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Ingeniería en Nanotecnología - UAQ
Trabajo Final – Bioquímica 3er
Semestre
Ricardo Navarro López
Agua es una sustancia líquida formada por la combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno, que constituye el componente más abundante en la superficie terrestre. El agua químicamente pura es un líquido inodoro, insípido e incoloro.
Es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. El agua es, quizá el compuesto químico más importante en las actividades del hombre y también más versátil.
Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella. No posee propiedades ácidas ni básicas, combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los
óxidos de metales formando ácidos y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. Características de la molécula de agua: La molécula de agua libre y aislada, formada por un átomo de Oxigeno unido a otros dos átomos de Hidrogeno es triangular. El ángulo de los dos enlaces (H-O-H) es de 104,5º y la distancia de enlace O-H es de 0,96 A. Puede considerarse que el enlace en la molécula es covalente, con una cierta participación del enlace iónico debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos que la forman. La atracción entre las moléculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de moléculas. La fuerza de atracción entre el hidrógeno de una molécula con el oxígeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de Puente de Hidrógeno. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua sólida y a las estructuras hexagonales.
Importancia Biológica
La vida como sabemos transcurre en soluciones acuosas, se originó en el agua. El agua es tan familiar para los seres vivos que nosotros los humanos generalmente la consideramos como un fluido muy simple, pero las propiedades físicas y químicas del agua son de hecho muy exóticas y tienen profundos significados para la Biología, sus propiedades son muy importantes para el funcionamiento celular, de hecho están directamente relacionadas con las
La polaridad de la molécula del Agua y su importancia biológica
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propiedades de las biomoléculas y, por tanto, con el metabolismo.
Las estructuras de las macromoléculas que conforman a los seres vivos resultan de las interacciones con el medio acuoso que las contiene. Por lo tanto no es de sorprenderse que el agua sea la sustancia más abundante en los sistemas biológicos, de hecho más del 70% de los seres vivos está formado por agua. No olvidar que el agua aunque es un compuesto vital, por si misma carece de vida.
El estudio de las propiedades del agua es central para la Bioquímica por las siguientes razones:
A. Casi todas las biomoléculas asumen sus formas, y por tanto sus funciones en respuesta a las propiedades físicas y químicas del agua.
B. El agua es el medio de la mayoría de las reacciones bioquímicas. Los productos y reactivos de las reacciones metabólicas, los nutrientes y los productos de desecho, dependen del agua para su transporte en el interior y exterior celular.
C. El agua por si misma participa en muchas reacciones químicas que participan en la vida. Frecuentemente los componentes iónicos del agua, los iones H+ y OH-, son reactivos. De hecho la reactividad de muchos grupos funcionales de las biomoléculas, dependen de la concentración de estos iones en los alrededores.
D. La oxidación del agua para producir oxígeno molecular, O2, es la reacción fundamental de la fotosíntesis, en donde la energía del sol es almacenada químicamente para soportar la vida.
El agua líquida es más densa que el hielo a presión y temperatura estándar. Existe un
cambio positivo en el volumen después del congelamiento, lo que ocasiona que el hielo flote. Si el hielo no flotara, la vida acuática en cuerpos de agua como lagos y en los polos terrestres, no existiría pues estos cuerpos de agua se congelarían desde el fondo hacia la superficie, de hecho, lo contrario, la capa de hielo que se forma sobre estos cuerpos de agua, resulta en un aislante térmico. Debido a su constante de ionización, el agua posee una conductividad elevada. Debido a esta característica el agua participa activamente en la conducción de señales eléctricas en el sistema nervioso. Muchas de las características que hacen al agua un líquido tan particular, se deben a su capacidad de hacer puentes de Hidrógeno.
El agua es uno de los solventes más polares que existen, esto se debe a la presencia de un átomo muy electronegativo, el Oxígeno, y dos muy poco electronegativos, los Hidrógenos en la molécula. La consecuencia de lo anterior, es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente disociadas en presencia de agua. La ionización sucede por que las fuerzas coulómbicas entre las cargas opuestas son débiles y, por tanto, se rompen fácilmente. Estas fuerzas son proporcionales a q+q-/er2, en donde e es la constante dieléctrica, q+ y q- son la carga catiónica y aniónica respectivamente. Esta observación es muy importante para los sistemas biológicos pues la diferencia en los gradientes iónicos es la base energética y funcional de muchos procesos. Tiene una tensión superficial elevada, esto hace que en los procesos biológicos, se utilicen moléculas tipo detergente (anfifílicas) para modificarla. Los surfactantes pulmonares por ejemplo, decrecen el trabajo necesario para abrir los espacios alveolares que permiten el intercambio gaseoso eficiente, la ausencia de estas substancias, ocasiona enfermedades severas y la muerte. Posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1.0 °K. Para los sistemas biológicos esto es muy importante pues la temperatura celular se
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modifica muy poco como respuesta al metabolismo. De la misma forma, los organismos acuáticos, si el agua no
poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no existirían.
Los solutos que son solubles en agua pueden clasificarse como electrolitos y no electrolitos.
Electrolitos son aquellas especies que en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica. Presentan un comportamiento anormal respecto a las propiedades coligativas. Los electrolitos fuertes son sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas diluidas. Los electrolitos débiles conducen la electricidad muy poco en disoluciones acuosas. La corriente eléctrica se conduce a través de la disolución acuosa por movimiento de iones. No electrolito: son aquellas especies que en disolución acuosa no conducen la corriente eléctrica. Presentan comportamiento normal respecto de las propiedades coligativas.
La disociación es el proceso por el cual un compuesto iónico se separa en sus iones en disolución, por ejemplo NaCl.
La ionización es el proceso por el cual un compuesto molecular se separa formando iones en disolución, por ejemplo HCl.
En 1680 Robert Boyle notó que los ácidos disolvían muchas sustancias, cambiaban el color de algunos tintes naturales y perdían sus propiedades características cuando se mezclaban con álcalis. En 1814 J. Gay-Lussac concluyó que los ácidos neutralizaban a las bases y que los dos tipos de sustancias deberían definirse en términos de sus reacciones entre sí.
En 1884 Svante Arrhenius presentó su teoría de disociación electrolítica, y enunció la teoría de las reacciones ácido base, considerando ácido a las sustancias que contiene hidrógeno y en disolución acuosa producen iones H+; y base a las sustancias que contienen el grupo hidroxilo y producen iones HO- en disolución acuosa.
Aunque Arrhenius describió a los iones H+ en agua como iones aislados (protones), sabemos que en solución existen en forma de H(H2O)n+ donde n es un número entero y pequeño (entre 1 y 6). Esto es debido a la atracción de los iones H+ sobre el oxígeno de las moléculas de agua. En este texto usaremos la expresión H+ por simplicidad, pero tendremos presente que se halla hidratado.
En 1923 J. N. Brønsted y T. M. Lowry presentaron independientemente sus teorías ácido base, pero como resultaron muy parecidas, la unificaron como la teoría de Brønsted y Lowry.
En ese mismo año G. N. Lewis presentó una teoría ácido base más completa. Un ácido es cualquier especie que puede aceptar compartir un par de electrones. Una base es cualquier especie que puede donar un par de electrones.
Dado que muchas reacciones químicas importantes ocurren en disolución acuosa, o en contacto con el agua, usaremos la teoría de Brønsted y Lowry debido a que resulta especialmente útil.
Equilibrio ácido-base
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Ácidos y Bases
De acuerdo con la teoría clásica de la ionización electrolítica desarrollada por Arrenhius, los electrolitos disueltos en agua, se disocian directamente en partículas cargadas (positivas y negativas) llamadas iones.
Para Química Analítica, son de gran interés aquellos electrolitos cuyos iones provocan que la disolución sea ácida ó básica. De acuerdo con la misma teoría, los iones que dan origen al comportamiento ácido son los protones y los iones hidróxido provocan el comportamiento alcalino.
Por lo tanto, ácidos son los electrolitos que en disolución acuosa liberan iones hidrógeno, y bases son los que liberan iones hidróxido.
El equilibrio ácido - base se puede representar por medio de las ecuaciones siguientes:
Ácido → anión + H+
Base →catión + OH-
Esta teoría clásica explica satisfactoriamente muchos de los hechos observados para los equilibrios ácido - base en disolución acuosa.
Sin embargo, en disolución no acuosa, se observaron algunos fenómenos no explicados por esta teoría.
Un tratamiento correcto de los equilibrios ácido - base en solución acuosa y no acuosa fue dado por Brönsted e independientemente por Lowry en 1923.
Teoría de Brösnted y Lowry
Acido: especie química que cede un protón y genera una base conjugada.
Base: especie química que acepta un protón y genera un ácido conjugado.
Un par ácido base conjugado consiste en dos especies relacionadas entre sí por la donación y aceptación de un simple ion hidrógeno: HA / A– y B/ BH+. De la definición anterior se deduce que un ácido posee un H+ más que su base conjugada. En consecuencia, un ácido puede ser un catión, una molécula ó un anión, ocurriendo lo mismo para las bases.
Como toda reacción de equilibrio químico, la ionización de los ácidos y bases débiles está gobernada por una constante termodinámica, que en rigor debe expresarse como relación de actividades de las especies, pero para disoluciones diluidas se puede usar concentraciones como aproximación.
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Mantener el pH constante es vital para el correcto desarrollo de las reacciones químicas y bioquímicas que tienen lugar tanto en los seres vivos como, a nivel experimental, en el laboratorio. Los amortiguadores (también llamados disoluciones amortiguadoras, sistemas tampón o buffers) son aquellas disoluciones cuya concentración de protones apenas varía al añadir ácidos o bases fuertes.
Los amortiguadores más sencillos están formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con una base fuerte (por ejemplo, ácido acético y acetato sódico), o bien por una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte (por ejemplo, amoníaco y cloruro amónico).
La concentración de protones del agua pura experimenta una elevación inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido cualquiera. A un litro de agua neutra (pH 7) basta añadirle 1 ml de HCl 10M para que el pH descienda 5 unidades. En cambio, si esta misma cantidad de ácido se añade a 1 litro de disolución amortiguadora formada por HAc/AcNa 1M, el pH desciende en una centésima, o sea, quinientas veces menos.
MECANISMO DE LA ACCIÓN AMORTIGUADORA
Supongamos un amortiguador constituido por un ácido acético (ácido débil) y acetato sódico (sal de ácido débil y base fuerte). El ácido estará parcialmente disociado según la ecuación:
Aplicando la ley de acción de masas:
PROPIEDADES DE LOS AMORTIGUADORES
Son propiedades que pueden deducirse fácilmente de la fórmula.
1. El pH de una disolución amortiguadora depende de la naturaleza del ácido débil que lo integra (de su pK), de modo que para cantidades equimoleculares de sal y de ácido, el pH es justamente el pK de este ácido. Dicho de otra forma, se puede definir el pK de un ácido débil como el pH del sistema amortiguador que se obtiene cuando [sal] = [ácido].
2. El pH del sistema amortiguador depende de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. De aquí se deduce que añadiendo agua al sistema, las concentraciones de sal y ácido disminuyen paralelamente, pero su cociente permanece constante, y el pH no cambia. Sin
Sistemas amortiguadores de pH
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embargo, si la dilución llega a ser muy grande, el equilibrio de disociación del ácido se desplazará gradualmente hacia la derecha, aumentando la [sal] y disminuyendo [ácido], con lo cual el cociente aumenta y el pH también, de forma que se iría acercando gradualmente a la neutralidad (pH 7).
3. Cuando se añaden ácidos o bases fuertes a la disolución amortiguadora, el equilibrio se desplaza en el sentido de eliminar el ácido añadido (hacia la izquierda) o de neutralizar la base añadida (hacia la derecha). Este desplazamiento afecta a las proporciones relativas de sal y ácido en el equilibrio. Como el pH varía con el logaritmo de este cociente, la modificación del pH resulta exigua hasta que uno de los componentes está próximo a agotarse.
Amortiguadores fisiológicos
La concentración de protones es una de las constantes del medio interno que se mantiene dentro de límites muy estrechos, porque los cambios del pH provocan graves trastornos en el metabolismo. Para controlar el equilibrio ácido-base del medio interno, los seres vivos disponen de un conjunto de sistemas amortiguadores: los amortiguadores fisiológicos.
Podemos clasificar los amortiguadores fisiológicos en dos grupos: los inorgánicos y los orgánicos. Entre los amortiguadores inorgánicos más importantes están el sistema fosfato monoácido/diácido y el sistema ácido carbónico/bicarbonato. Entre los amortiguadores orgánicos más importantes se encuentran los aminoácidos y proteínas y el sistema hemoglobina reducida/oxihemoglobinato.
FOSFATO MONOSUSTITUIDO/FOSFATO DISUSTITUIDO (H2PO4
-/HPO4=)
El ácido fosfórico (H3PO4), además de formar parte de numerosos compuestos orgánicos (ácidos nucleicos, fosfolípidos, azúcares, etc.) también se encuentra en forma libre, aunque en pequeña proporción. La concentración de iones fosfato en el plasma sanguíneo es de unos 2 mEq/litro.
El ácido fosfórico tiene tres protones disociables según las reacciones:
ÁCIDO CARBÓNICO – BICARBONATO
En este sistema amortiguador tienen lugar 3 equilibrios reversibles entre el CO2 gaseoso de los pulmones y el bicarbonato (HCO3
-) disuelto en la sangre.
En los animales con pulmones, el sistema amortiguador ácido carbónico/bicarbonato es especialmente efectivo. Por un lado, el H2CO3 del plasma sanguíneo está en equilibrio con el CO2 gaseoso presente en el espacio aéreo de los pulmones, lo que supone una reserva prácticamente ilimitada de CO2 que puede participar en el equilibrio. Por otro lado, los cambios en la [HCO3
−] también se puede regular a nivel de los riñones, que pueden eliminar el bicarbonato por la orina o reabsorberlo, según las necesidades.
En este sistema amortiguador, la forma ácido es la suma de la [CO2] disuelto en el plasma y de la [H2CO3], y la forma sal es la [HCO3
−]. El equilibrio se desarrolla según la siguiente reacción:
CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3− + H+
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Los procesos metabólicos intracelulares
producen ácidos, es decir, sustancias
capaces de liberar iones H+, por oxidación
de los hidratos de carbono y las grasas; si
es completa da lugar a ácido carbónico
(C03H2) y si es incompleta, a ácidos
orgánicos, como pirúvico, láctico,
acetoacético, betahidroxibutirico, etcétera;
también a expensas de los compuestos
orgánicos de las proteínas (a partir del
fósforo y el azufre que contienen), se
forman ácidos.
De igual manera, se forman sustancias
capaces de aceptar iones H +, llamadas
bases, de lo que resulta la existencia de un
justo equilibrio entre la producción de
unos (ácidos) y otras (bases), lo que
permite un estado normal de neutralidad
de los líquidos corporales.
El equilibrio ácido-base del organismo es
posible merced a la interrelación de tres
sistemas:
1. Tampones intra y extracelulares,
que amortiguan la intensidad de
los cambios agudos del equilibrio
ácido-base.
2. La compensación respiratoria,
íntimamente relacionada con el
sistema anterior.
3. La excreción renal del exceso de
ácidos.
La concentración de iones H+, existentes en
el líquido extracelular, se simboliza por pH,
estando su valor entre 7,35 y 7,45; la vida
humana se desenvuelve entre límites muy
estrechos de pH.
Acidosis
La acidosis es un término clínico que indica
un trastorno hidroelectrolítico que puede
conducir a acidemia, y que viene definido
por un pH sanguíneo inferior a 7.35. La
acidosis puede ser metabólica o
respiratoria.
Con el nombre de acidosis se conoce
aquellas situaciones clínicas en las que
existe una alteración en la que predomina
un aumento en la concentración de
hidrogeniones.
Alteraciones en el equilibrio ácido-base
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Acidosis metabólica
Es debida al aumento de hidrógeno que
supera las posibilidades de excreción por el
organismo, que produce una retirada de
bicarbonato de los líquidos.
La acidosis metabólica se produce como
resultado de un aumento marcado en la
producción endógena de ácidos como
ocurre en la cetoacidosis o en la acidosis
láctica, por la pérdida de los depósitos de
bicarbonato como ocurre en las diarreas o
por acumulación progresiva de ácidos
endógenos cuya excreción está alterada
por una insuficiencia renal progresiva.
