Descripción: Adaptado en 2009 a los nuevos estudios, licenciaturas y grados de los nuevos planes univesritarios,...
Subido por:
Libros de Ingeniería Química y más
https://www.facebook.com/pages/Interfase-IQ/146073555478947?ref=bookmarks
Si te gusta este libro y tienes la posibilidad, cómpralo para apoyar al autor.
Bioquímica estructural Conceptos y Tests
Bioquímica estructural Conceptos y Tests 2ª edición AUTORES José María Teijón Rivera Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular, Facultad de Medicina, Universidad Complutense de Madrid. Doctor en Ciencias Químicas. Académico de la Real Academia de Doctores de España. Amando Garrido Pertierra Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular, Facultad de Veterinaria, Universidad Complutense de Madrid. Doctor en Ciencias Químicas y en Farmacia. Académico de la Real Academia de Doctores de España, y de la Real Academia de Farmacia. María Dolores Blanco Gaitán Profesora Titular de Universidad de Bioquímica y Biología Molecular, Facultad de Medicina, Universidad Complutense de Madrid. Doctora en Ciencias Biológicas.
Rosa Olmo López Profesora Contratada Doctor de Bioquímica y Biología Molecular, Facultad de Medicina, Universidad Complutense de Madrid. Doctora en Ciencias Químicas. César Teijón López Profesor Contratado Doctor de Bioquímica, Escuela de Enfermería, Fisioterapia y Podología, Universidad Complutense de Madrid. Doctor en Medicina y Cirugía.
COLABORADORES Carmen Agrasal Aragón Doctora en Farmacia. Belén Castel Segui Médico Adjunto del Hospital Universitario Son Dureta, Palma de Mallorca.
COORDINACIÓN Y DIRECCIÓN CIENTÍFICA José María Teijón Rivera y Amando Garrido Pertierra
Datos de catalogación bibliográfica: BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. Conceptos y Tests 2ª edición José Mª Teijón Rivera y Amando Garrido Pertierra EDITORIAL TÉBAR, S.L., Madrid, año 2009 ISBN: 978-84-7360-323-2 Materias: 577, Bioquímica Formato: 165 × 240 mm
Páginas: 386
www.editorialtebar.com
Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con la autorización expresa de Editorial Tébar. La infracción de estos derechos puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y siguientes del Código Penal). Bioquímica Estructural. Conceptos y Tests 2ª edición: 2009 © 2009 Editorial Tébar, S.L. C/ de las Aguas, 4 28005 Madrid (España) Tel.: 91 550 02 60 Fax: 91 550 02 61
[email protected] www.editorialtebar.com ISBN: 978-84-7360-323-2 Depósito legal: Diseño editorial: Rebeca Irazábal Diseño de portada: Imprime:
Prólogo Adaptado en 2009 a los nuevos estudios, licenciaturas y grados de los nuevos planes univesritarios, el presente libro recoge de forma actualizada los aspectos más destacados de la Bioquímica en relación con la estructura, propiedades físico-químicas y funcionales de las moléculas biológicas. Con la debida concisión y la ayuda de figuras y esquemas imprescindibles se aborda el estudio de todo el espectro de la Bioquímica Estructural. El libro consta de ocho bloques temáticos y 545 preguntas-tests con sus correspondientes respuestas razonadas. Se han incorporado por tanto más de 100 nuevas preguntas tests respecto a ediciones anteriores, actualizando el espectro de los temas tratados. Este libro no pretende ser un tratado o compendio amplio de Bioquímica Estructural, es decir, una obra extensa de Bioquímica con gran acumulación de datos; su fin es familiarizar al estudiante universitario de esta disciplina, y alentarle a que se ejercite para la adecuada realización de exámenes en los que se plantean preguntas tipo tests. Para ello cada bloque temático, que consta de una media de 70 preguntas-tests seguidas de las contestaciones razonadas, va precedido de la parte teórica necesaria e imprescindible, a modo de introducción en el tema, y de la forma más concisa posible. Es por tanto esta obra un libro de ejercicios o de prácticas para acostumbrar al estudiante a preparar los exámenes. Con esta concepción este libro aspira también a cumplir el objetivo de convertirse en un medio didáctico para aquellos licenciados en Biología, Farmacia, Medicina y Química, que desean preparar oposiciones a plazas de Interno-Residentes de Hospitales de la Seguridad Social. De manera paralela a estos libros de Conceptos y Tests, Editorial Tébar ha desarrollados los tomos de Fundamentos de Bioquímica, tanto Metabólica como Estructural, que desarrolla de manera pormenorizada los conceptos teóricos de la Bioquímica. Al final de esta obra se recomienda también un conjunto de libros a consultar por aquellos alumnos o licenciados interesados en ampliar conocimientos. Igualmente se incluyen en el libro unas tablas de constantes químicas, físico-químicas y bioquímicas, que pudieran ser útiles en algún momento para la resolución de algún problema práctico.
Los autores y colaboradores, así como los directores científicos de esta obra agradecerán los comentarios, críticas y sugerencias de profesores, licenciados y estudiantes que hagan uso de este libro, y desean que el manejo, consulta y estudio del mismo sea del máximo provecho para los fines previstos.
Índice Bloque 1. Agua y tampones fisiológicos ................................................... Agua .............................................................................................. Tampones fisiológicos ..................................................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
11 11 17 34 47
Bloque 2. Proteínas ...................................................................................... Definición, concepto y significación biológica .................................. Características generales ................................................................. Aminoácidos: sus clases y propiedades generales ............................ Niveles de organización estructuralde la molécula proteica .............. Propiedades químicas de las soluciones proteicas. Solubilidad. Precipitación ............................................................................. Clasificación de proteínas ............................................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
57 57 57 58 73 88 92 96 111
Bloque 3. Proteínas funcionales ................................................................. Proteínas plasmáticas ..................................................................... Hemoglobina y mioglobina ............................................................. Proteínas musculares ...................................................................... Escleroproteínas ............................................................................. Proteínas nucleares ......................................................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
123 123 134 137 141 144 147 161
Bloque 4. Ácidos nucleicos ......................................................................... Ácidos nucleicos. Composición. Bases nitrogenadas. Nucleósidos. Nucleótidos. DNA: Estructura y propiedades. RNA: Estructura y propiedades. Nucleasas ............................................................. Bases nitrogenadas ......................................................................... Osas ............................................................................................... Nucleósidos .................................................................................... Nucleótidos .................................................................................... Ácido Desoxirribonucleico (DNA) .................................................... Ácido Ribonucleico (RNA) .............................................................. Nucleasas ....................................................................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
171
171 172 174 174 176 178 182 186 189 201
Bloque 5. Glúcidos ...................................................................................... Concepto y clasificación ................................................................. Enantiómeros ................................................................................. Isomerías ........................................................................................ Derivados de monosacáridos .......................................................... Oligosacáridos ................................................................................ Disacáridos de interés biológico ...................................................... Polisacáridos .................................................................................. Mucopolisacáridos .......................................................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
209 209 210 213 216 220 220 222 224 226 241
Bloque 6. Estructura de lípidos .................................................................. Definición y funciones biológicas .................................................... Clasificación ................................................................................... A) Lípidos saponificables o complejos ....................................... B) Lípidos insaponificables o sencillos ....................................... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
251 251 252 252 265 281 294
Bloque 7. Enzimología ................................................................................. Conceptos teóricos ......................................................................... Cinética enzimática ......................................................................... Inhibición enzimática ...................................................................... Enzimas reguladores ....................................................................... Coenzimas ..................................................................................... Clasificación de enzimas ................................................................. Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
303 303 305 308 311 314 315 317 330
Bloque 8. Bioenergética .............................................................................. Variación de energía libre ............................................................... Reacciones de oxidación-reducción ................................................. Adenosina trifosfato (ATP) .............................................................. Compuestos con enlaces fosfato de altoy bajo valor energético ........ Coenzimas pirimidínicos ................................................................. Coenzimas flavínicos ...................................................................... Cadena trasnportadora de electrones y fosforilación oxidativa ......... Preguntas test ................................................................................. Respuestas razonadas .....................................................................
341 341 343 345 347 348 350 352 356 369
Tablas y constantes ......................................................................................
379
Bibliografía ...................................................................................................
385
Bloque temático 1
Agua y tampones fisiológicos AGUA El agua es una sustancia pura compuesta por moléculas formadas por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Es mayoritaria en la corteza terrestre y constituye la mayor parte de los seres vivos, los cuales ven posibilitadas sus funciones vitales gracias a ella. Es un líquido inodoro, incoloro e insípido cuyo punto de fusión es 0 ºC y tiene un punto de ebullición de 100 ºC. Posee un elevado calor específico que es el responsable del poder termorregulador que ejerce sobre el clima global del planeta. Por otra parte, debido a las fuerzas de cohesión entre sus moléculas y a las características estructurales que éstas tienen, es el disolvente más habitual para todo tipo de procesos que se den en disolución.
Estructura La estructura del agua, así como sus propiedades físico-químicas hacen que sea posible la vida, ya que esta molécula es el disolvente en el que están disueltas las sustancias que se requieren para formar una célula, y es el medio en el cual tienen lugar la mayor parte de las reacciones metabólicas. La molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, de manera que los átomos de hidrógeno se unen al oxígeno mediante dos enlaces, en los cuales se comparten cada electrón de cada hidrógeno con un par de electrones del oxígeno, quedando intacto el otro par.
G
G
G
FIGURA 1.1. Representación de la molécula de agua. z es el átomo de oxígeno y z son los hidrógenos.
12
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
El oxígeno se une con el hidrógeno mediante enlaces covalentes formados por dos pares de electrones. Cada enlace está formado por un electrón p del oxígeno y el electrón 1s del hidrógeno. El oxígeno emplea orbitales híbridos sp3, dos de los cuales están ocupados por un electrón y en otro queda el otro par de electrones sin compartir. La molécula de agua tiene forma angular, con ángulos de enlace de 104,5º, siendo este ángulo próximo al de un tetraedro. La carga neta de una molécula de agua es cero, pero la distribución de electrones en la molécula presenta cierto desequilibrio, debido a la diferente electronegatividad del hidrógeno y del oxígeno, esto hace que la molécula sea eléctricamente asimétrica y se cree un dipolo eléctrico. Los átomos de hidrógeno tienen menor electronegatividad, generándose una carga positiva parcial sobre cada hidrógeno cuyo valor de 0,41 y una carga negativa parcial sobre el oxígeno de 0,82.
Enlace de hidrógeno La polaridad del enlace O H tiene una consecuencia importante: los dipolos permanentes de este enlace se atraen entre ellos y la interacción entre el átomo de hidrógeno ligeramente positivo de una molécula de agua y el átomo de oxígeno ligeramente negativo de otra molécula de agua produce una atracción dipolo-dipolo denominada enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. Este tipo de enlace está englobado dentro de las interacciones llamadas intermoleculares. Un enlace de hidrógeno es tanto más estable cuanto más lineal sea la orientación del átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos implicados, si bien incluso desviaciones de cerca de 45º producen algún puente de hidrógeno.
FIGURA 1.2. Una molécula de agua se encuentra ordenada en el espacio según un tetraedro y rodeada de otras cuatro moléculas.
Como ya se ha comentado anteriormente, los puentes de hidrógeno son enlaces relativamente débiles en comparación con un enlace covalente, pero la estabilidad del agua se debe al gran número de enlaces que hay entre las moléculas de agua líquida. Cada molécula de agua puede participar en la formación de cuatro enlaces de hidrógeno, en los que los dos átomos de hidrógeno interaccionan con dos dadores y cada par de electrones sin compartir actúan de aceptores en los enlaces de hidrógeno. El agua tiene una estructura definida debido a que dichos enlaces de hidrógeno se encuentran en un estado dinámico de forma que éstos se rompen y se vuelven a formar, a esta estructura se la denomina de tipo mosaico. Puede por tanto considerarse al agua líquida como un agrupamiento oscilante de
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
13
moléculas de agua unidas mediante enlaces de hidrógeno que se encuentran en continua reorganización. En general un enlace de hidrógeno puede formarse cuando un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor se encuentra a 0,27-0,3 nm de otro átomo de oxígeno o nitrógeno que posea un par de electrones sin compartir. En otro tipo de enlaces, como el enlace C H, éste no es lo suficientemente polar para atraer y retener a un átomo de oxígeno o nitrógeno en un puente de hidrógeno. En el caso del enlace S H aunque el azufre posee una electronegatividad semejante al carbono, el enlace es más polarizable y por tanto un átomo de hidrógeno unido covalentemente al azufre puede formar enlaces de hidrógeno débiles. Las moléculas de agua también se unen por puentes de hidrógeno a diferentes estructuras químicas. En macromoléculas tales como proteínas o ácidos nucleicos, se forman gran cantidad de puentes de hidrógeno, y ello es la base de su estabilidad estructural. En dichas moléculas biológicas existen tanto enlaces de hidrógeno intermoleculares como intramoleculares, entendiendo por enlace de hidrógeno intermolecular aquel que se produce entre moléculas distintas y enlace intramolecular cuando este tipo de interacción ocurre entre grupos de la propia molécula.
