradarse, producen piruvato o · compuestos intermediarios del·cido de Krebs. Todos los compuestos inter·mediários dd. ciclo de: Krebs pueden ·ser: transformados ·a ·oxalacetato, y derivados a la síntesis de glucosa a través de la gluconeogénesis. • Cetogénic.os: los aminoácidos que se convierten en acetil CoA o acetoaceto. Pueden desviarse fácilmente a la for'maci6n de cuerpos cetónicos. También pueden ser utilizados ·_ paia la síntesis de lípidos o bien se liberan al torrente sanguíneo para su eliminación. c flos aminoácidos glucogénicos originan en su degradación compuestos (piruvato, oxalacetato ... ) que fácilmente se transforman en glucosa. Los aminoácidos cetogénicos originan en su degradación compuestos (acetil CoA) que fácilmente se transforman en cuerpos cetónicos. ·y La leucina la lisina ·son aminoáCidos claramente cetogénicos, mientras que el aspártico, asparagina, meüonina, treonina, valina, arginina, glutamina, histiaina y prolina son gluconeogénicos. Sin embargo, diversos aminoácidos pueden ser· degradados de ambas formas : alanina, glicocola, cisteína, serina, triptofano, fenilalanina, tirosina· e isoleucina. 0 LA BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS Antes de comenzar a hablar sobre la biosíntesis de aminoácidos hay que recordar que algunos de ellos, los conocidos como los aminoácidos esenciales, solo pueden ser sintetizados por un número pequeño de organismos, principalmente las bacterias y las plantas. Por ello, la síntesis de estos aminoácidos que más adelante se ·detalla, se-refiere a la· que -realizan dichos organismos. En la biosíntesis de los aminoácidos y de otros compuestos ·nitrogenados, la principal dificultad que hay que superar es la fijación de los átomos de nitrógeno atmosférico (N 2) en estructuras orgánicas. El nitrógeno, que constituye el 80% de la composición del aire, no puede ser utilizado por la mayoría de los organismos, porque es demasiado estable y, por tanto, inerte para su utilización en la mayoría de procesos biológicos. Solo ciertas bacterias, las llamadas nitrificantes, son capaces de asimilar el N 2 del aire, mediante un proceso biológico denominado nitrificación: consiste en la reducción del nitrógeno atmosférico a compuestos nitrogenados, es decir, se combina el nitró'geno gaseoso con hidrógeno para formar principalmente amoníac o: Existen tres tipos de bacterias nitrificantes. Las cianobacterias son las principales fijadoras ·en los océanos e incorporan nitrógeno a la cadena alimentaria m·arina. Las simbiontes; como el género Rhizobium, se asocian a las raíces de las leguminosas, estableciendo una interacción específica: la bacteria reduce el N 2 , que la planta utiliza, y a cambio la planta le proporciona a· la bacteria fuente de carbono pata' el crecimiento del microorganismo. Otras bacterias no se encuentran asociadas a plantas y su fu~nte de nitrógeno la constituyen los nitratos y nitritos del suelo, como ocurre con las bacterias Gram negativas del género Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una oacteria purpúrea. Existen ' bacterias desnitrificantes que realizan el paso contrario, 'és decir, de amoníaco a nitróge!'lo a~mosférico, paso necesario para mantener el equilibrio del hitrógeno -en el planeta. · · Para romper el enlace· entre los dos átomos de nitrógeno (N 2) se necesita un complejo enzimático conocida como nitrogenasa. Utiliza como cofactores Fe, Mo, y enrejados Fe-S, y que es capaz de transformar el nitrógeno en amoníaco mediante la siguiente ecuación: .··. N; +se-+8H++16ÁTP+l6H 2 0. ~ ~ 2 NH 3 + H 2 + l6 ADP ~ 16 Pi + 16 H+ La fijación det ·nitrógeno La mayorÍ?- de lQ~ organismos, incli.üdos los animales, . aprovechan el nitrógeno en for~a de NH3 o NH~, procedente . de la actuaci.ó n de los organismos nitrificantes .o d~_ la eliminación de gruP.os amino fijados ya en estructuras orgánicas. Las f~rmas de in~egración de dicho nitrógeno en los compuestos orgánicos son princip.a!mente: . . · . ·. . . . . . . _ .· . :· \ • La formación de carbamoíl-fosfato; como' ya se ha visto, · catalizada por la carbamoíl-P sintetasa. En animales hay dos formas de esta enzima:· una CAPÍTULO 15. METABOLISMO D.E LOS COMPlJ_ESTQS NITROGENADOS 289 mitocondrial (I), que emplea amoníaco y sirve para el ciclo de la urea y la síntesis de arginina, y otra citosólica (II) que utiliza glutamina y participa en la síntesis de pirimidinas. La carbamoíl-P sintetasa cataliza las siguientes reacciones: NH4 + C0 2 + 2 ATP ----t Carbamoíl-P + 2 ADP + P; glutamina + C0 2 + 2 ATP + H 2 0 ----t Carbamoíl-P + 2 ADP + P; + glutamato -----1 • La formación de glutamato, que ocurre a partir de dos posibles reacciones: por la acción de la glutamato deshidrogenasa (GDH), que fija nitrógeno procedente del NH4; o por la acción de la glutamato sintasa (GS), que transfiere el grupo amino de la glutamina para dárselQ al a-cetoglutarato. GDH: GS: a-cetoglutarato + NH4 + NAD(P)H + 2 H+ -'-------' ----t glutamato + H 2 0 + NAD(P)+ a-cetoglutarato + glutamina + NADPH + H+ ----t ----t 2 glutamato + NAD(P)+ • La formación de glutamina; este proceso lo realiza la glutamina sintetasa, según la siguiente reacción: glutamato + NH; + ATP ----t glutamina + ADP + P; • La formación de asparagina; mediante la asparagina sintetasa, que cataliza la fijación de nitrógeno al aspartato originando la correspondiente amida, media la reacción: O la mayoría de los organismos aprovechan el nitrógeno en forma de NH 3 o NH 4 • aspartato + ATP + NH 3 ----t asparagina + ADP + PP; \ 1 1 Familias de aminoácidos A lo largo del presente capítulo se ha descrito la biosíntesis de diversos aminoácidos como, por ejemplo, la arginina (a partir del ciclo de la urea), la asparagina (por la asparagina sintetasa), la glutamina (por la glutamina sintetasa), la alanina (ALT), el aspártico (AST) y el glutámico (glutamato deshidrogenada) . A continuación, a modo de resumen, se comentan las rutas de_síntesis de otros aminoácidos haciendo especial hincapié en sus precursor~s. Por ello es de gran utilidad hablar de las familias de aminoácidos, que son aminoácidos agrupad_os según compartan un origen o precursores comunes (Fig. 15-7).. Existen numerosas patologías relacionadas con la síntesis y la degradación de -aminoácidos, algunas de las más importantes se pueden observar en el recuadro 15-2. Familia del glutamato (a-cetoglutarato). Esta familia de aminoácidos está estrechamente relacionada con el ciclo de Krebs, pues proceden de uno <;le sus intermediarios, el a-cetoglutarato, que sirve para la síntesis de glutamato (véase la actuación de la glutamato deshidrogenada y de la GOT/AST y GPT/ALT, en el apartado de transaminación y desaminación de aminoácidos). El gh1tamato resultante es precursor para la síntesis de otros aminoácidos como la ornitina, citrulina y arginina, gracias al ciclo de la urea. Pero también se utiliza para la síntesis de prolina (y a partir de éste, se origina su derivado hidroxilado, la hidroxiprolina) y de la glutamina a través de la glutamina sintetasa. La glutamina es, a su vez, el punto de inicio para la síntesis de los aminoácidos histidina y triptófano, de los aminoazúcares, nucleótidos y glucoproteínas. Familia del aspartato (oxalacetato). Esta familia está relacionada con el oxalacetato, también perteneciente al ciclo de Krebs, y que origina aspartato por transaminación con el glutamato (AST/GOT). A partir del aspartato se sintetizan muchos otros aminoácidos, como la asparagina por acción de la asparagina sintetasa, y la arginina a través del ciclo de la urea. El aspartato también es el punto de inicio de la síntesis de la lisina, así como de aminoácidos que poseen azufre, ya que se transforma en homoserina, que se utiliza para la síntesis de metionina y treonina, además de originar homocisteína. La treoniiJ.a, a su vez, genera isoleucina. c:fExisten numerosas patologías relacionadas con la síntesis y la degradación de aminoácidos. 290 ,, SECCIÓN 1)1. El METABOLISMO CELULAR · o . ~ • ' o BIOSÍÑTESIS DE AMINOÁCIDOS o ,._.' ' ' - a-cet.oglutarato· - _,_- Glutamina Glutamato Prolina -......... .Arginina Oxalacetato .........-::::: Asparagina , . :::::--- Lisina FAMILIA DEL Aspartlco :::::----- Metionina ASPÁRTICO -.......:::::: T . reonma -lsoleucina - ·¡ FAMILIA DEL GLUTAMATO l ~ - • ·Glicocola - Cisteina 3-fosfoglicerato -serina FAMILIA DE LA SERINA .. - - - - Alanina Piruvato - - _ Leucina Valina FAMILIA DEL PIRUVATO ll """"'= Fotoenolpiruvaro + Eritrosa-4-P Ribosa•S-fosfato - - - - - Fenilalanina -Tirosina - - - - Triptófano Histidina Figura 15-7. Familias de aminoácidos y precursores de Las mismas. FAMILIA DE LOS AROMÁTICOS FAMILIA DE LA HISTIDINA 1 li 1¡' 1 Recuadro 15-2. Enfermedades del metabolismo de aminoácidos Existe un gran número de enfermedades relacionadas con el metabolismo de los aminoácidos, entre ellas cabe destacar: • Homocistinuria: deficiencia en la cistationina sintasa o en la metionina sintasa, que induce aumento de homocisteina y metionina. Por la falta de enlaces disulfuro entre las proteínas se producen alteraciones esqueléticas: osteoporosis, tórax en quilla, tórax excavado. También origina tromboembolia, dislocación del cristalino y miopía. Cuando es severa conduce al retraso mental. Puede ser causa de aterogénesis y complicar los depósitos de ateromas en las arterias. • Fenilcetonuria: es un déficit hereditario de la fenilalanina hidroxilasa. La fenilalanina se acumula en concentraciones muy elevadas, por el bloqueo de la conversión en tirosina, y sus productos de excreción (fenilacetato y ácido fenilpirúvico) dan un olor peculiar en la orina. Gran parte de esa fenilalanina se metaboliza a través de rutas que normalmente son po.co utilizadas. Si no se detecta y, por tanto, no se trata, la fenilcetonuria da lugar a un retraso mental prefundo; pero, si se detecta de forma precoz, se puede evitar este retraso mediante una alimentación con bajo contenido en fenilalanina y rica en tirosina, con objeto de permitir el desarrollo normal del sistema nervioso. Puede haber pérdida de pigmentación por inhibición de la tirosinasa, lo que origina eczemas y lesiones cutáneas. • Albinismo: es una alteración genética que ocasiona defecto en la producción del pigmento melanina o en su distribución. Normalmente ocurre por déficit de tirosinasa, de tal manera que no se transforma la tirosina en melanina. La falta de melanina se puede presentar de dos formas: ocular, con falta de pigmento en la retina; y oculocutánea, más severa. Afecta al cabello, a la piel y al iris, que aparece blanco o rosado. Los albinos presentan fotosensibilidad y alteraciones visuales. • Enfermedad de Harnutp: alteración en el transporte de aminoácidos neutros. Sintomatología causada por la pérdida de triptófano: picores, fotosensibilidad, pelagra, déficit del NAo• y formación de indicán, que tiñe las heces de azul ("síndrome del pañal azul"). Normalmente se encuentran concentraciones muy elevadas de triptófano y alanina en la orina. • Enfermedad del jarabe de arce: los pacientes excretan cetoácidos e hidroxiácidos ramificados, dando un característico olor dulzón a la orina. Producen acidosis y cetoacidosis en neonatos y niños; en gran porcentaje acaban en retraso mental y muerte en pocos años de vida. También produce problemas musculares. En algunos casos responden al tratamiento con tiamina en alta concentración. ..· Familia de la serina (3-fosfoglicerato). El 3-fosfoglicerato es un intermediario de la glucólisis que aporta el esqueleto carbonado para la síntesis de la serina, que obtiene el grupo amino por transaminación con el glutamato. La serina origina la glicocola o glicina por efecto de la serina hidroximetiltransferasa, enzima que requiere pirodoxal fosfato y tetrahidrofolato como cofactores. La serina y la glicocola son precursores de diversos compuestos como la etap.olamina o la colina, grupo polar necesario para la síntesis de fosfoglicéridos . La serina también intér"Viene' en la síntesis de cistdna para la cual se requieren dos enzimas, \¡a acetiltransferasa y la o-acetilserina sulfhidrolasa, que se encarga de introducir el átomo ge azufre. CAPÍTUL<;> 15. MET~~OLISMO · DE LOS COMP~ESTO~ NITROGENADO,S ·291 Familia del piruvato (afanina). Muchos aminoácidos pueden reaccionar con el piruvato a través de distintas transaminasas originando alanina, pero, sobre todo, se origina a través de la GPT/ALT. Además el piruvato es el precursor de la valina y 1~ leucina, a través de un intermediario común que es el a-cetoisovalerato. Familia de los aromáticos (fos{oenolpiruvato y eritrosa-4-P). Los aminoáci- : dos aromáticos, fenilalanina, tirosina y triptófano, se forman a partir del fosfoenolpiruvato (intermediario de la glucólisis) y de la eritr"osa-4-fosfato (un intermediario de la ruta de las pentosas fosfato). Dicha ruta de síntesis conduce a la formación de un compuesto intermediario, el corismato, ·del cual derivan los tres aminoácidos aromáticos, si bien la síntesis de fenilalanina y a la tirosina todavía comparte otro compuesto común: el prefenato. Familia de la histidina (ribosa-5-P). La biosíntesis de histidina es una ruta compleja que se . caracteriza por estar formada por once pasos metabólicos no ramificados, en la cual se parte de la ribosa-5-P (intermediario de la ruta de las pentosas fosfato). Función precursora de los aminoácidos Los aminoácidos, además de tener un papel muy destacado como ·base para la síntesis de proteínas, son precursores de varias biomoléculas muy importantes (Fig. 15-8). Entre ellas destacan las síntesis de nucleótidos (que se estudiará al final del capítulo) y la formación de neurotransmisores u hormonas. Algunos aminoácidos como la serina colaboran en la síntesis de lípidos, por ejemplo, en la formación de esfingosina, tal y como se describió en el capítulo de metabolismo de lípidos (véase Recuadro 14-3). A continuación se detallan _a lgunas de las principales funciones precursoras de los aminoácidos. O los aminoácidos tienen un papel muy importante como base para la síntesis de proteínas, si bien tienen otras muchas utilidades y funciones. .. . Síntesis de porfirinas (grupo hemo). La vía de síntesis de porfirinas y del grupo hemo parte de aminoácidos diferentes según se trate de animales o bacterias y plantas. Las bacterias y las plantas utilizan el gfutamato para sintetizar sus porfirinas. En el caso de los animales, la glicina es el punto de partida, y reacciona con succinil CoA mediando la correspondiente sintasa, para originar el 8-aminolevulinato (8-AIA). Para formar el anillo pirrólico se tienen que condensar dos moléculas de 8-ALA, y gracias a una eÚzima deshidratasa se forma el porfibilinogeno. Cuatro porfobilinógenos reaccionan en una desaminación mediante la porfobilinógeno desaminasa dando un tetrapirrollineal, que se va ciclando para generar el uroporfirinógeno III. El uroporfirinógeno III se convierte en protoporfirina IX mediante sucesivas transformaciones: se producé la modificación de las cadenas laterales del tetrapirrol para hasta dar origen a la secuencia MVMVMPPM (M= metil, V= vinil, P = propionico) y, además, SÍNTESIS DE PORFIRINAS ~- SÍNTESIS DE AMINAS BIOLÓGICAMENTE ACTIVAS (Neurotransmisores) "" 1 FUNCIÓN PRECURSORA AMINOÁCIDOS SÍNTESIS DE HISTAMINA / SÍNTESIS DE CREATINA Y CREATININA HORMONAS TIROIDEAS / SÍNTESIS DE MELANINAS r SÍNTESIS DE PROTEINAS Figura 15-8. Papel precur~or de los aminoácidos. 292 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO CELULAR una deshidrogenasa produce conjugaciones de alternancia de dobles enlaces, originando la ·modiflcación de los dobles enlaces de los anillos pirrólicos. Finalmente-, se origiqa el grupo hemo;por-unión .de un átomo de hierro, mediante la ferr_oquelatasa. - . . . - . , . _Las porfirin.as son coloreadas y absorben luz en el UV visible. Son estructuras comunes tanto a la síntesis de clorofila en las plantas, como a la síntesis de la vitamina B 12 y de la hemoglobina en animales. Alteraciones en la sínt.esis del gn.~po hemo producen las patologías conocidas como porfirias (Recuadro 15.-3) . Sí~tesis de creatina y ~reatinina . .La creatina es un nutriente esencial para los músculos, form.a do a partir de glicina y arginina en el hígado.-Es la fuente directa e. inmedi<!