Acidosis respiratoria
La acidosis respiratoria es debida a
aumento del ácido carbónico circulante, al
no producirse una eliminación normal del
dióxido de carbono por vía respiratoria
como resultado de una hipoventilación
alveolar por insuficiencia respiratoria.
Cuando el CO2 se une con el agua, por
medio de la anhidrasa carbónica se
convierte en ácido carbónico, un ácido
débil que se disocia parcialmente en
bicarbonato y cationes Hidrógeno, estos
iones de hidrógeno son los causantes de
incremento de acidez plasmático. Al
realizarse esto, se libera hidrógeno. El
exceso de hidrógeno disminuye el pH y por
lo tanto el bicarbonato, llevando a una
acidosis metabólica. Una forma para
recordar esto es que, el pH es una medida
de la concentración de cationes Hidrógeno.
Esto quiere decir que cuando aumenta el
pH disminuye el hidrógeno y viceversa. La
disminución de hidrógenos produce
alcalosis metabólica. La alcalosis
respiratoria por su parte se caracteriza por
exceso de eliminación del CO2. Esto impide
su unión con el agua y evita la formación
de hidrógenos, aumentando el pH y
produciendo alcalinización.
Los síntomas de la acidosis respiratoria son
disnea, tos y en casos graves confusión,
irritabilidad, letargo, coma y muerte por
paro cardiorespiratorio.
Alcalosis
La alcalosis (o alcalemia) es un término
clínico que indica un trastorno
hidroelectrolítico en el que hay un
aumento en la alcalinidad (o basicidad) de
los fluidos del cuerpo, es decir, un exceso
de base (álcali) en los líquidos corporales.
Esta condición es la opuesta a la producida
por exceso de ácido (acidosis). Se puede
originar por diferentes causas.
El mecanismo subyacente consiste en la
acumulación de bases o pérdida de ácidos
sin una pérdida equivalente de bases en los
líquidos del organismo, lo que provoca una
reducción en la concentración de iones
hidrógeno en el plasma sanguíneo arterial.
Generalmente se utiliza este término en
aquellos casos en que el pH arterial es
mayor a 7,45.
Siendo los pulmones y los riñones los que
regulan el estado ácido/básico del cuerpo,
la disminución en el nivel de dióxido de
carbono o el aumento del nivel de
bicarbonato son las causas directas de este
fenómeno.
Alcalosis respiratoria
La alcalosis respiratoria se debe a una
ventilación excesiva de los pulmones. Se
produce también cuando una persona
asciende a altitudes elevadas. El bajo
contenido de oxígeno del aire estimula la
respiración, lo que hace que se pierda
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demasiado CO2 y aparezca una alcalosis
respiratoria leve. El riñón trata de
compensar esa alcalosis con un aumento
en la excreción de bicarbonato.
Alcalosis metabólica
La alcalosis metabólica es ocasionada por
un exceso de bicarbonato en la sangre.
La alcalosis hipoclorémica (baja
concentración del ion cloro en el plasma
sanguíneo) es aquella causada por una
deficiencia o pérdida extrema de cloruro
(que puede ser debido a vómitos
persistentes). En esos casos, los riñones
compensan la pérdida de cloruros
mediante la conservación de bicarbonato.
La alcalosis hipopotasemica se debe a la
reacción del riñón a una deficiencia o
pérdida extrema de potasio que puede ser
provocada por el uso de algunos
medicamentos diuréticos.
La alcalosis compensada se presenta
cuando el cuerpo ha compensado
parcialmente la alcalosis, alcanzando el
equilibrio normal ácido/básico, aun cuando
los niveles de bicarbonato y dióxido de
carbono permanezcan anormales en
términos absolutos.
Todos los aminoácidos componentes de las
proteínas son L-alfa-aminoácidos. Por lo
tanto, están formados por un carbono alfa
unido a un grupo carboxilo, a un grupo
amino, a un hidrógeno y a una cadena
(habitualmente denominada Radical
alquilo o arilo) de estructura variable, que
determina la identidad y las propiedades
de los diferentes aminoácidos; existen
cientos de cadenas R por lo que se conocen
cientos de aminoácidos diferentes, pero
sólo 20 forman parte de las proteínas y
tienen codones específicos en el código
genético.
La unión de varios aminoácidos da lugar a
cadenas llamadas polipéptidos o
simplemente péptidos, que se denominan
proteínas cuando la cadena polipeptídica
supera los 50 aminoácidos o la masa
molecular total supera las 5.000 uma.
La estructura general de un aminoácido se
establece por la presencia de un carbono
central alfa unido a: un grupo carboxilo
(rojo en la figura), un grupo amino (verde),
un hidrógeno (en negro) y la cadena lateral
(azul):
"R" representa la cadena lateral, específica
para cada aminoácido. Técnicamente
hablando, se los denomina alfa-
aminoácidos, debido a que el grupo amino
(–NH2) se encuentra a un átomo de
distancia del grupo carboxilo (–COOH).
Como dichos grupos funcionales poseen H
Aminoácidos
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en sus estructuras químicas, son grupos
susceptibles a los cambios de pH; por eso,
al pH de la célula prácticamente ningún
aminoácido se encuentra de esa forma,
sino que se encuentra ionizado.
A los aminoácidos que necesitan ser
ingeridos por el cuerpo se les llama
esenciales; la carencia de estos
aminoácidos en la dieta limita el desarrollo
del organismo, ya que no es posible
reponer las células de los tejidos que
mueren o crear tejidos nuevos, en el caso
del crecimiento. Para el ser humano, los
aminoácidos esenciales son:
Valina (Val, V)
Leucina (Leu, L)
Treonina (Thr, T)
Lisina (Lys, K)
Triptófano (Trp, W)
Histidina (His, H) *
Fenilalanina (Phe, F)
Isoleucina (Ile, I)
Arginina (Arg, R) *
Metionina (Met, M)
A los aminoácidos que pueden ser
sintetizados o producidos mediante la
síntesis de aminoácidos por el cuerpo se
los conoce como no esenciales y son:
Alanina (Ala, A)
Prolina (Pro, P)
Glicina (Gly, G)
Serina (Ser, S)
Cisteína (Cys, C) **
Asparagina (Asn, N)
Glutamina (Gln, Q)
Tirosina (Tyr, Y) **
Ácido aspártico (Asp, D)
Ácido glutámico (Glu, E)
Los aminoácidos proteicos, canónicos o
naturales son aquellos que están
codificados en el genoma; para la mayoría
de los seres vivos son 20: alanina, arginina,
asparagina, aspartato, cisteína,
fenilalanina, glicina, glutamato, glutamina,
histidina, isoleucina, leucina, lisina,
metionina, prolina, serina, tirosina,
treonina, triptófano y valina.
Sin embargo, hay unas pocas excepciones:
en algunos seres vivos el código genético
tiene pequeñas modificaciones y puede
codificar otros aminoácidos. Por ejemplo:
selenocisteína y pirrolisina.
¿Cuales son las funciones básicas de los
aminoácidos?
Todos los aminoácidos participan en la
síntesis de las proteínas pero a la vez cada
uno de ellos tiene una serie de funciones
muy concretas.
Ácido Glutámico: sirve principalmente
como "combustible" del cerebro y ayuda a
absorber el exceso de amoníaco (afecta a
las funciones cerebrales)
Alanina: es uno de los aminoácidos no
esenciales que interviene en el
metabolismo de la glucosa.
Arginina: interviene en los procesos de
detoxificación del organismo, en el ciclo de
la urea y en la síntesis de creatinina.
Estimula la producción y liberación de la
hormona de crecimiento.
Asparagina: este tipo de aminoácidos se
forma a partir del ácido aspártico. Ayuda
también a eliminar el amoníaco del
organismo actúa (protegiendo así el
sistema nervioso) y mejora la resistencia a
la fatiga.
Carnitina: este aminoácido colabora en
disminuir niveles altos de colesterol; puede
prevenir o mejorar arritmias cardíacas y
también es útil en algunos casos de
sangrado de encías y piorreas.
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Cisteína: ayuda al organismo a eliminar los
metales pesados. Es uno de los
aminoácidos que interviene en el
crecimiento y la salud del cabello y
también forma parte del factor de
tolerancia a la glucosa.
Citrulina: participa en el ciclo de la urea y
síntesis de creatinina
Fenilalanina: pertenece al grupo de
aminoácidos que ayudan a nuestro
organismo a mantener niveles adecuados
de endorfinas que son responsables de la
sensación de bienestar. Este aminoácido
reduce el apetito desmesurado y ayuda a
calmar el dolor.
Glicina: facilita al cuerpo la creación de
masa muscular (útil para la distrofia
muscular) Útil para tratar la hipoglucemia y
para la hiperactividad gástrica.
Glutamina: puede ayuda a mejorar el
coeficiente intelectual y diversos
problemas mentales (desánimo, principios
de demencia senil, etc.) De entre los
aminoácidos destaca por ser de ayuda para
combatir la adicción al alcohol.
Histidina: es un aminoácido precursor de la
histamina. Puede ayudar a mejorar en
algunos casos la artritis reumatoidea,
síntomas alérgicos y úlceras.
Isoleucina: interviene en la síntesis de
hemoglobina y mantiene el equilibrio de la
glucosa en la sangre. Interviene en la
producción de energía y reparación del
tejido muscular.
Leucina: junto a otros aminoácidos como la
Isoleucina interviene en la formación y
reparación del tejido muscular. Colabora
en la curación de la piel y huesos
Lisina: participa junto con la metionina en
la síntesis del aminoácido carnitina y ayuda
a tratar o prevenir los herpes. Incrementa
con la arginina, la producción de la
hormona de crecimiento.
Metionina: su déficit puede ocasionar
algunos tipos de edemas, colesterol y
pérdida de cabello.
Ornitina: colabora, como otros
aminoácidos, en el metabolismo de la
glucosa. En este caso lo hace estimulando
la liberación de insulina. También puede
ayudar a fabricar masa muscular.
Prolina: como otros aminoácidos interviene
en la síntesis de neurotransmisores
cerebrales relacionados con el alivio de la
depresión temporal y colabora también en
la síntesis de colágeno.
Serina: interviene en el metabolismo de
grasas y ácidos grasos así como también
hace de recursor de los fosfolípidos (nutren
el sistema nervioso)
Taurina: es uno de los aminoácidos
condicionalmente esenciales y destaca su
función de neurotransmisor cerebral.
Colabora en la degeneración grasa del
hígado.
Tirosina: destaca entre los aminoácidos por
su función de neurotransmisor y puede
ayudar en caso de ansiedad o depresión.
Treonina: ayuda en los procesos de
desintoxicación junto a los aminoácidos
Metionina y Ácido Aspártico. También
participa en la síntesis del colágeno y de la
elastina.
Triptófano: precursor del neurotransmisor
serotonina. Este aminoácido también actúa
como antidepresivo natural, favorece el
sueño y también puede mejorar los casos
de ansiedad. Útil en terapias contra el
alcoholismo.
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Valina: favorece el crecimiento y
reparación de los tejidos musculares.
Puede ser, dentro de los aminoácidos, muy
útil para reducir el apetito y la bulimia.
Las proteínas son macromoléculas
compuestas por carbono, hidrógeno,
oxígeno y nitrógeno. La mayoría también
contienen azufre y fósforo. Son
compuestos muy complejos formados por
cadenas de cientos y miles de aminoácidos
unidos entre sí por enlaces peptídicos. Si
bien sólo los aminoácidos son 20, las
posibilidades de combinarlos son infinitas.
Las propiedades de cada una de las
proteínas al igual que su funcionalidad
dependen de la secuencia de aminoácidos
que la formen.
Junto con el DNA, RNA, los polisacáridos y
los lípidos constituyen una de las cinco
biomoléculas complejas presentes en las
células y tejidos. La polimerización de los L-
aminoácidos por síntesis de enlaces
peptídicos contribuye a la formación
estructural de las proteínas.
Clasificación
Debido a sus funciones, se pueden
clasificar en:
1. Catálisis: Está formado por enzimas
proteicas que se encargan de realizar
reacciones químicas de una manera
más rápida y eficiente. Procesos que
resultan de suma importancia para el
organismo. Por ejemplo la pepsina,
esta enzima se encuentra en el sistema
digestivo y se encargan de degradar los
alimentos.
2. Reguladoras: Las hormonas son un tipo
de proteínas las cuales ayudan a que
exista un equilibrio entre las funciones
que realiza el cuerpo. Tal es el caso de
la insulina que se encarga de regular la
glucosa que se encuentra en la sangre.
3. Estructural: Este tipo de proteínas
tienen la función de dar resistencia y
elasticidad que permite formar tejidos
así como la de dar soporte a otras
estructuras. Este es el caso de la
tubulina que se encuentra en el
citoesqueleto.
4. Defensiva: Son las encargadas de
defender al organismo. Glicoproteínas
que se encargan de producir
inmunoglobulinas que defienden al
organismo contra cuerpos extraños, o
la queratina que protege la piel, así
como el fibrinógeno y protrombina que
forman coágulos.
5. Transporte: La función de estas
proteínas es llevar sustancias a través
de todo el organismo donde son
requeridas. Proteínas como la
hemoglobina que lleva el oxígeno por
medio de la sangre.
Proteínas
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Trabajo Final – Bioquímica 3er
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6. Receptoras: Este tipo de proteínas se
encuentran en la membrana celular y
llevan a cabo la función de recibir
señales y para que la célula así pueda
realizar su función. El acetilcolina que
recibe señales para producir la
contracción muscular.
Funciones
Las proteínas ocupan un lugar de máxima
importancia entre las moléculas
constituyentes de los seres vivos
(biomoléculas). Prácticamente todos los
procesos biológicos dependen de la
presencia o la actividad de este tipo de
moléculas. Bastan algunos ejemplos para
dar idea de la variedad y trascendencia de
las funciones que desempeñan. Son
proteínas:
Casi todas las enzimas,
catalizadores de reacciones
químicas en organismos vivientes;
Muchas hormonas, reguladores de
actividades celulares;
La hemoglobina y otras moléculas
con funciones de transporte en la
sangre;
Los anticuerpos, encargados de
acciones de defensa natural contra
infecciones o agentes patógenos;
Los receptores de las células, a los
cuales se fijan moléculas capaces
de desencadenar una respuesta
determinada;
La actina y la miosina, responsables
finales del acortamiento del músculo
durante la contracción;
El colágeno, integrante de fibras
altamente resistentes en tejidos de
sostén.
Funciones de reserva. Como la
ovoalbúmina en el huevo, o la caseína
de la leche.
Desnaturalización.
Consiste en la pérdida de la estructura
terciaria, por romperse los puentes que
forman dicha estructura. Todas las
proteínas desnaturalizadas tienen la
misma conformación, muy abierta y
con una interacción máxima con el
disolvente, por lo que una proteína
soluble en agua cuando se
desnaturaliza se hace insoluble en agua
y precipita.
La desnaturalización se puede producir
por cambios de temperatura, (huevo
cocido o frito ), variaciones del pH. En
algunos casos, si las condiciones se
restablecen, una proteína
desnaturalizada puede volver a su
anterior plegamiento o conformación,
proceso que se denomina
renaturalización.
Todas las proteínas realizan
elementales funciones para la vida
celular, pero además cada una de éstas
cuenta con una función más específica
de cara a nuestro organismo.cada 100
g. de alimento.
14
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Ricardo Navarro López
Se llama fisicoquímica a la parte de la
química que estudia las propiedades físicas
y estructura de la materia, las leyes de la
interacción química y las teorías que las
gobiernan. La fisicoquímica recaba primero
todos los datos necesarios para la
definición de los gases, líquidos, sólidos,
soluciones y dispersiones coloidales a fin
de sistematizarlos en leyes y darles un
fundamento teórico. Luego se establecen
las relaciones de energía en las
transformaciones físicas y químicas y se
tratan de predecir con que magnitud y con
qué velocidad se producen,
determinándose cuantitativamente los
factores reguladores. En este sentido
deben tomarse en cuenta las variables
comunes de la temperatura, presión y
concentración, sino además además los
efectos de la interacción estrecha de la
materia misma en cuanto a su naturaleza y
estructura.
En todos los organismos es preciso
sintetizar macromoléculas a partir de
moléculas sencillas, y para establecer los
enlaces entre éstas se necesita energía.
Esta energía se consigue rompiendo los
enlaces químicos internos de otras
macromoléculas, sustancias de reserva o
alimentos. Todo ello comporta una serie de
reacciones coordinadas cuyo conjunto se
denomina metabolismo.