Propiedades Gran parte de las propiedades del agua se deben a su gran polaridad y a los enlaces de hidrógeno. Así el enlace por puentes de hidrógeno hace que el agua sea el único hidruro que es líquido a temperatura ambiente. También explica que el agua sólida (hielo) posea una estructura en forma de malla tetraédrica, es decir que se produzca la formación de un cristal mantenido por enlaces de hidrógeno en el que cada molécula de agua se encuentra unida a otras cuatro. Como resultado, el hielo es un entramado abierto de tipo hexagonal cuya densidad es menor que la que presenta el agua líquida. El elevado calor de fusión del hielo también se explica por los enlaces por puentes de hidrógeno. Algunos de estos enlaces se rompen a medida que el hielo se transforma en agua líquida, de forma que el calor necesario para esta ruptura se extrae del entorno. Por el contrario el agua líquida al solidificar libera calor. El punto de ebullición anormalmente elevado del agua, puede ser explicado porque se requiere un gran aporte calorífico, ya que es necesario que se produzca la ruptura de tres enlaces de hidrógeno para que una molécula de agua escape del estado líquido y pase al estado vapor.
14
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
El agua es un buen disolvente, de manera que las moléculas polares se solvatan muy fácilmente en la misma. Las sales en las que la red cristalina se mantiene entera por atracción de los grupos positivos y negativos se disuelven en el agua debido a que las fuerzas electrostáticas existentes en el cristal pueden ser superadas por la atracción de las cargas hacia el dipolo del agua. También muchas moléculas orgánicas que contienen grupos no iónicos pero débilmente polares son solubles en el agua a causa de la atracción de los grupos hacia dicha molécula. Las moléculas muy apolares, tales como componentes que contienen cadenas hidrocarbonadas largas, no se dispersan en agua, sino que interaccionan entre sí para excluir a las moléculas polares de agua. Esto es debido a que las interacciones agua-agua son más fuertes, y por tanto las moléculas de agua rodean a las moléculas de hidrocarburo, obligándolas a agruparse. Este fenómeno se denomina efecto hidrofóbico y a esas moléculas apolares se las llama moléculas hidrofóbicas, mientras que, al contrario, las moléculas que se disuelven rápidamente en agua se conocen como hidrofílicas. TABLA 1.1. Calores de vaporización de algunos líquidos en sus puntos de ebullición (1 atm.). Líquido
DH vap cal / grado
Agua
540
Metanol
263
Etanol
204
Acetona
125
Benceno
94
Cloroformo
59
Las moléculas anfipáticas, compuestos que contienen al mismo tiempo grupos polares y no polares, también se dispersan en el agua si la atracción del
FIGURA 1.3. (A) Una molécula anfipática, el oleato sódico, que tiene un extremo polar ( COO) y otro extremo no polar ( CH3). (B) Una micela formada por varias moléculas anfipáticas que permanecen unidas en medio acuoso porque se atraen las colas hidrofóbicas.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
15
grupo polar hacia el agua puede superar las posibles interacciones hidrófobas de las partes no polares de la molécula.
Disociación del agua Dentro de las propiedades de esta sustancia destaca la capacidad que tiene el agua para disociarse en sus iones y formar disoluciones ácidas o básicas, por lo que el agua puede ser considerada como sustancia anfótera: H 2O H 2O
H3O OH
de una manera más sencilla: Keq
H 2O
H OH
Aplicando a esta disociación la ley de acción de masas: Keq
[H] [OH] [H2O]
de forma: Keq [H2O] [H] [OH], y como en el agua pura, o en una disolución acuosa, la concentración de agua sin disociar se puede considerar constante tenemos: Keq [H2O]
cte.
Kw
[H] [OH]
donde la expresión Kw se define como el producto iónico del agua y como a 25 ºC la Keq 1,8 · 1016 y la [H2O] 55,6 M, tenemos: Kw En el agua pura: [H]
1 · 1014
[H] [OH]
[OH] y por tanto: Kw [H]
[OH]
1 · 1014
[H]2 de donde:
1 · 107 M
A partir de este dato podemos clasificar a las disoluciones como: disolución neutra: disolución ácida: disolución básica:
[H] [OH] [H] ! [OH] [H] [OH]
([H] 1 · 107 M) ([H] ! 1 · 107 M) ([H] 1 · 107 M)
Para expresar el grado de acidez o basicidad de una disolución se emplea el concepto de pH, que viene definido según Sörensen por la ecuación: pH de la misma forma el
log [H]
log
1 [H]
16
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
pOH y
log
1 [OH]
log [OH]
pH pOH = 14
Por tanto:
disolución neutra: disolución ácida: disolución básica:
pH 7 pH 7 pH ! 7
En la tabla 1.2 se presenta el pH de diferentes fluidos biológicos, y de algunos fluidos de la vida cotidiana.
o o o
pOH 7 pOH ! 7 pOH 7
TABLA 1.2. pH de fluidos de diferentes fuentes. Fluido
Las definiciones de ácido y base propuestas por Brönsted y Lowry son las más útiles cuando se consideran sistemas biológicos. Un ácido es un dador de protones y una base es un aceptor de protones. En soluciones diluidas, los ácidos fuertes se disocian totalmente y los aniones formados no se clasifican como bases, ya que no se asocian con los protones.
Agua de mar Plasma sanguíneo
pH 7,0- 7,4 7,4
Jugo gástrico
1,2-3,0
Jugo pancreático
7,8-8,0
Saliva
6,4-6,8
Orina
5,8-5,9
Zumo de tomate
4,3
Muchos ácidos y bases (incluidos los Zumo de limón 2,3 aminoácidos que forman las proteínas y las bases heterocíclicas que constituyen el DNA y el RNA) no se disocian totalmente en agua como lo hacen el HCl y el NaOH por lo que se denominan ácidos y bases débiles. De manera que: ácido + base de forma que:
HA H2O
Kd
H 3O A
ácido conjugado + base conjugada Kd
[A] [H3O] [AH] [H2O]
la [H2O] apenas se modifica por la disociación y por tanto, el producto de Kd por la concentración de agua ([H 2O]) es una nueva constante denominada constante de disociación ácida Ka : Kd [H2O]
Ka
[A] [H3O] [AH]
tomando logaritmos en la ecuación anterior: log Ka
log
[A] [H3O] [AH]
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
reagrupando:
17
log Ka
log
reordenando la ecuación:
[A] log [H3O] [AH]
log [H3O] como sabemos que: log [H3O] presarse como: pH
log Ka log pH y log Ka pKa log
[A] [AH] pKa la ecuación puede ex-
[A] [AH]
Esta expresión se conoce con el nombre de ecuación de Henderson-Hasselbach, y relaciona el pH de una disolución con el pKa de un ácido débil. La concentración de la base conjugada ([A]) es también considerada como el aceptor de H, y el ácido ([HA]) es el dador de protones. La relación entre el pH de una disolución y el pKa de un ácido débil permite que el pKa sea fácilmente determinable por un experimento de valoración (titulación). A una temperatura dada se añaden alícuotas conocidas de una base fuerte de concentración fija determinándose de manera constante el pH de la disolución hasta el punto de equivalencia donde todo el ácido está en forma de base conjugada y por tanto: log
[A] [AH]
log 1
0;
pH
pKa
Por ejemplo para el ácido fosfórico que está presente en los fluidos celulares de todos los organismos, tenemos: H3PO4
H2PO4
HPO42
PO43
La curva de titulación o valoración será la que aparece en la figura 1.4.
TAMPONES FISIOLÓGICOS Fisiología del equilibrio ácido-base. Alteraciones metabólicas del equilibrio ácido-base La sangre es un sistema abierto en equilibrio con una fase gaseosa (aire alveolar) con cierta presión parcial de anhídrido carbónico. El pH del plasma es, alrededor de 7,4 y la ppCO2 de aproximadamente 40 mmHg a la temperatura corporal de 37 ºC. El pH de tal sistema abierto puede alterarse por dos medios diferentes: aumentando o disminuyendo la ppCO2 de la fase gaseosa, o agregando ácido o base no carbónicos. Si se agrega ácido no carbónico el CO2 será naturalmente liberado de acuerdo con el equilibrio
18
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
FIGURA 1.4. Curva de valoración del ácido fosfórico a 25 ºC con KOH. Están representados los valores de pK de cada uno de los equilibrios.
HCO3 H
H2CO3
H2O CO2n
(7)
En un sistema cerrado esto causará una elevación en la ppCO2, pero en un sistema abierto, como es la sangre, el CO 2 formado desaparecerá en la fase gaseosa, y la ppCO2 se mantendrá invariable. En el organismo, el ácido “no carbónico” puede ser “agregado” o “removido” de la sangre de varios modos diferentes: 1) por una ganancia real o una pérdida de iones hidrógeno; 2) por una redistribución de iones hidrógeno entre la sangre y la fase extracelular extravascular; 3) por cambios en el estado de oxigenación de la hemoglobina, y 4) por redistribución de iones hidrógeno entre el espacio intracelular y el extracelular (por ejemplo, depleción de potasio, efecto del cloruro sódico hipertónico). Los términos clínicos utilizados para denominar los cambios en el estado ácido-base de la sangre son: acidemia y alcalemia para un pH plasmático disminuido y aumentado respectivamente, hipercapnia, normocapnia e hipocapnia para una ppCO2 en sangre aumentada, normal o disminuida. Los términos acidosis y alcalosis se refieren a procesos fisiopatológicos que influyen sobre el
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
19
equilibrio ácido-base del organismo, aunque suele ser frecuente asociar los términos acidosis y alcalosis con el estado ácido-base de la sangre. El mantenimiento de la concentración de iones hidrógeno (H ) en sangre es esencial para el normal funcionamiento celular debido a la elevada reactividad química del ion H, en particular con las proteínas. Estas, al ganar o perder H cambian su configuración molecular y, por tanto, su función, lo que tiene especial importancia en lo que se refiere a la actividad enzimática. Por esta causa existen unos límites bastante estrechos entre los cuales la concentración de H es compatible con la vida a pesar del constante aporte al líquido extracelular (LEC) de sustancias que podrían alterar su concentración. Esto se debe a la existencia de una serie de mecanismos reguladores que se ponen en funcionamiento de una forma secuencial cuando estas sustancias penetran en el LEC (amortiguadores químicos, regulación respiratoria y regulación renal).
Amortiguadores químicos o tampones fisiológicos Amortiguadores químicos o tampones fisiológicos (o bufferes) son aquellas disoluciones formadas por un ácido débil y una sal de este ácido con una base fuerte (base conjugada), cuya concentración de hidrogeniones apenas varía al añadir ácidos ó bases fuertes. La utilidad de los tampones ó mezclas amortiguadores, está precisamente en la posibilidad de mantener la concentración de iones hidrógeno dentro de límites tan estrechos, que con razón puede considerarse como invariable. El alcance de este tamponamiento en una solución dada es función de la concentración de H inicial y de las constantes de disociación y concentración de los tampones presentes. Cuanto mas próxima sea su constante de disociación (kD) a la concentración de H en la cual el tampón tiene que actuar, más eficazmente será el tamponamiento, puesto que en esta circunstancia hay la misma concentración de la forma ácida del tampón que de la forma básica y, por tanto existe la máxima capacidad para amortiguar cambios de acidez en cualquiera de los dos sentidos. A la ecuación de disociación de cualquier tampón, se puede aplicar la ley de acción de masas: v1
Ácido siendo v1
K1 [Ácido] y v2
v2
Base H
K2 [Base] [H] de donde: K
K1 K2
[Base] [H] [Ácido]
20
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
La forma exponencial de la ley de acción de masas es la conocida ecuación de Henderson-Hasselbach pH
pK log
[Base] [Ácido]
o
pH
pKa log
|Sal| |Ácido|
Hemos de destacar que la sangre “in vivo” tiene una gran capacidad amortiguadora no sólo por su contenido en los mencionados tampones, sino principalmente por la actividad funcional del pulmón y el riñón, garantizando la amplia capacidad de defensa que tiene el organismo frente a las amenazas de alterarse el equilibrio ácido-base.