-ta para regenerar ATP en las células musculares de los vertebrados y de algunos invertebrados, donde se almacena como reserva en forma de fosfocreatina o creatina fosfato. Esta reserva.es necesaria para d~sarrollar energía muscular rápida¡.nente, en. caso de demanda de ·. energía muscular anaeróbica urgente. La creatinina es un compuesto orgánico_ generado en la degradación de la creatina. Es un producto de desecho del metabolismo normal de los músculos que usualmente es producido en el cuerpo en una tasa muy constante (dependiendo de la masa 'de los músculos) y, normalmente, filtrado por los riñones y excretado en la orina. La medición de la creatinina es la manera más simple de monitorizar la correcta función de los riñones. Derivados de aminoácidos. A partir de los aminoácidos se obtienen multitud de pequeñas moléculas de gran importancia para el funcionamiento correcto de los organismos: • Derivados del triptófano: la serotonina, que regula el peristaltismo intestinal, actúa como vasoconstrictor, regula el SNC y ayuda a regular el sueño y la vigilia; y la melatonina, que también regula el sueño y la vigilia. • Derivados del glutámico: GABA o ácido y-aminobutírico, que interviene en la transmisión del impulso nervioso, es el principal neurotransmisor inhibitorio cerebral. • Derivados de la tirosina: - Catecolaminas: como Dopa, dopamina, noradrehalina y ~drenalina, implicadas en la transmisión del impulso nervioso. -:- Melaninas rojas y negras. -Hormonas tiroideas: triyodotironina (T3) y tiroxina (T4). -• A partir de serina y glicina se forman compuestos muy activos metabólicamente,-, tales como bases nitrogenadas,- glutatión, esfingosina, y además, grupos polares como la etanolamina, serina y colina, necesarios para la síntesis de los fosfoglicéridos de las membranas biológicas. Por último, se destaca que muchos aminoácidos (entre ellos los aminoácidos aromáticos) son origen de compuestos con gran interés medico o farmacéutico como, por ejemplo, los alcaloides (morfina y opiáceos). Recuadro 15-3. Enfermedades relacionadas con el grupo hemo • Porfiria intermitente aguda: se produce por un déficit de uroporfirinógeno que están afectados el hígado y el bazo. 1 sintasa. Causa dolores abdominales agudos e intermitentes ya • Porfiria eritripoyética congénita: está afectada la cosintasa de uroporfirinógeno 111. Algunos de sus síntomas son: orina rojiza, piel fotosensible con pocas defensas contra los rayos UV, y anemia por la destrucción de los eritrocitos. Los pacientes necesitan, por tanto, someterse a transfusiones continuamente. • Ictericias: por acúmulo de bilirrubina, los glóbulos rojos están cargados de grupos hemo. El grupo hemo procedente de la hemoglobina de los glóbulos rojos se degrada, y sufre la apertura de su anillo mediante hidrogenación, formando la biliverdina. Su reducción genera la bilirrubina, que será transportada en sangre, junto con albúmina sérica, hasta el hígado. Cuando llega a este órgano, se conjuga con dos azúcares (UDPglucuronato) para dar lugar al diglucurónido de bilirrubina, que podrá ser excretado vía urinaria o vía fecal. Este compuesto sufre una serie de transformaciones formando otros compuestos que dan el color característico a las heces y a la orina (urobilinogenos y coprobilinogenos). Cuando hay un fallo hepático, la persona presenta un color amarillento debido a la excesiva presencia de bilirrubina en la piel y otros órganos, como los globos oc~:~lares. Esto es frecuente en niños prematuros cuya función hepática es incompleta. ~APÍTULO 1S. METABOLISMO" DE LOS COMPUE~TOS_NITRQGEN_ADOS 0 293 EL METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS · · Los nucleótidos, tal y como se ha visto en ·el capítulo 6, ·son compuestos formados por un grupo fosfato, un azúcar y una base nitrogenada. Estos compuestos son de gran importancia como sillares· para·la formaCión de los ácidos nucleicos, moléculas imprescindibles· para el almacenamiento y transmisión de la informa- . ción genética de un organismo. Pero los nucleótidos, además, desempeñan otros · muchos papeles vitales para las -células: como m·ensajeros secundarios {AMPc), como transportadores de energía (ATP), como transportadores de ácidos grasos (coenzima A) y como coenzimas (FAD). En la formación de las-bases nitrogenadas que componen los nucleótidós intervienen de forma relevante distintos aminoácidos. En la figura 15-9 se ·muestra la procedencia de los átomos de carbono y nitrógeno que forman· parte de las estructuras químicas de las bases púricas y pirimidínicas. Debido a la gran com~ plejidad de 'las rutas del metabolismo de los nucleótidos, este capítulo se limitará a esbozar una serie de nociones claves para entender el metabolismo de estos compuestos. Tanto para la síntesis de los desoxirribonucleótidos como para -los ribonucleótidos existen dos vías complementarias de síntesis: · ~n la formación de las bases nitrogenadas intervienen de forma relevante distintos aminoácidos. • Rut~s de salvamento: constituyen la fuent~ fundamental dé ~~deótiqos en organismos superiores. Están ligadas a las vías de degradación. d~ nucl~óti­ dos, de las que utilizan productos intermedios para la síntesis d~. nuevos nucleótidos. Su importancia se debe a la gran cantidad de nucleótidos que producen y al hecho de que se pueden reproducir artificialmente para el diseño de fármacos antimicrobianos y aritibacterianos. . . . • Síntesis de novo: ruta que requiere la ribosa-5-P, que, junto c<;m . la reacción de las nuevas bases nitrogenadas proporcionará los diferentes ribonucleótidos. La reducción del carbono-2' de los ribonucleótidos dará como resultados los desoxirribonucleótidos. Esta ruta es común desde las bacterias hasta los seres humanos. O Existen dos mecanismos para obtener nucleótidos: la síntesis de novo y las rutas de salvamento. La degradación de los nucleótidos La mayoría de los alimentos contiene ácidos nucleicos que -se degradan en el duodeno dando nucleótidos, por acción dé las nucleasas pan"creáticas y ·las fosfodiesterasas intestinales. Una gran variedad de enzimas.hidrolizan"los nucleótidos a nucleósidos para que puedan ser absorbidos por la mucosa intestinal. Se degradan a bases nitrogenadas libres y ribosa, o ribosa-l : fosfato por la-acción de varias nudeosidasas y fosforilasas. Muy pocas de las·· bases ingeridas serán incorporadas a nucleótidos; la mayoría se degradan. a ácido úrico y se excretan a la orina. El resto de purinas de la dieta son metabolizadas por la flora intestinal. (a) [ Glicocola / ""- N0 c >-- e__. 1 ,----,~ Formiato ] 11 N~ . C- e~ . . .-: e-....N; N ,....·- - - - - - , [ Formiato o -. R-e~ . ,.. ~' .. ' o- O· H-e~ 'o- (b) Figura ··,s: 9. Pr~cedencia de los<carbonos y 'nitrógenos-'de las bases nitrogenadas pú"rica~ (a): y pi.rimidínica~ (b) ~qué formarán los nucleótidos. · --294 SECCIÓN 111. El METABOLISMO CELULAR En cuanto. a la -~egradación .metab~lica, sobre los ácidos nucleicos actúan endonucleasas y exonucleasas para generar nucléotidos. Los nucleótidos de purina sufren una eliminación secuencial que produce ácido úrko cómo producto final del catabólismo en humanos (Fig. 15~10). La adenosina-5-rrionofosfaro (AMP) presenta dos vías distintas de degradación dependiendo del :tejido: · ,. Ruta general, que ocurre en la· mayoría de tejidos: una nucleotidasa libera el grÜpo ·fosfato y se· forma un riucleósido <;le adenosiria que sufrirá una d ésaminación, mediante- la adenosina desaminasa, transformándose en -- inosina . . • En el tejido muscular, se realiza primero la desaminación, pasando a inos~na monofosfato (IMP), que sufrirá una desfosforilación para obtener · inosina. úric~ c:fEl ácido es el compuesto final de la· degradación de las bases púricas en el hombre. La inosina, punto de confluencia de ambas vías, perderá el azúcar fosfato (la ribosa) pasando a ·hipoxantina (purina oxidada libre) que, tras una oxidación originará xantina, y tras una segunda oxidación dará ácido úrico. · La guanqsina monofosfato (GMP), mediante una serie de reacciones catalizadas por distintos enzimas, se desfosforila pasando a guanosina; ésta pierde el azúcar, y -da guanina que se desamina originando xantina. La xantina es un punto común en la degradación del AMP y GMP y, como se ha descrito, se oxidará formando ácido úrico. En muchos animales este ácido úrico es el compuesto final que se eliminará por vía urinaria, como ocurre en el hombre y en el resto de primates. Sin embargo, en otros animales, el ácido úrico pasa a alantoína, posteriormente a alantoico y, finalmente, a urea e incluso a amoníaco. Cada uno de estos compuestos es el producto final de degradación· en ciertos animales; como en los peces teleósteos, que suelen eliminar alantoico; mientras que los peces cartilaginosos eliminan urea al igual que los anfibios. El acido úrico es el causante de la gota (Recuadro 15-4). La degradación de los nucleótidos de pirimidina es más sencilla: origina dihidrouracilo que, por una ·serie de reacciones, se transformará en . ~-alanina, producto que se emplea como precursor en la biosíntesis de la Coenzima A. Excretado por. Primates, Aves, Reptiles, Insectos NH 3 --/-;;1"------1 AMP 1 Nucleotidasa H,o p. \... v- H,O Nucleotidasa ~P¡ 1 Adenosina 1 Adenosina desaminasa ,} , 1 F= H,o 1 Guanina desaminasa Ribosa-1 -G 2 2 H 11 _O_\;::....-)::;...H-0 -· } Xantina oxidasa HC~ .,.....c-..N N H Alopurinol Hipoxantina (forma enol) 1 Mayoría de H,o los mamlferos ~P; Guanosina P; N.rc'c-c\\ 1 v- 1 1 Peces telósteos F= y 1 Guanina 1· OH 1 1 Nucleósido de purina fosforilasa ~NH 3 lnosina Nucleósido de purina fosforilasa 1 v- GMP 1 Hipoxantina .l . 1 cartilaginosos Invertebrados marinos 4NH¡ NH 3 "N~N).' Xantina Anfibios, Peces Urea ..~ 2C0 1 H,O . OÁNJ___ H H. 1 ~::~t~::o o, H,o, \) Xantina oxidasa 1 Ácido úrico o Figura 15-10. Degradación de nucleótidos de purina. 1 \ CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS 295. Recuadro 15-4. Enfermedades asociadas a los nucleótidos • Gota o artritis gotosa: La enfermedad de la gota está motivada por múltiples eausas, pero siempre es la consecuencia del acúmulo de ácido úrico. Las concentraciones séricas normales de ácido úrico están en tor[lo a los 3-4 mg/dl. La concentración elevada en sangre de urato monosódico se conoce como hiperuri<:emia. La sobresaturación en los líquidos extracelulares produce depósitos de urato monosódico y cristales de ácido úrico cuando se supera el límite teórico de solubilidad (alrededor de los 6,5 mg/dL). Estos depósitos constituyen el evento fisiopatológico de la gota, que causa artritis, tofos (agregación de cristales) y urolitiasis (cálculos renales). La gota afecta predominantemente a hombres de mediana edad y está asociada a múltiples deficiencias aún no bien caracterizadas. Se ha relacionado con un exceso de purinas en la alimentación, pero también con un incremento de la síntesis de novo, con la afectación del aclaramiento renal del ácido úrico (también llamado excreción fraccionada de ácido úrico -Feur-, parámetro que, en condiciones normales, está en torno a un 8%, mientras que los enfermos disminuye al 5%) e incluso con alteraciones genéticas que ocasionan el déficit de HPRT (hipoxantina fosforribosiltransferasa) o la hiperactividad de la PRPS (fosforribosilpirofosfato sintetasa). La gota se trata con alopurinol, un inhibidor competitivo de la xantina oxidasa. • Síndrome de Lesch-Nyhan: Se origina por un déficit completo de la hipoxantina fosforribosiltransferasa (HPRT). Es un trastorno hereditario muy grave que afecta al gen de la HPRT, que produce una hiperuricemia aguda razón por la que los pacientes no suelen superar los 20 años de edad. Provoca una degeneración neuronal y lleva a un retraso mental muy severo y conducta agresiva y autolesiva. También produce gota, anemia macrocítica y problemas psicomotores. Hoy en día no tiene cura y su única solución podría proporcionarla, algún día, la terapia génica. Los paeientes suelen mor-ir por una insuficiencia renal generada por urato sódico. • Aciduria orótica: Se debe al déficit de la UMP sintasa (una enzima bifuncional: OPRT, ácido orótico fosforribosiltransferasa; y ODC, orotidina5'-monofosfato descarboxilasa). El fallo de la enzima lleva a la acumulación de ácido orótico, originando los siguientes síntomas: anemia megaloblástica, retraso del desarrollo y del crecimiento, malformaciones cardiacas, estrabismo bilateral y debilidad músculo esquelética. El cuadro clínico está relacionado con trastornos de CDP y UDP, neGesarios para la síntesis de lípidos, glucógeno y la utilización de galactosa. Rutas de salvamento Cuando un ácido nucleico se degrada por endonucleasas, ya sean ribonucleasas o desoxirribonucleasas, se obtienen oligonucleótidos (fragmentos de pocos nucleótidos). Sobre estos oligonucleótidos actuarán las exonucleasas, que liberan nucleótidos. Los nucleótidos libres sufren un proceso de hidrólisis por el que se elimina el fosfato, quedando como nucleósidos sencillos. Las ruta de salvamento o de rescate vuelven a añadir a estos nucleósidos un grupo fosfato por efecto de la nucleósido-quinasa dependiente de ATP. Así, se generan nuevos nucleótidos trifosfato que serán· utilizados -en la síntesis de ácidos nucleicos. Como ya se ha estudiado, los nucleósidos pueden romperse en un azúcar más una base nitrogenada mediante enzimas nucleósidos fosforilasas. Estas bases nitrogenadas pueden transformarse en otros compuestos, como ácido úrico, o ser utilizadas para volver a formar un nucleótido. La reacción que transforma el mononucleótido en base nitrogenada está controlada por la enzima fosforribosil transferasa y es una reacción reversible. Para el proceso de transformación de base a nucleótido, se requiere la utilización del fosforribosilpirofosfato (PRPP), un azúcar fundamental para las rutas de salvamento, que se ha sintetizado gracias a la fosforribosilpirofosfato sintetasa (Fig. 1 ~ -lla) a partir de ribosa-5'-fosfato y de ATP. El PRPP se encarga de regenerar los nucleótidos monofosfato, ya que es esencial para la transferencia de la base al C-1 del azúcar, activando el compuesto y liberando el PP; para así obtener energía. La enzima más habitual es la hipoxantina fosforribosiltransferasa, que transfiere la hipoxantina o la guanina a la fosforribosa, originando la inosina-5'-monofosfato (IMP o ácido inosínico) o la guanosina-5'-monofosfato (GMP) (Fig. 15-llb) . Síntesis de novo La síntesis de nuevos nucleótidos de purina, que son el AMP y el GMP, consta de dos partes: • Una parte común donde, a partir del PRPP, se forma el ribonucleótido intermediario IMP. • Una parte ramificada, a partir de IMP, en la que se obtienen los nucleótidos de AMPo GMP, por pasos distintos. En la parte común, el proceso se inicia en presencia del azúcar de cinco _carbonos, PRPP, y los aminoácidos glicina, glutamina y aspartato, necesarios para construir el núcleo de purina. En la ruta hay distintos puntos en los que ocurren sucesivas transaminaciones y transferencias de glicina. También se necesitan O las rutas de salvamento permiten reciclar bases nitrogenadas que iban a ser degradadas y sintetizar nucleótidos. f;.. _¡> U En la síntesis de novo de nucleótidos se requiere energía y diversos aminoácidos. -c:fEn la síntesis de los nucleótidos de purina se origina un primer - nucleótido que es el IMP. del que derivan los demás nucleótidos de purina. 296 SECCIÓN 111. EL METABOLISMO' CELULAR ,. - " " s~. fosforribosilpirofosfato sintetasa -. -(a)· . PRPP._.. ....Sinteta· . . .... . ~ ' 1· Ribosa-5-P + ATP 11 ·. -o-r~o-~ o . . •. . .. H , ·H · H HO ·oH ATP Hipoxantina 1 O H .H H -- . HO . 1 o o ~_) '"dx) "Ó:) o PP, PRPP ~ 11 11 O-P-O-P-01 1 ooOH lnosina monofosfato (IMP) 1 . '. .. - ., OH ·(b) HPRT, hipoxantina fosforribosiltransferasa 1 -o-r"oc'Ol' oo AMP '\_ ' _) . . 1 Fosforribosilpirofosfato (PRPP) + AMP o 11 - ·- \'• l ··-. 1 o ·. • ld - -o-Í-o 11 H o- o H H . H H OH HO .. Guanina 1 1 1 Guanina monofosfato (GMP) 1 CtN o o Figura 15-11. (a) Mecanismo de actuación de la fosforribosilpirofosfato sintetasa. (b) mecanismo de actuación de la hipoxantina fosforribosiltransferasa. PRPP :6=> H¡ PP, \_ _) H O . ' ) -o-~-oid o- H H H H HO OH ' -· ·• .. H~N H - otros átomos de carbono que son aportados por el N 10-formil H 4 folato. En esta compleja ruta, que consta de diez pasos, van interviniendo todos los compuestos necesarios para la síntesis de purina, hasta llegar al último compuesto de esta parte de la síntesis, el FAlCAR (N-formilamino-imidazol-4-carboxamida ribonucleótido) que, .ciclándose, forma el anillo de purina, dando el primer nucleótido de purina: el IMP (Fig. 15-12). Una diferencia importante con la síntesis Azúcares- Ribosa- -P 5 _t Aminoacidos Fosforibosilpirofosfato fosforrlbosilpirofosfato PRPP sintetasa a Gln, Gly, Aspl 2 Formtato lnositato IMP co, Oroto fosforribosi\transferasa - Acido Orótico (base nitrogenada) Aspartato (aa) Figura · 15-12. ·siosíntesis · de inositato y uridinilato. · · ~ Gli.Jtamina (aa) ~1 ~ Carbomon fosfato Orodinilato OMP Oroto descarboxitasa co, Uridinilato UMP \ CAPÍTULO 15. METABOLISMO DE LOS COMPUE_STOS NITROGENADOS de pirimidinas es que, en las purinas, el anillo -de ·la base ni'trogenadá se ·forma sobre el azúcar (ribosa-P) ya unido, originándose el nucleóti<~o directamente; mientras que, en la síntesis de pirimidinas, se forma primero la base nitrogenada y posteriormente se une al azúcar fosforilado dando el nucleótido. El punto de regulación más importante es el primero de la ruta, catalizado por la PRPP amidotransferasa. Los nucleótidos finales (AMP y GMP), cuando· están -en elevadasconcentraciones, inhiben alostéricamente esta primera enzima de la vía. Al sintetizarse el IMP, la ruta se bifurca para acabar en los dos nucleótidos· derivados de purina típicos de los ácidos nucleicos, AMP y GMP, pasando respectivamente en cada caso por compuestos intermedios: adenilosuccinato y xantilato. Una vez obtenidos el AMP y GMP se pueden sintetizar el resto de los nucleótidos de purina, incluidos los desbxirriboriicleótidos, por acción de la ribonucleótido reductasa (Fig. 15-13). La síntesis de los nuevos nucleótidos de pirimidina difiere de la síntesis de los nucleótidos de purinas en que lo que se sintetiza primero es la base nitrogenada conocida como ácido erótico u orotato, a partir de aspartato y carbamoíl-P. El carbamoíl-P se sintetiza habitualmente en mamíferos por la acción de lacarbamoíl-P sintetasa 11 citosólica, a partir de C0 2 y el grupo amino de la glutamina. Una vez formado el ácido erótico, éste se une al fosforribosilpirofosfato para sintetizar un primer nucleótido: la orotidina-5' -monofosfato o orotidilato (OMP) , el cual, por descarboxilación, forma el primero de los nucleótidos de pirimidina: la uridina-5'-monofosfato (UMP) (véase Fig. 15-12) . La acumulación de ácido erótico produce la aciduria erótica (véase Recuadro 15-4). A partir del UMP, y mediante enzimas específicas, se obtienen los demás nucleótidos como la citosina-5' -monofosfato (CMP), y los desoxirribonucleótidos como, por ejemplo, la desoxitimidina-5'-monofosfato (TMP) (Fig. 15-14). 