Dado que las sustancias que intervienen en
estas reacciones son, generalmente, muy
estables, se requeriría una gran cantidad
de energía para que reaccionaran entre sí,
ya que, si no, la velocidad de reacción sería
nula o demasiado lenta. Para acelerar la
reacción en un laboratorio bastaría con
aumentar la temperatura o bien con añadir
un catalizador, es decir, una sustancia que
aumente la velocidad de la reacción. En los
seres vivos, un aumento de temperatura
puede provocar la muerte, por lo que se
opta por la otra posibilidad, es decir, el
concurso de catalizadores biológicos o
biocatalizadores. Las moléculas que
desempeñan esta función son las enzimas.
Las enzimas son, proteínas globulares
capaces de catalizar las reacciones
metabólicas.
Son solubles en agua y se difunden bien en
los líquidos orgánicos. Pueden actuar a
nivel intracelular, es decir, en el interior de
la célula donde se han formado, o a nivel
extracelular, en la zona donde se segregan.
Las enzimas cumplen las dos leyes
comunes a todos los catalizadores: la
primera es que durante la reacción no se
Fisicoquímica
Enzimas
15
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alteran, y la segunda es que no desplazan
la constante de equilibrio para que se
obtenga más producto, sino que
simplemente favorecen que la misma
cantidad de producto se obtenga en menos
tiempo. Las enzimas, a diferencia de los
catalizadores no biológicos, presentan una
gran especificidad, actúan a temperatura
ambiente y consiguen un aumento de la
velocidad de reacción de un millón a un
trillón de veces.
Proceso enzimático
En toda reacción química se produce una
transformación de unas sustancias
iniciales, denominadas reactivos o
sustratos (S), en unas sustancias finales o
productos (P).
Esta transformación no se verifica
directamente, ya que es necesario un paso
intermedio en el cual el reactivo se active,
de forma que sus enlaces se debiliten y se
favorezca su ruptura. Este paso intermedio
recibe el nombre de complejo activado y
requiere un aporte de energía,
generalmente en forma de calor, que se
conoce como energía de activación
Las enzimas pueden actuar de dos formas:
unas, fijándose mediante enlaces fuertes
energía para romperlos; y otras, atrayendo
a las sustancias reaccionantes hacia su
superficie de modo que aumente la
posibilidad de encuentro y que la reacción
se produzca más fácilmente.
Las enzimas, una vez que han realizado la
transformación del sustrato o sustratos en
productos, se liberan rápidamente de ellos
para permitir el acceso a otros sustratos.
Sistema enzimático
Un sistema enzimático es un conjunto de
varias enzimas cuyas actividades catalíticas
están coordinadas.
Cinemática enzimática
La cinética enzimática estudia la velocidad
de las reacciones químicas que son
catalizadas por las enzimas. El estudio de la
cinética y de la dinámica química de una
enzima permite explicar los detalles de su
mecanismo catalítico, su papel en el
metabolismo, cómo es controlada su
actividad en la célula y cómo puede ser
inhibida su actividad por fármacos o
venenos o potenciada por otro tipo de
moléculas.
Enzimas en el diagnóstico de
enfermedades
Existen variedad de enzimas para el
diagnóstico de enfermedades genéticas e
infecciones que están en desarrollo. Estas
enzimas en su mayoría sirven como
marcadores uniéndose a un sitio de anclaje
determinado haciendo las veces de
epítopo.
Existen diferentes clases como las
isoenzimas que son subunidades que viene
de dos loci genéticos diferentes en
distintas combinaciones para formar la
enzima polimerica activa.
Como isoenzima mas importantes tenemos
la creatinfosfoquinasa es una enzima que
se encuentra en concentraciones elevadas
en el tejido muscular tanto esquelético
como cardíaco y en menor concentración
en otros tejidos. Se puede dividir en tres
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isoenzimas: MM, MB, y BB, y se la emplea
tanto en el diagnóstico de infarto agudo de
miocardio, en las miopatías congénitas y en
cuanto a modo de medida confiable de
enfermedades inflamatorias musculares.
La lactato deshidrogenasa sirve para el
diagnóstico de daño tisular en muchos
tejidos del cuerpo, como el corazón, el
hígado, los riñones, el músculo esquelético,
el cerebro, las células sanguíneas y los
pulmones.
Las aminotransferasas son usadas para el
diagnóstico no invasivo de fibrosis hepática
en niños y adolescentes y enfermedades
hepáticas grasas no alcohólicas.
La fosfatasa ácida tartrato-resistente es un
examen efectuado en las células
sanguíneas o en la médula ósea (biopsia)
para confirmar un diagnóstico de leucemia
de células pilosas o tricoleucemia.
Asimismo, este examen se puede realizar
en el plasma sanguíneo para buscar signos
de descomposición ósea.
Las amilasas que ayudan en el diagnóstico
de pancreatitis aguda (excepto en necrosis
fulminante). En la úlcera gástrica
penetrante en páncreas y en la parotiditis.
Otras enzimas usadas en el diagnóstico
clínico:
1. La amilasa.- Son enzimas que
catalizan la hidrólisis de los
polisacáridos y su medición en
suero y orina es muy importante
en la evaluación de la pancreatitis
aguda. la amilasa encontrada en la
sangre, es principalmente
elaborada por las glándulas
salivales y el práncreas.
2. Lactato deshidrogenada (LDH).-
Elevada en patologías musculares,
cardíacas, renales, hepáticas y en
anemias hemolíticas.
3. Transaminasas o
aminotransferasas.- Se reconocen
dos clases de enzimas: la aspartato
aminotranferasa denominada
tambien transaminasa glutámico
oxalacética (TGO) se encuentra en
el hígado, corazón y musculo. La
alanino aminotransferasa o
transaminasa glutámico pirúvica se
encuentra principalmente en el
hígado.
Son enzimas que resultan buenos
indicadores dediagnóstico de
enfermedades hepatocelulares.
Elevada en enfermedades
hepáticas, como la hepatitis viral, o
la cirrosis.
4. Alfa glutamil - transferasa (alfa -
GT).- elevada en enfermedades
hetatobiliares y en el alcoholismo.
Es la utilizada para evaluar el
funcionamiento hepático sobre
todo en los pacientes alcohólicos.
5. Fosfatasa alcalina: elevada en las
hepatopatías.
6. Fosfatasa ácida: se eleva en el
cáncer de próstata.
7. Acetilcolinesterasa: disminuida tras
la intoxicación o envenenamiento
con insecticidas o elementos
organofosforados.
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El metabolismo comprende una serie de
transformaciones químicas y
procesosenergéticos que ocurren en el ser
vivo. Para que sucedan cada una de esas
transformaciones se necesitan enzimas que
originen sustancias que sean a su vez
productos de otras reacciones. El conjunto
de reacciones químicas y enzimáticas se
denomina ruta o vía metabólica.
El metabolismo se divide en:
El catabolismo es el metabolismo
de degradación de sustancias con
liberación de energía.
El anabolismo es el metabolismo
de construcción de sustancias
complejas con necesidad de
energía en el proceso.
En las rutas metabólicas se necesitan
numerosas y específicas moléculas que van
conformando los pasos y productos
intermedios de las rutas. Pero, además,
son necesarios varios tipos de moléculas
indispensables para su desarrollo final:
1. Metabolitos (moléculas que
ingresan en la ruta para su
degradación o para participar en la
síntesis de otras sustancias más
complejas),
2. Nucleótidos (moléculas que
permiten la oxidación y reducción
de los metabolitos),
3. Moléculas energéticas (ATP y GTP
o la Coenzima A que, al almacenar
o desprender fosfato de sus
moléculas, liberan o almacenan
energía),
4. Moléculas ambientales (oxígeno,
agua, dióxido de carbono, etc. que
se encuentran al comienzo o final
de algún proceso metabólico).
Cada célula desarrolla miles de reacciones
químicas que pueden ser exergónicas (con
liberación de energía) o endergónicas (con
consumo de energía). Si las reacciones
químicas dentro de una célula están
regidas por las mismas leyes
termodinámicas... entonces, ¿cómo se
desarrollan las vías metabólicas?
1. Las células asocian las reacciones:
las reacciones endergónicas se
llevan a cabo con la energía
liberada por las reacciones
exergónicas.
2. Las células sintetizan moléculas
portadoras de energía que son
capaces de capturar la energía de
las reacciones exergónicas y las
llevan a las reacciones
endergónicas.
3. Las células regulan las reacciones
químicas por medio de
catalizadores biológicos: ENZIMAS.
Metabolismo Celular
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EL CATABOLISMO
El catabolismo comprende el metabolismo
de degradación oxidativa de las moléculas
orgánicas, cuya finalidad es la obtención de
energía necesaria para que la célula pueda
desarrollar sus funciones vitales. Debe
existir una última molécula que capte los
electrones o los hidrógenos desprendidos
en las reacciones de oxidación.
Si el aceptor de electrones es el oxígeno
molecular la ruta o el catabolismo es
aeróbico y si es otra molécula es
catabolismo anaeróbico
El catabolismo aeróbico
El catabolismo aerobio está formado por
varias rutas
metabólicas que
conducen
finalmente a la
obtención de
moléculas de
ATP. Estas
moléculas de
ATP más tarde
serán
imprescindibles
para dar energía
en las rutas anabólicas. La energía que no
se usa se disipará en forma de calor.
El catabolismo anaeróbico
Cuando el catabolismo se realiza en
condiciones anaeróbicas, es decir cuando
el último aceptor de hidrógenos o
electrones no es el oxígeno, sino una
molécula orgánica sencilla, las rutas de
degradación de la glucosa se llaman
fermentaciones.
En un mismo organismo pluricelular
pueden darse rutas aeróbicas o
anaeróbicas, según las condiciones
ambientales de la célula. Por ejemplo, la
célula muscular puede funcionar con
oxígeno hasta que éste llega con dificultad
al tejido. Trabaja entonces en condiciones
anaerobias produciendo ácido láctico.
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EL ANABOLISMO
La construcción de biomoléculas propias
exclusivas sólo pueden llevarla a cabo los
seres vivos a base de capturar
determinadas sustancias del medio en que
viven (autótrofos). En muchos seres vivos
la nutrición solo puede realizarse mediante
la ingestión de otros seres vivos
(heterótrofos).
Nuestra vida en el planeta tierra depende
de la función de unos seres vivos muy
especiales, que son capaces de fabricar su
propia materia a partir de la luz. Se trata de
plantas verdes y algas que realizan la
fotosíntesis. Los organismos fotosintéticos
utilizan la luz del sol y transforman su
energía luminosa en energía para formar
glúcidos y otras moléculas orgánicas. Estas
moléculas orgánicas forman sus tejidos que
sirven de alimento a los seres vivos no
fotosintetizadores.
El anabolismo o biosíntesis es una de las
dos partes del metabolismo, encargada de
la síntesis o bioformación de moléculas
orgánicas (biomoléculas) más complejas a
partir de otras más sencillas o de los
nutrientes, con requerimiento de energía,
al contrario que el catabolismo.
El anabolismo es el responsable de:
• La formación de los componentes
celulares y tejidos corporales y por
tanto del crecimiento.
• El almacenamiento de energía
mediante enlaces químicos en
moléculas orgánicas.
Las células obtienen la energía del medio
ambiente mediante tres tipos distintos de
fuente de energía que son:
• La luz solar, mediante la
fotosíntesis en las plantas.
• Otros compuestos orgánicos
como ocurre en los organismos
heterótrofos.
• Compuestos inorgánicos como
las bacterias quimiolitotróficas que
pueden ser autótrofas o
heterótrofas.
El anabolismo se puede clasificar
académicamente según las biomoléculas
que se sinteticen en:
• Replicación o duplicación de ADN.
• Síntesis de ARN.
• Síntesis de proteínas.
• Síntesis de glúcidos.
• Síntesis de lípidos.
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Los hidratos de carbono son una familia de
sustancias ampliamente difundidas entre
los alimentos que se caracterizan por
obedecer a la fórmula empírica CnH2nOn →
Cn(H2O)n. Por tanto están constituidos por
carbono, hidrógeno y oxígeno en
proporción tal que pueden representarse
como si cada átomo de carbono estuviese
unido a una molécula de agua, cosa que no
responde en absoluto a la realidad.
En realidad estas sustancias químicamente
son polihidroxialdehidos o
polihidroxicetonas constituidas por una o
más unidades fundamentales
(nonosacáridos) que a su vez son moléculas
sw polihidroxialdehidos o
polihidroxicetonas simples derivadas
cadenas lineales de hidrocaburo que en las
sustancias más habituales contienen 5 ó 6
átomos de carbono.
La isomería posicional que presentan es
extremadamente importante en estos
compuestos. Sustancias con la misma
formula empírica pueden tener
propiedades muy diferentes con sólo una
diferencia en un carbono asimétrico.
Los hidratos de carbono constituyen, por
volumen de producción y consumo, la
parte más importante de la tecnología
agroalimentaria, especialmente teniendo
en cuenta que, comparados con grasas y
lípidos, muchos hidratos de carbono
requieren procesos de extracción y/o
purificación (azúcar, almidón, jarabes,
dextrinas, etc).
Como alimentos, los hidratos de carbono
son los más baratos, se obtienen con
facilidad y en abundancia y son más fáciles
de digerir en comparación con los demás
nutrientes.
Por su naturaleza química, es conveniente
considerar los diferentes tipos de hidratos
de carbono divididos por orden de
creciente complejidad. Los HC más
complejos están constituidos por unidades
de HC sencillos, por lo que es necesario
comprender la química de estos últimos
para poder entender los más complejos.
Tradicionalmente, los HC se han dividido
en los siguientes grupos:
• Mono y disacáridos
• Oligosacáridos
• Polisacáridos
• Otros
Mono y disacáridos:
Son las moléculas más simples que
consisten en un esqueleto de cadenas
carbonadas lineales de 3 a 8 carbonos
(siendo 5 y 6 con mucho los más habituales
en TA) que son polihidroxialdehidos y
polihidroxicetonas.
Carbohidratos
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Los monosacáridos aparecen muy a
menudo en los alimentos enlazados de dos
en dos (de forma que se explicará en
detalle más adelante) en moléculas que se
denominan disacáridos. El azúcar de mesa
(sacarosa) es un ejemplo de disacárido que
puede ser obtenido de la caña de azúcar y
de algunas variedades de remolacha.
Oligosacáridos:
Se denominan de esta forma a las cadenas
de monosacáridos que contienen desde
unas pocas unidades hasta varios cientos
de estos monómeros enlazados. Aparecen
en fuentes naturales aunque en mucha
menos frecuencia y cantidad que los mono,
di y polisacáridos
Polisacáridos:
Son largas cadenas poliméricas de
monosacáridos (fundamentalmente
glucosa exclusivamente en los
polisacáridos que más nos interesan) que
constituyen los tejidos de reserva de
plantas y, en alguna medida, de animales.
Los polisacáridos también tienen una gran
importancia en los tejidos de sostén de la
planta.
Entre los polisacáridos más importantes
encontramos los siguientes.
El almidón es un polímero de glucosa que
constituye el tejido de almacenamiento
más importante en las plantas. Es la
sustancia más importante que existe desde
el punto de vista de la alimentación
humana por su volumen de consumo,
disponibilidad, precio y disposición.
Estructura
Los glúcidos son compuestos formados en
su mayor parte por átomos de carbono e
hidrógeno y en una menor cantidad de
oxígeno. Los glúcidos tienen enlaces
químicos difíciles de romper llamados
covalentes, mismos que poseen gran
cantidad de energía, que es liberada al
romperse estos enlaces. Una parte de esta
energía es aprovechada por el organismo
consumidor, y otra parte es almacenada en
el organismo.
En la naturaleza se encuentran en los seres
vivos, formando parte de biomoléculas
aisladas o asociadas a otras como las
proteínas y los lípidos.
Funciones
Las funciones que los glúcidos cumplen en
el organismo son, energéticas, de ahorro
de proteínas, regulan el metabolismo de
las grasas y estructural.
Energeticamente, los
carbohidratos aportan 4 KCal
(kilocalorías) por gramo de peso
seco. Esto es, sin considerar el
contenido de agua que pueda
tener el alimento en el cual se
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encuentra el carbohidrato.
Cubiertas las necesidades
energéticas, una pequeña parte se
almacena en el hígado y músculos
como glucógeno (normalmente no
más de 0,5% del peso del
individuo), el resto se transforma
en grasas y se acumula en el
organismo como tejido adiposo.
Se suele recomendar que
minimamente se efectúe una
ingesta diaria de 100 gramos de
hidratos de carbono para
mantener los procesos
metabólicos.
