BIOQUIMICA
Introduccion a la Bioquímica
La definición más acertada es la que expresa que es una rama de la ciencia (fusiona química y biología) encargada de el estudio de las sustancias que se encuentran presentes en los organismos vivos y de las reacciones químicas fundamentales para los procesos vitales.
Las proteínas, los lípidos, los carbohidratos y los acidos son algunos de los componentes que se analizan desde la bioquímica, disciplina para la cual todo ser viviente posee carbono. Por lo general, se suele indicar que la bioquímica hace foco en el estudio de las bases de la vida, ya que su objeto de estudio son las moléculas que forman parte tanto de células como de tejidos propios de los seres vivos.
Los historiadores sitúan el origen de la bioquímica en 1893, cuando el químico, físico y matemático francés Anselme Payen descubrió la primera enzima (la diastasa), sustancia de tipo proteico que se caracteriza por catalizar las reacciones de carácter químico. De todos modos, las nociones sobre bioquímica se utilizan desde la prehistoria, en situaciones como la elaboración de pan con levadura, por ejemplo.
Con el correr del tiempo, los descubrimientos de la química contribuyeron el desarrollo de la medicina, la genetica y la biologia, entre otras áreas. La actividad de los bioquímicos se desarrolla en distintas etapas, como la investigación, el trabajo en laboratorio y la bioquímica industrial.
AGUA
La Importancia Biológica del Agua
Es probable que la
vida se haya originado en el agua, hace más de tres mil millones de años, y que
todas las células vivientes sigan dependiendo del agua para existir. En l mayor
parte de las células el agua es la molécula más importante y forma de 60 a 90% de
su masa, aunque hay pocas excepciones, como las semillas y las esporas, de las
cuales se expulsa el agua. Las semillas y las esporas pueden permanecer
latentes por largos periodos hasta “revivir” por la reintroducción de agua.
La vida comenzará
examinando las propiedades del agua. Sus propiedades físicas le permiten funcionar
como solvente de sustancias iónicas y polares, mientras que sus propiedades químicas
condicionan que forme enlaces débiles con otros compuestos, incluso otras moléculas
de agua. Las propiedades químicas del agua se relacionan también con las funciones
de las macromoléculas, de las células y de los organismos completos.
El agua es el principal
responsable del sistema termorregulador del organismo, manteniendo la
temperatura corporal constante, independientemente del entorno y de la actividad
metabólica. Esta es una de sus funciones más importantes. Tiene una alta
conductividad térmica que permite la distribución rápida y regular del calor
corporal, evitando gradientes de temperatura entre las diferentes zonas del
organismo y favoreciendo la transferencia de calor a la piel para ser
evaporada. Su alto calor específico [1 kcal/kg ºC = 4180 J/kg·K], consecuencia
de la gran capacidad para almacenar energía en los puentes de hidrógeno, la
convierte en un excepcional amortiguador y regulador de los cambios térmicos.
Aunque acepte o ceda una gran cantidad de calor, su temperatura se modifica muy
poco, gracias a su gran capacidad para almacenar calor. El aparato metabólico
del hombre para la digestión y procesado de nutrientes y para la contracción
muscular es altamente endergónico, liberando grandes cantidades de calor que
deben ser disipadas para mantener la homeotermia. Por ejemplo, el efecto
termogénico de la digestión de los alimentos es de 10-15% del contenido
calórico de una dieta mixta Su función termorreguladora está también
relacionada con otra de sus características físicas que le confiere su efecto
refrigerante: su alto calor de vaporización [a 25ºC es de 540 kcal/L],
consecuencia de la atracción entre moléculas de agua adyacentes («fortaleza de
los puentes de hidrógeno») que dan al agua líquida una gran cohesión interna.
El agua, para evaporarse, absorbe más calor que ninguna otra sustancia.
El agua tiene un alto
valor de tensión superficial, quedando las moléculas de la superficie
fuertemente atraídas, aunque algunas sustancias pueden romper esta atracción.