297 O En la síntesis de los nucleótidos de pirimidina se forma primero una base nitrogenada (el ácido erótico) que originara un nucleótido, el OMP, del que derivan los demás nucleótidos de pirimidina. ---~---- Biosíntesis de desoxirribonucleótidos En cualquier célula se encuentran entre 5 y 1O veces más cantidad de RNA que de DNA, ya que los nucleótidos que componen el primero son las bases para la síntesis del segundo, que se forman a partir de los .nucleótidos difosfato, es decir, ADP, GDP (de purina), CDP y UDP (de pirimidina) (véanse Figs. 15-13 y 15-14) . A partir de ellos, y mediante la NDP reductasa (rNDP; enzima común para todos los nucleótidos), se transforma la ~-ribofuranosa de los ribonucleótidos en ~-desoxirribofuranosa de los desoxirribonucleótidos, con pérdida de un hidroxilo (-OH). Esta enzima necesita para su actuación la colaboración de una pequeña proteína, conocida como tiorredoxina, que actúa como transportador de O los desoxirribonucleótidos se forman habitualmente a partir de los nucleótidos difosfato mediante la actuación de la NDP reductasa. Fumarato 1 Adenilosuccinato \,_ •1 AMP Adenilosuccinasa 1 Quinasa IADP I ~ Quinasa Aspartlto · GTP Ribo; ucleótido reductasa j Adenilosuccinato sintasa 1 dADP \ \ ~~hidrogenasa Glutamina l'x_a_n-to-s-in_a_s-m __o_n_of_o_sfa_to'l ~~ Quonasa 1 dATP 1 Glutamato \J.¡ GMP sintetasa GMP 1 Quinasa ~ Quinasa @D ¡~~ 1 dGDP ~~ ~ Qwnasa dGTP · 1 Figura 15-13. Biosíntesis ~e los nucleótidos de purina. · - · 298 SECCIÓN 111. El METABOLISMO. CELULAR ·, UMP. I . 1 1 QUinasa ~ Ribonucleótido ~ reductag ~UDPasa ~ ~ ~ iTP Glutamato i desammasa ~ · 1k1 dTMP ~~ 1dTIP / sintaQ 1 Quinag / 1 dCMP 1 ~DPag CTPag ~ Metil (Tetrahidrofolato) 1 dUMP Desoxicitidilato CTP sintetasa . ~ P, 1 ldUDPI ~Qui~ag Glutamina dUTP ~nag (§_l -l . Ribonucleótido reductasa 1 dCDP 1 ~;·~~ Figura 15-14. Biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina. 1 dCTP 1 hidrógenos procedentes del NADPH + H+. Posteriormente, reciben un fosfato y se transforman en dNTP. Solo h ay una excepción : los desoxirribonucleótidos de timina, q ue se originan a partir del dU MP, dando dT MP. CONCEPTOS CLAVE El metabolismo de los compuestos nitrogenados abarca todas las rutas en que están implicados compuestos como las proteínas, aminoácidos, nucleótidos, porfir-inas, neurotransmisores, hormonas, fosfocreatina y muchos más. o La digestión de las proteínas comienza en el estómago, continúa de forma importante a nivel intestinal y finaliza dentro del enterocito. o El recambio proteico hace referencia a la degradación intracelular de las proteínas, destacando los mecan ismos de proteólisis lisosómica y del proteosoma. · o El proceso de degradación de los aminoácidos implica dos fases: la eliminación del nitrógeno y la eliminación del esqueleto carbonado. o Las transaminasas o aminotransferasas son enzimas muy importantes en la degradación y también en la síntesis de aminoácidos. o La mayoría de los aminoácidos son desaminados por transaminación , formándose siempre glutamato. La glutamato deshidrogenasa es la enzima responsable de la desaminación del glutamato. o Los seres ureotélicos, como el hombre, eliminan el nitrógeno de los aminoácidos en forma de urea en la orina. El amoníaco es especialmente tóxico para el cerebro. o La molécula de urea presenta dos átomos de nitrógeno, y se forma por un mecanismo cíclico denominado ciclo de la urea, que solo se da íntegramente en el tejido hepático. o Una vez eliminado el grupo am ino, el sigu iente paso en la degradación de los aminoácidos es hidrolizar el resto del esqueleto ca rbonado. Los aminoácidos se pueden clasificar en glucogénicos y cetogénicos atendiendo al producto final de la degradación de su esqueleto carbonado. o o Existen numerosas patologías relacionadas con la síntesis y la degradación de aminoácidos. En la formación de las bases nitrogenadas intervienen de forma relevante disti ntos aminoácidos. o El ácido úrico es el compuesto final de la degradación de las bases pú ri cas en el hombre. ~ 1' 'ii .:. ., .~ .• ' · ' h~ ·J ... . .; \ .. ' ., ~ ;:~;- ~· ~. ~ · Las;t:u}as..~'e s~l~9me·~¡~ to permiten reciclar bases nitroge r.:~ adas que iban a ser degradadas y sintetizar nucleótidos . ~·- ~ ....... -.~- .-.~~-::-·~· · ',(.;_::,;~:. ~} CAPÍTULO 15. METABOLISMO. DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS 0 299 EJERCICIOS Realice el balance total del ciclo de la urea. SOLUCIÓN . Según se tenga o no en cuenta la reacción de la carbamoíl fosfato sintetasa 1: NH; + CO, + 3 ATP + Asp + 2 H20 ----. Urea+ 2 ADP + 2 P; + AMP + PP; + Fumarat<;¡ 2 NH; + C0 2 + 3 ATP + 3 H,O ----. Urea+ 2 ADP + A MP + 4 P; 1m Rellene las cuestiones: S) 1) Las proteínas pueden ser marcadas para su degradación por unión covalente de - - - ' - - - - - -· 2) La mayoría de los aminoácidos son desaminados por una reacción de _ _ _ _ __ 3) El fumarato formado en el ciclo de la urea se tranforma en malato y después en _ _ _ _ _, para su incorporación a la gluconeogénesis. 4) Los aa cetogénicos son degradados hasta acetoacetato o 0 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN lliJ ¿Cuál de las siguientes enzimas no degradan proteínas en el in- IIIJ Si su dieta es rica en alanina pero deficiente en aspartato ¿presentará signos de deficiencia en aspartato ? 1m Si su dieta es rica en tirosina pero deficiente en fenilalanina ¿presentará signos de deficiencia en fenilalan ina? ¿y si fuera al revés? 11:11 ¿Cuál de los siguientes mecanismos sirve para el transporté de nitrógeno por la sangre?: a) Ciclo de Cori. b) Ciclo de la glucosa-alanina. e) Ciclo de la urea. d) Ciclo citrato-piruvato. testino?: a) Tripsina. b) Elastasa. e) Pepsina. d) Quimiotripsina. 1m) La fijación de nitrógeno inorgánico puede llevarse a cabo por': a) Glutamato sintasa. b) Glutamato deshidrogenada. e) Aspartato sintetasa. d) Glutamina deshidrogenasa. IIIJ El oxalacetato es el precursor de los siguientes aminoácidos: a) b) e) d) Aspártico y serina. Aspártico y lisina. Asparagina y histidina. Fenilalanina y triptofano. 1m Los aminoácidos son precursores de: a) b) e) d) Proteínas. Hormonas. Neurotransmisores. Todas son verdaderas. IJil1 El ciclo de la urea se da: a) b) e) d) En En En En todo s los tej idos. el intestino, riñón e hígado. los hepatocitos. el riñón . Los neurotransmisores DOPA, dopamina, adrenalina, y noradrenalina son sintetizados a partir de la _ _ _ __ I]¡IJ ¿Cuál de los siguientes compuestos es el principal producto de degradación de las bases púricas en los primates y en el ser humano?: a) Acido orótico. b) Urea. e) Acido úrico. d) Amonio. mlJ ¿De dónde proceden los carbonos de las bases pirimidínicas?: a) b) e) d) ~ Glicocola, form iato y co, CHCO)). Aspartato y co, (HCOj'). Glicocola, aspartato, formiato y co, (HCOj'). Glicocola, aspartato, glutamina, formiato y co, (HCO)). ll1iJI ¿De dónde proceden los nitrógenos de las bases púricas?: Glicocola y form iato. b) Aspartato y glicocola. e) Glicocola, aspartato, formiato. d) Glicocola, aspartato y glutamina. a) DII!] La síntesis de l a) dNTPs. b) dNDP ~ . e) NTPs. d) NDPs. DNÁ'~se realiza a partir de: QRN~~~~~ DliLIQTiCA FUNDACCIIU5 \ \ .1 / \ GENES Y GENOMAS o CONTENIDOS o o o OBjETIVOS DEL APRENDIZAjE La información genética o La estructura de los cromosomas eucariotas o Analizar los diferentes tipos de secuencias presentes en el DNA euca- Conocer y comprender la complejidad de los genomas procariotas, eucariotas y virales. riota. o o Conocer la estructura de los cromosomas. o Valorar la importancia de la relación entre el estado de empaquetamiento de los cromosomas y la fase del ciclo celular. Comprender los diferentes estados del empaquetamiento cromosómico. , Este es el primer capítulo de la sección IV y última del libro. Esta sección centra en el flujo de la información genética. Una vei estudiadas las biomoléculas que forman parte de los seres vivos, sus funciones celulares y su papel en el metabolismo, esta sección se ocupa del estudio de los genes y genomas, y de cómo se expresa y regula la información genética contenida en éstos. En este capítulo se analizan los genomas de los distintos tipos de organismos, tanto procariotas como eucariotas y virales. Una vez conocida su complejidad, el texto ocupa del estudio del DNA eucariota, analizando su estructura y niveles de empaquetamiento en la célula. El conodmiento de estos aspectos permite comprender mejor la replicación y reparación del DNA (Capítulo 17), así como la expresión y regulación génica (Capítulo 18). La correcta expresión de la información genética contenida en los seres vivos hace posible el adecuado desarrollo de todas las funciones celulares, y el mantenimiento de la vida. 304 SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 0 LA INFORMACIÓN GENÉTICA Genes y genomas O Un gen es un segmento de DNA que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína o de un RNA. O El material genético de las células eucariotas está distribuido en cromosomas. Cada uno de ellos está formado por una única molécula de DNA. Un gen es un segmento de DNA que codifica la secuencia primaria de un producto -final, sea una proteína o un RNA, con función estructural o catalítica. El DNA contiene también otros segmentos o secuencias con función puramente reguladora. Las secuencias reguladoras actúan como señales que permiten identificar el principio y el final de los genes, influir en su transcripción o funcionar como puntos de inicio de la replicación o la recombinación. El material genético de un organismo constituye su genoma. Se trata de un conJunto único y completo de información genética. Prácticamente todas las células de un organismo multicelular contienen el mismo material genético. La figura 16-1 muestra la organización general de los genomas de eucariotas, procariotas y virus. En las células eucariotas, el material genético está distribuido en unidades denominadas cromosomas. El conjunto de cromosomas presentes en organismos de la misma especie posee un número cromosómico y una· apariencia característicos. Cada uno de los cromosomas de una célula eucariota contiene una única molécula de DNA muy larga. Además, cada cromosoma eucariótico contiene un conjunto característico de genes. Muchos animales y plantas son diploides, es decir, contienen dos juegos completos de cromosomas, agrupados por parejas. El número de cromosomas del conjunto genómico básico se denomina número haploide (se designa como n). La naturaleza de los cromosomas varía en procariotas y eucariotas. En procariotas, casi siempre el cromosoma contiene únicamente una copia de cada gen, y los genes y sus secuencias reguladoras ocupan gran parte del DNA. El cromosoma de E. coli, uno de los genomas procariotas completamente secuen- CÉLULA EUCARIOTA Hongos Animales Cromosoma mitocondrial Protistas Plantas Cromosoma cloroplástico / Cromatina \ ~ DNA .ivvuvvvuvvvU\. DNA DNA .ivuuvuvvvuuVl ·· .. JUvvvvuvuvvU\ CÉLULA PROCARIOTA Bacterias Cromosoma bacteriano Figura 16-1. Comparación estructural de los genomas de eucariotas, procariotas y virus. Los genomas de eucariotas, procariotas y virus presentan diferencias. Los cromosomas de los procariotas son circulares, mientras que los de los virus y los de los eucariotas son lineales. Las mitocondrias y los cloroplastos contienen cromosomas circulares. Virus Plásmido @ DNA ··.. .íVuuvuvuuvuU\ / DNA Nuvvuvuvuvu\. . DNA··. -~ .·' ciados, es una molécula de DNA circl!lar de alrededor de. 4,6 millones de pares de bases, que codifican unos 4.300 genes de proteínas y unos 115 genes estables de RNA. En los eucariotas, el genorna humano, de unos 3.20.0 millones .de pares .de bases, contiene entre 30,000 y 35.000 gel!es repartidos en 23 cr~mosomas. diferentes. Las células procariotas y eucariotas poseen una cantidad de .DNA por célula considerablemente diferent~, y_esta cantidad se denomina valor C .de un organismo (Tabla 16-1). Por lo general las células eucariotas c_o!J-tienen _más DNA. que las procariotas, pero la variabilidad de los valores · entre diferentes organismos eucariotas es enorme. Las células humanas contienen una can.t idad . de DNA más de 10 veces mayor que la hallada ~n las células de Drosophila1 mi~n­ tras que las células de la salamandra poseen una cantidad de DNA 20 veces mayor que la cantidad presente en las células humanas. Estas diferencias no pueden explicarse únicamente a través de la diversidad en. la complejidad de los organismos. No se conoce para qué sirv:e todo er DNA excedent_e que aparece en las células eucariotas, si bien está claro que las secueqci¡1s de DNA de estas células presentan una complejidad que no se observa en el DNA de las células procariaras. CAPÍTULO: 16. :GENES y · GE'NOMAS 305 c:fEl genoma de un organismo se compone de un conjunto de cromosomas con un número y tamaño característicos. ~al~r ~ ~antidad O El es la de DNA presente en el genoma de un organismo. Tabla 16-1. Tamaño de los genomas de distintos organismos Organismo k (bacteriófago) Escherichia coli (bacteria) Saccharomyces cerevisiae (levadura) Tamaño aproximado del genoma (pares de bases, pb) 50.000 4.640.000 12.000.000 Arabidopsis thaliana (vegetal) 125.000.000 Drosophila melanogaster (insecto) 170.000.000 Horno sapiens (ser humano) 3.200.000.000 Zea mays (maíz) 4.500.000.000 Amphiuma (salamandra) 765.000.000.000 La organización de los genes en el DNA eucariótico es mucho más compleja que en el caso de los procariotas. La mayor parte de los genes eucarióticos tienen una estructura característica: sus secuencias de nucleótidos contienen uno o más segmentos intercalados de DNA que no codifican la secuencia de aminoácidos del producto polipeptídico. Estas inserciones interrumpen la relación colineal entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos del polipéptido. Esros segmentos de DNA no traducido se denominan· secuencias intercaladas o intrones, y los segmentos codifipntes de denominan exones (véase capítulo 18). En los eucariotas superiores, los genes tienen en general más secuencias eri los intrones que en los exones. La función de los intrones no está clara en la mayoría de los casos. En total, solo el 1,5% del DNA humano es "codificante" o exónico, es decir, con información para productos proteicos o RNA. Si se consideran los intrones, los genes representan hasta el 30% del genoma humano. c:flos genes eucariotas contienen secuencias no codificantes (intrones) y secuencias cod ificantes (exones). l. ,;!• Los genomas y su variabilidad Genomas procariotas La mayor parte de lps genomas procariotas están compuestos por una sola mo- · lécula de DNA circular, aunque en algunas especies se han hallado moléculas de DNA lineales. En los cromosomas bacterianos circulares-el DNA no se presenta-en forma de círculo abierto y relajado, porque los 3 a 4 millones de pares ·'- 306 SECCIÓN IV. El' FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Figura 16-2. Representación de una célula procariota típica. En el interior se aprecia una acu.mulación de material genético bien definida: el nucleoide. Con cortesía de Editorial Hélice .. cJ ~romos·o~a Un bacteriano típico . está constituido por una molécula de DNA circular formada por una serie de bucles enrollados, y se encuentra en una zona definida del citoplasma, denominada nucleoide. c JLos genes de las bacterias suelen encontrarse agrupados en operones, que son grupos de genes relacionados desde un punto de vista funcional, y sus secuencias reguladoras. c JLos plásmidos son pequeñas moléculas de DNA extracromosómico que aportan funciones no esenciales a las bacterias. de bases presentes en un genorha bacteriano típico serían demasiado grandes para caber en una célula procariota. El DNA ·bacteriano no está unido a proteínas histonas como en el caso del DNA eucariota. Pero sí que forma complejos con gran cantidad de proteínas no histonas, que ayudan a mantener su estado compacto. Cuando se observa una célula procariota con el microscopio electrónico, su DNA suele aparecer como una acumulación bien definida, denominada nucleoide, que ocupa una región específica del citoplasma, y que puede representar gran parte del volumen celular (Fig. 16-2). El DNA del cromosoma bacteriano está superenrollado negativamente y plegado en una extensa serie de bucles, que por término medio tienen una longitud de 20.000 pb. Debido a que los dos extremos de cada bucle están anclados a los componentes estructurales que se encuentran en el nucleoide, el supereiuollamiento de los bucles individuales se puede alterar sin influir en el superenrollamiento de bucles adyacentes. Se piensa que los bucles se mantienen en su sitio por el RNA y las moléculas proteicas. Cuando se trata el DNA con ribonucleasa2 una enzima que degrada el RNA, se liberan alguno de los bucles, aunque no se relaja el superenrollamiento. El DNA superenrollado que forma cada bucle se organiza en paquetes de cuentas que contienen pequeñas moléculas proteicas básicas análogas a las histonas de las células eucariotas. El cromosoma bacteriano es una estructura relativamente dinámica, lo que refleja la necesidad de un acceso más rápido a la información genética que contiene. El ciclo celular es mucho más corto que el de las células eucarióticas. Además, una fracción mucho mayor del DNA procariótico codifica proteínas o RNA, y las elevadas tasas del metabolismo celular de las bacterias indican que, en un determinado momento, se está transcribiendo o replicando una mayor proporción de DNA que en la mayor[a de las células eucarióticas. Muchos genes que se encuentran adyacentes en el genoma de procariotas se expresan como una unidad y están funcionalmente relacionados. Constituyen lo que se conoce como operón. Los más conocidos y estudiados son el operón de la lactosa y el del triptófano. La bacteria Escherichia coli puede utilizan la lactosa como úriica fuente de carbono gracias a la enzima 13-galactosidasa, que hidroliza la lactosa a galactosa y glucosa. Junt6 con la 13-galactosidasa se sintetizan en la bacteria la enzima galactósido permeasa (necesaria para ti:ansportar la lactosa a través de la membrana bacteriana) y la tiogalactósido transacetilasa. En ausencia de lactosa, un represor evita la transcripción de estos tres genes, mientras que, en presencia de un inductor, el sistema se desreprime y los genes de estas tres enzimas se transcriben y traducen para que la célula pueda emplear la lactosa del medio. En la figura 16-3 se muestra un esquema con el proceso de degradación de la lactosa, y la figura 16-4 presenta un modelo simplificado del operón lac. Además de su cromosoma, una célula bacteriana puede contener uno o más plásmidos. Los plásmidos son pequeñas moléculas de DNA circular que portan genes necesarios tanto para su propia replicación, como para una o más ' funciones celulares (normalmente funciones no esenciales). La mayoría de los plásmidos están superenrollados, dándoles una forma compacta, condensada. Aunque los plásmidos se replican de forma autónoma, la replicación está sincronizada con la del cromosoma bacteriano, de forma que se produce un número de plásmidos más o menos comparable de una generación a la siguiente. En las células de E. coli, se reconocen tres clases de plásmidos. Los factores F están implicados en los procesos de conjugación. Los factores R portan genes que confieren a las bacterias resistencia a fármacos. Por último, los factores col permiten a las bacterias secretar colicinas, compuestos que matan a otras bacterias a las que les falta el factor col. Genomas virales La naturaleza del material genético de los virus es extraordinariamente flexible. Presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos: DNA monocatenario, DNA bicatenario, RNA monocatenario y RNA bicatenario. Los cuatro tipos se encuentran en los virus de animales. Los virus de plantas suelen tener genorhas de RNA monocatenario. Los virus bacterianos suelen contener DNA bicatenario, aunque también pueden tener DNA monocatenario o RNA monocatenario. CAPÍTULO. 