Ahorro de proteínas: Si el aporte
de carbohidratos es insuficiente, se
utilizarán las proteínas para fines
energéticos, relegando su función
plástica.
Regulación del metabolismo de las
grasas: En caso de ingestión
deficiente de carbohidratos, las
grasas se metabolizan
anormalmente acumulándose en el
organismo cuerpos cetónicos, que
son productos intermedios de este
metabolismo provocando así
problemas (cetosis).
Estructuralmente, los
carbohidratos constituyen una
porción pequeña del peso y
estructura del organismo, pero de
cualquier manera, no debe
excluirse esta función de la lista,
por mínimo que sea su
indispensable aporte.
Digestión y Absorción de Carbohidratos.
La digestión es importante por contener a
la amilasa salival o ptialina, enzima que
hidroliza diversos tipos de polisacáridos. El
pH de la saliva es cercano a la neutralidad,
por lo que en el estómago esta enzima se
inactiva totalmente, lo cual los
carbohidratos no sufren modificaciones de
importancia en este órgano. Es hasta el
intestino donde los disacáridos y los
polisacáridos deben ser hidrolizados en sus
unidades monoméricas para poder
atravesar la pared intestinal y tomar así el
torrente sanguíneo para llegar a las células
e ingresar al interior para ser utilizados en
cualquiera de las funciones en que
participan (energética, de reconocimiento,
estructural o como precursor de otras
moléculas). En el duodeno se vierte el jugo
pancréatico que contiene entre otros
muchos elementos, amilasa pancreática
(Su pH óptimo es de 7.1 y rompe al azar los
enlaces alfa,1-4 del almidón), diastasa o
amilopsina, esta última muy parecida a la
enzima salival. En la digestión de los
carbohidratos intervienen diferentes
enzimas que desempeñan cada una
funciones diferentes y que por tanto,
tienen especificidades diferentes. Para
romper las ramificaciones se necesita a la
amilo-1-6-glucosidasa.
La reacción de hidrólisis, consiste en el
rompimiento de uniones covalentes por
medio de una molécula de agua. La
hidrólisis de un enlace glucosídico se lleva a
cabo mediante la disociación de una
molécula de agua. El hidrógeno del agua se
une al oxígeno del extremo de una de las
moléculas de azúcar; el OH se une al
carbono libre del otro residuo de azúcar. El
resultado de esta reacción, es la liberación
de un monosacárido, dos si la molécula
hidrolizada fue un disacárido o bien el
polisacáridon-1, dependiendo de la
molécula original.
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La glucólisis o glicolisis, es la vía metabólica
encargada de oxidar la glucosa con la
finalidad de obtener energía para la célula.
Consiste en 10 reacciones enzimáticas
consecutivas que convierten a la glucosa
en dos moléculas de piruvato, el cual es
capaz de seguir otras vías metabólicas y así
continuar entregando energía al
organismo.
Reacción general
El proceso más importante de la segunda
etapa del catabolismo es la ``glucólisis'', la
que puede generar ATP en ausencia de
oxígeno. Durante este proceso una
molécula de glucosa con seis átomos de
carbono se convierte en dos moléculas de
piruvato, cada una de ellas con tres átomos
de carbono. Esta conversión involucra una
secuencia de 9 pasos enzimáticos en los
que se crean intermediarios que contienen
fosfatos. La célula hidroliza dos moléculas
de ATP para poner en marcha los primeros
pasos del proceso, pero al final produce
cuatro moléculas de ATP, por lo que hay
una ganancia neta de ATP.
La secuencia de reacciones que constituyen
la glucólisis puede dividirse en 3 partes. En
la primera parte la glucosa es convertida en
dos moléculas de gliceraldehído trifosfato
(una molécula con tres átomos de
carbono). Esta parte requiere invertir
energía: la hidrólisis del ATP es la que
provee los dos fosfatos que se necesitan.
En la segunda parte el grupo aldehído de
cada molécula de gliceraldehído trifosfato
se oxida formando ácido carboxílico y la
energía liberada en cada una de estas
reacciones se acopla a la de la fosforilación
de ADP para formar ATP. En la última
parte, los dos fosfatos que habían sido
usados para formar las dos moléculas de
gliceraldehído trifosfato son transferidos al
ADP para formar ATP. Por lo tanto, como
resultado neto de la glucólisis se obtiene
una ganancia neta de dos moléculas de
ATP por cada molécula de glucosa.
Para la mayoría de las células animales, la
glucólisis es sólo una porción de la segunda
etapa del catabolismo, ya que el ácido
pirúvico que se genera al final, entra
rápidamente en las mitocondrias para ser
completamente oxidado y convertido en
CO y H O. En el caso de los organismos
anaeróbicos o en tejidos tales como el de
algunos músculos que funcionan en
condiciones anaeróbicas, la glucólisis
puede ser la principal fuente de ATP de la
célula. Estas reacciones anaeróbicas que
generan energía se llaman fermentaciones.
En estos casos, las moléculas de piruvato
permanecen en el citosol y, dependiendo
del organismo, pueden convertirse en
etanol (como en la levadura) o en lactato
(como en el músculo).
Funciones
Las funciones de la glucólisis son:
La generación de moléculas de alta
energía (ATP y NADH) como fuente
de energía celular en procesos de
+
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2
2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O
Glucólisis
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respiración aeróbica (presencia de
oxígeno) y fermentación (ausencia
de oxígeno).
La generación de piruvato que
pasará al ciclo de Krebs, como
parte de la respiración aeróbica.
La producción de intermediarios de
6 y 3 carbonos que pueden ser
utilizados en otros procesos
celulares.
Las mitocondrias son las “centrales
energéticas” de las células. Allí, algunas
moléculas como la glucosa se oxidan y se
rompen en trozos más pequeños. En esta
reacción se liberan átomos de hidrógeno
(se liberan electrones, pero suelen ir
acompañados de protones:
electón+protón= 1 átomo de H). Este
hidrógeno se une al oxígeno y se forma
moléculas de agua.
El metabolismo energético es el conjunto
de reacciones que hay en un lado. Pueden
ser reacciones:
Anabólica: El anabolismo es el
conjunto de procesos metabólicos
constructivos en donde se utiliza la
energía liberada por el catabolismo
de sintetizar moléculas complejas.
En general, las complejas
moléculas que componen las
estructuras celulares se construyen
paso a paso a partir de precursores
pequeñas y sencillas. El anabolismo
involucra tres etapas básicas. En
primer lugar, la producción de
precursores como aminoácidos,
monosacáridos, isoprenoides y
nucleótidos, en segundo lugar, su
activación en forma reactiva
utilizando la energía del ATP, y en
tercer lugar, el conjunto de estos
precursores en moléculas
complejas como las proteínas,
polisacáridos, lípidos y ácidos
nucleicos .
Los organismos difieren en cuanto
a muchas de las moléculas en las
células que pueden construir por sí
mismos. Autótrofos como las
plantas pueden construir las
moléculas orgánicas complejas en
las células como los polisacáridos y
proteínas a partir de moléculas
simples como el dióxido de
carbono y agua. Heterótrofos, en
cambio, requieren una fuente de
Metabolismo Energético
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sustancias más complejas, como
monosacáridos y aminoácidos,
para producir estas moléculas
complejas. Los organismos pueden
ser clasificados por última fuente
de su energía: fotoautótrofos y
photoheterotrophs obtener
energía de la luz, mientras que
quimioautótrofos y
quimioheterótrofos obtener
energía de las reacciones de
oxidación inorgánica.
Catabólicas: El catabolismo son
procesos metabólicos de
degradación, en los que las
moléculas grandes, que proceden
de los alimentos o de las propias
reservas del organismo, se
transforman en otras más
pequeñas. En los procesos
catabólicos se produce energía.
Una parte de esta energía no es
utilizada directamente por las
células, sino que se almacena
formando unas moléculas
especiales. Estas moléculas
contienen mucha energía y se
utilizan cuando el organismo las
necesita. En el catabolismo se
produce, por ejemplo, la energía
que tus células musculares utilizan
para contraerse, la que se emplea
para mantener la temperatura de
tu cuerpo, o la que se consume en
los procesos anabólicos.
El consumo de energía es el trabajo
externo más la energía almacenada más le
calor que se produce (porque muchas
reacciones son exotérmicas).
Mitocondria
Las mitocondrias son pequeños cuerpos
ubicados en el citoplasma (la materia que
ocupa el espacio entre las paredes internas
de la célula y el exterior del núcleo) de la
célula que suelen presentar diferentes
formas: filamentos, bastoncitos o esféricas
y su tamaño suele variar entre 0.2 y 5
micras. Una característica resaltante de las
mitocondrias es que contienen su propio
ADN.
Las mitocondrias no permanecen estáticas
en la célula, al contrario, se mueven,
cambian de tamaño y forma, se fusionan
con otras mitocondrias o se dividen en
otras más pequeñas. Su número suele ser
variable, pudiendo ser sólo unas pocas o
pasar del millar por célula.
La función principal de las mitocondrias es
la de producir energía (aportan cerca del
90% de la energía que necesita la célula)
por medio de la utilización de ciertas
enzimas capaces de transformar los
materiales nutrientes en moléculas ATP
(trifosfato de adenosina) las cuales son
aprovechadas por la célula como fuente
directa de energía.
Las mitocondrias están cubiertas por dos
membranas, la membrana interna presenta
una gran cantidad de pliegues a los cuales
se les llama crestas mitocondriales. En la
superficie de estos pliegues se producen
las reacciones respiratorias, en donde se
presenta el consumo de oxigeno y la
producción de dióxido de carbono. La
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membrana externa, por otra parte, es lisa y
sirve para demarcar el límite exterior.
Descarboxilación del piruvato
La secuencia de reacciones catalizadas por
el complejo multienzimático piruvato
deshidrogenasa, que está formado por tres
enzimas, necesita de otras cinco es como
sigue:
1. Piruvato deshidrogenasa: E1, tiene
a la tiamina pirofosfato (TPP),
como coenzima. Cataliza las dos
primeras reacciones; formación de
hidroxietil-TPP y CO2. Y la
transferencia de dos equivalentes
reductores a E2, por reducción de
la lipoamida y transferencia del
acetato a esta última, la CoA se
une al acetato.
2. Dihidrolipoil transacetilasa: E2, el
grupo hidroxietil es transferido de
E1 a E2 que tiene al ácido lipóico
como coenzima. La reacción ocurre
por el ataque del carbanion del
hidroxietil, seguido de la
eliminación del TTP, para formar
acetil-dihidrolipoamida y regenerar
E1.
3. Dihidrolipoamida deshidrogenasa:
E3 tiene al FAD como coenzima.
Recibe a los equivalentes
reductores de E2
4. Coenzima A (CoA): Es la molécula
acarreadora del acetato.
5. Nicotinamida adenina dinucleótido
(NAD+): Aceptor final de los
equivalentes reductores que se
transfieren en esta reacción.
En resumen, la piruvato deshidrogenasa
cataliza las reacciones en las que en
piruvato:
1. Se oxida
2. Pierde un Carbono en forma de
CO2, el fragmento de dos carbonos
sobrante (acetato) se une a la
coenzima A para dar Ac-CoA., esta
última puede entrar al ciclo de
Krebs para producir equivalentes
reductores y dos CO2, o puede salir
de la mitocondria para formar
ácidos grasos.
En la segunda parte de la glucólisis: la
hexosa difosforilada se divide por mitades
(triosas), estas son fosforiladas y
deshidrogenadas, donan sus grupos fosfato
en fosforilaciones a nivel de sustrato en las
que el ADP se fosforila, se producen dos
moléculas de piruvato y cuatro de ATP.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del
ácido cítrico o ciclo de los ácidos
tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es
decir, una sucesión de reacciones químicas,
que forma parte de la respiración celular
en todas las células aeróbicas. En células
eucariotas se realiza en la mitocondria. En
las procariotas, el ciclo de Krebs se realiza
en el citoplasma, específicamente en el
citosol.
En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs
es parte de la vía catabólica que realiza la
oxidación de glúcidos, ácidos grasos y
aminoácidos hasta producir CO2, liberando
energía en forma utilizable (poder reductor
y GTP).
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El metabolismo oxidativo de glúcidos,
grasas y proteínas frecuentemente se
divide en tres etapas, de las cuales, el ciclo
de Krebs supone la segunda. En la primera
etapa, los carbonos de estas
macromoléculas dan lugar a moléculas de
acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las
vías catabólicas de aminoácidos (p. ej.
desaminación oxidativa), la beta oxidación
de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera
etapa es la fosforilación oxidativa, en la
cual el poder reductor (NADH y FADH2)
generado se emplea para la síntesis de ATP
según la teoría del acomplamiento
quimiosmótico.
El ciclo de Krebs también proporciona
precursores para muchas biomoléculas,
como ciertos aminoácidos. Por ello se
considera una vía anfibólica, es decir,
catabólica y anabólica al mismo tiempo.
Reacción 1: Citrato sintasa (De
oxalacetato a citrato)
El sitio activo de la enzima, activa el acetil-
CoA para hacerlo afín a un centro
carbonoso del oxalacetato. Como
consecuencia de la unión entre las dos
moléculas, el grupo tioéster (CoA) se
hidroliza, formando así la molécula de
citrato.
La reacción es sumamente exoergónica
(ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este
paso es irreversible. El citrato producido
por la enzima, además, es capaz de inhibir
competitivamente la actividad de la
enzima. Incluso estando la reacción muy
favorecida (porque es exoergónica), la
citrato sintasa puede ser perfectamente
regulada. Este aspecto tiene una notable
importancia biológica, puesto que permite
una completa regulación del ciclo de Krebs
completo, convirtiendo a la enzima en una
especie de marcapasos del ciclo.
Reacción 2: Aconitasa (De citrato a
isocitrato)
La aconitasa cataliza la isomerización del
citrato a isocitrato, por la formación de cis-
aconitato. La enzima cataliza también la
reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs
tal reacción es unidireccional a causa de la
ley de acción de masa: las concentraciones
(en condiciones estándar) de citrato (91%),
del intermediario cis-aconitato (3%) y de
isocitrato (6%), empujan decididamente la
reacción hacia la producción de isocitrato.
En el sitio activo de la enzima está presente
un clúster hierro-azufre que, junto a
algunos residuos de aminoácidos polares,
liga el sustrato. En concreto, la unión al
sustrato se asegura por la presencia de un
resto de serina, de arginina, de histidina y
de aspartato, que permiten sólo la unión
estereospecifica del citrato 1R,2S,
rechazando la forma opuesta.
28
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Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De
isocitrato a oxoglutarato)
La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial
es una enzima dependiente de la presencia
de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente,
la enzima cataliza la oxidación del
isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera
una molécula de NADH a partir de NAD+.
Sucesivamente, la presencia de un ión
bivalente, que forma un complejo con los
oxígenos del grupo carboxilo en posición
alfa, aumenta la electronegatividad de esa
región molecular. Esto genera una
reorganización de los electrones en la
molécula, con la consiguiente rotura de la
unión entre el carbono en posición gamma
y el grupo carboxilo adyacente. De este
modo se tiene una descarboxilación, es
decir, la salida de una molécula de CO2,
que conduce a la formación de α-
cetoglutarato, caracterizado por dos
carboxilos en las extremidades y una
cetona en posición alfa con respecto de
uno de los dos grupos carboxilo.
Reacción 4: α-cetoglutarato
deshidrogenasa (De oxoglutarato a
Succinil-CoA)
Después de la conversión del isocitrato en
α-cetoglutarato se produce una segunda
reacción de descarboxilación oxidativa, que
lleva a la formación de succinil CoA. La
descarboxilación oxidativa del α-
chetoglutarato es muy parecida a la del
piruvato, otro α-cetoácido.
Ambas reacciones incluyen la
descarboxilación de un α-cetoácido y la
consiguiente producción de una unión
tioéster a alta energía con la coenzima A.
Los complejos que catalizan tales
reacciones son parecidos entre ellos.
La α-cetoglutarato deshidrogenasa (o, más
correctamente, oxoglutarato
deshidrogenasa), está compuesta de tres
enzimas diferentes:
1. Subunidad E1: las dos
cetoglutarato deshidrogenasas.
2. Subunidad E2: la transuccinilasa.
(La subunidad E1 y E2 presentan una gran
homología con las de la piruvato
deshidrogenasa.)
3. Subunidad E3: la dihidrolipoamida
deshidrogenasa, que es el mismo
polipéptido presente en el otro
complejo enzimático.
Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De
Succinil-CoA a succinato)
El succinil-CoA es un tioéster a alta energía
(su ΔG°′ de hidrólisis está en unos -33.5 kJ
mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5
kJ mol-1). La citrato sintasa se sirve de un
intermediario con tal unión a alta energía
para llevar a cabo la fusión entre una
molécula con dos átomos de carbono
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(acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato).
La enzima succinil-CoA sintetasa se sirve de
tal energía para fosforilar un nucleósido
difosfato purinico como el GDP.
La energía procedente del tioéster viene
convertida en energía ligada a una unión
fosfato. El primer paso de la reacción
genera un nuevo intermediario a alta
energía, conocido como succinil fosfato.
Sucesivamente, una histidina presente en
el sitio catalítico remueve el fosfato de la
molécula glucídica, generando el producto
succinato y una molécula de fosfohistidina,
que dona velozmente el fosfato a un
nucleósido difosfato, recargándolo a
trifosfato. Se trata del único paso del ciclo
de Krebs en el que se produce una
fosforilación a nivel de sustrato.
El GTP está implicado principalmente en las
rutas de transducción de señales, pero su
papel en un proceso energético como el
ciclo de Krebs es, en cambio,
esencialmente trasladar grupos fosfato
hacia el ATP, en una reacción catalizada
por la enzima nucleósido difosfoquinasa.
Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De
succinato a fumarato)
La parte final del ciclo consiste en la
reorganización de moléculas a cuatro
átomos de carbono hasta la regeneración
del oxalacetato. Para que eso sea posible,
el grupo metilo presente en el succinato
tiene que convertirse en un carbonilo.
Como ocurre en otras rutas, por ejemplo
en la beta oxidación de los ácidos grasos,
tal conversión ocurre mediante tres pasos:
una primera oxidación, una hidratación y
una segunda oxidación. Estos tres pasos,
además de regenerar oxalacetato,
permiten la extracción ulterior de energía
mediante la formación de FADH2 y NADH.
La primera reacción de oxidación es
catalizada por el complejo enzimático de la
succinato deshidrogenasa, la única enzima
del ciclo que tiene como aceptor de
hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD
es enlazado de modo covalente a la enzima
por un residuo de histidina. La enzima se
vale del FAD ya que la energía asociada a la
reacción no es suficiente para reducir el
NAD+.
El complejo enzimático también es el único
del ciclo que pasa dentro de la membrana
mitocondrial. Tal posición se debe a la
implicación de la enzima en la cadena de
transporte de los electrones. Los
electrones pasados sobre el FAD se
introducen directamente en la cadena
gracias a la unión estable entre la enzima y
el cofactor mismo.
Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-
malato)
La fumarasa cataliza la adición en trans de
un protón y un grupo OH- procedentes de
una molécula de agua. La hidratación del
fumarato produce L-malato.
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Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-
malato a oxalacetato)
La última reacción del ciclo de Krebs
consiste en la oxidación del malato a
oxalacetato. La reacción, catalizada por la
malato deshidrogenasa, utiliza otra
molécula de NAD+ como aceptor de
hidrógeno, produciendo NADH.
La energía libre de Gibbs asociada con esta
última reacción es decididamente positiva,
a diferencia de las otras del ciclo. La
actividad de la enzima es remolcada por el
consumo de oxalacetato por parte de la
citrato sintasa, y de NADH por parte de la
cadena de transporte de electrones.
Cadena Respiratoria
La cadena respiratoria se abastece de
poder reductor Las células eucariotas y
procariotas obtienen energía,
principalmente bajo forma de ATP, a partir
del poder reductor (o H2) presente en las
moléculas de glúcidos, lípidos y
aminoácidos, entre otras. El aceptor final
de los H2 es el O2, se trata de un ejemplo
de célula aerobia. Sin embargo, hay otros
tipos de células en que los aceptores
finales de H2 son moléculas diferentes del
O2, esas células son anaerobias y
fermentativas. Ahora vamos a centrar el
estudio en células aerobias.
Los azúcares, ácidos grasos y
aminoácidos cuando son oxidados
(degradados) proveen de poder
reductor, de manera más o menos
directa, a la cadena respiratoria.
Así, se reducen cofactores como el
NAD y el FAD dando inicio a la
transferencia del poder reductor
(H2) hasta el aceptor final, que en
los organismos aerobios es el O2.
La variación de energía de los
electrones desde los precursores
reducidos (aminoácidos, glúcidos y
ácidos grasos) hasta el agua, es un
proceso exergónico, que impulsa la
reacción endergónica de síntesis de
ATP a partir del ADP y P (
Diagrama que muestra la convergencia del
poder reductor (H2) desde moléculas
reducidas (aminoácidos, glúcidos y ácidos
31
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grasos) hasta el oxígeno. Parte de la
energía liberada se onserva como ATP.
La cadena respiratoria esta formada por
tres complejos
1. NADH deshidrogenos
2. Complejo citocromo b-c1
3. Complejo citocromo – oxidasa
Formado por proteínas
El NADH dona sus electrones (2) a la
cadena respiratoria a una proteína,
llamada NADH deshidrogenasa.
El transporte de electrones a través de la
membrana aumenta la carga de electrones
generándose un gradiente, disminuye el PH
y se va a generar un potencial en la matriz.
Esta fuerza protón matriz impulsa la
síntesis del ATP. El O2 es el último aceptor
de electrón para formar nuevamente H2O.
La cabeza de la ATP sintetaza es la
responsable de la formación de ATP y a su
vez lo hidroliza.
Las materias primas para la cadena
respiratoria son:
Piruvato (proveniente de la
glucolisis
Ácido graso.
Fosfato inorgánico y ADP.
La cadena respiratoria en las células
eucariotas ocurre en mitocondrias.
La mitocondria en un organelo
presente en las células de
vegetales, animales y hongos, es
decir en todas las eucariotas. Su
número por célula es variable, y
está limitada por dos membranas,
una externa y otra interna. Estas
membranas delimitan dos
espacios: la cámara externa o
espacio intermembrana y la matriz
(Figura 4).
En la membrana interna se localiza
la cadena respiratoria, que consta
de una serie de transportadores de
electrones como el NAD, CoQ,
citocromos y diversas enziamas. En
las bacterias la cadena respiratoria
está asociada a la membrana
celular.
La cadena respiratoria siempre
está asociada a una membrana,
porque para su funcionamiento es
necesario un ordenamiento
espacial bien definido de los
transportadores y proteínas que la
integran, como se verá más
adelante.
Fosforilación Oxidativa
La fosforilación oxidativa es la
transferencia de electrones de los
equivalentes reducidos NADH y FADH,
obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de
Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado
con la síntesis de ATP. Este proceso
metabólico está formado por un conjunto
de enzimas complejas, ubicadas en la
membrana interna de las mitocondrias,
que catalizan varias reacciones de óxido-
reducción, donde el oxígeno es el aceptor
final de electrones y donde se forma
finalmente agua.
La fosforilación oxidativa es un proceso
bioquímico que ocurre en las células. Es el
proceso metabólico final (catabolismo) de
la respiración celular, tras la glucólisis y el
ciclo del ácido cítrico. De una molécula de
32
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glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP
mediante la fosforilación oxidativa.
Dentro de las células, la fosforilación
oxidativa se produce en las membranas
biológicas. En procariotas es la membrana
plasmática y en eucariotas es la membrana
interna de las dos de que consta la
mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas
donadores de electrones que "fueron
cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico,
se utilizan en un mecanismo intrincado
(que implica a numerosas enzimas como la
NADH-Q reductasa, la citocromo c oxidasa
y la citocromo reductasa), gracias a la
bomba H+ que moviliza los protones contra
un gradiante de membrana.
La teoría quimiosmotica establece que
ambos procesos -(F.O y CTe-) están
acoplados energéticamente. Por Ej, la
Oligomicina se une a la Fracción Fo de la
Atpasa e inhibe la síntesis de ATP, por lo
tanto detendrá también a la cadena de
transporte de electrones. Por lo tanto
disminuirá el consumo de O2. Hay
sustancias que actuan como desacoplantes
de estos dos procesos, para que puedan
actuar de manera individual. Por ejemplo
siguiendo con el caso anterior, si ahora se
agregara 2,4-dinitrofenol, que es un ácido
débil que actúa como desacoplante, el
consumo de O2 se reestablecería, ya que
tenderá a liberar la cadena de transporte
de electrones, aunque la oligomicina
continue bloqueando la producción de
ATP. La fracción Fo está formada por
proteinas transmembrana en la membrana
mitocondrial interna (MMI), y es
básicamente un poro que permite el paso
de H+. La fracción F1 se encuentra del lado
interno de la MMI y es la encargada de
utilizar la disipación del gradiente
electroquímico para fosforilar ADP + Pi y
liberar ATP.
Los nucleótidos entran y salen de la
mitocondria a través de transportadores
específicos.
Un gran complejo proteico llamado ATP-
sintasa situado en la membrana
mitocondrial interna (MMI), permite a los
protones pasar a través en ambas
direcciones; genera el ATP cuando el
protón se mueve a favor de gradiente.
Debido a que los protones se han
bombeado al espacio intermembranoso de
la mitocondria en contra de gradiente,
ahora pueden fluir nuevamente dentro de
la matriz mitocondrial y mediante la vía
ATP-sintasa, se genera ATP en el proceso.
La reacción es:
ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O
Cada molécula de NADH contribuye
suficientemente a generar la fuerza motriz
de un protón que produzca 2,5 moléculas
de ATP. Cada molécula de FADH2 produce
1,5 moléculas de ATP.[1] Todas juntas, las
10 moléculas de NADH y las 2 FADH2
provenientes de la oxidación de la glucosa
(glucólisis, descarboxilación oxidativa de
piruvato en acetil-CoA y ciclo de Krebs) a
formar 28 de las 36 moléculas totales de
ATP transportadoras de energía. Hay que
decir que estos valores de moléculas de
ATP son máximos. En realidad cada
molécula de NADH contribuye a formar
entre 2 y 3 moléculas de ATP, mientras que
cada FADH2 contribuye a un máximo de 2
moléculas de ATP.
33
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El estrés oxidativo es causado por un
desequilibrio entre la producción de
especies reactivas del oxígeno y la
capacidad de un sistema biológico de
detoxificar rápidamente los reactivos
intermedios o reparar el daño resultante.
Todas las formas de vida mantienen un
entorno reductor dentro de sus células.
Este entorno reductor es preservado por
las enzimas que mantienen el estado
reducido a través de un constante aporte
de energía metabólica. Desbalances en
este estado normal redox pueden causar
efectos tóxicos a través de la producción
de peróxidos y radicales libres que dañan a
todos los componentes de la célula,
incluyendo las proteínas, los lípidos y el
ADN.
En el ser humano, el estrés oxidativo está
involucrado en muchas enfermedades,
como la aterosclerosis, la enfermedad de
Parkinson, encefalopatía miálgica,
sensibilidad química múltiple, y la
enfermedad de Alzheimer y también puede
ser importante en el envejecimiento. Sin
embargo, las especies reactivas de oxígeno
pueden resultar beneficiosas ya que son
utilizadas por el sistema inmunitario como
un medio para atacar y matar a los
patógenos. Las especies reactivas del
oxígeno son también utilizadas en la
señalización celular. Esta es denominada
señalización redox.
Efectos químicos y biológicos
En términos químicos, el estrés oxidativo
es un gran aumento (cada vez más
negativo) en la reducción del potencial
celular o una gran disminución en la
capacidad reductora de los pares redox
celulares como el glutatión. Los efectos del
estrés oxidativo dependen de la magnitud
de estos cambios, si la célula es capaz de
superar las pequeñas perturbaciones y de
recuperar su estado original. Sin embargo,
el estrés oxidativo severo puede causar la
muerte celular y aún una oxidación
moderada puede desencadenar la
apoptosis, mientras que si es muy intensa
puede provocar la necrosis.
Un aspecto particularmente destructivo del
estrés oxidativo es la producción de
especies de oxígeno reactivo, que incluyen
los radicales libres y los peróxidos. Algunas
de las menos reactivas de estas especies
(como el superóxido) pueden ser
convertidas por una reacción redox con
metales de transición u otros compuestos
de ciclo redox en quinonas, especie radical
más agresiva que puede causar extenso
daño celular. La mayoría de estas especies
derivadas del oxígeno se producen en un
nivel bajo en condiciones normales de
metabolismo aeróbico y el daño que
causan a las células es reparado
constantemente. Sin embargo, bajo los
graves niveles de estrés oxidativo que
causa la necrosis, el daño produce
Estrés Oxidativo
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agotamiento de ATP impidiendo la muerte
celular por apoptosis controlada,
provocando que la célula simplemente se
desmorone.
La gluconeogénesis es una ruta metabólica
anabólica que permite la síntesis de
glucosa a partir de precursores no
glucídicos. Incluye la utilización de varios
aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y
cualquiera de los intermediarios del ciclo
de los ácidos tricarboxílicos o CICLO de
Krebs como fuentes de carbono para la vía
metabólica. Todos los aminoácidos,
excepto la leucina y la lisina, pueden
suministrar carbono para la síntesis de
glucosa.
Algunos tejidos, como el cerebro, los
eritrocitos, el riñón, la córnea del ojo y el
músculo, cuando el individuo realiza
actividad extenuante, requieren de un
aporte continuo de glucosa, obteniéndola a
partir del glucógeno proveniente del
hígado, el cual solo puede satisfacer estas
necesidades de 10 a 18 horas. Después de
este periodo, el glucógeno almacenado en
el hígado disminuye drásticamente. Debido
a ello comienza la formación de glucosa a
partir de sustratos diferentes al glucógeno.
Precursores.
Los precursores gluconeogénicos son
moléculas que pueden dar origen a una
síntesis neta de glucosa. Estas moléculas
incluyen a todos los intermediarios de la
gluconeogénesis y del Ciclo del ácido
cítrico. El glicerol, lactato y alfa-cetoácidos
obtenidos de la desaminación de los
aminoácidos glucogénicos son los
precursores más importantes para la
formación de glucosa.
Glucogénesis
35
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El glicerol es liberado en el tejido adiposo
durante la hidrólisis de los triacilglicéridos y
es entregado por el torrente sanguíneo al
hígado. Esta molécula de tres átomos de
Carbono, es fosforilada a glicerol-fosfato, el
cual es oxidado a dihidrixiacetona fosfato,
un intermediario de la glucólisis.
El lactato es liberado por el músculo
esquelético en condiciones de ejercicio y
por células que no contienen mitocondrias
como los eritrocitos. En el ciclo de Cori el
músculo esquelético en condiciones de
ejercicio, degrada a la glucosa hasta
lactato, el cual difunde por el torrente
sanguíneo. El lactato es incorporado al
hígado y convertido en glucosa, la cual es
liberada a la circulación sanguínea.
Los a-cetoácidos como el piruvato,
oxaloacetato y alfa-cetoglutarato, derivan
del metabolismo de los aminoácidos
glucogénicos. Estas moléculas pueden
entrar al Ciclo del ácido citrico y formar
oxaloacetato, un precursor directo del
fosfoenolpiruvato.
Ciclo de Cori
La contracción del músculo está sostenida
por el consumo de ATP, que se regenera
por la fosforilación oxidativa en las
mitocondrias en las fibras musculares rojas
y por la glicolisis, que da lugar a lactato, en
las fibras musculares blancas. Las rojas
también producen lactato cuando la
demanda excede la capacidad de
producción de ATP por la fosforilación
oxidativa. El lactato se transfiere a través
de la sangre, al hígado, donde se convierte
en piruvato por la lactato deshidrogenasa y
después en glucosa por la gluconeogénesis.
Gracias al torrente sanguíneo, el hígado y
el músculo participan de un ciclo
metabólico conocido como el ciclo de Cori.
Esto sería el ciclo fútil
glicolisis/gluconeogénesis pero ahora no
ocurren en el mismo lugar (célula) sino en
diferentes (tejidos). El ATP del hígado se
utiliza para resintetizar glucosa a partir del
lactato producido en el músculo, y la
glucosa resintetizada vuelve de nuevo al
músculo para ser utilizada o almacenada
en forma de glucógeno. Este ciclo también
tiene lugar de manera importante en los
eritrocitos. La formación de lactato ahorra
tiempo y desvía parte de la carga
metabólica desde el músculo hasta el
hígado.