Este es el caso del jabón que forma espuma o de las sales biliares que
facilitan la digestión de las grasas. Las gotitas de grasa emulsionadas se
organizan después en micelas que aumentan la absorción (crean un mayor
gradiente de difusión) y facilitan la entrada de otros nutrientes. En el
intestino se observan las gotitas de grasa en forma de emulsión, pero también
como micelas, de tamaño mucho mayor que las gotitas emulsionadas y siempre en
mayor cantidad, que acercan los lípidos que transportan al enterocito para ser
absorbidos. De esta manera, las sales biliares mejoran la digestibilidad y
también la absorción de la grasa y de otros nutrientes
Tiene también unas
excepcionales y únicas propiedades solventes. Debido a su pequeño tamaño, a la
naturaleza polar de sus enlaces H – O, a su estructura angular y a su capacidad
para formar puentes de hidrógeno, el agua es una molécula altamente reactiva
que puede disolver una gran variedad de sustancias (hidrófilas) iónicas y
moleculares, pero también evita la disolución de otras apolares (hidrófobas),
efecto igualmente muy importante para la vida. El cuerpo es esencialmente una
solución acuosa en la que gran cantidad de solutos (proteínas, vitaminas,
glucosa, urea, sodio, cloro, potasio, O2 , CO2 , etc.)
están distribuidos en los diferentes compartimentos. Gracias a su capacidad
disolvente, a su elevada constante dieléctrica y a su bajo grado de ionización
(Kw=10–14), 72 el agua es el medio en el que se producen todas las reacciones
del metabolismo, participando en muchas de ellas como sustrato o como producto.
Un ejemplo son las reacciones de hidrólisis que se producen en la digestión o
en la oxidación de los macronutrientes. En las disoluciones iónicas, el elevado
calor de hidratación (energía que se desprende cuando los iones se rodean de
moléculas de agua), proporciona gran estabilidad a la disolución. Además, por
su alta constante dieléctrica (K=80 a 20ºC) las disoluciones iónicas conducen
la corriente eléctrica; de ahí su importancia, por ejemplo, en la transmisión
nerviosa.
La interacción
hidrofóbica es la responsable de diversos procesos biológicos importantes. En
medios acuosos, la interacción con moléculas anfipáticas (o anfifílicas),
aquellas con grupos polares y apolares, como los detergentes o las sales
biliares) determina la formación de estructuras ordenadas.
AMINOACIDOS
Estructura General de los Aminoácidos
•Todos los organismos emplean los
mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para armar las moléculas de
proteína. En los 20 a.a comunes, los grupos amino y
carboxilo están unidos al mismo atomo
de carbono: carbono α
, y a este carbono se unen otros dos sustituyentes: un atomo de higrogeno y una cadena lateral (R) que es única
para cada aminoácido.
•Dentro de una celula, bajo condiciones fisiológicas
normales, el grupo amino esta protonado (---NH3+)
porque el pKa de este grupo es cercano a 9. El grupo carboxilo esta ionizado (---COO-)
porque el pKa de ese grupo es menor que 3.
• Los
atomos de carbono de una cadena lateral
se identifican en sucesión como β,
γ, δ,
ε, que indican los carbonos 3, 4, 5 y 6 respectivamente.
De los 20 aminoacidos que se usan enla biosíntesis de proteína,
en 19 aminoacidos el atomo de carbono alfa es quiral o asimétrico, porque tiene
cuatro grupos diferentes unidos a el.
•La excepción es la Glicina, cuyo
grupo R es un atomo
de H (es aquiral porqueesta única a dos atomos de H idénticos)
Dos de los 19 aminoacidos quirales, la treonina y la Isoleucina, tienen dos centros quirales de atomo de carbono cada uno.
Los 19 aminoácidos quirales
con los que se emsamblan las proteínas presentan la
configuración L, aunque en la naturaleza se
encuentran unos pocos D-aminoácidos. Por convención se
supone que los a.a tienen configuración L, a menos
que se estipule lo contrario.