16: GENES Y GENOMAS 307 1 Lactosa extracelular b.rb. Permeasa Membrana celular · ~-Galactosidasa Figura 16-3. Entrada a La célula y degradación de La Lactosa en E. coli. La permea- Galactosa · Glucosa ~-Galactosidasa sa transporta la lactosa al interior de la céll:lla. donde la enzima ~-galactosidasa la degrada a galactosa y glucosa . Esta enzima también convierte lactosa en el compuesto relacionado alolactosa, degradándola también a galactosa y glucosa. El tamaño del material genético viral varía mucho. Los genomas más pequeños (los de los virus MS2 y Qf3) tienen alrededor de 1 X 10 6 Da, longitud suficiente para codificar tres o cuatro proteínas. Algunos virus incluso ahorran espacio utilizando genes solapados. En el otro extremo, los bacteriófagos T-par, el 8 virus herpético y el virus vaccinia tienen geno mas desde 1 a 1,6 X 10 Da y pueden ser capaces de codificar más de 100 proteínas. Los virus DNA muy pequeños, como el bacteriófago M13 o· los parvovirus, poseen genomas de DNA monocatenario (ssDNA, del inglés s~ngle-stranded DNA). Algunos de estos virus tienen fragmentos lineales de DNA, mientras que otros presentan un único círculo cerrado. La mayoría de los virus DNA utilizan DNA bicatenario (dsDNA, del inglés double-stranded DNA) como material genético. El dsDNA 'lineal, con diferentes p o z y A - - --'---" DNA - mRNA l Represión de la transcripción 1 / ., 0---------// Represor activo o z A -~· -~---~--­ ........ ~-~--- _ _ __o -~ L ~~ y Represor inactivo t .! ~ • ~-gal Inductor ~- •• ~ mRNA Proteínas · ~ Permeasa Transacetilasa DNA Figura 16-4. Modelo simplificado del operón lac. Los tres genes Z, Y y A se expresan coordinadamente bajo el control negativo del producto del gen /, el represor. Cuando el inductor se une al represor, se expresa al máximo nivel. 1 308 SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA O El material genético viral puede ser DNA monocaten ario, DNA bicatenario, RNA monocatenario (de polaridad positiva o negativa) o RNA bicatenario. conformaciones, se encuentra en numerosos virus; otros tienen dsDNA circular. El fago lambda tiene dsDNA lineal con extremos cohesivos, que permiten que se circularice cuando las bases se complementan. Además de los nucleótidos.normales que se encuentran en el DNA, muchos v:irus DNA contienen bases no habituales. Por ejemplo, los fagos T-par de E. coli tienen 5-hidroximetilcitosina en lugar de citosina. · La mayoría de los virus RNA utilizan RNA monocatenario (ssRNA) como material genético. La secuencia de- bases de RNA puede ser idéntica a la del mRNA viral, en cuyo caso la cadena de RNA recibe el nombre de cadena positiva, (por convenio, todo mRNA es de polaridad positiva). No obstante, también puede ocurrir que el genoma de RNA viral sea complementario al mRNA viral, en cuyo caso se denomina cadena negativa. Los virus de la polio y del mosaico del tabaco son virus RNA de cadena positiva; los virus de la rabia, el sarampión y la gripe son virus RNA de cadena negativa. Muchos de estos genomas de RNA son genomas segmentados, es decir, están divididos en partes separadas. Algunos genomas de virus pueden estar compuestos de hasta 10 a 12 segmentos. En la figura 16-5 se m uestran las estructuras de distintos virus con diferente material genético. U nos pocos virus tienen geno mas de RNA bicatenario (dsRNA). Todos parecen estar segmentados; algunos, como los reovirus, tienen de 10 a 12 segmentos . Se sabe que estos virus dsRNA infectan plantas, hongos e incluso una especie bacteriana. Los genomas ·víricos pequeños có:O.tienen, en general, pocos genes codificantes. Estos genes codifican proteínas estructurales de la envoltura viral y proteínas implicadas en la replicación viral; además, pueden codificar proteínas que interfieren con la estructura y función de la célula huésped. Los retrovirus codifican, además, una enzima, la transcriptasa inversa, que copia el RNA del genoma viral a DNA; que así puede insertarse en el genoma de la célula huésped. dsDNA ~ ·~ z< o Asfarviridae (peste porcina) dsDNA (RT) o Hepadnaviridae (hepatiti s B) ssDNA * Poxviridae (viruela) Adenoviridae (enf. resp iratorias) ® ~ Herpesviridae (varicela, herpes) ssRNA (RT) ~ Figura 16-5. Estructuras y tamaños relativos de algunos virus. Los virus se han agrupado en función de su ácido nucleico: DNA de cadena doble, DNA de· cadena sencilla, RNA de cade.na doble, o RNA de cadena sencilla. Con cortesía de Editorial Hélice. Reoviridae (diarrea) 1-----i 100 nm Parvoviridae (eritem a infeccioso) Papillomaviridae (papilomas) dsRNA < z~ @ ~ ~ ....,11\\'- Orthomyxoviridae (gripe) Coronaviridae (S~RS) Paramyxoviridae (sa rampión, paperas) • - Togaviridae (rubeola) Flaviviridae (hepatitis C) Retroviridae (SIDA) ssRNA (+) @ Picornavirid~e (hepatitis A)' CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS 309 Viroides y priones Los viroides son pequeñas moléculas circularc;s de RNA de cadena sencilla_no codificante, de un tamaño entre 300 y 400 nucleótidos, que presenta apareamientos intracatenarios para estabilizarse. Son patógenos, no presentan cápside, y se replican dependiendo enteramente de la maquinaria de la célula huésped. Estas moléculas tienen capacidad para infectar-plantas como la patata, el pepino, el tomate o el crisantemo cuando las paredes de las células_implicadas están dañadas. Los priones, por otro lado, son partículas infecciosas de naturaleza proteica asociadas a enfermedades como las encefalopatías espongiformes transmisibles que en el hombre causan, entre otras, la enfermedad de Creutzfeldt-Jako~ o el Kuru, y en animales, la enfermedad conocida como de las vacas locas, o el scrapie de las ovejas. Como características, los priones tienen un largo período de incubación, no provocan respuesta inmunológica por parte del huésped y, en todos los casos, producen enfermedades fatales. El único componente del prión es la proteína PrP, que deriva de una proteína normal que está codificada por un gen que se encuentra en muchos eucariotas, entre ellos los seres humanos. La PrP normal (PrPc) está plegada en forma de hélice, pero la proteína también puede plegarse en forma de una hoja j3 aplanada, que causa la enfermedad (PrPsc). Cuando la PrPsc está presente, interactúa con la PrPc y provoca su plegamiento hacia la forma de la proteína que causa la enfermedad; así, la infección convierte la proteína normal de un individuo en la proteína anormal que forma priones (Fig. 16-6). La acumulación de PrPsc en.el cerebro parece ser la causante de la degeneración neurológica asociada con las enfermedades provocadas por los priones. Genomas eucariotas El DNA eucariota presenta diferentes tipos de secuencias · Como ya se ha comentado en el primer apartado de este capítulo, cada uno de los cromosomas eucarióticos contienen una enorme cantidad de DNA, formando una sola molécula muy larga. ' El DNA de las células eucariotas contiene diversos tipos de secuencias ausentes en el DNA de las células procariotas. Está compuesto por al menos tres tipos de secuencias: secuenciás de DNA únicas, DNA moderadamente repetitivo y DNA altamente repetitivo. Las secuencias de DNA Únicas están compuestas por grupos de nucleótidos que solo se repiten una vez o, como máximo, unas pocas veces en el genoma. Este DNA incluye secuencias que codifican proteínas (genes) y una gran cantidad de DNA cuya función se desconoce. Estos genes representan entre el 25 y el 50% del total de genes que codifican proteínas en la mayoría de los organismos eucariotas pluricelulares. En las secuencias de DNA únicas existen otros genes en forma de copias muy similares, aunque no idénticas, que surgieron de la duplicación de un gen preexistente, y se denominan familias génicas. La mayoría de estas familias solo cuenta con unos pocos genes miembros, pero algunas, como por ejemplo las que codifican las inmunoglobulinas en los vertebrados, contienen cientos de miembros. Hay otras secuencias que se presentan muchas veces y se denominan DNA repetitivo. El DNA moderadamente repetitivo típico está compuesto por secuencias de entre 150 y 300 pb, repetidas varios miles de veces. Algunas de estas secuencias cumplen funciones importantes en las células; por ejemplo, los genes que codifican los rRNA y los tRNA forman parte de este tipo de DNA. El DNA moderadamente repetitivo puede caracterizarse por dos tipos de repeticiones: las secuencias repetidas en tándem aparecen- una después de otra y tienden a agruparse en unos pocos sitios del cromosoma; las secuencias repetidas y dispersas están diseminadas por todo el genoma. Otra clase importante de DNA repetitivo es el DNA altamente repetitivo. Con frecuencia estas secuencias tienen menos de 1O pb, están repetidas de cientos de miles a millones de veces en tándem y se encuentran agrupadas en regiones específicas del cromosoma, sobre todo en los ·centrómeros y en los telómeros. A menudo el DNA altamente repetitivo se denomina DNA satélite y debe su nombre a que los porcentajes de las cuatro bases -son diferentes de-los observados c !Los viroides y los priones son partículas infecciosas que no- contienen DNA en su composición. Gen PrP ~ DNA ~~====:s~ Prión anormal proteína (PrPsc) Prión normal proteína (PrPc) \ ~ ~ B. \. @ ~~ Figura 16-6. Proceso de replicación de los priones y desarrollo de la enfermedad. En el huésped, un gen produce una copia celular normal de la proteína priónica (PrPc) que se pliega de forma helicoidaL En presencia de una proteína priónica anormal (PrP 5' ), la PrPc se pliega de forma anómala, convirtién~dose en PrP 5' . Así se desencadena una casca'ila de conversión de PrPc en PrP 5' , ocasionando que la proteína celular se pliegue de manera errónea. la~ célul~s C::fEl DNA de eucariotas se clasifica en: ·secuencias de DNA únicas, DNA moderadamente repetí- . tivo y DNA altamente repetitivo. 310 SECCIÓÑ IV. EL FLUJO DE LA iNFORMACIÓN G_!:NÉTICA en otras secuencias de DNA, lo que hace que migre como bandas "satélite", separadas del resto del DNA, cuand9 se centrifugan muestras de DNA celular fragmentadó en gradientes de densiaad de cloruro de cesio. Este DNA rara vez se transcribe a }\NA. La mayor parte no tiene una función conocida, aunque parece que puede tener importancia funcional en el ·m etabolismo celular humano. RNA interferentes pequeños y rrlicro RNA c:flos siRNA y miRNA participan en el mecanismo de interferencia por RNA, proceso que silencia la expresión de ciertos genes, tanto celulares como virales. Estudios realizados a finales del siglo pasado con el nematodo Caenorhabditis elegans condujeron al descubrimiento de una clase de RNA muy pequeños y abundantes denominados RNA interferentes pequeños (siRNA) y microRNA (miRNA), según su origen. En la actualidad se sabe que los siRNA y los miRNA existen en los eucariotas y son responsables del "apagado" de la expresión genética, mediante un proceso llamado interferencia por RNA. Los RNA interferentes pequeños y los micro RNA han sido involucrados además en diversos procesos. La interferencia por RNA (RNAi) es un mecanismo preciso por el cual las células eucariotas limitan la invasión de genes extraños (virus y transposones) y silencian la expresión de los genes propios. Los ·R NA interferentes pequeños y los micro RNA comparten varias características, aunque también muestran diferencias. Ambos tienen una longitud típica entre 21 y 22 nucleótidos, si bien los siRNA surgen del corte de moléculas de RNA, transposones de RNA y virus de RNA, mientras que los miRNA habitualmente se escinden de moléculas de RNA transcritas de secuencias que son diferentes de las de otros genes. Los siRNA y los micro RNA participan en una variedad de procesos, entre ellos la degradación del mRNA, la inhibición de la traducción, la metilación del DNA y el remodelamiento de la cromatina (véase capítulo 18). Elementos transponibles y variabilidad genética c:flos elementos transponibles son secuencias de DNA móviles que con frecuencia producen mutaciones. Elemento transponible · Figura 16-7. Características generales de los elementos transponibles. Lá mayoría de los elementos transponibles _generan repeticiones ·directas flanqueantes a cada lado del punto de inserCión en el DNA. Además, muchos poseen también repeticiones terminales invertidas. · · Los elemento"s transponibles son secuencias de DNA móviles que aparecen en los genomas de todos los organismos. En muchos genomas son bastante abundantes: por ejemplo, representan al menos el 50% del DNA humano. La mayoría de los elementos transponibles pueden insertarse en muchos sitios diferentes, a través de mecanismos distintos de los asociados con la recombinación homóloga de los cromosomas. Con frecuencia estos elementos producen mutaciones, ya sea por medio de la inserción en otro gen o de su ruptura o de la inducción de reórdenamientos en la secuencia de DNA (deleciones, duplicaciones e inversiones) (véase capítulo 17). Existen muchos tipos diferentes de elementos transponibles: algunos tienen estructuras simples y solo cuentan con las secuencias necesarias para su propia transposición (movimiento), mientras que otros poseen estructuras complejas y codifican diversas funciones que no se relacionan con la transposición de manera directa. Las repeticiones directas flanqueantes cortas, que miden entre 3 y 12 pb, pueden hallarse a ambos lados de la mayoría de los elementos transponibles. Estas secuencias no forman parte del -elemento transponible y no se mueven con él. En cambio, se producen durante el proceso de transposición en el sitio en el que se inserta el elemento. Las sec,u encias de estas repeticiones son variables, pero su longitud es constante para cada tipo de elemento transponible. En los extremos de muchos elementos transponibles hay repeticiones terminales invertidas, que son secuencias que miden entre 9 y 40 pb de longitud y se complementan entre sí en forma invertida. Por ejemplo, las siguientes secuencias son repeticiones invertidas: 5'-ACAGTTCAG ... CTGAACTGT-3' 3'-TGTCAAGTC. .. GACTTGACA-5' Las enzimas que catalizan la transposición reconocen las repeticiones terminales invertidas y estas secuencias son necesarias para que se produzca la \ ransposición. Eh la figura 16-7 se resumen las características generales de los elemelitos tralisponibles. CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS DNA mitocondrial Aunque la mayor parte del DNA en cashodos los eucariotas se encueñti:-a. eñ el núcleo, las mitocondrias de animales, plantas ·y hongos, y los cloroplastos de las plantas, contienen DNA. Estos orginulos son los principales sitios de formación de ATP durante la fosforilación oxidativa en la rtiitocondria y la fotosíntesis ·en los cloroplastos. Parece claro que ambos orgánulos evolucionaron de bacterias que fueron endocitadas en células ancestrales que contenían un núcleo eucariota, formando endosimbiontes. A lo largo del desarrollo evolutivo, la mayoría de los genes bacterianos fueron transferidos al núcleo. ~in embargo, la mitocondria y los cloroplastos en los eucariotas actuales conservan DNA que codifica pro~~­ nas esenciales para el funcionamiento del orgánulo, así como los RNA ribosómicos y de transferencia que se requieren para su traducción. El DNA mitocondrial (mtDNA) se encuentra en la matriz mitocondrial. Cada mitocondria contiene múltiples moléculas de mtDNA. En la mayoría de los organismos, el mtDNA se replica durante la interfase. En la mitosis, cada célula hija recibe aproximadamente el mismo número de mitocondrias, aunque el reparto no es exacto. Por lo tanto, la cantidad total de mtDNA en una célula depende del número de mitocondrias, el tamaño del mtDNA y el número de moléculas de mtDNA por mitocondria. Estos parámetros varían mucho entre diferentes tipos de células. . Las mitocondrias presentan herencia citoplasmática, por lo que deben contener su propio sistema genético. En los mamíferos y en la mayoría de los organismos multicelulares, el espermatozoide contribuye con poco citoplasma al cigoto, y casi todas las mitocondrias del embrión derivan de las del óvulo. Los estudios en ratones han demostrado que el 99,99% del mtDNA se hereda de la madre. En las plantas superiores, el mtDNA se hereda exclusivamente de manera uniparental a través del progenitor femenino (huevo), no del masculino (polen). El clonaje y secuenciación del genoma mitocondrial completo de numerosos organismos diferentes ha permitido descubrir que los mtDNA codifican rRNA, tRNA y proteínas mitocondriales esenciales. Todas las proteínas codificadas por el mtDNA son sintetizadas por los ribosomas mitocondriales. La mayoría de las proteínas localizadas en las mitocondrias, como las RNA y DNA polimerasas, son sintetizadas por los orgánulos citosólicos y transportadas al interior del orgánulo. El tamaño del mtDNA, el número y la naturaleza de las proteínas que codifica, e incluso el código genético mitocondrial, presentan notables variaciones en los distintos organismos. El mtDNA humano es una molécula circular con 16.569 pb. Codifica los dos rRNA encontrados en los ribosomas mitocondriales y los 22 tRNA utilizados para traducir los mRNA mitocondriales. En la figura 16-8 se muestra una representación del genoma mitocondrial humano. A diferencia del DNA nuclear, el mtDNA de los mamíferos carece de intrones y contiene secuencias cortas no codificantes. El mtDNA de la mayoría de los animales multicelulares es aproximadamente del mismo tamaño que el mtDNA humano y codifica productos genéticos similares. En contraste con los otros eucariotas, que ·contienen un tipo simple de mtDNA, las plantas contienen varios tipos. Los mtDNA de las plantas son mucho más largos y variables en tamaño. _ Las mutaciones en el mtDNA pueden ocasionar enfermedades, cuya severidad depende de la naturaleza de la mutación y de la proporción de mtDNA mutante. Aunque todas las células tienen . mitocondrias, las mutaciones del mtDNA solo afectan a algunos tejidos, especialmente aquellos que tienen altos requerimientos del ATP producido por fosforilación oxidativa y los tejidos que requieren la mayoría o todo el mtDNA de la célula para sintetizar cantidades suficientes de proteínas mitocondriales funcionales. En el recuadro 16_-1 se presentan ejemplos de enfermedades asociadas a mutaciones en el mtDNA. 