6 ATP hígado + 2 (ADP + Pi) eritrocito ® 6
(ADP + Pi)hígado + 2 ATPeritrocito
Ciclo de la Alanina.
El ciclo de la alanina resulta del transporte
de la alanina por la sangre relacionando el
músculo y el hígado. En el músculo se
forma alanina a partir del piruvato
producido en la glicolisis. La Ala al llegar al
hígado da lugar a piruvato y amonio. Este
último por la ureogénesis da lugar a urea
que se segrega en la sangre para ir al riñón,
mientras que el Pyr da lugar a glucosa a
través de la gluconeogénesis. En este caso
el NADH generado en la formación de Pyr
no se utilizan para formar lactato, sino que
se pueden utilizar para la producción de
ATP, en contraste con el ciclo de Cori,
donde el NADH se gasta en formar lactato
a partir de Pyr. El ciclo de la alanina es más
36
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eficiente que el ciclo de Cori, aunque hay
que tener en cuenta que la formación de
urea es bastante costosa energéticamente
hablando.
10 ATPhígado + 6-8 (ADP + Pi)músculo + O2
músculo ® 10 (ADP + Pi)hígado + 6-8
ATPmúsculo
Estos ciclos son funcionales solo entre el
hígado y tejidos que no oxiden la glucosa
completamente a CO2 y H2O.
La ruta de la pentosa fosfato, también
conocida como lanzadera de fosfatos de
pentosas, es una ruta metabólica
estrechamente relacionada con la EMP
durante la cual se utiliza la glucosa para
generar ribosa, que es necesaria para la
biosíntesis de nucleótidos y ácidos
nucleicos. Además, también se obtiene
poder reductor en forma de NADP+ que se
utilizará como coenzima de enzimas
propias del metabolismo anabólico.
De esta manera, este proceso metabólico,
el cual es regulado por insulina, tiene una
doble función, ya que la glucosa se usa
para formar NADPH, mientras que también
se puede transformar en otros
componentes del metabolismo,
especialmente pentosas, utilizadas para la
síntesis de nucleótidos y de ácidos
nucleicos. Así, se forma un puente entre
rutas anabólicas y catabólicas de la
glucosa.1
La ruta de la pentosa fosfato tiene lugar en
el citosol, y puede dividirse en dos fases:
Fase oxidativa: se genera NADPH.
Fase no oxidativa: se sintetizan
pentosas-fosfato y otros
monosacáridos-fosfato
Fase oxidativa
Durante fase oxidativa, a partir de glucosa-
6-fosfato obtenida mediante la
fosforilación de la glucosa libre, se obtiene
NADPH y finalmente se forma la pentosa
ribulosa-5-fosfato, motivo por el cual este
proceso metabólico se denomina “la ruta
de la pentosa fosfato”.
La primera reacción es la oxidación de la
glucosa-6-fosfato, llevada a cabo por la
enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.
En este primer paso se deshidrogena el
grupo C1 para dar un grupo carboxilo, el
cual, junto al C5, forma una lactona, es
Ciclo de las pentosas
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decir, un éster intramolecular. Es aquí
donde se liberan dos hidrógenos de los
cuales se transfiere un protón (H+) y dos
electrones (e-) (hidridión) al NADP+ que
actua como aceptor de electrones
reduciéndose hasta formar la primera
molécula de NADPH; el protón sobrante
queda libre en el medio.
Acto seguido, se produce la hidrólisis de la
lactona gracias a la actuación de la
lactonasa, con lo que se obtiene el ácido
libre 6-fosfoglucanato. Seguidamente, éste
último se transforma en ribulosa-5-fosfato
por acción de la 6-fosfoglucanato
deshidrogenasa. Aquí se obtiene la
segunda molécula de NADPH, además de la
liberación de una molécula de CO2 debido a
la descarboxilación oxidativa del ácido
libre.
Finalmente, la enzima pentosa-5-fosfato
isomerasa, mediante un intermediario
endiol, isomeriza la ribulosa-5-fosfato y la
convierte en ribosa-5-fosfato, gracias a la
transformación del grupo cetosa en aldosa.
Esta última reacción prepara un
componente central de la síntesis de
nucleótidos para la biosíntesis de RNA,
DNA y cofactores de nucleótidos. Al mismo
tiempo, lleva a cabo la transición hacia la
fase no oxidativa de la ruta metabólica de
la pentosa fosfato.
De este modo se acaba obteniendo dos
moléculas de NADPH que, además de su
uso en la biosíntesis reductiva, también es
responsable del mantenimiento de un
medio reductor en la célula. Esto puede
verse si hay un déficit de glucosa-6-fosfato
deshidrogenasa, producido por un defecto
en un gen que se encuentra en el
cromosoma X, pudiendo afectar con mayor
proporción a los varones.
Los glóbulos rojos de la sangre necesitan
grandes cantidades de NADPH para la
reducción de la hemoglobina oxidada y
para poder regenerar el glutatión reducido,
un antioxidante que presenta importantes
funciones como la eliminación de
peróxidos y la reducción de
ferrihemoglobina (Fe3+). Estas necesidades
se ven cubiertas gracias a la ruta de la
pentosa fosfato con el intermediario de
reducción NADPH. Sin embargo, si existe
este defecto genético, debido a la ingesta
de algún determinado medicamento, como
el antimalárico primaquina, o algunos
vegetales, como por ejemplo las habas, los
eritrocitos se distribuyen en un lugar de
debilidad, pudiendo desenvolver en una
grave anemia hemolítica. Esta mutación
genética podría aumentar la producción de
peróxidos y con ello también habría la
oxidación de los lípidos de membrana,
junto a la aceleración de la degradación de
los eritrocitos. De este modo, se puede
observar como la ruta de la pentosa fosfato
es la única vía metabólica por la cual estas
células pueden producir NADPH.
A pesar de todo, los afectados por este
problema congénito se ven altamente
favorecidos en un aspecto. Estos suelen
vivir en zonas tropicales, ya que son
mejores protectores contra infecciones de
malaria. Esto puede verse explicado por la
necesidad inmediata de los plasmodios
hacia un medio reducido para su
metabolismo, ya que los parásitos resisten
mucho menos el estrés oxidativo respecto
a sus células huésped.
Fase oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.
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Fase no oxidativa
La fase no oxidativa de la ruta de la
pentosa fosfato se inicia en caso que la
célula necesite más NADPH que ribosa-5-
fosfato. En este segundo proceso se
encuentran una compleja secuencia de
reacciones que permiten cambiar los
azúcares C3, C4, C5, C6 y C7 de las
pentosas para poder formar finalmente
gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-
fosfato, los cuales podrán seguir
directamente con la glucólisis.
Esta fase conlleva toda una serie de
reacciones reversibles, el sentido de las
cuales depende de la disponibilidad del
sustrato. Asimismo, la isomerización de
ribulosa-5-fosfato a ribosa-5-fosfato es
también reversible. Esto nos permite poder
eliminar el excedente de ribosa-5-fosfato
para acabar transformándolo en productos
intermediarios de la glucólisis.
La primera reacción llevada a cabo es la
epimerización, regulada mediante la
enzima pentosa-5-fosfato epimerasa, que
convertirá la ribulosa-5-fosfato, producto
de la fase oxidativa, en xilulosa-5-fosfato,
generando así el sustrato necesario para la
siguiente reacción controlada por la
transcetolasa, la cual actúa junto a la
coenzima pirofosfato de tiamina (TPP). Ésta
convertirá la xilulosa-5-fosfato en ribosa-5-
fosfato y, mediante la transferencia de una
unidad de C2 de la cetosa a la aldosa, se
producirá gliceraldehído-3-fosfato y
sedoheptulosa-7-fosfato.
Sucedido esto, la transaldolasa, con la
ayuda de un resto lisina en su centro
activo, transfiere una unidad C3 de la
sedoheptulosa-7-fosfato a gliceraldehído-
3-fosfato, con lo que se formarán la tetrosa
eritrosa-4-fosfato, además de uno de los
primeros productos finales: la hexosa
fructosa-6-fosfato, la cual se dirigirá hacia
la glucólisis.
Acto seguido, la enzima transcetolasa
vuelve a transferir una unidad C2, desde la
xilulosa-5-fosfato a eritrosa-4-fosfato,
consiguiendo así formar otra molécula de
fructosa-6-fosfato y un gliceraldehído-3-
fosfato, ambos intermediarios de la
glucólisis. De esta manera, se cierra la fase
no oxidativa de esta ruta metabólica.2
Esta fase de la ruta conectará los procesos
metabólicos que generan NADPH con los
que originan NADH/ATP. Por otra parte, el
gliceraldehído-3-fosfato y la fructosa-6-
fosfato pueden intervenir, en vez de en el
glucólisis, en la gluconeogénesis para
formar una nueva síntesis de glucosa.
Fase no oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.
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Fase oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.
Fase no oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.
En el momento que los azucares pasan al
torrente sanguíneo, los receptores
específicos captan ese aumento de
concentración, y la respuesta inmediata es
la liberación de insulina. La glucosa
entonces sale de la sangre y entra en las
células, con lo cual la glucemia retorna a la
normalidad.
Regulación de la glucemia
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Hormonas pancreáticas.
El páncreas endocrino (islotes de
Langerhans) elabora dos hormonas que
influyen en el metabolismo de la glucosa
(azúcar), según las necesidades del
cuerpo.Una de ellas es la insulina -
hormona producida por células beta de los
islotes-, que disminuye el nivel de glucosa
en la sangre. Y la otra es el glucagón -
hormona producida por células alfa-, que
aumenta los niveles de azúcar, extrayendo
desde el hígado todas las reservas de
glucosa que se van al flujo sanguíneo. La
somatostatina -otra hormona del
páncreasproducida por células delta-
interviene indirectamente en la regulación
de la glucosa, disminuyendo la secreción
de insulina y glucagón.
Insulina
Una concentración elevada de glucosa en
sangre produce la secreción de la insulina:
la glucosa se transporta a las células
corporales.
La absorción de la glucosa por el hígado, el
riñón y las células del cerebro se realiza por
difusión y no necesita insulina.
Glucagon
Los efectos del glucagón son opuestos a los
de la insulina.
Hormonas del crecimiento.
La hormona del crecimiento es un péptido
de una sola cadena de aminoácidos,
secretado por la hipófisis anterior o
adenohipófisis en respuesta a la
producción del factor liberador de
hormona del crecimiento (GHRF) en el
hipotálamo. La producción de GH es
controlada casi exclusivamente por el
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sistema nervioso central: se produce en
distintos impulsos de forma que más de la
mitad de la cantidad total liberada
diariamente pasa a la sangre durante el
sueño. La somatostatina, hormona
reguladora de la hipófisis anterior
producida en el hipotálamo, inhibe la
secreción de GH. La deficiencia de GH
produce enanismo y su exceso gigantismo
o acromegalia.
La GH estimula la síntesis proteica en todas
las células, aumenta la movilización de
grasa y la utilización de los ácidos grasos
para obtener energía y disminuye la
utilización de los carbohidratos. Su acción
sobre el crecimiento depende de la
presencia de tiroxina, insulina y
carbohidratos. Las somatomedinas,
proteínas producidas principalmente en el
hígado, ejercen una función muy
importante en el crecimiento esquelético
inducido por la GH, pero la hormona no
puede producir la elongación de los huesos
largos una vez se han cerrado las epífisis,
por lo que la estatura no aumenta tras la
pubertad. La GH acelera el transporte de
aminoácidos específicos hacia el interior de
las células, estimula la síntesis de ARN
mensajero y ARN ribosómico, influye sobre
la actividad de diferentes enzimas,
aumenta el almacenamiento de fósforo y
potasio y promueve una moderada
retención de sodio.
Los lípidos, son un grupo de compuestos
químicamente diversos, solubles en
solventes orgánicos (como cloroformo,
metanol o benceno), y casi insolubles en
agua. La mayoría de los organismos, los
utilizan como reservorios de moléculas
fácilmente utilizables para producir energía
(aceites y grasas). Los mamíferos, los
acumulamos como grasas, y los peces
como ceras; en las plantas se almacenan en
forma de aceites protectores con aromas y
sabores característicos. Los fosfolípidos y
esteroles constituyen alrededor de la mitad
de la masa de las membranas biológicas.
Entre los lípidos también se encuentran
cofactores de enzimas, acarreadores de
electrones, pigmentos que absorben luz,
agentes emulsificantes, algunas vitaminas y
hormonas, mensajeros intracelulares y
todos los componentes no proteícos de las
membranas celulares.
Los lípidos, pueden ser separados
fácilmente de otras biomoléculas por
extracción con solventes orgánicos y
pueden ser separados por técnicas
Lípidos
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experimentales como la cromatografía de
adsorción, cromatografía de placa fina y
cromatografía de fase reversa.
Funciones
La función biológica más importante de
losa lípidos es la de formar a las
membranas celulares, que en mayor o
menor grado, contienen lípidos en su
estructura. En ciertas membranas, la
presencia de lípidos específicos permiten
realizar funciones especializadas, como en
las células nerviosas de los mamíferos. La
mayoría de las funciones de los lípidos, se
deben a sus propiedades de
autoagregación, que permite también su
interacción con otras biomoléculas. De
hecho, los lípidos casi nunca se encuentran
en estado libre, generalmente están unidos
a otros compuestos como carbohidratos
(formando glucolípidos) o a proteínas
(formando lipoproteínas).
Clasificación
Estas importantes biomoléculas se
clasifican generalmente en: Lípidos
saponificables y no saponificables.
Además de los anteriores, existen lípidos
anfipáticos en cuya molécula existe una
región polar opuesta a otra apolar. Estos
lípidos forman las bicapas lipídicas de las
membranas celulares y estabilizan las
emulsiones (liquido disperso en un líquido).
Los ácidos grasos de importancia biológica,
son ácidos monocarboxílicos (ej. Ác laurico:
CH3(CH2)10COOH) de cadenas alifáticas de
diverso tamaño y que pueden contener o
no insaturaciones:
Los ácidos grasos naturales insaturados
(líquidos a temperatura ambiente), son
isómeros geométricos cis que pueden ser
monoinsaturados (ej. Ácido oleíco (ácido 9-
octadecenoíco)
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) o
poliinsaturados (ej. Ácido araquidónico
(ácido 5,8,11,14-eicosatetraenoico)
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH).
El código genético
El código genético consiste en la asignación
de tripletes de nucleótidos (codones) en el
RNA mensajero (mRNA) a cada uno de los
aminoácidos que formarán una cadena
polipeptídica.
Existen 64 combinaciones posibles de
codones. El código es redundante, porque
los 20 aminoácidos usualmente presentes
en los seres vivos son codificados por 61 de
estas combinaciones. Los tres codones
restantes actúan como señales de
terminación de la traducción.
Con muy pocas excepciones, el código
genético es el mismo en casi todos los
seres vivos.
Organización del genoma
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Flujo genético
El flujo genético (también conocido como
migración) es la transferencia de alelos de
genes de una población a otra.
La migración hacia o desde una población
pueden ser responsables de importantes
cambios en las frecuencias del acervo
genético (el número de individuos con un
rasgo particular). La inmigración puede
resultar en la introducción de nuevo
material genético al acervo genético
establecido de una especie o población
particular y, a la inversa, la emigración
provoca una pérdida de material genético.
Hay un número de factores que afectan al
ritmo del flujo genético entre poblaciones
diferentes. Uno de los factores más
significativos es la movilidad, y los animales
tienden a ser más móviles que las plantas.
Una mayor movilidad tiende a darle más
potencial migratorio a un individuo.
Síntesis del ADN
El proceso de replicación de ADN es el
mecanismo que permite al ADN duplicarse
(es decir, sintetizar una copia idéntica). De
esta manera de una molécula de ADN
única, se obtienen dos o más "clones" de la
primera. Esta duplicación del material
genético se produce de acuerdo con un
mecanismo semiconservativo, lo que indica
que las dos cadenas complementarias del
ADN original, al separarse, sirven de molde
cada una para la síntesis de una nueva
cadena complementaria de la cadena
molde, de forma que cada nueva doble
hélice contiene una de las cadenas del ADN
original. Gracias a la complementacion
entre las bases que forman la secuencia de
cada una de las cadenas, el ADN tiene la
importante propiedad de reproducirse
idénticamente, lo que permite que la
información genética se transmita de una
célula madre a las células hijas y es la base
de la herencia del material genético.
La molécula de ADN se abre como una
cremallera por ruptura de los puentes de
hidrógeno entre las bases
complementarias liberándose dos hebras y
la ADN polimerasa sintetiza la mitad
complementaria añadiendo nucleótidos
que se encuentran dispersos en el núcleo.