Estructura de los 20 aminoacidos comunes
•Algunas
cadenas laterales son no polares, por ende hidrofóbicas, mientras que otras son
polares o ionizadas a pH neutro y son hidrofilicas.
Las propiedades de las cadenas laterales tienen gran influencia sobre la forma
tridimensional de una proteína. La mayor
parte de las cadenas laterales hidrofóbicas de una proteína hidrosoluble se
pliega hacia el interior y le da forma compacta y globular a la proteína.
•Las
cadenas laterales pertenecen a la siguiente clase química:
1.Alifatica 2.Aromaticas
3.Sulfurada 4.Alcohol 5.Base
6. Amida
7.Acido
Grupos R Alifaticos
•La
Glicina es el a.a mas pequeño porque su grupo R es
un atomo
de H y desempeña un papel único en la estructura de muchasa
proteínas porque su cadena lateral es bastante pequeña para alojarse en nichos
en los que otros a.a les seria imposible.
•Hay
otros a.a:
alanina,
valina, leucina, isoleucina tienen cadenas saturadas alifáticas.
•La
valina, leucina e isoleucina se conocen como a.a de cadena ramificada porque sus
cadenas laterales tienen ramificaciones.
Los 3 a.a son muy hidrofóbicos.
Grupos Aromaticos
La
Fenilalanina, Tirosina y el Triptofano
presentan
cadenas laterales con grupos aromáticos.
•Fenilalanina:R
=anillo bencílico (hidrofóbico)
•Tirosina:
R = anillo fenol
•Triptofano:
R = grupo indol biciclico
Los tres a.a aboserven
luz UV porque contiene electrones π deslocalizados.
El Triptofano
como la tirosina aboserven luz a una longitud de onda de 280 nm,
mientras que la fenilalanina abosrve
luz a 260 nm
de longitud de onda.
Grupo Sulfurado
•La
Metionina y la Cisteina
son los dos a.a azufrados. La metionina su grupo R es tioeter
metilo no polar y la convierte en el a.a mas hidrofóbico y casi siempre se
encuentra en el inicio de una cadena polipeptídica.
•La
Cisteina
tiene en su grupo R un sulfhidrilo y puede formar puentes de
hidrogeno débiles con e oxigeno y el nitrogeno. Este atomo de azufre es polarizable
por ende muy reactivo y algo hidrofóbico.
Grupo Alcoholes
•La Serina
y la Treonina
tienen cadenas laterales polares sin carga que contienen grupos β-hidroxilo. El grupo alcohol da carácter hidrofilico
a las cadenas laterales alifáticas. Los grupos hidroxilos de la Ser y Thr
dan las propiedades débiles de ionización de los alcoholes 1° y 2°.
•La Serina
no se ioniza en soluciones acuosas, pero este alcohol puede reaccionar dentro
de sitios activos de varias enzimas como si estiuviera
ionzado.
•La L-Treonina
es el único de los cuatros estereoisomeros
que se encuentra con frecuencia en las proteínas.
Grupo R basicos
•La Histidina, Lisina y Arginina presentan
cadenas laterales hidrofilicas que
son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH 7.
•Histidina: R= anillo Imidazol; la
forma protonada se
llama ion imidazolio.
•Lisina: es un diaminoácido y
tiene grupo amino α y ε al mismo tiempo y este ε-amino existe como ion alquilamonio a pH
neutro y da carga postiva a
las proteínas.
•Arginina: a.a mas básico de todos porque su cadena
lateral de ion guanidino esta
protonada bajo
todas las condiciones que se encuentra de manera habitual dentro de una celula.
Grupos R acidos y sus aminas derivadas
•El Aspartato y el Gutamato son a.a dicarboxilicos y
tienen cadenas laterales hidrofilicas con
carga negativa a pH7. El Asp
posee un grupo carboxilo β y el
Glu un
grupo γ. Ellos tambien confieren cargas negativas a las
proteínas porque sus cadenas laterales se encuentran ionzadas a pH
7.