0 LA ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS EUCARIOTAS Se denomina "cromosoma" a la molécula de -ácido nucleico que actúa cgmo depositaria de la información genética en una célula eucariota y pr:ocariota, l.ln-vi- 311 d las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron de bacterias que formaron una relación simbiótica con células ancestrales que contenían núcleos eucariotas. La mayoría de los genes que originalmente estaban dentro de estos orgánulos se desplazaron hasta el genoma nuclear, dejando diferentes conjuntos de genes en los DNA mitocondriales de distintos organismos. c:foebido a que la mayoría del mtDNA se hereda de los óvulos más que del espermatozoide, las mutaciones en el mtDNA exhiben un patrón de herencia citoplasmática materno. O los mtDNA codifican rRNA, tRNA y algunas de las proteínas involucradas en el transporte de electrones mitocondrial. O Algunas mutaciones en los genomas mitocondriales pueden producir enfermedades. 125 rRNA Cadena H - tRNA - Proteínas - rRNA,· Figura- 16-8. Genoma mitocondrial huma_no. El círculo _externo representa_la cadena pesada (H) y el círculo interno la cadena ligera (L). Los orígenes de .replicación de las cadenas H y. L son .ori H y ,ori L,_ respectiva.mente. Los genes NO son -los . que codifican las subunidades de la NADH deshidrogenasa. 312 SECCIÓN IV. EL FLUJO- DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Recuadro 16-1. Mutaciones en el genoma mitocondrial Una característica exclusiva de la herencia mitocondrial es la variación entre células individuales, y entre un organismo y otro, en los efectos de una mutación en el mtDNA. Una célula contiene cientos de mitocondrias, cada una con su propia copia del genoma. Si en una hembra se produce una lesión en el genoma mitocondrial de una célula germinal, el oocito resultante contendrá una mitocondria con un gen mutante. Durante la maduración del oocito, a medida que esta célula germinal y sus descendientes se dividen, la mitocondria defectuosa se replica y su progenie, todas ellas defectuosas, se distribuyen al azar en las células hijas. Cuando se fertiliza una célula huevo y experimenta divisiones mitóticas durante el desarrollo embrionario, las células somáticas contienen mitocondrias mutantes en diversa proporción. Esta heteroplasmia (en contraposición con la homoplasmia, en la que cada genoma mitocondrial es el mismo en todas las células) da lugar a fenotipos mutantes con diversos grados de gravedad (véase figura) . las células y tejidos que contienen principalmente mitocondrias sin el gen mutado son "normales". Otras tendrán fenotipos intermedios, algunas casi normales, otras anormales (con una elevada proporción de mitocondrias mutantes). Si el fenotipo está asociado con una enfermedad, los individuos con la misma mutación del mtDNA pueden tener síntomas de gravedad diferente , según el número y distribución de las mitocondrias afectadas. Mitocondrias . Se divide el contenido Mitocondrias de tipo salvaje 1\ Heteroplasmia en los genomas mitocondriales. Cuando se fertiliza un óvulo maduro, todas las mitocondrias de la célula diploide resultante son de origen materno. Si parte de las mitocondrias maternas tienen un gen mutante, la distribución al azar de las mitocondrias durante las divisiones celulares posteriores producen células hijas con diferente número de mitocondrias mutantes; es decir, con diversos grados de heteroplasmia. las células se duplican y se dividen 1\ Principalmente mutan te Heteroplasmia ~.ill Existe un grupo de enfermedades genéticas, conocidas como encefalomiopatías mitocondriales, que afectan principalmente al cerebro y al músculo esquelético. Estas enfermedades se heredan de la madre, ya que, como se ha comentado en el presente capítulo, todas las mitocondrias del embrión en desarrollo provienen de la célula germinal femenina. La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) afecta al sistema nervioso central, incluido el nervio óptico, causando su degeneración, acompañada por ceguera progresiva. Está causada por una mutación sin sentido del mtDNA que codifica la subunidad 4 de la NADH-CoQ reductasa. la enfermedad de la epilepsia mioclónica y de la fibra roja rota (MERRF) está producida por una mutación en el gen mitocondrial que codifica un tRNA específico para lisina. Esta enfermedad, que se caracteriza por sacudidas muscu lares incontrolables, es el resultado de la producción defectuosa de varias de las proteínas sintetizadas utilizando tRNA mitocondriales. CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS 313 rus o un orgánulo. También se refiere a los cuerpos densamente coloreados que pueden observarse con el microscopio óptico en los núcleos de las células eucae rióticas teñidas con colorantes. Los nudeosomas son las unidades básicas de la cromatina Un núcleo eucariota contiene múltipies moléculas de DNA. Los núcleos tienen generalmente de 3 a 25 ¡..tm de diámetro. Este pequeño volumen debe dar cabida a moléculas de DNA genómico enormemente largas (el DNA de una dotación haploide de una célula humana nüde alrededor de un inetro). Las moléculas de DNA están organizadas en cromosomas. Los cromosomas contienen DNA y proteínas. El complejo de DNA cromosómico y proteína se denomina cromatina. La parte proteica está constituida fundamentalmente por las histonas. En todas las células eucarióticas hay cinco tipos (Hl, H2A, H2B, H3 y H4). Las histonas son proteínas pequeñas con una gran proporción de aminoácidos cargados positivamente (lisina y arginina). Estas cargas positivas ayudan a las histonas a unirse al esqueleto de azúcar-fosfato del DNA cargado negativamente, independientemente de su secuencia de nucleótidos. La masa total de las histonas en la cromatina iguala a la del DNA. Las histonas que forman parte de la cromatina son de las proteínas eucariotas más conservadas, lo que refleja el papel estructural crítico que desempeñan en la formación de la cromatina. La fibra de cromatina contiene también muchas proteínas no histonas, algunas de las cuales tienen funciones biológicas en la transcripción y en la replicación del DNA, y papeles estructurales en el armazón del cromosoma. Entre ellas, las proteínas de ensamblaje del cromosoma aparecen cuando se trata la cromatina con una solución salina concentrada que elimina las histonas y lamayor parte de las otras proteínas cromosómicas y deja un "esqueleto" cromosómico proteico al que se une el DNA. Estas proteínas de ensamblaje pueden ayudar a plegar y empaquetar el cromosoma. Existen otros tipos de proteínas cromosómicas no histonas que cumplen funciones en procesos genéticos y forman parte de la maquinaria replicativa (DNA polimerasas, helicasas, primasas) (véase capítulo 17). La cromatina tiene una estructura muy compleja, con varios niveles de organización. El nivel más simple es la estructura de doble hélice del DNA comentada en el capítulo 6. En un nivel más complejo, la molécula de DNA se asocia con las proteínas comentadas anteriormente y se pliega para producir un cromosoma. Cuando se aísla la cromatina del núcleo de una célula y se la observa con un microscopio electrónico, suele tener el aspecto de un "collar de cuentas" (Fig. 16-9). Si se coloca una pequeña cantidad de nucleasa (enzima que degrada ácidos nucleicos) en esta estructura, la enzima digiere la "cuerda" entre las "cuentas" y deja cuentas individuales de unos 200 pb de DNA. Esto demuestra que la cromatina no es una asociación aleatoria de proteínas y DNA, sino que tiene una estructura básica repetitiva. El núcleo de proteínas y DNA repetitivo que se obtuvo tras la digestión de la cromatina con nucleasas representa el nivel más simple de estructura cromatínica, es decir, el nucleosoma (Fig. 16-9). Cada nucleosoma consta de un fragmento de DNA de alrededor de 200 pb y un octámero de dos unidades de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4. Las histonas forman una estructura central con 146 pb del DNA enrollados en dos vueltas alrededor formando una hélice levógira. La forma que adopta es bastante similar a.la de un hilo que forma un ovillo alrededor de un carrete. Cada histona de la partíct.tla central del nucleosoma posee una "cola" flexible que contiene entre 11 y 37 aminoácidos y se extiende fuera del nucleosoma. Los aminoácidos con carga positiva presentes en las colas de las histonas interactúan con las cargas negativas· de los fosfatos del DNA y las colas de un nucleosoma pueden relacionarse con los nucleosomas vecinos. El quinto tipo de histona, Hl, no forma parte de la partícula central pero desempeña un papel importante en la estructura del nucleosoma. La H-1 se une al DNA en los sitios en los que éste entra y sale del núcleo proteico central, cerrando dos vueltas completas de DNA alrededor del octámero de histonas. O la cromatina, que está compuesta por complejos de DNA y proteínas, es el material que forma los cromosomas en los organismos eucariotas. 3·14 SECCIÓN IV. EL: FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Octámero de histonas nm \ __ .-... .. ( -- ' Núcleo de histonas de un nucleosoma ........ Figura 16-9. Esquema de la estructura de cuenta de collar de la cromatina, a partir de una micrografía electrónica. Se muestra el nucleosoma formado por el octámero de histonas y el DNA espaciador. La histona Hl se une al DNA. El octámero de histonas está representado por la esfera central verde. O El nucleosoma constituye la unidad estructural de la cromatina. Está compuesto por una partícula central formada por ocho histonas y DNA. Las "cuentas de collar" forman la cromatina Los nucleosomas están conectados entre sí por un DNA de unión o espaciador, que en la mayoría de las células posee entre 40 y 50 pb. Las proteínas cromosómicas no histonas pueden asociarse con este unión y algunas también parecen adherirse a la partícula central de forma directa. El núcleo eucariótico presenta diferentes estadios según el ciclo celular El ciclo celular incluye las actividades celulares de crecimiento y división. Es el período que va desde el principio de una división hasta el inicio de la siguiente (Fig. 16-10). El período requerido para completar un ciclo celular es el tiempo de generación. La célula pasa la mayor parte de su vida en interfase (etapa entre dos divisiones). En este período está muy activa, sintetiza y crece. Las etapas de la interfase celular son las siguientes: • Fase G 1 : período de intensa actividad metabólica y bioquímica. La célula crece. • Fase S: período de duplicación del DNA durante la interfase. El DNA se replica y produce copias para las dos células hijas. • Fase G 2 : últimos preparativos para la división celular. Los cromosomas ya duplicados, dispersos como filamentos de cromatina, empiezan a enrollarse y condensarse. La célula duplica aproximadamente .su tamaño. _ O El ciclo celular incluye la interfase y la fase de división celular. La interfase comprende los estadías G1, S, y G2 • Tras la fase G 2 vendría la fase M (mitosis). En esta fase, la envoltura nuclear se rompe, los cromosomas se mueven hacia los polos opuestos de la célula, y cada conjunto de cromosomas hijos se rodea por una envoltura nuclear recién formada. Se divide en cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. La citocinesis divide la célula por la mitad, produciendo dos células hijas. Los cromosomas se condensan considerablemente durante la profase de la mitosis, y adquieren la forma definida de los pares de cromátidas hermanas característicos de cada especie. . Después del paso por la mitosis y la entrada en GI> la célula continúa otra .división o cesa de dividirse, entrando en una fase de latencia o fase G 0 . Esta fase puede durar horas, días o toda la vida de la célula. Cuando una célula en G 0 empieza a dividirse de nuevo, comienza el ciclo de división por la fase· G 1 • Durante el ciclo celular la estructura de los cromosomas cambia mucho. En un cromosoma interfásico la cromatina no se encuentra en el mismo estado de empaquetamiento a lo largo de todo el cromosoma. Algunas regiones se descondensan y se extienden más que otras, y es posible que en alguna zona del crb mosoma interfásico se puedan encontrar todos los niveles de empaquetamiento posibles. En general, las regiones del cromosoma. que se están transcribiendo a CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS 31S ¡ Punto de control del ensamblaje del huso Citocinesis Punto de control G,IM Fase M División nuclear y celular Interfase Crecimiento celular Figura 16-10. El ciclo celular. El ciclo celular consiste en la interfase (período de crec imiento celular) y la fase M (período de división celular). RNA se encuentran más extendidas, mientras que las que están paradas transcripcionalmente están más condensadas. Por lo tanto, la estructura detallada de un cromosoma interfásico difiere de un tipo celular a otro dependiendo de los genes que se están expresando. los cromosomas en interfase están organizados dentro del núcleo Los cromosomas de las células en interfase, a pesar de ser mucho más largos y finos que los cromosomas mitóticos, están bien organizados dentro del núcleo. El núcleo se halla delimitado por una envoltura nuclear' formada por dos membranas concéntricas. La envoltura nuclear está sostenida por dos redes de filamentos proteicos: una, denominada la lámina nuclear, forma una capa delgada subyacente que sostiene a la membrana nuclear interna; mientras que la otra, con una organización menos regular, rodea a la membrana nuclear externa. Las dos membranas están atravesadas a intervalos por los poros nucleares, que transportan en forma activa ciertas moléculas hacia el citoplasma y desde éste. El interior del núcleo no es una mezcla al azar de muchos componentes de DNA, RNA y proteínas. Cada cromosoma en interfase probablemente ocupa una región particular del núcleo, de modo que diferentes cromosomas no se llegan a enredar entre sí. Se piensa que esta organización se alcanza al menos ·en parte mediante la adherencia de partes de los cromosomas a sitios de la envoltura nuclear o de la lámina nuclear. Un ejemplo claro de la organización de los cromosomas en el núcleo en interfase es el nucleolo, la estructura más destacada cuando se observa esta fase con el microscopio óptico. Es una región donde las partes de los diferentes cromosomas que contienen genes para el RNA ribosómico están agrupados entre sí. Aquí, los RNA ribosómicos se sintetizan y combinan con proteínas para formar ribosomas, la maquinaria celular que sintetiza proteínas. La forma más condensada de la cromatina interfásica se denomina heteracromatina (del griego heteros, que significa "diferente", y cromatina). Habitualmente la heterocromatina supone aproximadamente el ·l Oo/o de la cromatina interfásica, y en general se encuentra concentrada en torno al centrómero y en los extremos de los cromosomas. Es inactiva transcripcionalmente. El ejemplo más sorprendente de heterocromatina se encuentra en los cromosomas X interfásicos de las hembras de los mamíferos. Las células de las hembras tienen dos cromosomas X, mientras que .las de los machos contienen c:rEl nucleolo es la reg1on del núcleo interfásico donde se sintetizan f~los ribosomas. i libiQTi(;;A FUNDADORES 316 SECCIÓN IV. El FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA c JLa heterocromatina permanece muy condensada durante todo el ciclo celular, mientras que la eucromatina se encuentra en diversos estados más extendidos, y es la parte de la cromatina que se transcribe de forma activa. un X y un Y. L~s hembras de mamífero inactivan permanentemente uno de los dos cromosomas X de cada célula, posiblemente por las consecuencias fatales de la dosis doble