Excreción pulmonar de CO2 : Regulación de la ventilación Los pulmones son responsables del mantenimiento del balance del CO 2 en el organismo ya que la eliminación de CO2 extrapulmonar es insignificante (riñón, piel). El CO2 en los pulmones difunde rápidamente a través de la membrana alveolar como consecuencia de la diferencia entre la ppCO2 alveolar y del aire espirado, de forma que en un intervalo muy breve se alcanza casi un equilibrio entre la sangre y el aire alveolar. Por lo tanto, la ppCO2 en la sangre arterial es virtualmente igual a la ppCO2 del aire alveolar, en los alvéolos funcionantes. Cuando se produce un aumento en la producción de CO2 o en la ppCO2 como consecuencia de una situación de acidemia, se estimula el centro respiratorio determinando un aumento de la ventilación alveolar. La respiración se mantiene debido a la actividad del centro respiratorio en el bulbo raquídeo, el cual es constantemente estimulado por los quimiorreceptores centrales y periféricos. Los quimiorreceptores periféricos se hallan localizados en los cuerpos aórticos y carotídeos ricamente vascularizados, los cuales son estimulados inmediatamente por una caída en la pO2 arterial y por un descenso del pH del plasma arterial. La respuesta es unos pocos segundos más rápida cuando la caída del pH se debe a un aumento de la ppCO2 que cuando es causada por un aumento de los ácidos no carbónicos con una ppCO2 constante. El estímulo es, probablemente el pH del líquido extracelular que baña las neurona quimiosensibles. Se ha propuesto que el estímulo provocado por una pO2 baja se debe a la producción de ácido láctico con la consiguiente caída del pH extracelular. Los quimiorreceptores centrales están localizados superficialmente sobre la cara ventral del bulbo y de acuerdo con evidencias actuales éstos son estimulados por una caída del pH del líquido extracelular del cerebro. El líquido ex-
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
21
tracelular está en estrecha relación con el líquido cefalorraquídeo a través de la piamadre, pero separado de la sangre capilar por una membrana endotelial impermeable y una membrana basal, excepto en las vellosidades aracnoideas. Los quimiorreceptores centrales no resultan afectados por la hipoxia aguda, aunque responden a la hipoxia prolongada con hiperventilación. El mecanismo puede ser una acumulación gradual de ácido láctico en el cerebro debido a que la hipoxia conduce a una caída gradual del pH intracelular.
Regulación renal La función de los riñones es mantener constante el medio interno. Para ello regulan el equilibrio del agua y la excreción de iones manteniendo un patrón normal de electrólitos y un pH fisiológico. A medida que la sangre atraviesa por las arteriolas en las nefronas renales, el agua y pequeños iones, incluyendo iones hidrógeno, electrólitos y bicarbonato, pasan al filtrado glomerular. Este a su vez atraviesa los túbulos renales: primero los túbulos proximales, después el asa de Henle, a continuación los túbulos distales y finalmente se excreta por la orina desde el conducto recolector. El pH del filtrado glomerular es aproximadamente el mismo pH que el plasma sanguíneo, mientras que el pH de la orina es de aproximadamente 6, ello se debe a que el riñón excreta ácidos no volátiles producidos en los procesos metabólicos. La habilidad para excretar cantidades variables de ácido ó base hace que la formación de orina por el riñón sea el mecanismo final de defensa frente a cambios en el pH corporal. Esto es así dado que los ácidos producidos durante los procesos metabólicos son transportados en el fluido extracelular a expensas del bicarbonato. Los riñones tienen tres mecanismos para regular el equilibrio ácido-básico: 1) excretan el exceso de ácido intercambiando sodio por hidrógeno, 2) reabsorben el bicarbonato y 3) producción de amoniaco y excreción de iones NH 4. Es necesario que transcurran de cinco a siete días para que se verifique la compensación renal y el pH regrese a la normalidad. En todo el organismo hay dos compartimentos principales de líquidos: el intracelular y el extracelular, separados por membranas semipermeables a los iones. Se establece así un balance que se conoce como equilibrio de GibbsDonnan, entre estos dos compartimentos con la misma concentración de iones en cada lado. Los iones se desplazan a través de la membrana para balancear cualquier variación en el otro compartimento. Por ejemplo en el riñón
22
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
los iones sodio del filtrado glomerular se pueden intercambiar con iones hidrógeno de las células tubulares. Así se reabsorbe sodio y se conserva para preservar la presión sanguínea y el volumen y se excreta el exceso de iones hidrógeno. Los iones K compiten con los H y con el intercambio Na - H. Si el K intracelular a nivel de las células de los túbulos renales es alto, más K y sólo algunos iones H se intercambian por Na, ahora bien en la orina entra menos ácido y la acidez de los fluidos corporales aumenta. Si hay deplección de K , más H es intercambiado por Na y la orina se hace más ácida con lo que los fluidos corporales son más alcalinos. El bicarbonato es el único anión amortiguador que se regenera en el riñón y vuelve a los líquidos del organismo para reponer la deficiencia de bases, como se observa en casos de acidosis metabólica. La concentración de bicarbonato en el filtrado glomerular es aproximadamente igual a la del plasma y cada anión bicarbonato está neutralizado con un ion sodio. Cuando las sales sódicas llegan a los túbulos proximales, se intercambia sodio por hidrógeno y éstos penetran a la orina tubular, así se eleva en la orina la concentración de iones hidrógeno y disminuye su pH. Algunos iones hidrógeno se combina con fosfato y otros con bicarbonato formando ácido carbónico, que se deshidrata a dióxido de carbono y agua. El agua así formada se excreta por la orina y el dióxido de carbono produce un aumento de la ppCO2 en el filtrado glomerular respecto a las células de los túbulos renales lo que trae como consecuencia que el CO2 se difunda y pase hacia las células. Por lo tanto el bicarbonato que penetró en el filtrado glomerular vuelve a entrar a las células en forma de CO2. Este último reacciona con agua en presencia de anhidrasa carbónica para formar H2CO3, el cual se ioniza a H y HCO3 que pasa a la circulación. De todo ello se establece que el riñón mantiene la concentración de bicarbonato adecuada para reaccionar ante cambios de acidez del plasma sanguíneo. El resto de los iones hidrógeno se excretan como ion amonio (NH 4), un ácido débil que se forma a partir del NH 3, una base fuerte e iones hidrógeno. La importancia de este par conjugado NH3 /NH4 en el equilibrio ácido-base radica en que puede transportar iones a la orina. El NH3 se forma en las células tubulares a partir de la oxidación de la glutamina por la glutaminasa y por la oxidación de otro aminoácidos. El ion NH 4 también experimenta conversión hepática a urea y se excreta a través de los riñones hacia la orina. Ácidos fuertes tales como el ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido fosfórico están totalmente ionizados al pH de la orina y son excretados sólo después de que los iones H derivados de estos ácidos reaccionen con un tampón.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
23
La excreción de los aniones de estos ácidos se acompaña simultáneamente de la eliminación de igual número de cationes tales como Na , K o NH4 que da como resultado un balance electroquímico. Algunos ácidos tales como el ácido acetoacético (pK 3,58) y el ácido E hidroxibutírico (pK 4,7) están presentes en la sangre completamente ionizados, pero sólo están parcialmente disociados al pH ácido de la orina. Las formas no disociadas de estos ácidos pueden excretarse como tales.
Alteraciones metabólicas del equilibrio ácido base: Compensación Alcalosis metabólica Se considera que la alcalosis metabólica se produce por un exceso de bicarbonato; esto hace que en la expresión de Henderson-Hasselbach la relación de bicarbonato con respecto al ácido carbónico aumente y por tanto que el pH sea más alto. Se requieren dos condiciones para que se produzca esta alteración metabólica, un aumento en la concentración de bicarbonato y que los riñones sean incapaces de excretar el exceso de bicarbonato. La alcalosis metabólica es ocasionada por suministración de exceso de álcalis, pérdida de iones hidrógeno o agotamiento de potasio tras la administración de diuréticos. Una causa frecuente de alcalosis metabólica es la pérdida de ácido clorhídrico estomacal por vómito prolongado, lo que aumenta el pH porque se pierden iones hidrógeno y los riñones equilibran la pérdida reabsorbiendo sodio en los túbulos proximales.
Compensación En la alcalosis metabólica el riñón compensa el exceso de bicarbonato aumentando su excreción y los pulmones retienen el dióxido de carbono, enlenteciendo la respiración alveolar. Cualquiera de estos dos mecanismos restablece el pH sanguíneo alrededor del valor fisiológico de 7,4. En la compensación respiratoria, el aumento del pH que se produce en la alcalosis deprime el centro respiratorio y ocasiona hipoventilación lo que incrementa la pCO2 y por tanto, el H 2CO3 y el HCO3. La pCO2 de la sangre aumenta con mas rapidez que el HCO 3 y por ello la relación de la ecuación de Henderson-Hasselbach disminuye y el pH desciende. La hipoventilación también reduce la pO2. La respuesta renal a la alcalosis metabólica es una pérdida de bicarbonato y retención de iones hidrógeno, aumenta así la formación de amoniaco y reduce la reabsorción de bicarbonato.
24
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Acidosis metabólica La acidosis metabólica se considera una deficiencia primaria de bicarbonato, que ocasiona una disminución en la relación [Base ]/[Ácido] de la ecuación de Henderson-Hasselbach y por tanto que el pH descienda. La acidosis metabólica puede deberse a incremento de ácidos endógenos como el ácido E-hidroxibutírico y acetoacético (cetoacidosis diabética, inanición), ácido láctico (ejercicio muscular anaeróbico, shock) o exógenos como el ácido fórmico por intoxicación por metanol que liberan hidrógeno para combinarse con bicarbonato, o a un aumento en las pérdidas de bicarbonato.
Compensación Consecuentemente a las alteraciones arriba expuestas el pH desciende y los quimiorreceptores de la médula son estimulados para aumentar la ventilación. La adaptación respiratoria para eliminar ácido carbónico es lenta y con frecuencia se establece al cabo de 12-24 horas, lo que parece deberse a la lentitud de la entrada de iones H a través de la barrera hematoencefálica, al líquido intersticial que baña a los quimiorreceptores. La segunda característica del sistema de compensación respiratorio de las acidosis metabólicas es que la respuesta ventilatoria es proporcional a la intensidad de la acidosis metabólica. En las situaciones en las que se produce una acidosis metabólica por ácidos que se eliminen por el riñón, otro mecanismo de compensación consiste en un incremento de la excreción renal de hidrogeniones. La eliminación urinaria del ácido provoca contracción del volumen extracelular, activación del sistema renina-angiotensina-aldosterona y aumento de la excreción renal de H .
Alteraciones respiratorias del equilibrio ácido-base: Compensación Alcalosis respiratoria Se considera que la alcalosis respiratoria es una deficiencia primaria de dióxido de carbono, lo que ocasiona en la ecuación de Henderson-Hasselbach un incremento de la relación entre el numerador y el denominador y por tanto un aumento del pH. En la alcalosis respiratoria, la ppCO2 arterial es inferior a los 40 mm de Hg, el pH es superior a 7,42 y el contenido total de CO 2 (HCO3 H2CO3 CO2 disuelto) disminuye. La alcalosis respiratoria casi siempre se debe a estimulación de los quimiorreceptores respiratorios que provoca hiperventilación. La estimulación puede ser psicógena, como en casos de ansiedad, nerviosismo, histeria o tensión, o deberse a hipoxia o afecciones del
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
25
control de la respiración en el sistema nervioso central. La hipoxia puede ser resultado de neumonía, asma, embolia pulmonar o lesiones del sistema nervioso central que afectan la estimulación de los quimiorreceptores como meningitis o accidentes cerebrovasculares. Los estado metabólicos que estimulan la hiperventilación también provocan alcalosis respiratoria e incluyen tirotoxicosis (hipertiroidismo), fiebre, ejercicio y septicemia. El alcoholismo agudo también provoca hiperventilación. Las personas que viven en zonas muy altas también presentan hiperventilación crónica debido a hipoxia, la cual estimula los quimiorreceptores respiratorios y la alcalosis respiratoria resultante se compensa de forma crónica.
Compensación Como la causa de la alcalosis respiratoria es principalmente la hiperventilación, la compensación respiratoria reduce la tasa de ventilación. Si los quimiorreceptores respiratorios no responden a la pO2 alta y a la pCO2 baja de la alcalosis respiratoria, la compensación es principalmente metabólica en dos etapas. En la primera el bicarbonato se transforma en ácido carbónico, mediante el hidrógeno que proviene de los amortiguadores, incluyendo hemoglobina, proteínas y fosfato. Esta amortiguación del bicarbonato ocasiona reducción del mismo e incremento de ácido carbónico, aumenta la relación de Henderson-Hasselbach y reduce el pH. En la alcalosis respiratoria prolongada se produce la segunda etapa de compensación; en ella se reduce la excreción renal de ácidos y aumenta la excreción de bicarbonato como en la alcalosis metabólica. El hidrógeno intracelular que proviene de los amortiguadores se repone con potasio, lo que produce hipopotasemia.
Acidosis respiratoria Se considera un exceso primario de dióxido de carbono, es decir, incremento del dióxido de carbono o hipercapnia, medida como ppCO2 (denominador de la ecuación de Henderson-Hasselbach), lo que ocasiona una disminución de la relación y por tanto disminución del pH. La acidosis respiratoria se debe a ventilación inadecuada y puede ser aguda o crónica. En cualquier caso, la hipoventilación conduce a retención de CO 2, incremento ppCO2 de sanguínea y de H2CO3 y por tanto reducción del pH. La acidosis respiratoria aguda se debe a la depresión de los quimiorreceptores respiratorios, afecciones del sistema neuromuscular y edema pulmonar agudo. Los quimiorreceptores respiratorios se deprimen por traumatismos del sistema nervioso central, narcóticos como morfina, anestesia general durante cirugía y
26
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
otras patologías que afectan al funcionamiento de nervios y músculos. Se observa acidosis respiratoria crónica en afecciones que interfieren con la capacidad pulmonar para expulsar dióxido de carbono. Estas incluyen asma, neumonía, apnea, enfermedades pulmonares obstructivas y otras causas de hipoventilación, obstrucción de vías respiratorias y fibrosis pulmonar. Las enfermedades cardiacas provocan acidosis respiratoria porque al disminuir la circulación llega menos sangre a la circulación pulmonar para el intercambio de gases.