•La Asparagina y la Glutamina son las amidas del acido
aspártico y el acido glutámico respectivamente, estos a.a son
muy polares y se encuentran con frecuencia en las superficies de las proteínas
para interactuar con moléculas de agua, los grupos amidas polares pueden formar
puentes de H con cadenas laterales de otros a.a polares
Hidrofobicidad de las cadenas laterales de los aminoacidos
•Las diverdas cadenas laterales en los aminoácidos van
desde muy hidrofóbicas hasta muy hidrofilicas
pasando por débilmente polares. Los a.a con
valores de hidropatía muy positivos se consideran hidrofóbicos, mientras que
aquellos con los mayores valores negativos se consideran hidrofilicos.
•La hidropatía es un determinante
importante en el plegamiento de proteínas porque las cadenas laterales
hidrofóbicas tienden a estar agrupadas en el interior de una proteína y los
demás residuos (hidrofilicos) en
la superficie.
Otros aminoacidos y sus derivados
En
los organismos vivos hay mas de 200 a.a diferentes. Ademas de los normales, que están incorporados
en las proteínas, todas las especies contienen una diversidad de a.a L
que son precursores de los aminoácidos comunes, o bien son intermedarios en
otras rutas bioquímicas.
Algunos
a.a
comunes sufren de modificaciones químicas para producir aminas con importancia
biológica. Se sintetizan con reacciones catalizadas por enzimas que incluyen descarboxilacion y desaminacion.
•En el cerebro de los mamíferos, el gultamatose
convierte en γ-aminobutirato
(GABA).
•Los mamíferos pueden sintetizar histamina
que controla la constriccion de
ciertos vasos sanguíneos y también la
secreción de acido clorhídrico en el estomago.
•En la medula adrenal, la tirosina se
metaboliza en epinefrina y su precurosor la norepinefrina.
•La Tirosina es precursor de las hormonas
tiroideas tiroxina y triyodotironina.
•Un descubrimiento sorprendente fue el 21°
a.a, la selenocisteina (que
contiene selenio en lugar de azufre de la cisteína), esta incorporada en unas
pocas proteínas de algunas especies. La selenocisteina se
forma a partir de la serina
durante la síntesis de la proteína.
•El 22° a.a es la pirrolisina, que se encuentra en algunas especies de
arqueobacterias. La pirrolisina es
una forma modificada de la lisina que se sintetiza antes de agregarse a una
cadena creciente de polipéptidos por la maquinaria de traducción.
PROTEINAS
Nomenclatura de Peptidos
Los nombre de los residuos se forman
sustituyendo la terminación –ina ó –ato por –ilo
(ó
–il,
en nombres compuestos). Por ejemplo, un
residuo de glicina en un polipéptido se llama glicilo
y un residuo de glutamato se llama glutamilo.
En los casos de asparagina, glutamina y cisteína, -ilo
sustituye la –a final para formar asparaginilo,
glutaminilo
y cisteinilo. La terminación –ilo
indica que el residuo es una unidad de acilo (estructura que carece de
hidroxilo del grupo carboxílico). Este
dipeptido
se llama alanilserina
porque la alanina
se convierte en una unidad de acilo, pero el aminoácido serina
conserva su grupo hidroxilo.
Clasificacion y Caracteristicas de las proteinas
Las
proteínas tienen diversas formas. Pueden ser macromoléculas esféricas,
hidrosolubles y compactas cuyas cadenas polipeptidicas
están dobladas de manera apretada
Proteinas Globulares
Tienen un interior hidrofóbico y una
superficie hidrofilica,
en forma característica. Poseen penetraciones o fisuras que reconocen en forma
especifica a otros compuestos y se unen a ellos en forma transitoria. Al enlazarse selectivamente con otras
moléculas, dichas proteínas sirven de agente dinamico
de acción biológica. Varias proteínas
globulares son enzimas y también incluyen factores de proteínas transportadoras
y reguladoras
Proteinas Fibrosas
Son una clase particular de proteínas
estructurales que proporcionan soporte mecanico
a las células u organismos. Las Proteinas
fibrosas se ensamblan en grandes cables o hebras. Muchas proteínas son componentes integrales
de membranas o proteínas asociadas a membrana.