de los productos de este cromosoma. En una etapa inicial del desarrollo embrionario, uno de los dos cromosomas X de cada célula se condensa fuertemente en heterocromatina. A partir de ese momento se hereda, en toda la progenie de la célula, el estado condensado e inactivo del cromosoma X. Al resto de la cromatina interfásica, que se encuentra en diversos estados más extendidos, se le denomina eucromatina (del griego eu, que significa "verdadero" o "normal", y cromatina). En una célula eucariota diferenciada típica, alrededor del 10% de su cromatina se encuentra en un estado en el cual se está transcribiendo activamente o es fácilmente accesible para la transcripción; se conoce como cromatina activa y es la forma menos condensada de la cro~atina del cromosoma interfásico. Parece ser que se encuentra, al menos una parte de ella, en la forma de la fibra de 30 nm, que se comenta a continuación. Diferentes estados de empaquetamiento cromosómico c JLos nucleosomas se pliegan para formar una fibra de cromatina de 30 nm que está formada por una serie de bucles que se empaquetan y enrollan para producir una cromátida de 700 nm de espesor. In vivo, la fibra de cromatina aparece como una cadena lineal de nucleosomas densamente empaquetados que forman un filamento de 10 a 11 nm de diámetro. Esta es la estructura de "collar de cuentas", ya comentada en este capítulo. La formación de los nucleosomas convierte a la molécula de DNA en una hebra de cromatinas de aproximadamente un tercio de su longitud original y constituye el primer nivel de empaquetamiento del DNA. Esta cadena de nucleosomas está acomodada en estructuras de orden sucesivamente mayor, lo que reduce la longitud total del complejo y permite que sea empaquetado en el núcleo. El siguiente nivel de plegamiento es la fibra de 30 nm, que parece formarse mediante un enrollamiento continuo de la fibra de 10 a 11 nm, dando lugar a un "solenoide" con 6 a 7 nucleosomas por vuelta. El empaquetamiento de los nucleosomas en la fibra de 30 nm depende de la histona H1, que lleva a los nucleosomas a unirse formando una estructura regular repetí tiva (Fig. 16-11). La fibra de cromatina de 30 nm puede compactarse aún más. El solenoide se acomoda en bucles de hasta 250 a 400 nm de largo. Estos bucles parecen estar anclados a un sistema de proteínas fibrosas llamado lámina nuclear. Los bucles de este tamaño contendrían cerca de 315 nucleosomas, con seis nucleosomas por vuelta de solenoide. Las células humanas tendrían cerca de 50.000 bucles por núcleo. Los cromosomas mitóticos son la forma más condensada de la cromatina, y se encuentran en la metafase. Hay una importante reorganización de las fibras de 25 a 30 nm durante la profase, para formar la estructura altamente condensada del cromosoma. Es el resultado de un superenrollamiento de la cromatina. Los bucles de cromatina parecen formar estructuras torcidas, en las que 18 bucles forman un ordenamiento radial, alrededor de la parte central del cromosoma, para producir lo que se ha llamado una minibanda. La formación continua de minibandas produce un apilamiento de éstas que constituye la cromatina metafásica. El enrollamiento denso de las fibras produce la cromátida de un cromosoma, que tiene alrededor de 700 nm de espesor. En el momento de la mitosis, las células ya han replicado su DNA. En consecuencia, los cromosomas que se vuelven visibles durante la mitosis son estructuras duplicadas. Cada cromosoma en mitosis consiste en dos cromátidas hermanas, que están adheridas al centrómero (Fig. 16-12). El número, los tamaños y las formas de los cromosomas metafísicos constituyen el cariotipo, que es distintivo para cada especie. En la mayoría de los organismos, todas las células tienen el mismo cariotipo. _ El denso empaquetamiento de la cromatina propio de la mitosis tiene una gran importancia para la transcripción de los genes contenidos en el DNA: a medida que lps cromosomas se van compactando, cesa la síntesis del RNA, en parte porque el DNA está tan densamente empaquetado que la RNA' polimerasa y las otras proteínas necesarias para la transcripción no pueden acceder a él. ~'~"""' CAP.ÍTUlO 16. GENES Y GENOMAS ( a) 2 nm Doble hélice de DNA [ .... l --- ]2 nm H4 ( b) 11 nm l Nucleosoma H2A l ( e) 30 nm l Solenoide. Fibra de 30 nm ~·" l (d 300 nm l Proceso de condensación en mitosis 1 1 1 (e 700 nm 1 ! : 1 H1 1 : 317 l l ( f) 1400 nm [ J 700 nm Cromosoma completo en metafase Figura 16-11 . Niveles de organización de la cromatina. (a) En el nivel más simple, la cromatina es una estructura helicoida! formada por DNA de doble cadena. (b) El DNA forma complejos con las histonas, dando !ugar a los nucleosomas. Cada nucleosoma ~~stá formado por ocho histonas alrededor 'Jle las cuales se enrolla el DNA. La histona H1 cierra el bucle formado por el DNA airededor del octámero. (e) El nucleosoma se pliega y forma el solenoide, con 6 ó 7 nucleosomas por vuelta, para formar una fibra de 30 nm; (d) que forma bucles con una longitud promedio de 300 nm. (e) El enrollamiento denso de las fibras de 300 nm constituye la cromátida de un cromosoma con un espesor de 700 nm. (f) El cromosoma metafásico está constituido por dos cromátidas. Con cortesía de Editorial Hélice. 318 SECCIÓN IV. El FlUJO DE lA INFORMACIÓN GENÉTICA O Las bandas de .los cromosomas se revelan mediante técnicas especiales de tinción. telómeros centró meros Patrones de bandas de los cromosomas mitót icos Ciertos colorantes tiñen selectivamente -algunas regiones de los cromosomas en metafase más intensamente que .otras, y producen patrones característicos específicos de cromosomas individuales .. Estos patrones de bandas ayudan a distinguir cromosomas de tamaño y forma similares. Las bandas G se producen cuando se somete brevemente a los cromosomas metafísicos a calor suave o a proteólisis y luego se los tiñe con el reactivo de Giemsa. Las bandas G corresponden a grandes regiones del genoma humano que tienen un contenido muy bajo de G + C. El tratamiento de los cromosomas con una solución alcalina caliente antes de la tinción con el reactivo de Giemsa produce bandas R en un patrón aproximadamente inverso del patrón de bandas G, ya que tienen un alto contenido en G +C. La tinción de los cromosomas con mostaza de quinacrina y la observación mediante luz UV revela las bandas Q. Otras técnicas revelan la presencia de bandas C, que son zonas de DNA ocupadas por heterocromatina centromérica. telomeros Elementos funcionales de los cromosomas cromátidas Figura 16-12. Aspecto de un cromosoma metafásico típico. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas, constituida cada una de ellas por una molécula de DNA (ambas idénticas entre sí). El centrómero es el punto por el que se unen las cromátidas. La s secuencias teloméricas de los extremos evitan el acortamiento de los cromosomas. Con cortesía de Editorial Hélice. Los cromosomas _eucariotas contienen tres elementos funcionales, que consiguen que se repliquen y segreguen correctamente (Fig. 16-13): l. Orígenes de replicación, en los cuales las DNA polimerasas y otras proteínas inician la síntesis de DNA. Los cromosomas eucariotas contienen muchos orígenes de replicación para asegurar que la totalidad del cromosoma pueda replicarse rápidamente. 2. El centrómero, que consiste en una secuencia de DNA que actúa como punto de unión de las proteínas que fijan el cromosoma a los microtúbulos del huso _m itótico durante la división celular, lo que resulta esencial para que se produzca la correcta segregación de los cromosomas entre las células hijas durante este proceso; y 3. Los dos extremos o telómeros, que consisten en secuencias con función estabilizadora situadas en los extremos de los cromosomas eucarióticos. En los eucariotas superiores, una estructura proteica compleja denominada cinetocoro se ensambla en· los centrómeros y se asocia con múltiples fibras del huso mitótico durante la mitosis. Esta estructura se encarga de coordinar los movimientos de los cromosomas durante el proceso de división celular. INTERFASE MITOSIS INTERFASE 11 ~ G, G, S telómero Figura 16-13. Elementos de la secuencia de DNA que son necesarios para producir un cromosoma eucariota que pueda replicarse y segregarse en la mitosis. Cada cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación , un centrómero y dos telómeros. En la figura se muestra esquemáticamente la secuencia de procesos que experimenta un cromosoma típico durante el ciclo celular. En la interfase comienza la replicación del DNA en los orígenes de replicación y avanza bidireccionalmente a lo largo del cromosoma. En la fase M, el centrómero une los cromosomas duplicados al huso mitótico de modo que, durante la mitosis, será distribuida. una copia a cada célula hija. Los telómeros ·forman capuchones especiales en cada extremo del cromosoma. origen de replicación + centrómero L_j Porción del huso mitótico Cromosomas duplicados en células separadas CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS Respecto a los telómeros, en el caso d·e los seres humanos y otros organismos, la mayoría son oligómeros repetitivos con un alto contenido de G en la hebra con su extremo 3' al final del cromosoma. La secuencia repetida del telómero en los seres humanos es TTAGGG. El extremo 3' de la hebra rica en G se extiende de 12· a 16 nucleótidos tnás allá del extremo 5' de la hebra complementaria rica en C. Esta región está unida a proteínas específicas que protegen los extremos de los cromosomas lineales del ataque de exonucleasas y asocian los telómeros en dominios específicos dentro del núcleo (véase capítulo 17). Recuento de cromosomas y moléculas de DNA Las relaciones entre los cromosomas, las cromátidas y las moléculas de DNA, a menudo generan confusión. En ciertos momentos del ciclo celular, los cromosomas no están duplicados; en otros casos cada uno posee dos cromátidas. En algunas ocasiones los cromosomas están constituidos por una sola molécula de DNA y en otras contienen dos. Para realizar un recuento de los cromosomas y las moléculas de DNA existen dos reglas simples: '319 O los cromosomas eucari otas están fo rmados por un centrómero, al qu e se ensamb lan el ci netocoro, dos telóm eros y numerosos orígenes de replicación. l. Para determinar el número de cromosomas se cuenta el número de centrómeros funcionales y . 2. Para determinar el número de moléculas de DNA se cuenta el número de cromátidas. En la figura 16-14 se representa una célula a medida que atraviesa el ciclo celular. Al comienzo de G 1 esta célula diploide posee un conjunto completo de cuatro cromosomas que provienen de su célula progenitora. Cada cromosoma consiste en una cromátida única (una sola molécula de DNA) de modo que hay cuatro moléculas de DNA en una célula durante G 1 • En la fase S se copia cada molécula de DNA. Las dos moléculas de DNA resultantes forman dos cromátidas hermanas. Si bien la cantidad de DNA se duplica durante la fase S, el número de cromosomas se mantiene constante porque las dos cromátidas hermanas comparten un solo centrómero. Al final de la fase S esta célula aún contiene cuatro cromosomas, cada uno con dos cromátidas; por tanto, hay ocho moléculas de DNA. Durante la profase y la metafase la célula tiene cuatro cromosomas y ocho moléculas de DNA. Sin embargo, en la anafase las cromátidas hermanas se separan. Ahora cada una posee su propio centrómero y, por tanto, cada una se considera un cromosoma separado. Hasta la citocinesis cada célula contiene ocho cromosomas, cada uno formado por una sola cromátida; todavía hay ocho moléculas de DNA. Después de la citocinesis los ocho cromosomas (ocho moléculas de DNA) se distribuyen en forma equitativa entre las dos células; entonces cada célula nueva contiene cuatro cromosomas y cuafro moléculas de DNA, el número presente al comienzo del ciclo celular. ~ Número de crom osomas por célula 8 Número de moléculas 4 de DNA por célula o 4 • O El número de cromosomas, cromátidas y moléculas de DNA varía según la fase del ci clo celu lar. 4 Figura 16-14. El número de cromosomas y de moléculas de DNA cambia durante el curso del ciclo celular. El número de cromosomas por célula es igual. al número de centrómeros y el número de moléculas· de DNA por cé lula equ ivale al número de. cromátidas. 320 ,SECCIÓN .IV. El FLUJO DE LA INF.ORMACIÓN GENÉTICA ! J CONCEPTOS CLAVE r ........... i _ IIIIIII~ ,... o El genoma de un organismo es su material genético. Dicho material está distribuido en cromosomas, formados a su vez por moléculas de DNA. o o o Un gen es un fragmento de DNA que codifica la secuencia primaria de una proteína o de un RNA. El valor C es la cantidad de DNA presente en el genoma de un organismo. Un cromosoma bacteriano está compuesto por una sola molécula de DNA circular que está unida a proteínas y presenta una serie de bucles. Por lo general se observa en la célula como una acumulación bien definida conocida como nucleoide. o Los genes de las bacterias típicamente se encuentran agrupados en operones, que son grupos de genes estructurales relacionados desde un punto de vista funcional, y las secuencias que controlan su transcripción . Los genes estructurales de un operón se transcriben como una única molécula de mRNA. o o Los viroides y los priones son partículas infecciosas que no contienen DNA en su composición. Los virus presentan los cuatro tipos posibles de ácidos nucleicos: DNA monocatenario, DNA bicatenario, RNA monocatenario y RNA bicatenario. o El DNA eucariota presenta tres clases de secuencias. Las secuencias de DNA únicas presentan muy pocas copias. El DNA moderadamente repetitivo consiste en secuencias de longitud intermedia que se repiten entre cientos y miles de veces. El DNA altamente repetitivo representa secuencias muy cortas que se repitan una tras otra entre varios miles y millones de veces. o La interferencia por RNA (RNAi) es un proceso mediante el cual las células eucariotas limitan la invasión de genes extraños y silencian la expresión de los genes propios. Los RNA interferentes pequeños (siRNA) y los micro RNA (miRNA) son los responsables de este proceso. o Los elementos transponibles son secuencias de DNA móviles que se insertan en diferentes localizaciones dentro de un genoma y con frecuencia producen mutaciones y reordenamientos del DNA. o En el genoma mitocondrial se acumulan mutaciones a lo largo de la vida del organismo. Estas mutaciones pueden producir diversas enfermedades. o El nucleosoma es la unidad estructural de la cromatina. Está compuesto por ocho histonas (dos H2A, dos H2B, dos H3 y dos H4) y 146 pb de DNA, que gira alrededor de la particula central. La proteína H1 mantiene el DNA sobre el núcleo de histonas. o Los nucleosomas se pliegan en fibras de 30 nm que forman una serie de bucles de 300 nm de longitud. Estos bucles se condensan para formar una fibra de 250 nm de diámetro que se enrolla sobre sí misma en forma densa hasta producir una cromátida de 700 nm de espesor. o Las fases del ciclo celular son la interfase y la fase M (mitosis) . La interfase comprende los estadios G1, S y G2 • En G1 la célula crece y se prepara para dividirse; en la fase S tiene lugar la síntesis de DNA; en G2 se producen diversos acontecimientos bioquímicos necesarios para la división celular. Algunas células entran en una fase de reposo llamada G0• La fase M incluye la mitosis y la citocinesis. o Cada cromosoma está constituido por un centrómero, un telómero y múltiples orígenes de replicación. Los centrómeros son los puntos en los que se ensambla el cinetocoro y a los que se unen los microtúbulos. Los telómeros son los extremos de los cromosomas y los estabiliza. 0 EJERCICIOS Indique cuántos telómeros, centrómeros y orígenes de replicación puede haber en una bacteria y en una célula eucariota en interfase, que contiene 4 cromosomas. SOLUCIÓN El genoma de las células eucariota s está constituido por moléculas de DNA lineal, mientras que el bacteriano es circular. En la molécula lineal, habrá dos telómeros (los dos extremos), un centrómero y varios orígenes de. replicación . Como tiene 4 cromosomas, en interfase tendrá 4 centrómeros, 8 te lómeros y múltiples orígenes de replicación 1 La molécula de DNA circular bacteriano, tendrá un solo cromosoma con un origen de replicación y no tendrá telómeros, al no tener extremos, ni centrómeros al no requerir la formación de huso mitótico. CAPÍTULO 16. GENES Y GENOMAS llD Al tratar la cromatina de una célula eucariota con una enzima nucleasa, que degrada los enlaces fosfodiéster, se obtienen varios fragmentos de DNA de tamaño idéntico (200 pb) y varias proteínas. ¿A qué pueden corresponder estos fragmentos? IIiiJI Para aislar el material genético de una célula animal, se rompe la membrana plasmática y se trata cuidadosamente el material contenido en el núcleo y en el interior de los orgánulos membranosos. Después de analizar las moléculas de DNA obtenidas, se comprueba que se obtiene varios fragmentos de DNA lineal y 0 321 varias moléculas de DNA circular. ¿A qué puede ser debida esta heterogeneidad? leJ Si una célula contiene un número de cromosomas n = 6. ¿Cuántas moléculas de DNA tendrá en las diferentes fases del ciclo celular? llD ¿Qué ocurre con la expresión del operón loe en ausencia de lactosa? PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN llliJ Un gen es un fragmento de material genético que: a) b) e) d) Codifica la Codifica la Determina Determina secuencia primaria de una proteína. secuencia primaria de una proteína o un RNA. un fenotipo . un rasgo. llD Indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta para el DNA de un cromosoma bacteriano: a) Es una única molécula circular de DNA de cadena doble. b) Es una única molécula lineal de DNA de cadena doble. e) Es una única molécula lineal de DNA de cadena sencilla. d) Son varias moléculas lineales de DNA de cadena doble. IIiiJI Las histonas son: a) b) e) d) Proteínas Proteínas Proteínas Proteínas ácidas que generalmente se asocian con DNA. ácidas que generalmente se asocian con RNA. básicas que generalmente se asocian con DNA. básicas que generalmente se asocian con RNA. leJ El DNA de un cromosoma eucariota: a) b) e) d) Es una única molécula circular de DNA de cadena doble. Es una única molécula lineal de DNA de cadena doble. Es una única molécula lineal de DNA de cadena sencilla. Son varias moléculas lineales de DNA de cadena doble. llD Los nucleoso mas: Están formados por proteínas ricas en aminoácidos ácidos, como Asp y Glu. b) Están formados por proteínas y RNA. e) Constituyen la estructura básica de la cromatina. d) Aparecen tanto en el DNA eucariota como en el procariota. a) II!III En relación a los genomas virales, indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta: a) Los genomas vira les contienen pocos genes codificantes. b) La mayoría de los virus RNA presentan RNA monocatenario. e) La mayoría de los virus DNA presentan DNA bicatenario. d) Todas las anteriores son ciertas. liD Con respecto al operon loe de E. eoli, indique cuál de las siguientes afirmaciones es cierta: a) La enzima 13-galactosidasa hidroliza la lactosa a glucosa y fructosa. b) La permeasa transporta la lactosa al interior de la célula. e) Cuando la lactosa está presente, el represor evita la transcripción de los genes del operón. d) El inductor se inhibe en presencia de lactosa. lrJJ Suponga que una célula en profase contiene tres cromosomas y se is moléculas de DNA. Señale cuál de las siguientes afirmaciones es cierta: a) En metafase, la célula contiene tres cromosomas y tres moléculas de DNA. b) Después de la citocinesis, cada célula hija tiene tres cromosomas y tres moléculas de DNA. e) En anafase se separan los cromosomas homólogos. d) Todas las anteriores son falsas. 