Compensación La compensación es principalmente de tipo renal con retención gradual de bicarbonato, aunque también se produce compensación pulmonar. Cuando el defecto primario no se encuentra en el centro respiratorio, la hipercapnia estimula los pulmones para eliminar dióxido de carbono por hiperventilación. Esta última da lugar a reducción de la pCO2 por lo que la relación se acerca mas a la normalidad y el pH aumenta aproximándose a 7,4. La respuesta respiratoria es proporcional al grado de acidosis. Los riñones compensan la acidosis respiratoria incrementando el intercambio de sodio e hidrógeno (que provoca excreción de hidrógeno y retención de sodio), reteniendo bicarbonato y aumentando la formación de amonio. Después el ácido carbónico se separa en iones hidrógeno que son amortiguados por la hemoglobina y otros amortiguadores por lo que en último término se produce la elevación del pH por aumento del numerador de la ecuación de Henderson-Hasselbach.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
27
Excreción del ion H+3 intercambio Na + H + y producto de ion amonio en los túbulos renales Plasma y fluido Células tubulares intersticial
Filtado glomerular
CO2 H2O 6
A.C.
H2CO3 7
HCO3 Na
HCO3 H Na Glutamina 5
4
H Na HPO42
H 2O NH4
1
NaH2PO4 H A
Glutamato 5
Transaminación NH4
NH4
D cetoglutarato
1 2 3 4 5 6
HA sin disociar
2 3
ORINA
Conversión de HPO42 a H2PO4 Reacción de iones H con NH3 Excreción de ácidos no disociados Cambios Na - H Producción de NH 3 y 7 Síntesis de ácido carbónico desde CO 2
Amortiguadores, tampones o buffer: Clases Sistemas aminoácidos y proteínas Son amortiguadores de unas características muy especiales por su carácter anfótero, tanto que inmediatamente se podría pensar que su acción depende sólo de que en medio ácido se comportan como bases y en medio básico como ácidos, equilibrando así la reacción del medio. Destacamos aquí la importancia como amortiguadores a las “proteínas del plasma sanguíneo”.
28
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Al pH del plasma sanguíneo (7,4), las proteínas se disocian predominantemente como aniones, y se comportan como ácidos débiles. Sabemos que el pI de todas las proteínas de la sangres está a un pH más ácido que el pH compatible con la vida. Por eso, su acción amortiguadora depende casi exclusivamente del sistema amortiguador que se forma por la mezcla de proteína ácida y proteína que forma sal con una base fuerte. Esto es, se comporta como cualquier otro amortiguador. La acción amortiguadora de las proteínas fisiológicas, dada su composición en aminoácidos, puede explicarse demostrativamente a expensas del comportamiento como tampones de sus aminoácidos constituyentes, puesto que aunque “el enlace peptídico” entre el grupo COOH de una aa. y el grupo NH2 de otro, bloquea las propiedades acidobásicas y amortiguadoras que tendrían estos grupos, sin embargo todas las proteínas tienen algunos grupos disociables. Así los aminoácidos poliácidos, glutámico, aspártico, aportan los segundos grupos ácidos que forman cadenas laterales y arginina, lisina e histidina aportan grupos básicos a las moléculas proteicas.
Sistema amortiguador de fosfatos La importancia del sistema amortiguador de fosfatos radica en que los fosfatos se excretan en orina en altas cantidades, lo que permite que los riñones regulen los iones positivos incluyendo iones hidrógeno y iones sodio. El ácido fosfórico (H3PO4) tiene tres iones hidrógeno disociables y como sucede para los iones polivalentes, cada uno se libera reversiblemente cuando se titula con una base con diferente constante de disociación. El átomo de hidrógeno que en el ácido fosfórico tiene importancia fisiológica es el que transforma el (H2PO4) monobásico en fosfato dibásico (HPO 42) con una pK 7,2, la más próximo al pH del medio interno. La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema amortiguador es: H2PO4 pH
HPO42 H
pK log
[HPO42] [H2PO4]
En el riñón, estas cargas negativas se neutralizan con cargas positivas, principalmente del sodio. A medida que se añaden iones hidrógeno al filtrado durante la formación de orina, el fosfato dibásico recoge un ion hidrógeno y se convierte en fosfato monobásico neutralizándose con un ion Na. Los niveles de fosfato en plasma son de sólo 1 mmol /l, de manera que el fosfato proporciona poca amortiguación extracelular en comparación con el bicarbonato cuya concentración plasmática normal es de aproximadamente 25 mmol/l. Sin embargo aunque la eficacia de un amortiguador depende de
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
29
su concentración en el medio, y de la proximidad de su pK al pH que se trata de regular, el sistema de los fosfatos, aunque está bastante diluido en el plasma, cumple bien el segundo requisito, y por ello contribuye eficazmente a amortiguar las variaciones de pH.
Sistema bicarbonato/ácido carbónico El amortiguador más importante del plasma sanguíneo, es el amortiguador bicarbonato/ácido carbónico, también presente en los eritrocitos pero a menor concentración. Puede este tampón amortiguar variaciones de la concentración de iones [H] tanto en casos de “acidosis” como de “alcalosis”. Su eficacia se basa en su elevada concentración en el plasma y en el hecho de que tanto el bicarbonato como el ácido carbónico pueden ser eliminados como CO2 ó pueden aumentar por retención de CO2 cuando así se requiera para contrarrestar variaciones del pH del medio. El CO2 (gas) producido en procesos metabólicos tisulares, es transportado por la sangre a los pulmones para su intercambio por O2. Debido a la continua producción de CO2 por las células de los tejidos (durante la combustión de los hidratos de carbono y de las grasas), hay una importante diferencia de concentración de CO2 entre las células tisulares, el plasma sanguíneo y los eritrocitos, lo que conlleva a un desplazamiento a través de las membranas celulares al plasma y a los eritrocitos. En el plasma sanguíneo, el CO2 gas se haya en equilibrio con el CO 2 disuelto. El equilibrio entre el CO2 (gas) y el CO2 (d) viene dado por la Ley de Henry (la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas): [CO2]d D
D (ppCO2)
3,01 u 102 a la pp normal alveolar de 40 mm de Hg
Una pequeña porción del CO2 disuelto presente en el plasma se mantiene como tal [CO2]d, y otra pequeña parte reacciona con agua para formar H 2CO3 CO2 (d) H2O
k1
H2CO3
(8)
pero la mayor parte del CO 2 disuelto en el plasma penetra en los eritrocitos sanguíneos donde también sufre el proceso de hidratación para formar H 2CO3 a expensas de un enzima, la “anhidrasa carbónica”, un enzima que acelera extraordinariamente la velocidad en ambos sentidos de la reacción (8). La importancia de la acción enzimática es fácil de comprender, así en ausencia del enzima, durante el tiempo que tarda en pasar la sangre por los capila-
30
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
res pulmonares, no podría perder el CO2, mientras que la acción enzimática facilita la liberación de CO 2 en un tiempo suficientemente breve. El H2CO3 es un ácido moderadamente fuerte que puede disociarse según la ecuación (9) en anión bicarbonato e hidrogeniones: H2CO3
k2
HCO3 H
(9)
Así las dos reacciones anteriores pueden escribirse: CO2 H2O siendo k
k1 u k2
k1
k2
H2CO3
HCO3 H
(10)
7,9 u 107.
La ecuación de Henderson-Hasselbach aplicada a este amortiguador puede escribirse así: [HCO3] pH 6,1 log [CO2 H2CO3] siendo 6,1 el pK de las 2 reacciones anteriores. Para calcular la relación sal/ácido que corresponde a la sangre, tomando un valor de pH fisiológico de 7,4 resulta: log
[HCO3] [CO2 H3CO3]
7,4 6,1
1,3
donde considerando despreciable la concentración de H 2CO3 (ya que sólo 1/1.000 del CO2 se transforma en ácido libre), se puede formular: log
[HCO3] [CO2]
1,3
esto es,
[HCO3] [CO2]
20 1
todo cambio en la relación 20/1 significa, como es evidente, variación del pH. Pero puede la ecuación de Henderson-Hasselbach expresarse en función de la presión parcial de CO 2 (ppCO2), dado que la solubilidad del CO 2 en la sangre viene dada por la ley de Henry como ya hemos indicado. pH
6,1 log
[COOH] 3,01 u 102 u (ppCO2)
El pH de la sangre se mantiene siempre alrededor de 7,4. Si el pK del CO2 es de 6,1 ¿como puede contribuir el tampón HCO 3 /CO2 a mantener el pH alrededor de 7,4 ya que sabemos que un tampón sólo es eficaz en la región de su pK; la clave está en que “in vivo”el tampón HCO 3 /CO2 es un sistema abierto en el que la concentración de CO2 disuelto se mantiene constante ya que cualquier exceso de CO2 se elimina por los pulmones.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
31
Hemoglobina Además de su conocida función como transportador de oxígeno, la hemoglobina juega un importante papel como tampón de la sangre. Es el amortiguador de la sangre que mayor importancia fisiológica tiene por su capacidad cuantitativa en el transporte y neutralización de los hidrogeniones. En cualquier momento la hemoglobina, en la sangre, se presenta como una mezcla de formas oxigenada, oxihemoglobina y desoxigenada, desoxihemoglobina. Cualquiera de las dos formas de hemoglobina, la desoxi y la oxihemoglobina, están presentes como una mezcla de ácido y sal potásica, dependiendo (figura 1.5) la proporción de cada una de ellas de la concentración de O 2 y del pH de la sangre.
FIGURA 1.5. Curvas de disociación de la hemoglobina oxigenada y reducida. A pH 7,3 el 80% de la Hb oxigenada y el 20% de la reducida están en forma salina. Fisiológicamente actúan como dos sistemas amortiguadores diferentes pero interconvertibles.
Así la “oxihemoglobina” representa una mezcla de H oxihemoglobina, (HHbO 2) (ácido conjugado) y oxihemoglobina (HbO 2–) (base conjugada ó sal) y la “desoxihemoglobina” es también una mezcla de H desoxihemoglobina (HHb), (ácido conjugado) y desoxihemoglobina (Hb –) (base conjugada ó sal).
32
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
HHbO2 (ácido)
HHb (ácido) Hb
pKa
HbO2
7,9
pKa
6,7
Hb2 (sal)
Hb (sal)
La diferencia que existe entre las pKa de ambas formas de hemoglobina en función de la oxigenación o desoxigenación es debido a que la hemoglobina contiene muchos grupos ionizados, en particular influye en este cambio de pKa el grupo imidazólico del aa. Hys 146 que tiene la especial propiedad de modificarse según el grado de oxigenación de la molécula de hemoglobina. Así la pKa de esta Hys tiene el valor de 6,7 en la oxihemoglobina y cuando la hemoglobina pierde O 2 aumenta hasta 7,9, lo que se debe a que en la desoxiHb la carga local del entorno de este aa. se vuelve más negativa y la Hys adquiere entonces mayor afinidad por los H . Por ello de los dos ácidos [HHb, pKa 7,9 y HHbO2, pKa te es el correspondiente a la oxihemoglobina.
6,7], el más fuer-
Vamos a estudiar los equilibrios que se producen para las cuatro formas de la hemoglobina, según la sangre es transportada de los pulmones a los tejidos ó viceversa. La hemoglobina de los eritrocitos llega a los pulmones principalmente como mezcla de las formas desoxigenadas HHb Hb (figura 1.6).
K O2
HHb O2 7
pKa
1 1
7,9
HHbO2 2
Hb O2 H alimento
KcO2
0,032 4
pKa
HbO2 H HCO3
6,7
3
H2O CO2n
6
CO2 H2O Renueva el HCO3 0
FIGURA 1.6.
En los pulmones, la hemoglobina se une al oxígeno; el equilibrio se desplaza así a la derecha (reacción 1). Ya hemos dicho que la HHbO 2 es un ácido más fuerte que la HHb. Como resultado, el equilibrio se desplaza hacia abajo (reacción 2) y se desprenden H (efecto Haldane).
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
33
El incremento de [H ] es neutralizado por el CO 3H plasmático (reacción 3), lo que provoca al mismo tiempo que la eliminación de H , el desprendimiento del CO2 a la atmósfera. La hemoglobina oxigenada HbO2 así formada en los pulmones, (base conjugada a pH 7,4), se transporta a los tejidos, donde la baja presión parcial de O2 provoca que se desplace el equilibrio horizontal hacia la izquierda (reacción 4). En los tejidos, se libera el O2, y como la Hb es una base más fuerte que la HbO2 (como es lógico, si la HHbO2 es un ácido más fuerte que la HHb); el equilibrio vertical se desplaza hacia arriba (reacción 7) captando los iones H de los que se producen a partir de la oxidación de los alimentos (reacción 6), con lo que éstos H son eliminados en forma de HHgb (efecto Bohr). Por supuesto ambos desplazamientos ocurren simultáneamente. Pero además hay que destacar que también la HbO2 puede captar los H que en la sangre se producen desde el CO2 gaseoso que pasa a ella procedente del metabolismo de los tejidos. Éste, en los eritrocitos y a expensas de un enzima, la anhidrasa carbónica, rinde H2CO3, el cual se disocia, como ya sabemos, en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían descender el pH, de no ser rápidamente captado por la HbO2 que así se reduce. Conforme el bicarbonato de los eritrocitos se eleva más que el plasmático, sale bicarbonato de la célula y se intercambia por cloruros (desplazamiento de cloruros). Este efecto compensador del pH puede expresarse globalmente como un equilibrio conjunto, en el cual intervienen los gases: O2 y CO2. HbO2 CO2 H2O
HbH HCO3 O2
esto es, la HbO 2 ha captado los H cedidos por la disociación del H 2CO3 y ha desprendido el O2 que transportaba convirtiéndose en HbH (Hb reducida).
