Bioquimica, Agua, Aminoacidos y Proteinas.

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.