Por ejemplo: la α –
queratina, el
componente principal de cabello y uñas.
El
colágeno, el componente principal de tendones, piel, huesos y dientes.
Importancia y Establecimiento de la Secuencia
•La
secuencia lineal de a.a en una cadena polipeptidica
se llama estructura primaria de una proteína.
El enlace que se forma entre los a.a es un enlace amida y se llama
enlace peptídico, resultando de una condensación simple del grupo carboxilo α
de un a.a con el grupo amino α del otro.
•La
secuencia
de a.a
de
una cadena polipeptídica
determina el tipo de interacciones electrónicas que se producirán (tanto entre
la misma proteína como con su entorno) y el grado de libertad de adoptar
diferentes conformaciones estables a una temperatura fisiológica.
• Aunque
hasta ahora no se ha logrado, debería ser posible predecir la estructura
tridimensional de una proteína conociendo su secuencia.
•Conocer
la estructura primaria, no solo es importante para
entender su función (ya que ésta depende de la secuencia de a.a
y de
la forma que adopte), sino también en el estudio de enfermedades
genéticas. Es posible que el origen de una enfermedad genética radique en una
secuencia anormal. Esta anomalía, podría resultar en que la función
de la proteína no se ejecute de manera adecuada o que no
se ejecute en lo absoluto. Ej: Anemia falsiforme.
Niveles Estructurales de las Proteinas
Las moléculas individuales de proteína se
pueden describir mediante hasta cuatro niveles de estructura:
La estructura primaria describe la
secuencia lineal de residuos de a.a en la proteína.
Las secuencias de a.a
siempre se describen desde el amino terminal (N- terminal) hasta el carboxilo
terminal C- (C- Terminal).
La estructura tridimensional de una
proteína se describe con tres niveles adicionales: estructura secundaria,
estructura terciaria y la estructura cuaternaria. Las fuerzas que mantienen o estabilizan,
estos tres niveles son no covalentes, de manera primordial.
Estructura Secundaria
Regularidades
en
las conformaciones locales mantenidas por p. de hidrogeno entre los H de amida
y los Oxigenos
de carbonilo en el péptido.
alfa- helice
•estructura
helicoidal
dextrógira, con unos 3,6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácido supone un giro
de unos 100° en la hélice
•Una
hélice α puede
ser una rosca izq
o der pero las que se encuentran en las proteínas casi siempre son derecha.
•La α hélice esta presente en la Hb,
según Perutz
y con ello confirma que esta conformación existe en proteínas globulares
complejas
Hebras o Laminas Beta
Las Hebras β se encuentran casi totalmente
extendidas en la cadena polipeptidica.
Cada residuo en una hebra β
ocupa 0.32 nm
de longitud total, a diferencia de una α Helice, donde corresponde a 0,15 nm
de longitud. Cuando se ordenan varias hebras β lado a lado se forman laminas β.
Las
proteínas casi nunca contienen hebras β aisladas porque la estructura en
si no es mucho mas estable que otras conformaciones.
Las laminas β
se hallan estabilizadas por p. de H; y las laminas paralelas son menos estables
que las antiparalelas,
porque los p. de H están distorcionados
en el ordenamiento paralelo.
Giros Beta
Secuencias de la cadena polipepetídica con estructura alfa o beta, a menudo
están conectadas entre sí por medio de los llamados giros beta. Son secuencias
cortas, con una conformación característica que impone un brusco giro de 180 grados
a la cadena principal de un polipeptido.
Aminoácidos como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de
tipo α o β) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura. La conformación de los
giros β está estabilizada generalmente por medio de un puente de hidrógeno entre los
residuos 1 y 4 del giro β.