34
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
PREGUNTAS TEST 1
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la estructura del agua es correcta? $ El oxígeno presenta orbitales híbridos sp2. % El oxígeno se une a los hidrógenos mediante enlaces iónicos (debido a la gran diferencia en las afinidades electrónicas). & La molécula de agua tiene forma lineal. ' El oxígeno se une a los hidrógenos mediante enlaces covalentes formados por pares de electrones. ( La molécula de agua tiene enlaces resonantes.
2
El ángulo de la molécula de agua es: $ 120º.
3
% 110º.
& 109,4º.
' 104,5º.
( 180º.
La molécula de agua... $ Presenta momento dipolar. % Tiene diferente distribución de cargas. & Sus átomos presentan diferentes electronegatividades. ' Todas las anteriores son correctas. ( Todas las anteriores son falsas.
4
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el agua permite explicar la polaridad del agua? $ Es un compuesto iónico, por lo tanto es polar. % El valor del ángulo del enlace. & La existencia en el agua de puentes de hidrógeno. ' La unión a otras sustancias mediante puentes de hidrógeno. ( La diferencia en la fuerza de enlace entre los puentes de hidrógeno y los enlaces covalentes.
5
Con respecto a los puentes de hidrógeno... $ Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a nitrógeno. % Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a oxígeno. & Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a flúor.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
35
' Son fuerzas intermoleculares que implican uniones de hidrógeno a átomos pequeños y electronegativos. ( Todas son ciertas. 6
7
La desoxihemoglobina es una mezcla de [HHb] y [Hb –], ¿a qué pK a se produce el equilibrio HHb Hb –? $ pKa
6,7.
% pKa
7.
& pKa
' pKa
7,4.
( Ninguna de las anteriores.
7,9.
¿Cuál de las siguientes afirmaciones en relación al enlace de hidrógeno es cierta? $ El enlace de hidrógeno tiene lugar entre elementos de la misma electronegatividad. % Entre metales y el flúor. & Entre no metales y el litio. ' Entre elementos muy electronegativos y de pequeño tamaño con el hidrógeno. ( Ninguna es correcta.
8
Considerando las propiedades del agua podemos afirmar... $ En estado gaseoso tiene por molécula un enlace de hidrógeno menos que en estado sólido. % La formación de enlaces de hidrógeno ayuda a solubilizar alcoholes, aminas y aminoácidos. & Al no poseer su molécula cargas eléctricas netas, el agua no puede interaccionar con los iones de alrededor. ' Debido a los enlaces intramoleculares por puentes de hidrógeno el agua posee gran densidad. ( Los enlaces de hidrógeno son siempre entre moléculas de agua solamente, nunca entre agua y otras moléculas diferentes.
9
La disolución reguladora intracelular más importante es el sistema amortiguador de fosfatos, ¿cuál de las disociaciones posibles del ácido fosfórico es la más importante? $ Tiene lugar a pK & A pK
7.
( A pK
8,5.
2,1.
% A pK
12,7.
' A pK
7,2.
36
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
10 El agua sólida (hielo) presenta: $ Moléculas distribuidas al azar sin ningún tipo de unión entre ellas. % Estructura en forma de malla tetraédrica. & Densidad variable. ' Punto de fusión variable. ( La % y la ' son falsas. 11 Según la definición de ácido y base de Brönnsted y Lowry, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? $ Un ácido es una sustancia capaz de ceder protones. % Un ácido es una sustancia que en medio acuoso cede iones hidrógeno. & Un ácido es una sustancia capaz de ceder un par de electrones. ' Una base es una sustancia capaz de captar un par de electrones. ( Una base es una sustancia capaz de ceder protones. 12 Respecto a la densidad del agua sólida: $ Es lógicamente mayor que en el líquido como ocurre en la mayor parte de los sólidos. % Cuando el agua se congela existe una disminución del volumen por contracción. & De forma anómala la densidad es menor que en el líquido. ' Las moléculas exhiben distancias de enlace más cortas para compensar la escasa movilidad. ( Sólo la % es falsa. 13 La importancia como amortiguadores de las proteínas del plasma sanguíneo se explica: $ Al pH del plasma sanguíneo se disocian como cationes. % Por su composición en aminoácidos. & Al pH del plasma sanguíneo se comportan como ácidos fuertes. ' El pI de todas las proteínas de la sangre está a un pH más básico que el pH compatible con la vida. ( Todas son ciertas. 14 La vida marina es posible en un mar helado ya que: $ Existen más nutrientes que en los mares cálidos. % El hielo posee una densidad menor que el agua líquida.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
37
& El agua se congela direccionalmente desde el fondo hasta la superficie. ' Las sales marinas ayudan a que la temperatura de congelación sea menor. ( La % y la ' son correctas. 15 Una disolución básica es aquella que: % [H] ! [OH] y pH 7. $ [H] [OH] y [H] 107 M. ' [H] [OH] y pH ! 7. & [H] [ OH] y pH 7. ( [H] ! [OH] y pH ! 7. 16 El calor puesto en juego en el cambio de estado del agua de sólido a líquido... $ Es bajo para facilitar los procesos de intercambio rápido de energía. % Se denomina calor latente de solidificación. & Es muy alto y evita cambios bruscos de estado. ' Es muy superior al calor de cambio de estado de líquido a sólido. ( Todas son ciertas. 17 Reciben el nombre de ácidos y bases débiles aquellos que: $ Están totalmente disociados en disoluciones diluidas. % Tienen gran energía de hidratación. & Poca afinidad protónica. ' Los que tienen numerosas moléculas sin disociar en disoluciones diluidas. ( Los que tienen constantes de disociación elevadas. 18 En relación a las propiedades del agua por su interés biológico, ¿qué afirmación es falsa? $ Posee elevado calor específico. % Elevado calor de vaporización. & Elevada conductividad térmica. ' Mínima densidad a 4 ºC. ( Elevada tensión superficial. 19 La magnitud que mide el calor empleado en elevar la temperatura de una masa de agua en 1 ºC... $ Se denomina calor latente del aumento de temperatura.
38
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
% Varía mucho según las temperaturas a que se encuentre el agua. & Estabiliza las temperaturas moderadas en las zonas costeras. ' Posibilita la existencia de los cambios de estado. ( No existe dicha magnitud. 20 El agua es un disolvente de: $ Sustancias polares.
% Sustancias anfipáticas.
& Electrólitos fuertes.
' Electrólitos débiles.
( Todas son correctas. 21 El agua al disolver a una sal iónica... $ La disocia. % La solvata. & Orienta cada polo hacia la carga de signo contrario. ' Se une mediante interacciones electrostáticas débiles a los iones de la sal. ( Todas son correctas. 22 ¿Cuál de los siguientes compuestos es más probable que forme micelas en solución acuosa? $ Lactato sódico.
% Fluoruro cálcico.
' Ácido clorhídrico.
( Hidróxido potásico.
& Ácidos grasos.
23 El agua destilada... $ Presenta moléculas diferentes al agua sin destilar. % Conduce peor la electricidad que el agua mineral. & Posee mucho menor número de puentes de hidrógeno que el agua sin destilar. ' Cuando congela tiene mayor densidad ( Ninguna es cierta. 24 Sobre el agua líquida se puede afirmar: $ Es una sustancia anfótera. % Aunque su pH es 7 no exhibe carácter ácido-base. & En las sales no produce hidrólisis. ' Cada molécula desprende dos protones. ( El agua en absoluto se puede considerar como un electrólito.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
39
25 En el agua pura: $ Su concentración es constante y vale 55,5 M a 25 ºC. % La concentración de protones a 25 ºC es igual a 107. & Las concentraciones de iones hidroxilo e hidroxonio son iguales. ' Todo es cierto. ( Sólo % y & son ciertas. 26 En relación al producto iónico del agua, cabe decir... $ Implica desigualdad entre las formas positivas y negativas. % Implica que existen cantidades iguales de protones, hidroxilos y moléculas sin disociar. & Es la constante de equilibrio para la disociación del agua. ' Es igual a 1014 a 25 ºC. ( Depende de la concentración del agua sin disociar. 27 Sí se conoce el pH de una disolución se puede calcular el pOH de la misma: $ Siempre que se conozca la sustancia que está disuelta en la disolución acuosa. % Siempre que se conozca la constante de equilibrio de la disociación. & Siempre que se conozca el producto iónico del agua y de las especies disueltas. ' No se puede calcular en ningún caso. ( Se puede calcular a partir de la relación: [OH ] [H]
1014.
28 Una disolución ácida es aquella que: $ pH
7.
' pOH 7.
% [H] 107 M. ( [H ]
[OH ]
& pH 7. 10
7
M.
29 Una disolución de agua a 25 ºC, a pH 6,5: $ Es una disolución neutra. % Contiene casi el mismo número de protones que una de pH 7. & Contiene casi el mismo número de protones que una de pH 6. ' Contiene más del doble de protones que una de pH 7. ( La % y la & son correctas.
40
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
30 Si el pH de una disolución es doble que el de otra el valor de la concentración de protones es: $ Doble en la primera. % Mitad en la segunda. & 10 veces mayor en la primera. ' 1.000 veces mayor en la primera. ( Todas son falsas. 31 Para una relación de concentraciones de [H 3O +] de 10.000 en dos disoluciones diferentes: $ El pH y el pOH deben ser iguales. % El pH varía en tres unidades. & El pOH varía en cuatro unidades. ' La relación pH/pOH debe variar en 10.000 unidades. ( El pH varía en 0,0001 unidades. 32 La $ & (
ecuación de Henderson-Haselbach, relaciona pH y pK a de: Ácidos fuertes. % Bases fuertes. Ácidos débiles. ' Bases fuertes y débiles. Ácidos fuertes y débiles.
33 Para determinar el valor de pK a de un ácido se tiene que cumplir que: $ Existan cantidades equimoleculares del ácido y la base de cada par conjugado. % Que la especie predominante sea ácida. & Que la especie predominante sea básica. ' Que el pH de la muestra sea el del ácido. ( Que el pH de la muestra sea el de la base. 34 En relación con la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que puede expresarse de la siguiente forma: pH = pK + log [sal] / [ácido], ¿Cuándo la capacidad tampón de la disolución es mayor? $ Cuando las concentraciones de la base (sal) y el ácido son iguales. % Cuando la concentración del ácido es mayor que la de la base (sal). & Cuando la concentración de la base (sal) es mayor que la del ácido. ' Cuando el pH es mayor que el pK. ( Cuando el pH es menor que el pK.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
41
35 La ecuación de Henderson-Hasselbach en función de la presión parcial de CO 2 (ppCO 2) viene dada por la expresión: $ pH
pKa log [HCO3]/[CO2].
% pH
log [HCO3]/[ppCO2].
& pH
pKa log [HCO3]/D [ppCO2].
' pH
pKa log [ppCO2]/3,01 · 102 [HCO3]. ( Ninguna de las anteriores es cierta. 36 El pK a del ácido ascórbico a 24 ºC es 4,10. ¿A que pH será de 3:1 la relación entre la forma protonada y la forma desprotonada? $ 4,10.
% 5,3.
& 8,2.
' 1,5.
( 3,62.
37 ¿Cuál de las siguientes disoluciones no es reguladora o tampón? $ Ácido acético acetato sódico. % Ácido clorhídrico hidróxido sódico. & Amoniaco cloruro amónico. ' Ácido bórico borato sódico. ( Bicarbonato ácido carbónico. 38 Si el pH de una disolución es una unidad menor que el pK del ácido la proporción ácido / base es: $ 1/2.
% 1/10.
& 1/100.
' 10/1.
( 100/1.
39 ¿Cuál de los siguientes ácidos débiles estará neutralizado en un 91% a pH = 4,86? $ Ácido propanoico pKa % Ácido acético pKa
4,86.
4,75.
& Ácido E-hidroxibutanoico pKa ' Ácido ascórbico pKa ( Ácido láctico pKa
4,70.
4,10.
3,86.
40 De los siguientes fluidos corporales: ¿cuál tiene el pH más ácido? $ El plasma sanguíneo.
% La orina.
& El jugo pancreático.
' La saliva.
( El jugo gástrico.