1m Indique cuál de las sigu ientes afirmaciones referidas a los niveles de organización de la cromatina es cierta: a) La estructura de "collar de cuentas" tiene 30 nm de diámetro. b) Lcis solenoides están constituidos por 1O nucleosomas por vuelta. e) La estructura más condensada de la cromatina la encon tramos en las cromátidas de 700 nm de espesor. d) Todas las anteriores son ciertas. DilJ Los elementos transponibles: a) b) e) d) Sólo aparecen en los genomas eucariotas. Con frecuencia producen mutaciones. Están formados por microRNA. Son los responsables de la heteroplasmia. \ REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA o CONTENIDOS o o Introducción La maquinaria de replicación del DNA o La reparación del DNA o --OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE o Conocer la maquinaria de replicación del DNA en células procariotas y eucariotas. o o Comprender la complejidad del proceso de replicación del DNA. Reconocer las diferencias en el proceso de replicación de procariotas y eucariotas. o Conocer los diferentes tipos de mutaciones génicas, sus causas y sus efectos fenotípicos . o Valorar la importancia de los mecanismos de repa ración del DNA. Este es el segundo capítulo de la sección del libro dedicada al flujo de la información genética. Una vez analizada en el capítulo anterior la estructura y función de los genomas procariotas y eucariotas, este capítulo se ocupa del. proceso de perpetuación del material genético generación tras, generación: la repl icación . Éste es un proceso complejo y trascendental para la vida, que debe realizarse con exquisita precisión. A lo largo del capítulo se analiza la maquinaria de replicación del DNA, tanto en procariotas como en eucariotas, con especial atención a los procesos que tienen lugar y las enzimas implicadas. A pesar de la alta fiabilidad del proceso de replicación , pueden producirse errores que conducen a fj:¡ utaciones génicas. En este capítulo se analizan sus causas y sus efectos fenotípicos. La importancia de la corrección de estos errores lleva a la existencia · de diversos mecanismos de reparación del DNA. Dichos mecanismos también son objeto de estudio. El estudio de los procesos de replicación y reparación del DNA permite una correcta comprensión de los mecanismos de expresión y regulación génica, que se analizan en el capítulo 18. 324 SECCIÓN IV. ·E!- FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 0 INTRODUCCIÓN Cualquier célula, antes de iniciar su proceso de división, deberá haber duplicado su material genético. Esta es la única forma de garantizar que las células hijas tengan el mismo genoma, es decir, los mismos genes que la célula madre original. La replicación del material genético es una etapa del ciclo de vida de la célula que deberá darse solo una vez y, siempre, antes de comenzar la mitosis. ¿Cómo se consigue que todos los cromosomas de una célula estén sincronizados para que en un momento dado se inicie esta replicación? ¿Cómo se controla que el material genético sólo se duplique una única vez? ¿Cómo se puede mantener fiel la secuencia de miles de bases que conforman los cromosomas una y otra vez durante la división de las células de un organismo sin que se equivoque la maquinaria de replicación? A lo largo de este capítulo se tratará de contestar estas preguntas: se presentará el mecanismo de replicación del DNA, la compleja maquinaria de enzimas· implicadas en él, y las estrategias diseñadas a lo largo de la evolución para reparar los daños que sufre todo material genético en una célula. Se intentará proporcionar una visión general para cualquier célula, aunque será necesario dar las claves que diferencian la replicación del material genético de los organismos procariotas de los eucariotas. 0 LA MAQUINARIA DE REPLICACIÓN DEL DNA La replicación del DNA es semiconservativa c:fExisten tres posibles modelos para explicar el proceso de replicación: replicación semiconservativa, conservativa y dispersiva. DNA Parental Figura 17-1. Modelos de replicación. Los tres posibles modelos -de replicación son la replicación conservativa, semiconservativa y dispersiva. Con cortesía de Editorial Hélice. El modelo de la estructura de la doble hélice propuesto en 1953 por Watson y Crick (véase capítulo 6) permitió proporcionar una explicación al mecanismo de replicación del DNA La estructura de la doble hélice dejaba claro el hecho de que una de las cadenas de DNA servía de molde para la síntesis de la nueva cadena. La especificidad del emparejamiento de bases (A con T; C con G) implica que cada molde sólo puede determinar una secuencia de bases y, así, que dos moléculas de DNA construidas sobre el molde serán idénticas al DNA original. De esta forma, cada una de las dos cadenas actuaría como molde que dirige el ensamblaje de bases complementarias para formar una doble hélice idéntica a la original. Este proceso se denomina replicación semiconservativa, porque cada una de las cadenas de nucleótidos originales o parentales permanece intacta (conservada) a pesar de que ya no está combinada en la misma molécula. Si este modelo era correcto, cada molécula hija debería contener una cadena de nucleótidos original y una cadena nueva recién sintetizada. Sin embargo, existen al menos tres modelos diferentes por los cuales una molécula original podría estar representada en las moléculas hijas. Estos modelos hipotéticos de replicación se denominan semiconservativo (el modelo de W atson y Crick), conservativo y dispersivo (Fig. 17-1). En la replicación semi conservativa, la doble hélice de cada molécula hija de DNA contiene una cadena de la molécula original y una cadena sintetizada de nuevo. Sin embargo, en la replicación conservativa, la molécula parental de DNA se conserva, y se produce una molécula nueva con sus dos cadenas sintetizadas de nuevo. En la replicación dispersiva, la molécula hija está formada por dos cadenas, y cada una de ellas contiene segmentos de ambas, tanto de la cadena parental como de la sintetizada de nuevo. Para comprender el proceso de replicación del DNA había que dilucidar si el mecanismo era semiconservativo, conservativo o dispersivo. Para determinar cuál de los tres modelos de replicación era el que correspondía a las células de la bacteria E. coli, Meselson y Stahlllevaron a cabo experimentos para poder distinguir las moléculas de DNA nuevas de las viejas, y lo hicieron por medio del 14 uso de dos isótopos de nitrógeno, N (la forma común) y 15 N (una forma pesada rara). Meselson y Stahl hicieron proliferar E. coli en un medio de cultivo que contenía 15 N como única fuente de nitrógeno; después de muchas generaciones, todas las células de E. coli habían incorporado el 15 N en las ·bases de purina y de pirimidina que formaban el DNA Tomaron una muestra de las bacterias, ' 14 N y o b tuvieron · \ . al resto a un me d.10 que so'1o contema someneron muestras adicionales después de unas pocas generaciones celulares. En cada muestra el DNA bacteriano sintetizado antes del cambio del medio poseía 15 N y era relati- CAPÍTULO 17.- REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA vamente pesado, mientras que el DNA bacteriano sintetizado después de la modificación estaba compuesto por 15N y .era relativamente ligero (Fig. 17-2) . 14 Meselson y Stahl distinguieron el DNA pesado cargado con N del DNA lige14 ro cargado con N por medio de ·una centrifugación en gradiente de densidad (Recuadro 17-1). Meselson y Stahl demostraron el modelo de replicación en bacterias, pero posteriormente se confirmó que la replicación semiconservativa se daba en cualquier célula, tanto procariota como eucariota. Sin embargo, los mecanismos que cada tipo de célula utiliza para iniciar la replicación van a depender de la natura- Recuadro 17-1 . Demostración hipótesis semiconservativa de la replicación del DNA 325 cf Meselson y Stah l demostraron que la repl icaci ón en E. co/i es sem iconservativa: cada cadena de DNA sirve como molde para la sínte sis de una molécu la de DNA nueva. --- Meselson y Stahl distinguieron el DNA pesado cargado con ' 5N del DNA ligero ca rgado con 14N por medio de una centrifugación en grad ient e de densidad. Esta técnica co nsiste en llenar un t ubo de centrífuga con una solución salina pesada y con la sustancia cuya densidad se desea medi r (en este caso, fragmentos de DNA). A continuación se hace girar el tu bo en una centrífuga a velocidad elevada. Así se desa rrolla un gradiente de densidad dentro del t ubo, con la mayor densidad abajo y la menor arriba. La densidad de los fragment os de DNA se equilibra co n la densidad de la sal: las moléculas ligeras suben y las pesadas se hunden. De esta forma, los dos investigadores determi naron que el DNA de las bacterias que crecían en un medio exclusivamente con 15 N producía una sola banda en la posición específica del DNA con este isótopo (Fig. 17-2a). El DNA de las bacterias tra nsferidas al medio con 14 N y sometidas a un ciclo de replicación también producía una sola ban da, pero en una posición intermedia entre la del DNA con solo 15 N y la del DNA con solo 14 N (Fig. 17-2b). Este resultado no es compatible con el modelo de rep licación conservativa, que predice la existencia de una banda pesada (las molécu las de DNA originales) y una ban da ligera (las moléculas de DNA nuevas). Ta nto el modelo semiconservativo como el dispersivo pred icen la aparición de una sola banda de densidad intermed ia. Para distinguir entre los dos modelos, crecieron las bacterias en un medio con 14 N para obtener una segunda generación. Después del segundo ciclo de replicación en el medio con 14N, aparecieron dos bandas co n la misma intensidad : una en posición intermed ia y la otra en la posición del DNA que sólo contiene 14N (Fig. 17-2c). Todas las muestras obtenidas en los ciclos de replicación sigu ientes produjeron dos bandas, y la banda que representaba al DNA ligero se volvió cada vez más intensa (Fig. 17-2d). Así, los resu ltados de Meselson y Stahl se re lacionaron con la replicac ión semiconservativa y no son compatibles con los de las rep licaciones conservativa y dispersiva. ¡;;¡ ,.---- ¡;;;;;¡ §o g ~ ~ § § §>< §>< 1sN :... ~ ' ,.N ' ,.---- ¡;;;¡ §o § § §>< ¡...... 1sN ~ t t o § § § §>< ~ ~ ~ o § § ~ § § § ~ ~ ~ ~ ;¡;¡ ¡- ,.N F2 ¡- Híbrido ~ ·-~ -~~, -~-~~ ~ ~ § § § §>< ~ª ~ -- ~~ ><~ ., (b) ,.---- ~ ~ § § §>< ' F, ¡...... Híbrido -- ... (e) ~ ~ ~ ~ ~ o o g § g g §o § § ·. ¡;;;;;¡ § §>< ~ ' ,.---- ~ o g §~ § (a) Parenta l F3 ' ~ "N (d) Híbrido -. ..•.,- Figura 17-2. Exper iment o de M eselson y Stahl. Los experimentos de Meselson y Stah l trataban de demostrar qué modelo de replicación se desarrolla en f. co/i. Con ellos demostraron que la replicación del DNA es semiconservativa. (a) El DNA de las bacterias cultivadas en un medio co n 15 N aparece co mo una banda única. (b) Después de un ciclo de replicación , el DNA aparece como una banda ún ica en una posición intermedia entre la esperada para el DNA con 15 N y la esperada para el DNA con 14N. (e) Después de un segun do ciclo de replicació n, el DNA aparece como dos bandas: una en la posición del DNA híbrido (la mitad con 15 N y la mitad con 14N) y la otra en la posición del DNA que ún icamente contenía 14N. (d) Las muestras t omadas después de ciclos ad icio nales de replicació n reve lan dos bandas, tal como ocurre en la parte (e). Con cortesía de Editorial Hélice. 326 SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA leza de la molécüla de DNA. Como se ha comentado en el capítulo 16, lamayoría de las bacterias tienen una única molécula de DNA circular cerrada. Los organismos eucariotas presentan su material genético en moléculas lineales de DNA. Esto influye en el mecanismo de inicio de la replicación. Origen de replicación en los cromosomas c::flos orígenes de replicación son las zonas del DNA donde se inicia el proceso de replicación. En ellos se produce la apertura de la doble hélice, formándose una burbuja de replicación que va creciendo de forma bidireccional. Toda molécula de DNA que vaya ·a ser replicada tiene un origen de replicación desde donde se inicia el proceso en ambas direcciones hasta que se termina de copiar toda la molécula de DNA. Las moléculas circulares del DNA bacteriano tienen un único origen de replicación; sin embargo los cromosomas lineales de las células eucariotas tienen varios orígenes desde donde se iniciará la replicación simultáneamente. Son moléculas más largas, y varios orígenes garantizarán que en un breve período de tiempo toda la molécula se replique completamente. En este origen de replicación se inicia la apertura de la doble hélice, pudiéndose observar al microscopio electrónico las burbujas de replicación. El mecanismo principal de replicación de un cromosoma bacteriano se denomina replicación theta (por la imagen similar a la letra griega 8 que adopta el cromosoma en replicación). En los cromosomas lineales, con varios burbujas abriéndose simultáneamente, éstas se irán haciendo más grandes, se irán aproximando unas a _otras hasta fusionarse y completarán la replicación de la molécula. Cada burbuja tendrá dos horquillas de replicación que irán desenrollando la hélice de DNA en direcciones opuestas (apertura bidireccional) mientras las dos cadenas se van replicando (Fig. 17-3). Los fragmentos de Okazaki explican la dirección de síntesis de las cadenas Al centrar la atención en una burbuja de replicación, se observa que una cadena parental tendrá la polaridad 5' ----f 3'; mientras que la otra cadena tendrá una polaridad 3'----f5' (Fig. 17-4). Por lo tanto, las nuevas cadenas de DNA, al ser amiparalelas, tendrán las orientaciones opuestas a las parentales. La síntesis de la nueva cadena de DNA seguirá siempre el mismo procedimiento: unir el nuevo nucleótido a la posición 3'-0H de la desoxirribosa. El nuevo nucleótido trifosfato que entrará en la cadena se unirá mediante un enlace éster fosfórico, quedando ahora libre la posición 3'-0H de este nuevo nucleótido. La reacción de formación de este enlace se puede dar espontáneamente gracias a que el nucleótido que se va a unir está energéticameme activado (debido a que es un nudeótido trifosfato) y libera un pirofosfato al formar el enlace fosfodiéster. Las enzimas que posibilitan la formación de este enlace fosfodiéster origen de la replicación origen de la replicación ~ S' - - - - -y - --......;......;_ 3' ~ apertura de la hélice Figura 17-3. Una doble hélice de DNA abierta en su origen de replicación. Las proteínas iniciadoras de la replicación reconocen secuencias de DNA en sus orígenes de replicación y separan las dos hebras de la doble hélice. Cada hebra expuesta puede servir de molde para la copia. Se muestra la apertura de la hélice en una molécula de DNA lineal eucariota (a) y una circular procariota (b). 1 5' ---~'---- 3' 3' ......._ ~ ~ '-----..------l Molde: DNA de cadena simple 5' o1 o inicio de la replicación ¡ e \ CAPÍTULO 17. REPliCACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA 5'-----~-------------------... 3' 5' " ' 1 DNA Cadenas recién sintetizadas 3 ;: :::::::::: ::::::::::::::::::. _, _ __ , / DI"""" P'"""' d•~pll~dóo 3' S' en la síntesis del DNA continúan incorporando nuevos nudeótidos siempre en la dirección 5' ~ 3' de la nueva cadena. El nudeótido nuevo que se incorpora deberá ser complementario al de su misma posición en la cadena molde, manteniéndose unido por puentes de hidrógeno (Fig. 17-5). Al observar ahora una horquilla de replicación, la cadena 3' ~ 5' servirá de molde para la síntesis de la nueva cadena en dirección 5' ~ 3'; sin embargo, en la otra hebra parental, la nueva cadena debe seguir el sentido 3' ~ 5'. ¿Cómo se puede replicar esta hebra?