De esta forma, cada nueva molécula es
idéntica a la molécula de ADN inicial.
La replicación empieza en puntos
determinados: los orígenes de replicación.
Las proteínas iniciadoras reconocen
secuencias de nucleótidos específicas en
esos puntos y facilitan la fijación de otras
proteínas que permitirán la separación de
las dos hebras de ADN formándose una
horquilla de replicación. Un gran número
de enzimas y proteínas intervienen en el
mecanismo molecular de la replicación,
formando el llamado complejo de
replicación o replisoma. Estas proteínas y
enzimas son homólogas en eucariotas y
arqueas, pero difieren en bacterias.
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Mutaciones y reparaciones del ADN
Una de las fuentes de variabilidad genética
que han hecho posible la evolución es la
mutación o cualquier cambio heredable en
la secuencia de nucleótidos del material
genético (ADN) de un organismo. Las
mutaciones suponen la alteración del
genotipo, o constitución genética del
individuo, y en ocasiones también del
fenotipo que son las características
externas del individuo.
Las mutaciones ocurren al azar, esto se
descubrió en un experimento en el que se
hicieron 10 cultivos de 10 (8) células cada
uno. A cada cultivo se le añadió el fago T1,
las células eran de E. coli. Si las mutaciones
no ocurren al azar cabría esperar que el
número de colonias resistentes fuera más
o menos igual en cada cultivo, si la
mutación es al azar se espera gran
variabilidad en el número de colonias
resistentes en cada tubo. Así, se comprobó,
que la mutación era al azar.
Las mutaciones pueden afectar a uno
(puntuales), unos pocos (pseudopuntuales)
o a un gran número de nucleótidos de una
secuencia de ADN (cromosómicas).
TIPOS DE MUTACIONES
Puntuales y pseudopuntuales
Cambios de base
1. transiciones: Purina por purina
y pirimidina por pirimidina
2. transversiones: Purina por
pirimidina y pirimidina por
purina
Desfases (cambio en el número)
1. deleción
2. inserción
Cromosómicas
1. deleciones
2. duplicaciones
3. inversiones
4. translocaciones
Las mutaciones pueden ser espontáneas
mediante varios mecanismos diferentes,
incluyendo errores de replicación del DNA
y lesiones fortuitas de éste; o mediante
mutágenos. Los mutágenos son agentes
que aumentan la frecuencia de
mutagénesis, generalmente alterando el
DNA y en este caso son inducidas.
MUTACIONES ESPONTÁNEAS
Errores en la replicación del DNA
Durante la síntesis del DNA puede
producirse un error en la
replicación porque se forme un
emparejamiento ilegítimo de
nucleótidos como A-C que da lugar
a la sustitución de una base por
otra.
Cada una de las bases aparece en
el DNA en una de varias formas
llamadas tautómeros que son
isómeros que se diferencian en las
posiciones de sus átomos y en los
puentes que se forman entre ellos.
Esas formas están en equilibrio. La
forma ceto es la que se encuentra
normalmente en el DNA mientras
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que las formas imino o enol son
menos frecuentes. La capacidad
del tautómero menos frecuente de
una base de emparejarse
erróneamente y producir
mutaciones durante la replicación
del DNA fue puesta de manifiesto
por primera vez por Watson y
Crick. A estos emparejamientos
erróneos se les llama cambios
tautoméricos.
También pueden ocurrir
emparejamientos erróneos cuando
una de las bases se ioniza, esto
sucede con más frecuencia que los
cambios tautoméricos.
Transiciones
Todos los emparejamientos
erróneos anteriores producen
mutaciones por transición, en las
que una purina es sustituida por
otra purina y una pirimidina es
sustituida por otra pirimidina.
Transversiones
No pueden realizarse por
emparejamientos erróneos como
los debidos a cambios
tautoméricos.
Pero sí pueden realizarse si una
base sufre un cambio tautomérico
mientras que la otra base rota
sobre su enlace glucosídico y
quedan enfrentadas sus cargas.
Desaminación
Es una de las más frecuentes
debido a la inestabilidad química,
afectando gravemente a la
replicación del ADN provocando
transiciones. En este caso la base
se modifica antes de la replicación
debido a los radicales que provoca
el metabolismo.
La desaminación de citosina
produce uracilo, así los resíduos de
uracilo que no sean reparados se
emparejarán con adenina durante
la replicación produciendo la
conversión de un par GC en uno
AT, se produce una transición.
Cambios de fase
Estas mutaciones pueden ser
inserciones o deleciones.
Las inserciones se producen por un
deslizamiento o "resbalón" de la
cadena sintetizada con lo que se
forma un lazo de varios pares de
bases. En la siguiente ronda de
replicación se añadirán tantas
bases como comprenda el lazo ya
que cuando se produce el
"resbalón" sigue replicándose por
donde se quedó antes del
"resbalón".
Las deleciones se producen por un
deslizamiento o "resbalón" de la
cadena molde, como las que hay
que copiar no se pueden no se
añaden a la caden hija.
Despurinización
El ADN pierde de alguna manera
alguna de sus bases y si hay un
hueco la reparación introduce una
base.
La frecuencia de las mutaciones
espontáneas es generalmente baja.
EFECTOS DE LOS CAMBIOS
Se expresan cuando el gen pasa a su
proteína correspondiente. Los efectos de
los cambios pueden ser:
Cambios de sentido: se cambia un
aminoácido por otro
Sin sentido: la mutación se
produce porque se transforma en
un codón de terminación.
Desfases: si hay una deleción de la
base, la pauta de lectura cambia y
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se produce un gran cambio en la
proteína y es muy grave.
Mutaciones silenciosas: son
mutaciones sin efecto: UUU (Phe)--
-> UUC (Phe)
El aminoácido que cambia es muy
parecido y la proteína sigue
funcionando.
En eucariotas tienen un efecto muy grave
ya que pueden provocar enfermedades, se
dan sobre todo, cuando hay una deleción
de 5.000 pb (pares de bases) que afecta a
dos genes y producen la enfermedad como
problemas respiratorios de inteligencia.
MUTACIONES INDUCIDAS
Existen puntos de un gen donde la
mutación es más frecuente se llaman
PUNTOS CALIENTES. Al genotipo silvestre o
salvaje se le utiliza como patrón y en el que
se produce la variación se le llama
mutante.
Una estirpe mutante puede cambiar a otra
y luego volver a la inicial, a esto se le llama
regresión. Los mutantes se inducen con
mutágenos que son de varios tipos y cada
uno induce una mutación distinta, aunque
suele ser al azar.
Los mutágenos son de varios tipos:
Mutágenos Químicos
Análogos de bases:
Algunos compuestos químicos son
suficientemente parecidos a las
bases nitrogenadas normales del
DNA para, ocasionalmente,
incorporarse a éste en lugar de las
bases normales, tales compuestos
se llaman análogos de bases. Una
vez en su sitio tienen propiedades
de emparejamiento distintas de
aquellas a las que han sustituido,
de este modo, causan mutaciones
al provocar que, durante la
replicación, se inserten frente a
ellas nucleótidos incorrectos. El
análogo de base original sólo están
en una cadena sencilla pero puede
provocar el cambio de un par de
nucleótidos que se replica en todas
las copias de ADN descendientes
de la cadena original. Ejemplos
son: 5-bromurouracilo, 2-
aminopurina.
Modificadores de bases:
Ácido nitroso: provoca una
desaminación que modifica las
bases C-->U, G--->X, con lo que se
produce un apareamiento erróneo.
Hidroxilamina: provoca una
transición de G-->A y se da
principalmente en bacterias.
Agentes alquilantes: introducen
grupos alquilo a las cuatro bases en
muchas posiciones, produciendo
transiciones, etilmetanosulfonato y
la nitrosoguanidina.
Agentes intercalantes: son
moléculas planas que imitan pares
de bases y son capaces
deddeslizarse entre las bases
nitrogenadas apiladas en el núcleo
de la doble hélice, mediante un
proceso de intercalación. En esta
posición el agente puede producir
deleciones o deleciones de un par
de nucleótidos. Algunos agentes
intercalantes son: proflavina,
naranja de acridina y ICRs.
Pérdida del emparejamiento
específico: Un gran número de
mutágenos dañan una o más
bases, haciendo imposible el
posterior emparejamiento
específico. El resultado es un
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bloqueo en la repliación, puesto
que la síntesis del DNA no sigue
más allá de una base que no puede
especificar una complementaria
mediante puentes de hidrógeno.
Este fallo es replicado por el
mecanismo SOS.
Radiaciones UV: que producen
dímeros de timina, rayos X y las
radiaciones gamma que rompen el
DNA.
MECANISMOS DE REPLICACIÓN
Reparación directa
Son sistemas que eliminan
directamente el daño del UV en el
DNA, como es el caso de los
dímeros de timina. La luz visible
activa la fotoliasa que rompe los
dímeros de timina.
Otro ejemplo son las
alquiltransferasas y su actividad
consiste en eliminar los grupos
alquilo, también se repara la
despurinización gracias a las
glicosidasas del ADN.
Dependiente de replicación
Todas las células contienen
endonucleasas que atacan los sitios
que quedan tras la pérdida
espontánea de resíduos de purina
o pirimidina. Por comodidad, los
sitios sin purina o sin pirimidina se
denominan sitios AP. Las
endonucleasas AP son vitales para
la célula porque, como se apuntó
con anterioridad, la
despurinización espontánea es un
hecho relativamente frecuente.
Estas enzimas introducen
hendiduras en la cadena mediante
la rotura de enlaces fosfodiésteres
en los sitios AP. Esto promueve un
proceso de reparación por escisión
medidado por otras tres enzimas:
una exonucleasa, la polimerasa de
DNA I y la ligasa de DNA.
Escisión
Esta vía de reparación está
determinada por tres genes
denominados uvrA, uvrB y uvrC.
Este sistema reconoce cualquier
lesión que cree una distorsión
importante en la doble hélice de
DNA. Una endonucleasa
denominada nucleasa uvrABC
realiza una incisión alejada varios
pares de bases a cualquier lado de
la base dañada, eliminándose a
continuación un fragmente de DNA
de cadena sencilla. El pequeño
hueco se rellena entonces
mediante síntesis de reparación y
queda sellado por la ligassa de
DNA.
Sistema GO
Dos glucosilasas actúan
conjuntamente para eliminar las
mutaciones causadas por las
lesiones que produce en el DNA el
8-oxodG. Las glucosilasas junto al
producto del gen mutT forman el
sistema GO.
Cuando se originan lesiones GO en
el DNA, por daño oxidativo
espontáneo, una glucosilasa
cifrada en el gen mutM elimina la
lesión. Aún así persisten algunas
lesiones GO que emparejan
erróneamente con adenina. Una
segunda glucosilasa producto del
gen mutY elimina la adenina de
este emparejamiento erróneo
específico, llevando al
restablecimiento de la citosina
correcta por síntesis de reparación.
Sistema SOS
En E. coli depende de los genes
recA, umuC y umuD. Cuando se
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encuentra un tramo sin cifrar actúa
el sistema SOS.
Se activa la proteína recA que
induce la presencia de las
proteínas SulA y SulB que
interaccionan con la DNA pol III.
Ésta hace que pierda afinidad y
prosiga la síntesis de ADN y
dejando el hueco y sin que la célula
muera.
Reparación postreplicativa
Algunas vías de reparación
reconocen errores incluso después
de que haya tenido lugar la
replicación. Uno de estos sistemas,
denominado sistema de reparación
de emparejamientos erróneos.
Para averiguar cual de las dos
bases es la errónea debe
diferenciar entre la cadena
progenitora y la cadena hija. Lo
diferencia porque la enzima
metiladora metilasa de la adenina
tarda varios minutos en metilar la
cadena hija.
Las proteínas mut S y mut L
interaccionan con el sitio mal
emparejado y una proteína mutH
rompe la cadena recién sintetizada.
Alrededor del emparejamiento
erróneo, las cadenas de DNA se
separan con ayuda de una proteína
denominada MutU y se estabilizan
con SSB. Y las polimerasas copian
el segmento de DNA.
Transcripción
La transcripción: del DNA al RNA
La transcripción es el proceso de síntesis de
RNA a partir de DNA. Sigue el mismo
principio de apareamiento de bases que la
replicación del DNA, pero se reemplaza la
timina por el uracilo. En cada transcripción,
sólo una de las cadenas del DNA se
transcribe. La RNA polimerasa cataliza la
adición de ribonucleótidos al extremo 3´ de
la cadena de RNA, de modo que esta
última es antiparalela a la cadena molde de
DNA.
Transcripción del DNA
En la región del promotor, punto de unión
de la enzima RNA polimerasa, la doble
hélice de DNA se abre y, a medida que la
RNA polimerasa avanza a lo largo de la
molécula de DNA, se separan las dos
cadenas. Los ribonucleótidos, que
constituyen los bloques estructurales, se
ensamblan en la dirección 5' a 3' a medida
que la enzima lee la cadena molde de DNA.
Nótese que la cadena de RNA recién
sintetizada es complementaria, no idéntica,
a la cadena molde a partir de la cual se
transcribe; su secuencia, sin embargo, es
idéntica a la cadena codificante de DNA (no
transcrita), excepto por un detalle: en el
RNA, la timina (T) se reemplaza por uracilo
(U). El RNA recién sintetizado se separa de
la cadena molde de DNA.
La RNA polimerasa no necesita un cebador
para iniciar la síntesis. Se une al DNA en
una secuencia específica, el promotor, que
define el punto de inicio de la transcripción
y su dirección.
En los procariontes, el proceso de
transcripción continúa hasta que la
polimerasa encuentra una secuencia que
constituye la señal de terminación. En los
49
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eucariontes, el proceso termina cuando el
RNA es cortado en una secuencia
específica. Al finalizar la transcripción, la
RNA polimerasa se detiene y libera la
cadena molde de DNA y el mRNA
sintetizado.
En los eucariontes, los transcritos primarios
sufren diversas modificaciones durante la
transcripción. Entre ellas se encuentran la
adición del CAP, la poliadenilación y el
splicing. Este último proceso consiste en el
corte y la eliminación de ciertas secuencias,
los intrones, y el posterior empalme de las
secuencias restantes, los exones. Sólo los
exones forman parte del mRNA maduro.
Un mismo transcrito primario puede ser
procesado por splicing de distintas
maneras. Este empalme alternativo
permite que una molécula de mRNA
inmadura pueda originar diferentes
moléculas de mRNA maduro.
Traducción
La traducción: del RNA al polipéptido
La traducción es la conversión de la
secuencia de nucleótidos del RNA en la
secuencia de aminoácidos de un
polipéptido. En este proceso participan los
mRNA, los RNA ribosómicos (rRNA) y los
RNA de transferencia (tRNA).
Los ribosomas están formados por rRNA y
proteínas. Cada uno está formado por dos
subunidades de diferente tamaño que,
además, en los procariontes son más
pequeñas que en los eucariontes.
El mRNA y el tRNA iniciador se unen a la
subunidad ribosómica menor. Luego se les
une la subunidad mayor y cataliza la unión
peptídica entre aminoácidos. En la
subunidad mayor existen tres sitios a los
que se une el tRNA: el sitio A
(aminoacílico), el sitio P (peptidílico) y el
sitio E (de salida).
Los tRNA son moléculas pequeñas, con una
estructura secundaria semejante a la hoja
de un trébol, que presentan dos sitios de
unión. Uno de ellos es el anticodón, que se
aparea con el codón del mRNA. El otro
sitio, ubicado en el extremo 3´, se acopla a
un aminoácido particular en forma muy
específica. Así, los tRNA permiten la
alineación de los aminoácidos de acuerdo
con la secuencia de nucleótidos del mRNA.
El grupo de enzimas aminoacil-tRNA
sintetasas catalizan la unión entre el
aminoácido y el tRNA y forman el complejo
aminoacil-tRNA. Este complejo se une a la
molécula de mRNA, apareando el
anticodón con el codón del mRNA en forma
antiparalela. Así, el tRNA coloca al
aminoácido específico en su lugar. El
enlace entre el aminoácido y el tRNA se
rompe cuando se forma el enlace entre el
aminoácido recién llegado y el último de la
cadena polipeptídica en crecimiento.
En los procariontes, el proceso de
traducción comienza antes de que haya
finalizado el de transcripción. En los
eucariontes, ambos procesos están
separados en el tiempo y en el espacio: la
transcripción ocurre en el núcleo y la
traducción, en el citoplasma.