Estructura Terciaria
•La estructura 3° se debe al
plegamiento de un polipéptido (que puede tener ya algunas regiones de α hélice y de estructura β)
para formar una estructura 3D empacada en forma apretada.
•Una propiedad importante es que los
residuos de a.a alejados en la estructura 1° se
acercan entre si y permiten interacciones entre cadenas laterales.
•La estructura 3° se halla
estabilizada por interacciones no covalentes. (efecto hidrofóbico)
•Los puentes de disulfuro
aunque son covalentes, son elementos de la estructura 3°. ( se forman después
que la proteina
se dobla, por esto no son parte de la estructura 1°)
Estructura Cuaternaria
•La estructura cuaternaria deriva de
la conjunción de varias cadenas aminoácidas
que gracias a su unión realizan el proceso de la disjunción,
dando así un resultado favorable ante las proteínas ya incrementadas. Presenta
varios polipéptidos distintos y su estructura funcional requiere de la
interacción entre dos o más cadenas de aminoácidos similares o diferentes.
•Cuando las subunidades son
diferentes, con frecuencia cada tipo desempeña una función diferente.
•Se suelen mantener unidas por
fuerzas débiles no covalentes, las fuerzas hidrofóbicas son las principales.
Dominio
es la zona de la proteína donde se halla mayor densidad, es decir, donde hay más plegamientos. Una cadena polipéptidica puede tener uno o más dominios. Si una proteína está formada por más de una cadena polipeptídica, los dominios de cada cadena de polipéptidos son sus dominios. Inclusive una proteína formada por más de una cadena polipéptidica puede tener un solo dominio, compartido por las cadenas de polipéptidos.
Metodo de Aislamiento y Purificacion
Para
estudiar determinada proteína se debe separar todos los demás componentes
celulares, incluyendo a otras proteínas parecidas.
Los
pasos de purificación son distintos para cada proteína. Se determina
probando con varias técnicas distintas hasta que se desarrolla un
procedimiento que produce en forma repetida proteína altamente purificada y que
conserva su actividad biológica.
Los
pasos de purificación suelen aprovechar pequeñas diferencias en la solubilidad,
cargas netas, tamaños y especifidad de
unión de las proteínas.
El
Aislamiento de una proteína intracelular requiere suspender las células en una
solución amortiguadora y homogeneizarlas o romperlas en fragmentos de celula.
Supongase que
la proteína que se pretende purificar es una entre varias que hay en la
solución amortiguadora en estudio.
Cromatografia en Columna
•Una columna cilíndrica se llena con un
material insoluble, como fibras celulosas sustituidas o esferillas de material sintetico. Las
mezclas de las proteínas se agrega a la columna y se lava haciendo pasar por la
matriz de material insoluble un solvente.
A medida que el solvente fluye por la columna, el eluido se
recolecta en muchas fracciones. La
velocidad en la que las proteínas atraviesan la matriz depende de las
interacciones entre matriz y proteínas.
Cromatografia por Filtracion en Gel
•Separa a las proteinas
con base en su tamaño molecular. El gel
es una matriz de esferillas porosas. Las
proteínas que son menores que el tamaño promedio del poro pemetran
en gran parte del volumen interno de las perlas y de ese modo se retardan por
la matriz.
•Hay menos poros accesibles a las
moléculas mayores de proteínas, en consecuencia las proteínas mas grandes
rodean a las perlas y se eluyen primero.
Cromatografia por Afinidad
•Es el tipo de cromatografía mas
selectiva. Se basa en las interacciones
especificas de unión entre la proteína deseada y alguna otra molecula
enlazada en forma covalente a la matriz de la columna.
•La molecula unida a la matriz puede ser una
sustancia o ligando que se une a una proteína in-vivo.
•La proteína deseada se une parcialmente
al ligando en la solución y luego se lava la columna con un solvente con alta
concentración de sal, que rompa la interaccion entre la proteína y la matriz de la
columna.