· Okazaki demostró que, en la cadena que debía crecer en dirección 3' ~ 5', también seguía creciendo la síntesis en la dirección 5' ~ 3', sin embargo lo hacía en pequeños fragmentos rellenando los espacios de la horquilla "marcha atrás" (Fig. 17-6). La cadena o hebra que crece sin interrupción en dirección 5' ~ 3' se denomina cadena líder o hebra continua, mientras que la Cadena naciente o ll 327 Figura 17-4. Horquilla de replicación. En una horquilla de replicación, las dos cadenas de DNA recién sintetizadas tienen polaridad opuesta. c !La síntesis de DNA se produce siempre en dirección S'~ 3'. En cada horquilla de replicación. la síntesis de la cadena líder se produce de forma continua. mientras que la síntesis de la cadena retrasada se desarrolla de forma discontinua. Cadena molde o ll -o-P - 0 - P 1 o- 1 o- '----.r-------' pirofosfato desoxirribonucleósido trifosfato entrante Figura 17-5. Formación del enlace fosfodiéster. 328 SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA {¡ ~ Fragmentos de Okazaki S'~J ~- K~3' 3'---... Figura 17-6. Las horquillas de replicación del DNA. Puesto que ambas cadenas se sintetizan en dirección S'~ 3', la cadena retrasada del DNA se forma inicialmente como una serie de cadenas cortas de DNA que luego se unen entre sí. En la parte superior de esta figura se representan dos horquillas de replicación que se mueven en direcciones opuestas; la parte inferior representa las mismas horquillas poco tiempo después. Para sintetizar la cadena retrasada , la DNA polimerasa debe "volver hacia atrás": sintetiza fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki) en la dirección S'~ 3', y luego se mueve en dirección opuesta a lo largo de la cadena molde (hacia la horquilla) antes de sintetizar el nuevo fragmento. ""'---s' ~--_)f .........- • Dirección del movimiento de la horquilla --~·~ --:-¿) " \. 7 '\.! .. ___ -------f Ji~--S' -----~ ~ Cadenas de DNA 3' ---...... ceciéo <int•ti"d" r ~ ~ .,.._...._ _ _ 3' ~---~- S' que crece mediante pequeños fragmentos, llamado de Okazaki, se denomina cadena retrasada o hebra discontinua. En cada burbuja de replicación, habrá dos horquillas cada una con una banda continua y otra discontinua. La maquinaria enzimática de replicación es muy compleja El DNA bacteriano ha servido de modelo de estudio desde hace décadas para descifrar la compleja maquinaria de replicación del DNA. Dado que muchos de los mecanismos son comunes a otros organismos, se describirá en primer lugar esta maquinaria, aunque posteriormente se resaltarán las diferencias significativas en los sistemas eucariotas descritos hasta ahora. Etapas de la replicación del DNA bacteriano c JAl origen de replicación , se une · una proteína de iniciación que desenrolla el DNA. La DNA helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la horquilla de replicación, y las proteínas SSB estabilizan las cadenas separadas. La DNA girasa reduce la fuerza de torsión que se genera cuando se desenrollan las dos cadenas del DNA. c fLa p; imasa sintetiza un fragmento corto de nucleótidos de RNA (primer o cebador) que aporta un grupo 3'-0H sobre el que se unen los nucleótidos de DNA para iniciar la síntesis. Origen de replicación: Como ya se ha comentado, el DNA circular bacteriano tiene un único origen de replicación. Esta secuencia, denominada ori C, consta de un mínimo de 245 pares de bases donde se unirá específicamente una proteína iniciadora (DnaA en E. coli). Apertura de la hélice: Una vez fijada la proteína iniciadora, se unirán otras proteínas capaces de desenrollar la doble hélice (Fig. 17-7). La enzima DNA helicasa se encarga de romper los puentes de hidrógeno entre cadenas complementarias, pero solo lo hará si previamente se ha unido la proteína iniciadora al origen de replicación. L~ helicasa se une a la banda discontinua de cada horquilla de replicación siguiendo el sentido 5' ~ 3' de apertura de la horquilla. Las bandas separadas volverían a unirse, si no fuera porque las proteínas de unión a cadena sencilla (SSB, del inglés Single Strand Binding proteins) se unen rápidamente a las bandas sencillas impidiendo su reanillamiento. Otra enzima necesaria para la apertura de la hélice es la DNA girasa, una topoisomerasa que relaja la tensión que se va acumulando por la apertura de la horquilla. La enzima rompe la cadena de DNA, libera la tensión y sella de nuevo la cadena. Inicio de la síntesis del DNA: Cada vez que la DNA polimerasa comienza la replicación de un fragmento de DNA requiere un cebador o primer de RNA que aporte el 3' -OH de un nucleótido sobre el que seguirán uniéndose los demás. Este pequeño fragmento de RNA o primer de 10 a 12 ribonucleótidos va a .CAPÍ'TULO 17. REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA 329 Origen t Figura 17-7. Apertura de la hélice. La DNA helicasa se une al molde de la cadena retrasada en cada horquilla de replicación y se mueve en dirección 5'-> 3' a lo largo de esta cadena , en la que rompe los puentes de hidrógeno y desplaza la horquilla de replicación. A continuación, las proteínas de unión a cadena sencilla (SSBP) estabilizan el DNA de cadena sencilla. La D ÑA~ sii alivia la tensión próxima a la horquilla de replicación. . S5BP ser sintetizado por la enzima primasa, un tipo de RNA polimerasa que, a diferencia de la DNA polimerasa, no necesita un 3'-0H para unir el primer nucleótido (Fig. 17-8). La cadena continua solo requerirá una vez la acción de la primasa; sin embargo, la cadena retrasada necesitará que la primasa añada un primer cada vez que comience un nuevo fragmento de Okazaki. Síntesis del DNA: una vez que comienzan a trabajar las enzimas encargadas de abrir la horquilla de replicación y que la primasa ha colocado los primers, la DNA polimerasa podrá comenzar a sintetizar las nuevas hebras de DNA de las dos bandas. Las DNA polimerasas de E. coli son las mejor estudiadas, y están formadas por cinco diferentes tipos de enzimas: dos de ellas, las DNA polimerasa 1 y 111, se encargan de la polimerización de las nuevas hebras, mientras que las otras tres son enzimas encargadas de reparar los daños que pueda sufrir el DNA durante el proceso. Aunque con diferencias particulares, todas las DNA polimerasas van a ser capaces de realizar los siguientes procesos: • Sintetizar una secuencia, complementaria y antiparalela, a partir de un molde. Cadena líder ~-¡'" • :· '"? ~ Primer para la cadena retrasada Cadena retrasada Q~~~~~2;~ Primer para la cadena retrasada Cadena líder BIBLIOTECA FUNOAC(IAES ( 'l:igura 17-8. Actividad de la primasa y la DNA polimerasa en el proceso de replicación. La primasa sintetiza fragmentos cortos de nucleótidos de RNA, aportando así un grupo 3' -0H al que la DNA polimerasa puede añadir nucleótidos de DNA. Sobre la cadena líder, donde .la replicación es continua, solo se requiere un primer en el. extremo 5' .de la cadena de nueva síntesis. En la cadena retrasada que se replica en forma discontinua, debe producirse uri primer nuevo al comienzo de cada fragmento de Okazaki. 330 SECCIÓN IV. EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA • Sintetizar la nueva hebra en dirección 5' ___., 3'. • Requerir un primer de RNA para añadir el primer desoxirribonucleótido a la cadena. • Realizar el enlace fosfodiéster entre un extremo 3'-0H del último nucleótido de la cadena recién sintetizada y el 5'-P del nuevo nucleótido trifosfato a incorporar, liberando dos fosfatos (pirofosfato) en el proceso. • Asociarse a otras proteínas para realizar su función. una cadena en crecimiento. La DNA polimerasa 111 es un complejo multiproteico que lleva a cabo la mayor parte del trabajo de replicación del DNA. Tiene asociadas principalmente dos funciones: • Actividad polimerasa 5' ___., 3' que permite la síntesis de la nueva hebra. • Actividad exonucleasa 3' ___., 5' que realiza la función de corrección durante la lectura. Esta función es primordial para mantener la fidelidad de la nueva ·copia de DNA. La DNA polimerasa revisa el nucleótido que acaba de incorporar y, en el caso de que se haya equivocado al introducirlo, éste se quedará sin unirse a su complementario, con lo que la propia DNA polimerasa lo retirará gracias a la actividad exonucleasa 3' ___., 5'. Esta es la principal diferencia entre una RNA polimerasa y una DNA polimerasa, por eso la DNA polimerasa no puede iniciar un nuevo _fragmento, mientras que una RNA polimerasa como la primasa sí; la DNA polimerasa siempre necesita revisar el nucleótido anterior para poder añadir el nuevo. Gracias a esta actividad correctora, la DNA polimerasa solo se equivoca 1 vez cada 1O millones de bases añadidas. En la figura 17-9 se presenta un esquema del proceso de corrección llevado a cabo por esta enzima. O la replicación es muy precisa, con menos de un error cada 107 nucleótidos. Figura 17-9. Actividad de corrección durante La Lectura de La DNA polimerasa. La DNA polimerasa aparea nucleótidos durante la replicación del DNA con un alto índice de precisión. Si se añade una base incorrecta, la DNA polimerasa se detiene y elimina la base incorrecta, reemplazándola por la correcta. Después, la replicación continúa. molde La DNA polimerasa 1 tiene estas dos mismas funciones, pero además, presenta la actividad exonucleasa 5' ___., 3'. Esta nueva actividad exonucleasa 5' ___., 3' permitirá que la propia enzima retire el primer de RNA que la primasa ha añadido y rellene este hueco con desoxirribonucleótidos recién sintetizados, ya que tiene también actividad polimerasa 5' ___., 3' y correctora de pruebas (exonucleasa 3' ___., 5'). Por lo tanto, parece que la principal función de la DNA polimerasa I es la de retirar los primers y rellenar los huecos (Fig. 17-10) . El proceso de síntesis de la cadena de DNA necesita, por lo tanto, la actividad de la DNA polimerasa III, que se encarga d e sintetizar los tramos de DNA a partir de un primer, y de la DNA polimerasa I que retira los primers de RNA añadidos por la primasa y añade nuevos desoxirribonucleótidos en estos tramos. Cuando la DNA polimerasa I termina de colocar el último desoxirribonucleótido, dejará un extremo 3'-0H que no podrá unir al extremo 5'-P del primer desoxirribonucleótido añadido por la DNA polimerasa III. La tabla 17-1 resume las características de las DNA polimerasas de E. coli. Retirada de base desapareada Incorporación de base incorrecta - nn 5' [J:kj§J ~ 3' 0 3' 1 Base correcta 5' - 3'~5' 5' ~ 3' DNA poli 1 - - 3'-----~~ 5 ' Figura 17-10. Actividad exonucleasa 5' ~ 3' de La DNA polimerasa. La DNA polimerasa elimina el primer en dirección 5'---. 3' y reemplaza el espacio dejado por los primers con nuevos nucleótidos compleri,entarios mediante su actividad polimerasa 5' ---.3'. ., CAPÍTULO 17. REPLIC ACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA 331 Tabla 17-1. DNA polimerasas de E. coli DNA polimerasa Polimerización 5' -t 3' Exonucleasa 3' -t 5' Exonucleasa 5' -t 3' Sí Sí Sí Elimina y reemplaza a los primers 11 Sí Sí No Repara el DNA; reinfcia la replicación después de que el DNA dañado detiene la sínte sis 111 Sí Sí No Elonga el DNA IV Sí No No Repara el DNA V Sí No No Repara el DNA, sintetiz a DNA con lesiones interpuestas Función Unión de los fragmentos: será la enzima DNA ligasa la encargada de unir los dos nucleótidos comentados anteriormente, mediante· un enlace fosfodiéster sin la necesidad de añadir un nuevo nucleótido. Solo se encarga de ligar el último nucleótido añadido por la DNA polimerasa 1 con el primero añadido por la DNA polimerasa III (Fig. 17-ll). A modo de resumen, la tabla 17-2 presenta los componentes que se requieren para la replicación en las células bacterianas y su función. 1 c:funa vez eliminados y sustituidos los primers, una DNA ligasa repara el hueco que queda en la unión entre los nucleótidos. Diferencias significativas en la replicación del DNA en eucariotas Una importante diferencia entre el DNA de las células eucariotas frente a las procariotas es que las moléculas, además de ser lineales, son de mayor longitud. Como ya se ha comentado, en el cromosoma eucariota hay varios orígenes de replicación que aseguran una rápida copia de la larga molécula de DNA; sincronizar este proceso es algo complejo. Los orígenes de replicación de los organismos eucariotas presentan secuencias muy variadas, todas son ricas en A-T, debido al menor número de puentes de hidrógeno que deben romperse. El complejo multiproteico ORC ( Origin Recognition Complex) se une a las secuencias y comienza a abrir la hélice. Como ya se ha descrito, . U.f! gran número de enlaces c:fEl DNA de las células eucariotas contiene muchos orígenes de replicación. En cada origen un complejo multiproteico de reconocimiento del origen se une para comenzar a desenrollar el DNA. . 5' 3'@,:8 5' 3' 3' 5' é ~p: ~' 3' 3' 5' PP, 1 Figura 17-11. Actividad de la DNA ligasa. La enzima establece el enlace covalente entre e l 3'-0H del último nucleótido añadido por la DNA polimerasa 1 y el 5'-P del fragmento d e Okazaki siguiente. Esta unión requiere e nergía aportada por la hidrólisis del ATP. Tabla 17-2. Componentes necesarios para la replicación en las células bacterianas Componente Función . Proteína de iniciación Se une al origen y separa las cadenas de DNA para iniciar la r eplicación DNA helicasa Desenrolla el DNA en la horquilla de replicación Proteínas de unión a cadena sencilla Se une al DNA de cadena sencilla y evita la renaturalizaCión ~ DNA girasa Se mueve por la horquilla de replicación, corta y vuelve a uní r el DNA de doble hélice para liberar el bucle que se produce como resultado del desenrollamiento en la horquilla de replicación DNA primasa Sintetiza primers cortos de RNA para proporcionar un grupo 3'-OH para la unión de los nucleótidos de DNA DNA polimerasa 111 Alarga una nueva cadena de nucleótidos a partir del grupo 3' -OH proporcionado por el primer DNA polimerasa Elimina los primers de RNA y los sustituye por moléculas de DNA DNA ligasa 1 Une fragmentos de Okazaki por medio del sellado deJos hue cos en la estructura de azúcar-fosfato del DNA recién sintetizado J 332 SECCIÓN IV. EL FLWJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA d En el proceso de replicación del cromosoma eucariota participan al menos 13 DNA polimerasas diferentes. débiles hace que la doble hélice sea muy estable, sin. embargo, estas enzimas consiguen romper fácilmente estas pequeñas secuencias. Las células eucariotas tienen miles de orígenes de replicación, con el fin de poder replicar todo el genoma en un tiempo adecuado. No obstante, el uso de muchos orígenes crea un problema con la coordinación de la replicación. Todo el genoma se debe replicar de forma precisa una sola vez en cada ciclo celular, de forma que ningún gen quede sin replicar y ninguno lo haga más de una vez. Para lograr esta precisión durante la replicación del DNA, es necesario dividir este proceso en dos pasos distintos. En el primer paso, los orígenes reciben una aprobación para iniciar la replicación. Este paso se produce en un momento inicial del ciclo celular, cuando un factor permisivo de la replicación (licensing replication factor) se une a un origen. En el segundo paso, las proteínas de iniciación producen la separación de las cadenas de DNA y el comienzo de la replicación en cada origen aprobado. La clave está en que las proteínas de iniciación solo actúan en los orígenes aprobados. A medida que las horquillas de replicación se alejan del origen, el factor permisivo se desprende y deja al origen en estado "no aprobado", por lo que no puede reiniciarse la replicación hasta que se renueve el permiso. Para asegurar que el proceso solo se desarrolle una vez en cada ciclo celular, el factor permisivo únicamente puede actuar una vez que la célula terminó la mitosis y antes de la activación de las proteínas de iniciación. Se han identificado una gran variedad de enzimas encargadas del proceso de replicación del cromosoma eucariota, aunque presentan funciones muy parecidas a las descritas en la replicación del DNA procariota. Quizá la más complejas son las DNA polimerasas, diferentes en número y funciones a las procariotas. En la tabla 17-3 se recogen las principales DNA polimerasas y sus funciones descritas. Los telómeros son los extremos que aseguran la replicación eficiente ¿Cómo se resuelve la replicación de los extremos en una molécula lineal? La replicación de los telómeros (extremos del cromosoma) ha proporcionado nuevas claves para comprender la "fecha de caducidad" de las células. Tabla 17-3. DNA polimerasas de las células eucariotas DNA polimerasa Actividad polimerasa 5' -t 3' Actividad exonucleasa 3' -t 5' a Sí No Iniciación de la síntesis del DNA nuclear y reparación del DNA; tiene actividad primasa ~ Sí No Reparación del DNA y recombinación del DNA nuclear y Sí Sí Replicación y reparación del DNA mitocondrial li Sí Sí Síntesis de las cadenas líder y retrasada del DNA nuclear. reparación del DNA y síntesis de DNA con lesiones interpuestas E Sí Sí Desconocida; probablemente reparación y replicación del DNA nuclear t; Sí No Síntesis del DNA con lesiones interpuestas TI Sí No Síntesis del DNA con lesiones interpuestas 8 Sí No Reparaci9n del DNA Sí No - Síntesis del DNA con lesiones interpuestas t .. - Función celular · K - Sí No Síntesis· de DNA con lesiones interpuestas A. -Sí No Reparación del DNA ¡.t Sí No. cr Sí No . / Reparación del DNA Replicación del DNA nuclear (posiblemente). reparación del DNA y cohesión de las cromátidas hermanas \ \ CAPÍTULO 17. REPLICACIÓN Y REPARACIÓN DEL DNA Si se observa la horquilla de replicación avanzando hacia el extremo de un cromosoma, la banda retrasada habrá generado un primer complementario al extremo 3'-0H, que la DNA polimerasa correspondiente se encargará de retirar. Sin embargo, en este caso no hay un extremo 3'-0H libre para que la DNA polimerasa continúe rellenando el espacio dejado al retirar el primer (Fig. 17-12). Queda un extremo protuberante que debe ser rellenado por la enzima telomerasa, una ribozima (con una porción de proteína y una porción de RNA). Los telómeros presentan secuencias repetitivas ricas en G y la porción de RNA de la telom