Tanto en procariontes como en
eucariontes, la síntesis de polipéptidos
50
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ocurre en tres etapas: iniciación,
elongación y terminación.
Hacia el final del mRNA hay un codón que
actúa como señal de terminación. No
existe ningún tRNA que tenga un anticodón
que se aparee con este codón. Existen, en
cambio, factores de liberación que se unen
al codón de terminación y provocan la
separación del polipéptido y el tRNA.
Finalmente, las dos subunidades
ribosómicas también se separan.
Importancia de la tecnología del
DNA recombinante en el área de la
biomedicina.
El ADN recombinante, o ADN recombinado,
es una molécula de ADN artificial formada
de manera deliberada in vitro por la unión
de secuencias de ADN provenientes de dos
organismos de especies diferentes que
normalmente no se encuentran juntos. Al
introducirse este ADN recombinante en un
organismo se produce una modificación
genética que permite la adición de un
nuevo ADN al organismo conllevando a la
modificación de rasgos existentes o la
expresión de nuevos rasgos. La producción
de una proteína no presente en un
organismo determinado y producidas a
partir de ADN recombinante se llaman
proteínas recombinantes.
El ADN recombinante es resultado del uso
de diversas técnicas que los biólogos
moleculares utilizan para manipular las
moléculas de ADN y difiere de la
recombinación genética que ocurre sin
intervención dentro de la célula. El proceso
consiste en tomar una molécula de ADN de
un organismo, sea un virus, planta o una
bacteria y en el laboratorio manipularla y
ponerla de nuevo dentro de otro
organismo. Esto se puede hacer para
estudiar la expresión de un gen, para
producir proteínas en el tratamiento de
una enfermedad genética, vacunas o con
fines económicos y científicos vector que
se utiliza contiene secuencias de ADN que
al ser replicadas confieren resistencia a
antibióticos específicos. Esta técnica ha
sido ampliamente utilizada en el campo de
la medicina y ha permitido el desarrollo de
importantes avances terapéuticos como
por ejemplo la producción de insulina
recombinante.
Permite además la posibilidad de utilizar
plantas y alimentos transgénicos, así como
microorganismos modificados
genéticamente para producir fármacos u
otros productos de utilidad para el
hombre, entre los que se pueden citar: la
insulina humana, la hormona del
crecimiento, interferones, la obtención de
nuevas vacunas o la clonación de animales.
El uso de ADN recombinantes puede
también tener un impacto perjudicial que
un uso inadecuado podría provocar en el
ser humano y en el propio planeta.
Con el uso de ADN recombinante se ha
logrado obtener plantas transgénicas
resistentes a insectos, hongos, bacterias y
herbicidas, con mejores características de
calidad durante poscosecha y con alto
contenido nutricional. También ha
permitido la clonación, expresión y
producción mediante esta técnica de
diversos antígenos, por ejemplo, la vacuna
51
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contra la hepatitis B5 y la vacuna contra el virus del papiloma humano.
Clásicamente, la homeostasis se definía
como el conjunto de funciones que
mantienen dentro de un cierto rango los
valores de las variables controladas del
medio interno en cada situación fisiológica
y consiguen con ello una supervivencia
óptima del organismo. Esta definición
sistémica de la homeostasis debe
ampliarse incluyendo los mecanismos de
homeostasis celular: reparación del ADN,
reparación de proteínas, degradación
proteica en el proteasoma y en los
lisosomas, senescencia celular, apoptosis y
regeneración celular. Sin la homeostasis
celular sería imposible la homeostasis del
organismo.
Para el mantenimiento de la homeostasis
del organismo las células de los diferentes
tejidos deben regular estrechamente la
proliferación, la diferenciación, la
supervivencia y la territorialidad. El exceso
de proliferación, la falta de diferenciación,
la supervivencia excesiva y la pérdida de
territorialidad, con capacidad de invadir
territorios vecinos o colonizar tejidos
distantes, son características de los
tumores malignos, que acaban con la
homeostasis del organismo. Para mantener
la homeostasis sistémica, resulta pues
necesario preservar la homeostasis celular
Las células de los diferentes tejidos tienen
mecanismos de supervivencia frente a
diferentes agresiones externas o internas,
por ejemplo las debidas a la producción de
agentes oxidantes. Si se altera el ADN, las
células responden con mecanismos de
reparación que devuelven la integridad a la
molécula. Como consecuencia de las
alteraciones del ADN, las células pueden
entrar en un estado denominado
senescencia mitótica en el que las células
dejan de dividirse de forma irreversible. Las
alteraciones del ADN pueden
desencadenar también un proceso de
muerte celular programada denominado
apoptosis. Otra consecuencia de las
agresiones que experimenta la célula es la
desnaturalización de las proteínas. Las
proteínas desnaturalizadas pueden
repararse gracias a la acción
renaturalizante de las proteínas
denominadas chaperoninas. En situaciones
de estrés (hipertermia, estrés oxidativo)
aumenta la expresión de chaperoninas. Las
proteínas desnaturalizadas pueden
eliminarse por degradación en el
proteasoma, después de su conjugación
con moléculas de ubicuitina, o en los
lisosomas (autofagia). La autofagia puede
ser dependiente o independiente de las
chaperoninas. Gracias a los mecanismos de
senescencia y de apoptosis se evita la
formación de tumores pero disminuye el
número de células. El mantenimiento de la
homeostasis requiere reemplazar las
células perdidas activando los mecanismos
de regeneración. Las células madre son
responsables de la regeneración de los
tejidos.
Estas células son particularmente
resistentes a las agresiones. Son capaces
de neutralizar agentes genotóxicos y de
Homeostasis celular
52
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expulsarlos fuera de la células. Poseen
además eficientes mecanismos de
reparación y son muy resistentes a la
apoptosis.
El metabolismo es el ensamble de las
transformaciones moleculares y de
transferencia de energía que se desarrollan
sin interrupciones dentro de la célula o del
organismo. Los procesos son ordenados,
interviniendo procesos de degradación
(catabolismo) y de síntesis orgánica
(anabolismo). Se puede distinguir el
metabolismo basal (durante el sueño) y el
metabolismo en actividad (actividad
cotidiana).
Toda actividad celular y del organismo
requiere de energía, pero también, de
nutrimentos específicos (proteínas, ácidos
nucleicos, lípidos, minerales, vitaminas),
que deben moverse a través de
membranas, con frecuencia contra un
gradiente de concentración, lo que implica
un gasto importante de energía. Los niveles
de energía y las concentraciones de
nutrimentos deben estar disponibles
constantemente y deberán satisfacer la
tasa de actividad y sus variaciones. La
economía y la flexibilidad son los principios
que gobiernan la regulación de las vías
metabólicas. Los organismos deben regular
sus actividades metabólicas
económicamente para evitar deficiencias o
excesos de productos metabólicos. El
organismo debe ser flexible para poder
alterar su metabolismo ante cambios
significativos en su medio (variaciones en
las concentraciones o en el tipo de
nutrientes).
Metabolismo de carbohidratos (CHOs)
Los carbohidratos de la ración
proporcionan más del 50% de la energía
necesaria para el trabajo metabólico, el
crecimiento, la reparación, la secreción, la
absorción, la excreción y el trabajo
mecánico.
El metabolismo de CHOs incluye las
reacciones que experimentan los CHOs de
orígenes alimentarios o los formados a
partir de compuestos diferentes a los
CHOs. La oxidación de este tipo de glúcidos
proporciona energía, se almacenan como
glucógeno, sirven para la síntesis de
aminoácidos no esenciales y ante el exceso
de CHOs se favorece la síntesis de ácidos
grasos.
Metabolismo
53
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Metabolismo de lípidos
Los ácidos grasos (AG) son los
componentes principales de los lípidos
complejos (triacilgliceroles, fosfolípidos).
Los triacilgliceroles son la forma más
importante de almacenamiento de energía
en los animales. Este tipo de
almacenamiento presenta sus ventajas, al
oxidarse el C de los AG producen más ATP
que cualquier otra forma de C, además, los
lípidos están menos hidratados que los
polisacáridos, por lo que ocupan menos
espacio. Los AG se incorporan a las
membranas celulares. El principal órgano
de interconversión y metabolismo de
lípidos es el hígado.
Metabolismo de proteínas
Las proteínas funcionan como enzimas,
para formar estructuras, pero además los
aminoácidos pueden utilizarse como
fuente de energía o como sustratos para
otras rutas biosintéticas. En los animales
superiores, los aminoácidos provienen de
la proteína de la dieta o por recambio
metabólico de proteína endógena. El
exceso de aminoácidos se degrada
parcialmente para dejar esqueletos de
carbono para biosíntesis o se degradan
totalmente para producir energía.
Los aminoácidos son catabolizados a través
de la remoción del nitrógeno (N), a través
de dos rutas principales: la transaminación
y la desaminación oxidativa. En la
transaminación, un aminoácidos dona su
grupo amino al α-cetoglutarato (ciclo de
Krebs) se forma un α-cetoácido y
glutamato, el coenzima utilizado es
principalmente el piridoxal fosfato. Esta
reacción es reversible y se encuentra
ampliamente distribuida en los tejidos,
especialmente: cerebro, corazón, riñón,
hígado. Sólo la lisina, treonina, prolina e
hidroxiprolina no sufren transaminación. La
regeneración del α-cetoglutarato se
consiguemediante la desaminación
oxidativa del glutamato catalizada por la
glutamato deshidrogenasa unida al NAD.
El amoniaco resultante de la desaminación
de a.a. se transforma en urea en el hígado
para destoxificarlo. En muchos órganos
(cerebro, intestino, músculo esquelético),
la glutamina es el transportador del exceso
de N. En el músculo esquelético existe el
ciclo glucosa-alanina para transportar el
amoniaco al hígado bajo la forma de
alanina.
La formación de urea involucra una serie
de pasos de la ornitina en arginina. La urea
se forma a partir de la arginina. El ciclo de
la urea utiliza cinco enzimas:
argininosuccinato sintasa, arginasa,
arginosuccinato liasa (los tres se
encuentran en el citosol), ornitina
transcarbamoilasa y carbamoilfosfato
sintasa (presentes en la mitocondria). El
amonio libre formado en la desaminación
oxidativa del glutamato se convierte en
carbamoil fosfato, reacción catalizada por
la carbamoil fosfato sintetasa I y que
requiere dos ATP. El carbamoil fosfato
transfiere su grupo amino a la ornitina y
forma citrulina.
Ésta debe transportarse a través de la
membrana mitocondrial al citosol, donde
se formará la urea
En cada vuelta del ciclo de la urea se
eliminan dos N, uno que se origina de la
desaminación oxidativa del glutamato y el
otro del aspartato. Como el se hidroliza, se
necesitan 4 fosfatos de alta energía para
formar una molécula de urea. El fumarato
54
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es el vínculo entre el ciclo de la urea y el de
Krebs.
Después de la desaminación, el esqueleto
de carbono de los aminoácidos puede ser
utilizado para la producción de energía. El
catabolismo de los aminoácidos involucra
su conversión a intermediarios en el ciclo
de Krebs, su conversión a piruvato o a
acetil-CoA. Este último puede oxidarse en
el ciclo de Krebs o puede convertirse en
acetoacetato y lípidos. Los aminoácidos
que forman acetoacetato son cetogénicos,
ya que no pueden convertirse en glucosa.
Los aminoácidos que forman α-
cetoglutarato o ácidos dicarboxílicos de
cuatro carbonos estimulan el
funcionamiento del ciclo de Krebs y son
considerados glucogénicos. La tabla 1
presenta algunos productos derivados de
los aminoácidos.
Principalmente se debe resaltar el
facilitamiento que le han brindado las
nuevas tecnologías a los seres humanos.
Resaltando las tecnologías no sería muy
complicado aplicarlas en nuestra vida
profesional, ya que la biología
involucrándola con las tecnologías
podríamos observar videos sobre los inicios
de la vida de los seres vivos su evolución y
cada proceso que se presenta durante su
ciclo de vida.
Como bien sabe químicamente el cuerpo
humano está formada por miles de
millones de moléculas cada molécula
representa complicados compuestos
químicos que al ser analizados
tecnológicamente podrían llegar hacer mas
fáciles de comprender en el ámbito
estudiantil, si el docente se encuentra
capacitado tecnológicamente con este
objetivo.
Para terminar aquellas ciencias como la
biología, la química y la bioquímica serian
más fácil su asimilación, e interpretación
tanto para profesionales es su ámbito
laboral, como para estudiantes en su vida
estudiantil y el mejor aprendizaje de estos
temas.
Objetivo de la nanotecnología
El nanoanálisis, en especial el análisis de
nanomaterial y el uso de nanotecnología
analíticas para ser desarrollado los
principios de la máquina de los nanos
materiales, nanocristales, nanotubos,
sistemas supra moleculares etc. En donde
la nanotecnología proporcionaría un
conocimiento amplio sobre los nuevos
procedimientos de análisis en micro fluidos
y se considerara de forma detallada las
posibilidades de estas nuevas tecnologías
Relación entre la Bioquímica y la Nanotecnología.
55
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(nanotecnología) en lo que es tener buenos
análisis químicos, biológicos y bioquímicos
en el desarrollo de la nanotecnología.
Nanomedicina
Una de las vertientes más prometedoras
dentro de los potenciales nuevos avances
tecnologicos en la medicina. Podríamos
aventurar una definición situándala como
rama de la nanotecnología que permitiría
la posibilidad de curar enfermedades
desde dentro del cuerpo y al nivel celular o
molecular.
Se considera que determinados campos
pueden ser objeto de una autentica
revolución, especialmente: monitorización
(imágenes), reparación de tejidos, control
de la evolución de las enfermedades,
defensa y mejora de los sistema biológicos
humanos; diagnóstico, tratamiento y
prevención, alivio del dolor, prevención de
la salud, adeministración de medicamentos
a las células, etc. etc. Todos ellos
constituirían nuevos avances tecnologicos
en la medicina que la posicionarían en una
nueva era científica y asistencial.
La descripción de algunos últimos avances
científicos lleva a lo que hace poco sería
considerado ciencia ficción dentro de la
Medicina. Biosensores, nuevas formas de
administrar medicamentos más directas y
eficaces y el desarrollo de nuevos
materiales para injertos, entre otras, son
algunos de los avances en lo que se trabaja
en la actualidad en multitud de
laboratorios de los centro de
nanotecnología en todo el mundo.
El siguiente párrafo recoge de forma clara
algunas de sus aplicaciones:
La posibilidad de diseñar sensores que se
activan cuando cambien determinadas
constantes biológicas cambian. Por
ejemplo, los pacientes diabéticos podrían
verse favorecidos al recibir insulina
encapsulada en células artificiales, que la
dejen salir cuando aumente la glucosa en la
sangre.
Esto también permite realizar exámenes en
forma muy sencilla, incluso en la casa para
un autodiagnóstico. “Los biosensores se
han utilizado para muchas aplicaciones,
por ejemplo, para detectar la presencia de
ántrax (...) La silicona porosa también
puede utilizarse como sistema de
administración de medicamentos
inteligentes. A diferencia de la tradicional,
es biocompatible y no tiene efectos tóxicos.
La característica de porosa fue creada con
nanotecnología. Además con ella se
pueden hacer injertos. “Es una plataforma
espectacular, muy útil y además la silicona
es barata”, afirma Ford.... Otros vehículos
son los dendrímeros que consisten en
polímeros con ramificaciones. Cada cabo
puede tener distintas propiedades. Los
dendrímeros podrían tragarse y realizar
56
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diferentes funciones bastante complicadas,
como buscar daños dentro del organismo y
repararlos. (Recogido en Clínica Alemana).
El objetivo del Instituto Nacional de Cáncer
de los Estados Unidos es utilizar la
nanotecnología, para eliminar, antes de
2015, las muertes y el sufrimiento
causados por el cáncer. Las investigaciones
actuales se centran en como utilizar la
nanotecnología para cambiar de forma
radical la capacidad de la medicina para
diagnosticar, comprender y tratar el cáncer
(Ver: Avances Tecnológicos:
Nanotecnología y cáncer).
La Nasa impulsa actualmente programas
para el diseño de un prototipo de célula
artificial.
La nanomedicina se convierte así en una
rama fundamental de las prometedoras
aplicaciones de la nanociencia.
Probablemente una de las de mayor
alcance para el ser humano. No son pocos
los que alertan de riesgos no despreciables
que pueden estar ligados a estos avances.