42
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
41 Con relación al pH de la orina para un adulto sano: $ Está comprendido entre los valores de 2-5. % Está comprendido entre los valores de 5-8. & Está siempre por debajo de 5. ' Está siempre por debajo de 4. ( Está comprendido entre los valores de 3-6. 42 A pH fisiológico (7,4) y teniendo en cuenta los valores de pK a para el ácido fosfórico (pK a1 = 2,12; pK a2 = 7,21; pK a3 = 12,67) que especies disociadas del ácido predominan: $ H3PO4 y H2PO4.
% H2PO4 y HPO42.
& HPO42 y PO43.
' No predomina ninguna.
( Menos el ácido H3PO4 puede existir cualquiera. 43 En los adultos el valor normal del pH sanguíneo es 7,4: $ Si el pH desciende por debajo de 7,35 se denomina acidosis. % Si el pH desciende por debajo de 7,35 se considera normal hasta pH 7. & Si el pH desciende por debajo de 7 produce acidosis hasta pH de 6,5. ' Si el pH desciende por debajo de 7,35 se considera normal dependiendo del adulto. ( Ninguna es cierta. 44 El pH sanguíneo depende de las concentraciones de: $ Fosfato dipotásico y de fosfato potásico. % CO2 y de bicarbonato.
& CO2 y de ácido carbónico.
' Bicarbonato y carbonato.
( Ninguna es cierta.
45 Se mide en el laboratorio los parámetros ácido-básico de una muestra de sangre con los siguientes resultados: reserva alcalina 17 meq / l, [CO 2] (d) = 1,2 meq / l. Indicar el pH sanguíneo: $ 7,50.
% 7,40.
& 7,22.
' 7,10.
( 6,22.
46 Los resultados obtenidos cuando se mide en el plasma sanguíneo de un individuo la ppCO 2, [HCO 3–], CO 2 total y pH son: ppCO 2 = 40 mmHg, [HCO 3–] = 26 meq / l, CO 2 total = 27,3 meq / l y pH = 7,1. Indicar en que situación ácido-básica se encuentra:
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
43
$ Acidosis respiratoria.
% Alcalosis respiratoria.
& Acidosis metabólica.
' Alcalosis metabólica.
( Situación normal. 47 En un plasma sanguíneo se mide la ppCO 2 = 21 mmHg, la [HCO 3–] es de 16,7 meq / l y el pH es igual a 7,52. Indicar en qué situación ácido-básica se encuentra: $ Acidosis respiratoria.
% Alcalosis respiratoria.
& Acidosis metabólica.
' Alcalosis metabólica.
( Situación normal. 48 Las concentraciones de [HCO 3–], CO 2 disuelto y pH en un plasma sanguíneo son respectivamente de 35 meq / l; 1,35 meq / l y 7,58. Indicar cuál es su situación fisiopatológica respecto al equilibrio ácido-base. $ Acidosis respiratoria.
% Alcalosis respiratoria.
& Acidosis metabólica.
' Alcalosis metabólica.
( Situación normal. 49 Las concentraciones de [HCO 3–] y de CO 2 disuelto en un plasma sanguíneo, son respectivamente de 26 meq / l y 2 meq / l. Establecer su situación fisiopatológica. $ Acidosis respiratoria.
% Alcalosis respiratoria.
& Acidosis metabólica.
' Alcalosis metabólica.
( Situación normal. 50 Un individuo en situación de “acidemia metabólica”, puede recuperar el pH fisiológico de 7,4 a expensas de: $ Conservación de [HCO3] por los mecanismos renales adecuados. % Aumentar la eliminación de CO2 a través de los alvéolos pulmonares. & Aumentar el intercambio Na - H. ' Aumentar la eliminación por la orina de amoniaco. ( Todo lo anterior es cierto. 51 La eliminación de una orina ácida (pH alrededor de 4,5 a 5,5) responde a una situación fisiopatológica de: $ Acidosis respiratoria.
% Alcalosis respiratoria.
44
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
& Acidosis metabólica.
' Alcalosis metabólica.
( Situación normal. 52 En una situación clínica de “alcalosis metabólica”, el organismo pone en marcha los siguientes mecanismos de compensación: $ Aumenta el intercambio Na - H. % Aumenta la formación de amoniaco. & Aumenta la reabsorción de [HCO 3] por los mecanismos renales adecuados. ' Aumenta la retención de CO2 (hipercapnia) a través de los alvéolos pulmonares. ( Disminuye la ppCO2. 53 La hiperventilación pulmonar supone: $ Aumento de la ppCO2. % Disminución de la [CO2](d). & Disminución de la [HCO3]. ' Una situación de alcalosis metabólica. ( Una situación de alcalosis respiratoria. 54 Un aumento del pH sanguíneo pone en marcha mecanismos compensatorios de: $ Depresión del centro respiratorio. % Una retención de CO2 (hipercapnia). & Disminuye el intercambio Na - H. ' Disminución de la formación de iones NH4 en el riñón. ( Todo lo anterior es cierto. 55 Una disminución del pH sanguíneo pone en marcha mecanismos compensatorios de: $ Hiperventilación. % Disminución de la ppCO2. & Disminución de la [CO2](d) (hipocapnia). ' Incrementar la formación de iones NH 4 en el riñón. ( Todo lo anterior es cierto.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
45
56 Un individuo en condiciones fisiológicas tiene una reserva alcalina de 27,3 meq / l. Ante una adición a la sangre de 13 meq / l de ácidos no carbónicos en respuesta al metabolismo tisular, se desencadenan los siguientes mecanismos de amortiguación: $ Hiperventilación para disminuir la ppCO2. % Aumento de la [CO2](d) (hipocapnia). & Disminución de la reabsorción de [HCO3]. ' Disminución de la formación de iones NH4 en el riñón. ( Todo lo anterior es cierto. 57 La hemoglobina contribuye en el hombre al mantenimiento del equilibrio ácido-base a través de: $ Amortiguar el CO2 que procede de los procesos metabólicos. % Amortiguar los iones H que proceden de la formación de HCO3 en el eritrocito por combinación con la oxihemoglobina. & Mantener la [H] invariable a través de la desoxihemoglobina. ' Intercambiar el exceso de bicarbonato en la sangre por cloruros. ( Todo lo anterior es cierto. 58 Sabiendo que la sangre arterial transporta Hb, en la que un 95% está como oxihemoglobina (Hb oxigenada) y un 5% corresponde a desoxihemoglobina (Hb reducida), establecer cuantos milimoles de HbO 2– corresponden a 100 milimoles de sangre arterial a pH = 7,3. $ 35 mmoles.
% 50 mmoles.
' 80 mmoles.
( 95 mmoles.
& 76 mmoles.
59 A una disolución de 100 mmoles de Hb oxigenada al máximo, a pH = 7,3, se añaden 24 mmol de HCl. Indicar el nuevo pH que se alcanzará: $ 6,5.
% 6,8.
& 7,1.
' 7,8.
( 8.
60 En los capilares pulmonares, en presencia de una pO 2 alta, se producen una serie de reacciones que facilitan la oxigenación de la hemoglobina. Indicar cual de las siguientes propuestas es la correcta: $ La desoxihemoglobina de la sangre venosa, más ácida que la oxihemoglobina, libera el protón y así se transforma en oxihemoglobina.
46
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
% La desoxihemoglobina de la sangre venosa se combina con los iones bicarbonato y así se transforma en oxihemoglobina. & La desoxihemoglobina de la sangre venosa se intercambia por oxihemoglobina procedente de los alvéolos pulmonares. ' La desoxihemoglobina de la sangre venosa, más ácida que la oxihemoglobina, cede el anhídrido carbónico del eritrocito y así se transforma en oxihemoglobina. ( La desoxihemoglobina de la sangre venosa, acepta directamente el oxígeno desde los alvéolos pulmonares y así se transforma en oxihemoglobina. 61 En el efecto Haldane ¿cuál de los siguientes procesos tiene lugar? $ La presencia de niveles elevados de CO2 y de H en los capilares favorecen la liberación de la oxihemoglobina. % La elevada concentración de oxígeno en los capilares pulmonares libera los H y el CO2 de la hemoglobina. & Concentraciones elevadas de CO2 en los capilares son amortiguados a través de su hidratación a ácido carbónico. ' Concentraciones aumentadas de HCO3 en sangre se intercambian por iones cloruro. ( Aumento en el pH del eritrocito es amortiguado a través de su combinación con iones HCO3. 62 En un tejido de metabolismo rápido, como el músculo en contracción, la presencia de niveles elevados de CO2 y H+ favorecen: $ La liberación del bicarbonato del eritrocito. % La formación de oxihemoglobina. & La liberación del oxígeno de la hemoglobina. ' El aumento del pH en el eritrocito. ( El intercambio de H por iones cloruro. 63 ¿Cuántos moles de H + pueden ser eliminados por la hemoglobina a pH de 7,4 como consecuencia de la liberación de un mol de O 2? $ 1 mol.
% 0,9 moles.
' 0,6 moles.
( 0,5 moles.
& 0,8 moles.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
47
64 Estudiando la curva de disociación de la hemoglobina a diferentes valores de pH, establecer para 100 mmoles de sangre arterial (pH 7,3) qué concentración de hemoglobina reducida (Hb –) existe. $ 1 mol.
% 1 mmol.
' 0,6 mmoles.
( 0,5 mmoles.
& 0,8 moles.
RESPUESTAS RAZONADAS 1 ' El enlace se forma entre un electrón del oxígeno y el electrón 1s del hidrógeno. El oxígeno emplea orbitales híbridos sp3, dos de los cuales están ocupados por un electrón y en otro queda el otro par de electrones sin compartir. 2 ' El ángulo de enlace es de 104,5 o próximo al de un tetraedro, ligeramente cerrado por la repulsión electrostática de los electrones implicados en los enlaces y el par sin compartir del oxígeno, lo que le confiere a la molécula de agua características especiales. 3 ' El agua es un dipolo y por tanto presenta momento dipolar, como consecuencia de ello existe una densidad de carga negativa sobre el oxígeno y una positiva sobre el hidrógeno. El oxígeno atrae con mayor fuerza a los electrones del enlace que el hidrógeno, por tanto es más electronegativo que el hidrógeno. 4 % El ángulo de enlace es el responsable de la asimetría en las cargas eléctricas de la molécula, si el agua fuera lineal no presentaría polaridad. 5 ( Para poder formar un enlace de hidrógeno se requiere que el átomo de hidrógeno que está covalentemente unido a un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor, y por tanto se halla muy polarizado, se encuentre a 0,27-0,3 nm de otro átomo electronegativo. 6 & La desoxihemoglobina es una mezcla de H desoxihemoglobina (HHb) ácido conjugado y desoxihemoglobina (Hb) base conjugada o sal. Se producen los siguientes equilibrios en función de los pKa.
48
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
HHbO2 (ácido)
HHb (ácido) Hb
pKa
HbO2
7,9
pKa
6,7
Hb2 (sal)
Hb (sal)
7 ' El enlace de hidrógeno tiene lugar entre elementos muy electronegativos (O, N, F, ...) y el hidrógeno. El hidrógeno al perder prácticamente su electrón presenta una densidad de carga positiva y atrae al elemento electronegativo de una molécula vecina. Las moléculas, a través de enlaces de hidrógeno, se asocian en agrupaciones mayores. Ejemplo: la molécula de fluoruro de hidrógeno se puede representar de la siguiente forma: G G H H F H F F F 8 % Los enlaces de hidrógeno junto con el carácter polar de la molécula de agua permiten que se produzcan las interacciones necesarias para solubilizar alcoholes, aminas y aminoácidos. 9
' El ácido fosfórico H3PO4 puede sufrir tres disociaciones: a) H3PO4
H2PO4 H
pK1
2,1
b) H2PO
2 4
pK2
7,2
pK2
12,7
c) HPO
4
2 4
HPO H PO
3 4
H
En condiciones fisiológicas solo interesa el segundo equilibrio (b), que es el que tiene el valor del pK más próximo al pH fisiológico. 10 % El hielo es una estructura en forma de malla tetraédrica. Se produce la formación de un cristal mantenido por enlaces de hidrógeno en la que cada molécula de agua se encuentra unida a otras cuatro. 11 $ La definición de ácido y base de Brönsted y Lowry es protónica. Un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones y una base es aquella sustancia capaz de aceptar protones. Es una teoría conjugada, no tiene sentido hablar de ácido o base considerados independientemente, pues para ceder el ácido un protón debe estar presente una base y viceversa. 12 & El agua en estado líquido presenta agrupaciones más o menos compactas variables en el tiempo y denominadas mosaicos. El agua sólida tiene una estructura tetraédrica formada por agrupaciones hexagonales con gran
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
49
cantidad de huecos entre cada hexágono, por lo que la densidad de las moléculas es menor. 13 % La acción amortiguadora de las proteínas fisiológicas, se debe a su composición en aminoácidos. Las proteínas son polielectrólitos anfóteros debido a que contienen los grupos amino y carboxilo. Sin embargo, varios de los aminoácidos contienen grupos ionizables que no intervienen en la formación del enlace peptídico. Tal es el caso de la lisina, arginina, histidina, ácido glutámico, aspártico, aportan grupos ácidos y básicos a las moléculas proteicas distintos a los que forman el enlace peptídico. Las proteínas actúan como amortiguadores a uno y otro lado del pH isoeléctrico. 14 ( La respuesta b es correcta, por la respuesta de la pregunta 8 y la d es correcta ya que al existir iones en el medio la temperatura necesaria disminuye por debajo de 0 ºC. 15 ' Una disolución básica es aquella que: [H] [OH] ;
[H ] 107 M
En función del concepto de pH una disolución básica es aquella que: pH ! 7
o
pOH 7
16 & El calor latente de fusión del agua es muy elevado de forma que se evita la congelación y descongelación brusca que podría impedir la vida. 17 ' Ácidos y bases débiles son los que tienen moléculas sin disociar en disolución acuosa. Existe un equilibrio químico entre las moléculas no disociadas y sus iones. Este equilibrio viene dado por dos magnitudes: grado de disociación y constante de ionización. Ejemplo: ácido acético CH3COOH H2O
CH3COO H3O
18 ' El agua alcanza su máxima densidad a 4 ºC. Este hecho basado en la diferencia existente entre las estructuras del hielo y del agua líquida, permite que el hielo flote en el agua. Gracias a esta propiedad existe vida marina en los casquetes polares del planeta, ya que el hielo flotante actúa como un aislante impidiendo que el resto de la masa líquida se congele. 19 & El calor específico del agua informa sobre la cantidad de energía necesaria para variar la temperatura de una determinada masa de agua. Al ser muy elevado se necesitará mucho calor del medio para cambiar la temperatu-
50
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
ra. Ese calor se va ganando y se va perdiendo a lo largo de gran espacio de tiempo, lo que hace que la temperatura ambiente se modifique poco. 20 ( Los compuestos que interaccionan con los dipolos del agua son más solubles que los que no lo hacen, de forma que los compuestos ionizados y polares tienden a ser solubles, mientras que los compuestos apolares prefieren interaccionar entre sí más que con disolventes polares. 21 ( Una sal es una estructura iónica mantenida por fuerzas electrostáticas. Cuando se introduce en agua la suma de las fuerzas entre el disolvente y los iones positivos y negativos son mayores que las que mantienen unidas a dichos iones en el cristal, por lo que el cristal se disuelve y los iones se rodean de una esfera de dipolos orientados con el signo contrario conocida como esfera de solvatación. 22 & Los ácidos grasos son moléculas anfipáticas es decir tienen una parte polar constituida por el grupo ácido y otra parte apolar que sería el resto de la cadena hidrocarbonada, de forma que la parte polar interacciona con el agua protegiendo al resto de la cadena apolar. 23 % El agua es una sustancia covalente, aunque polar. El no tener cargas netas (iones) conlleva que su conductividad eléctrica sea muy baja. Esta conductividad aumenta mucho cuando se hallan en la disolución sales que generan iones, (por ejemplo, carbonatos, sulfatos, sodio, potasio, etc.) propios del agua mineral, que se eliminan en parte en el agua destilada. 24 $ Es una sustancia anfótera ya que puede actuar tanto como ácido o como una base. 25 ' En el agua pura a 25 ºC la concentración de agua es constante y tiene un valor aproximado de 55,5 M, ya que la densidad del agua es 1.000 g/l, la masa molecular del agua es 18 g/mol y para un litro se obtiene dicha molaridad, la concentración de protones y de hidroxilos es la misma e igual a 107 M. 26 ' Dado que la constante de equilibrio a 25 ºC es 1,8 · 1016 y la concentración de agua que es constante, tiene un valor de 55,5 M, el producto iónico es igual a 1014 a esa temperatura, ya que Kw Keq [H2O]. 27 ( Como el pH log [H] y el pOH log [OH] y el Kw 1014 [H] [OH], si conocemos el pH de una disolución podemos conocer la concentración de grupos hidroxilo de la misma.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
51
28 & Una disolución es ácida cuando [H ] ! [OH], es decir [H ] ! 107 M o lógicamente cuando el pH 7 o el pOH ! 7. 29 ' A pH 6,5, la [H ] 10 6,5 3,16 · 10 7 y a pH 7 la [H ] 10 7, por tanto la relación entre ambas es de 3,16, es decir aproximadamente del triple. 30 ( Todas son falsas ya que en general las diferencias en el pH no mantienen una relación lineal con respecto a la concentración de protones. 31 & Si la relación es de 10.000 tenemos que: [H ]1 10.000 [H]2 y por tanto: pH1 4 pH2, y como pH 14 pOH, la relación entre el pOH de ambas disoluciones será: pOH 1 4 pOH2. 32 & Ya que en los ácidos débiles no se disocian completamente en agua. 33 $ El valor de pKa está relacionado con el pH por la ecuación de Henderson-Hasselbach: [base] pH pKa log [ácido] y para determinar el pKa como el pH se tiene que cumplir: [base]
[ácido] ;
log 1
0
34 $ Cada par conjugado ácido-base posee un pH característico en el que la capacidad de tamponamiento es máxima cuando la concentración del ácido y de la base (sal) son iguales. Según la ecuación de Henderson queda: pH al ser [sal]
[ácido]:
pK log pH
35 &
pH
[sal] [ácido]
pK
pKa log
[HCO3] D (ppCO2)
El equilibrio entre el CO 2 (g) y el CO 2 (d) viene dado por la ley de Henry (la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas). [CO2]d D
3,01 · 10
2
D (ppCO2)
a la pp normal alveolar de 40 mm de Hg
52
36 ( Como y como el pKa
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
[base] [ácido]
1 ; 3
log
1 2
0,48
4,10, el pH es de 3,62.
37 % Las soluciones reguladoras o tampones, contienen siempre un ácido o base débil y un exceso de una de sus sales de base fuerte o ácido fuerte respectivamente. El ácido clorhídrico y el hidróxido sódico son fuertes, por ello no forman una solución reguladora, la reacción entre ambas es una neutralización, produciendo una sal más agua. 38 '
por tanto
pH pKa
0,1 [ácido]
log
[base] ; [ácido]
1
[base] [ácido]
101
[base]
y
log
[base] ; [ácido]
0,1 [ácido]
10 [base]
39 ( Si un ácido está neutralizado en 91% será porque la [base] 91 y la [ácido] 9 y por tanto si el pH es 4,86 a partir de la ecuación de HendersonHasselbach el pKa 3,86. 40 ( El jugo gástrico ya que tiene un pH comprendido entre 1,5-3 debido a que es una secreción muy rica en ácido clorhídrico. 41 % El pH de la orina está comprendido entre 5-8, es decir, presenta tanto protones como hidroxilos. 42 % Si el pH 7,4 y como a este pH el pK más cercano del ácido fosfórico es 7,21 el equilibrio predominante será el que constituyen las especies H2PO4 y HPO42. 43 $ A partir de valores de pH de 7,35 el individuo tiene desequilibrios ácido-base y el estado que se alcanza se denomina acidosis. 44 % Esto es debido a que el pH sanguíneo se mantiene gracias al equilibrio existente entre la concentración de dióxido de carbono de la respiración y del bicarbonato en sangre. 45 & Conociendo que la reserva alcalina corresponde al CO 2 total esto es a la suma de [CO2]d [HCO3] y aplicando la ecuación de Henderson-Hasselbach para un pH fisiológico de 7,4, se obtiene un pH de 7,22.
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
53
46 & El pH obtenido después de aplicar la ecuación de Henderson-Hasselbach corresponde a un pH de 7,4 lo que está de acuerdo con los datos medidos que corresponden a un equilibrio ácido-básico normal. 47 % Toda situación ácido-base en la que disminuye la concentración de [CO2]d, como consecuencia de la baja presión parcial de CO 2, conduce a una alcalosis respiratoria. 48 ' Un exceso primario de bicarbonato, como corresponde a la concentración de 35 meq/l conduce a una alcalosis metabólica, ya que el bicarbonato plasmático procede de la hidratación del CO 2 producido en el metabolismo celular. 49 $ Concentraciones aumentadas de [CO2]d como es la de 2 meq/l, conllevan a una acidosis respiratoria, ya que este aumento se debe a ventilación inadecuada y puede ser aguda o crónica. En cualquier caso, la hipoventilación conduce a retención de CO2, incremento ppCO2 de sanguínea y de H2CO3 y por tanto reducción del pH. 50 ( La acidosis metabólica se considera una deficiencia primaria de bicarbonato, que ocasiona una disminución en la relación [Base ]/[Ácido] de la ecuación de Henderson-Hasselbach y por tanto que el pH descienda. Consecuentemente los quimiorreceptores de la médula son estimulados para aumentar la ventilación. La segunda característica del sistema de compensación respiratorio de las acidosis metabólicas es que la respuesta ventilatoria es proporcional a la intensidad de la acidosis metabólica. En las situaciones en las que se produce una acidosis metabólica por ácidos que se eliminen por el riñón, otro mecanismo de compensación consiste en un incremento de la excreción renal de hidrogeniones. Los riñones tienen tres mecanismos para regular el equilibrio ácido-básico: 1) excretan el exceso de ácido intercambiando sodio por hidrógeno, 2) reabsorben el bicarbonato y 3) producción de amoniaco y excreción de iones NH 4. 51 & La presencia de acidosis metabólica con descenso de la concentración plasmática de HCO3 determina que cuando el riñón está indemne se reabsorba todo el HCO 3 en la porción proximal de la nefrona, y que el túbulo distal funcione al máximo regenerando todo el HCO 3 gastado en los procesos metabólicos y excretando una gran cantidad de hidrogeniones. Esto se manifiesta por una orina muy ácida con un pH que oscila entre 4,5 y 5,5.
54
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
52 ' Se considera que la alcalosis metabólica se produce por un exceso de bicarbonato; esto hace que en la expresión de Henderson-Hasselbach la relación de bicarbonato con respecto al ácido carbónico aumente y por tanto que el pH sea más alto. En la alcalosis metabólica el riñón compensa el exceso de bicarbonato aumentando su excreción y los pulmones retienen el dióxido de carbono, enlenteciendo la respiración alveolar. 53 % La hiperventilación, que conduce a alcalosis respiratoria, trae como consecuencia una disminución de la ppCO 2 en los alvéolos pulmonares, lo que según la ley de Ley de Henry (la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas), conduce a una disminución de la [CO 2] d [CO2]d D (ppCO2) 54 ( El aumento en el pH sanguíneo puede deberse tanto al aumento en la [HCO3] como a una disminución de la [CO2]d ó de la ppCO2 lo que inicia una serie de mecanismos compensatorios que incluye la depresión del centro respiratorio para así aumentar la ppCO2, una retención de CO2 (hipercapnia), la disminución del intercambio Na - H con lo que los H no eliminados gastarán HCO3, que hará descender su concentración y por último la disminución de la formación de iones NH 4 en el riñón con esta misma finalidad. 55 ( La disminución del pH sanguíneo que puede tener su origen tanto en la disminución de la HCO3, como en el aumento del [CO2](d) se compensa mediante hiperventilación que aumenta el CO 2 expirado y como consecuencia disminuye la ppCO2 y la [CO2](d) y con un aumento en la formación de iones NH4 en el riñón que así permite eliminar por esta vía el exceso de H. 56 $ La adición de un ácido a la sangre es siempre neutralizado por los iones HCO3 que de esta forma y tras combinarse con los hidrogeniones del ácido rinde ácido carbónico, el cual se deshidrata a CO 2 más agua. Según esto, se produce un aumento en la concentración de CO2 en sangre que estimula el centro respiratorio produciéndose la hiperventilación necesaria para disminuir la ppCO2 también aumentada. 57 ( La hemoglobina juega un importante papel como tampón de la sangre. Es el amortiguador de la sangre que mayor importancia fisiológica tiene por su capacidad cuantitativa en el transporte y neutralización de los hidrogeniones, lo que consigue principalmente por el equilibrio entre las cuatro formas que existen en la sangre: la “oxihemoglobina” que corresponde a una mezcla de oxihemoglobina reducida, (HHbO2) (ácido conjugado) y oxihemog-
AGUA Y TAMPONES FISIOLÓGICOS
55
lobina (HbO2) (base conjugada ó sal) y la “desoxihemoglobina” es también una mezcla de desoxihemoglobina reducida (HHb), (ácido conjugado) y desoxihemoglobina (Hb) (base conjugada ó sal). Cuando aumenta la concentración de H, normalmente como consecuencia de los procesos metabólicos, la desoxihemoglobina (Hb) una base más fuerte que la HbO2, se combina con ellos con lo que éstos H son eliminados en forma de HHb. Pero además hay que destacar que también la HbO2 puede captar los H que en la sangre se producen desde el CO2 gaseoso que pasa a ella procedente del metabolismo de los tejidos. Éste, en los eritrocitos y a expensas de un enzima, la anhidrasa carbónica, rinde H2CO3, el cual se disocia, como ya sabemos, en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían descender el pH, de no ser rápidamente captado por la HbO2 que así se reduce. Conforme el bicarbonato de los eritrocitos se eleva más que el plasmático, sale bicarbonato de la célula y se intercambia por cloruros (desplazamiento de cloruros). 58 & Estableciendo la ecuación de Henderson-Hasselbach para las dos formas de la oxihemoglobina (pK 6,7) y sabiendo que esta forma oxigenada de la hemoglobina (tanto la sal como el ácido) en sangre arterial está en un porcentaje de un 95%, resulta una [HbO 2] de 76 mmoles por cada 100 mmoles de sangre arterial. 59 %
HbO2 H
(80 40) (56)
pH
6,7 log
56 ; 44
HHbO2
24
pH pH
(20 24) (44)
6,7 log 1,3 ;
pH
6,7 01
6,8
60 $ En los capilares pulmonares, en presencia de una pO2 alta la desoxihemoglobina de la sangre venosa se une a una molécula de oxígeno; ello supone el desprendimiento de un protón desplazándose el equilibrio hacia la formación de la oxihemoglobina salina. La hemoglobina oxigenada HbO2 así formada en los pulmones (base conjugada a pH 7,4), se transporta a los tejidos, donde la baja presión parcial de O 2 provoca que se desplace el equilibrio hacia la formación nuevamente de desoxihemoglobina. 61 % El efecto Haldane, llamado así por John S. Haldane en 1914, tiene lugar en los capilares de los alvéolos pulmonares y explica que la elevada concentración de O2 que en ellos existe permite que se liberen los H y el CO2 de la hemoglobina de la sangre venosa.
56
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
62 & La presencia de niveles elevados de H y el CO2 en los tejidos metabólicamente activos es lo que se conoce como efecto Bohr y alude a que en estas condiciones en estos tejidos se favorece la liberación de O 2 de la oxihemoglobina. 63 ' Como los H los capta la forma salina de la desoxihemoglobina (HbO2), lo que trae como consecuencia la liberación de un mol de oxígeno, es necesario calcular en primer lugar la concentración de esta forma de la hemoglobina mediante la ecuación de Henderson-Hasselbach al pK de 6,7 para una mol de oxihemoglobina tanto en la forma ácida (HHbO 2) como en la de sal (HbO2). Resultan así 0,833 moles de HbO2 y 0,166 moles de HHbO2, con lo que podemos pues escribir. Se hace necesario hacer el mismo cálculo para la desoxihemoglobina a su correspondiente pK 7,9, ya que es la oxihemoglobina reducida la que al captar protones rinde desoxihemoglobina reducida, resultando una [HHb] de 0,759 moles. KO 1 HHbO2 HHB O2 HbO2 H 2
(0,833 x)
x
(0,166 x)
(0,759)
de donde: 0,166 x 0,759 ; x 0,759 0,166 ; x 0,593 moles de H Luego 0,593 moles de H son captados por la oxihemoglobina al desprender 1 mol de O2 a pH 7,4. 64 % La curva de disociación de la hemoglobina a diferentes valores de pH nos explica que cuando el valor del pH sanguíneo es de 7,3, un 20% se encuentra como hemoglobina reducida. Considerando que a este pH la ecuación de Henderson-Hasselbach para esta forma de la hemoglobina (pK 7,9) establece una relación de 1 a 4 entre la forma salina y la ácida respectivamente, es por lo que la concentración de Hb es de 1 mmol.
Bloque temático 2
Proteínas DEFINICIÓN, CONCEPTO Y SIGNIFICACIÓN BIOLÓGICA Las proteínas son sustancias orgánicas nitrogenadas complejas que se hallan en las células animales y vegetales. Son polímeros lineales en los que las unidades monoméricas son los aminoácidos, que se pliegan en una notable diversidad de formas tridimensionales, que les proporcionan una correspondiente variedad de funciones. Actúan como componentes estructurales de mensajeros y de receptores de mensajeros. Algunas proteínas se unen al DNA y regulan la expresión de los genes; otras participan en la replicación, la transcripción y la traducción de la información genética; otras están relacionadas con el sistema inmunitario (inmunoglobulinas); con la contracción muscular (actina y miosina); con el transporte de oxígeno y la respiración celular (hemoglobina y citocromos). Quizás las proteínas más importantes sean los enzimas, catalizadores que determinan el ritmo y el rumbo de toda la bioquímica. Las proteínas son componentes esenciales de todas las células vivas. Su misión en el organismo es de dos tipos: Una de tipo estructural, formando parte del propio organismo y otra de tipo funcional.
CARACTERÍSTICAS GENERALES (OSHVRPROHFXODUGHODVSURWHtQDVYDUtDHQWUH\YDULRVPLOORQHV &RQVWDQGHDPLQRiFLGRVXQLGRVSRUHQODFHVSHSWtGLFRV (Q ODV SURWHtQDV JOREXODUHV VROXEOHV ODV FDGHQDV SHSWtGLFDV HVWiQ SOHJDdas formando estructuras complejas. &RPRVXFRQIRUPDFLyQVHPDQWLHQHSRUIXHU]DVGpELOHVHVIiFLOPHQWHDOterada por un ligero cambio de pH, temperatura o disolventes. 6RQPX\UHDFWLYDVSRUTXHWLHQHQPXFKDVFDGHQDVODWHUDOHVFRQUHVWRVGH aminoácidos con grupos aniónicos o catiónicos.
58
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
/D KLGUyOLVLV SDUFLDO GH XQD SURWHtQD UHDOL]DGD SRU PHGLR GH iFLGRV bases o enzimas conduce a la obtención de moléculas más pequeñas. Si se efectúa la hidrólisis total se obtienen los aminoácidos que la componen.
AMINOÁCIDOS: SUS CLASES Y PROPIEDADES GENERALES Las proteínas están constituidas por la concatenación de unas sustancias químicas denominadas aminoácidos. Son éstos la unidad estructural de las proteínas. Por hidrólisis de proteínas se han identificado 20 aminoácidos distintos. Un aminoácido, de ahí su nombre, posee dos grupos funcionales característicos: un grupo amino NH2 y un grupo carboxílico COOH. Hay aminoácidos con un solo grupo amino y un solo grupo carboxílico, denominándose entonces monoamino-monocarboxílicos. Hay otros, sin embargo, que poseen más de un grupo amino o más de un grupo carboxílico. Un aminoácido con un grupo amino y dos grupos carboxílicos, por ejemplo, recibiría el nombre de monoamino-dicarboxílico. En general, todos los aminoácidos de un hidrolizado de proteína son del tipo alfa, que corresponde a la siguiente fórmula general: NH2 R
C
COOH
H donde R representa el esqueleto carbonado característico del aminoácido en cuestión y que es el que le distingue de los demás. Al carbono poseedor de los grupos amino y carboxilo se le denota como carbono alfa (CD) y a los siguientes carbonos de R se les nombra con las letras sucesivas del alfabeto griego, es decir: CE, CJ, CG, CN, etc. Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen unos que pueden ser sintetizados por las células del organismo humano a partir de materiales sencillo que contengan C, O, H y N, pero otros tienen que adquirirse necesariamente con la dieta. Estos últimos se denominan “aminoácidos esenciales” para la especie humana, y son: valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, fenilalinina, triptófano, lisina e histidina. La histidina para el ser humano se clasifica como aminoácido esencial aunque sólo para los lactantes.
PROTEÍNAS
59
Clasificación de aminoácidos Se pueden clasificar atendiendo a su carácter ácido o básico. Así podrían ser: 1HXWURV $OLIiWLFRVDURPiWLFRVD]XIUDGRVVHFXQGDULRV ÉFLGRV %iVLFRV No obstante, tiene más interés y significación el método de clasificación basado en la polaridad de sus grupos R, cuando se hallan en disolución acuosa, a pH próximo a 7,0:
Aminoácidos con grupos R no polares Estos grupos R son de naturaleza hidrocarbonatada y poseen carácter hidrófobo. Alanina (ALA) (A)
CH3
CH
COOH
NH2 Valina (VAL) (V)
Leucina (LEU) (L)
CH3 CH3
CH3 CH3
CH
Ácido amino propiónico CH NH2
CH
CH2
COOH Ácido D-amino isovaleriánico CH
COOH
NH 2 Ácido D-amino isocaproico NH 2
Isoleucina (ILEU) (I)
CH3
CH2
CH
CH
COOH
CH 3 Ácido D-amino, E-metil valeriánico H Prolina (PRO) (P)
H 2C H 2C
Fenilalanina (PHE) (F)
C
COOH NH CH2
Ácido pirrolidín 2-carboxílico
CH2
CH
COOH
NH2 Ácido D-amino, E-fenil propiónico
60
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
C Triptófano (TRP) (W)
CH2 CH
N
CH
COOH
NH2
H Ácido D-amino, E-4-indol propiónico Metionina (MET) (W)
CH3
S
CH2
CH2
CH
COOH
NH 2 Ácido D-amino, J-metilo n-butírico
Aminoácidos con grupos R polares sin carga Sus grupos R son más solubles en agua porque sus grupos funcionales establecen enlaces de hidrógeno con ella. CH
Glicina o glicocola (GLY) (G)
H
Serina (SER) (S)
HO
COOH
NH2 CH2
Ácido amino acético CH
COOH
NH2 Ácido D-amino, E-hidroxipropiónico OH Treonina (THR) (T)
CH3
CH
CH
COOH
NH2 Ácido D-amino, E-hidroxi-n-butírico
Tirosina (TYR) (Y)
OH
CH2
CH
COOH
NH2 Ácido D-amino, E-hidroxi-fenil propiónico Asparagina (ASN) (N)
H 2N O
C
CH2
CH
COOH
NH2 J-amida del ácido D-amino succínico
PROTEÍNAS
Glutamina (GLN) (Q)
Cisteína (CYS) (C)
61
O H 2N
SH
C
CH2
CH2
CH
COOH
NH2 G-amida del ácido D-amino glutárico CH2
CH
COOH
NH2 Ácido D-amino, E-mercapto propiónico La cisteína tiene la particularidad de poder encontrarse en las proteínas en forma de: NH2 Cistina
S
CH2
CH
COOH
S
CH2
CH
COOH
NH2
Aminoácidos con grupos R cargados negativamente Son los aminoácidos ácidos, ya que sus grupos R poseen una carga negativa neta a pH 7,0.
Ácido aspártico (ASP) (D)
Ácido glutamímico (GLU) (E)
OH H
OH H
C
CH2
CH NH2
C
CH2
CH2
COOH Ácido D-amino succínico
CH
COOH
NH2 Ácido D-amino glutárico
Aminoácidos con grupos R cargados positivamente Son los aminoácidos básicos, en los que los grupos R poseen una carga positiva neta a pH 7,0.
62
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
H 2N
Lisina (LYS) (K)
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
COOH
NH 2 Ácido D-amino H-amino caproico H 2N
Arginina (ARG) (R)
C
NH
CH2
CH2
CH2
CH
COOH
NH NH2 Ácido D-amino G-guanidín n-valeriánico HC
Histidina (HIS) (H)
C
CH2
NH
N C H
CH
COOH
NH2
Ácido D-amino, E-imidazol propiónico
Todos los aminoácidos, a pH 7,0, tienen sus grupos amino y carboxilo de las cadenas laterales ionizados, exceptuando la histidina en la que el grupo imidazol se ioniza a partir de pH 6,0. Los grupos D-amino y D-carboxílico también resultan ionizados a pH 7.
Propiedades generales de los aminoácidos Isomería de los aminoácidos Todos los aminoácidos, a excepción de a glicocola o glicina, poseen átomos de carbono asimétricos. Por lo tanto, presentan actividad óptica. Algunos aminoácidos aislados a partir de las proteínas son dextrorrotatorios (Ala, Ileu, Glu, etc.), mientras que otros son levorrotatorios (Trp, Leu, Phe). También los aminoácidos presentan el fenómeno de la esteroisomería. Para su estudio, hay que basarse en la estructura de los dos isómeros posibles del gliceraldehído, designados convencionalmente por L y D. C H
C
O H OH
CH2OH D-gliceraldehído
C OH
C
O H H
CH2OH L-gliceraldehído
PROTEÍNAS
63
En virtud a esta referencia, los dos isómeros posibles de la alanina se nombrarían: COOH H
C
COOH
NH2
H 2N
CH3 D-alanina
C
H
CH3 L-alanina
Así, el grupo carboxilo del átomo de carbono asimétrico de la alanina, o de cualquier otro aminoácido, puede relacionarse estéricamente con el grupo aldehído del átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído; el grupo amino sustituyente del aminoácido, con el grupo hidroxilo del gliceraldehído, y el grupo R del aminoácido con el grupo CH2OH del gliceraldehído. De esta manera los estereoisómeros de todos los aminoácidos que aparecen en la naturaleza pueden relacionarse estructuralmente con los dos estereoisómeros del gliceraldehído, designándose por L o por D, según se relacionen con el L-gliceraldehído o con el D-gliceraldehído, respectivamente. Esta nomenclatura es independiente de la dirección de rotación del plano de la luz polarizada que muestren los isómeros. Los símbolos L y D se refieren así a la configuración absoluta y no a la dirección de rotación. Todos los aminoácidos que se han hallado en las proteínas pertenecen a la serie L. Excepcionalmente se han encontrado algunos de la serie D en determinadas estructuras celulares, hormonas, etc. Cuando una aminoácido se obtiene en el laboratorio mediante simples reacciones químicas, se consigue generalmente una forma ópticamente inactiva, denominada “mezcla racémica” o “racémico”, que esta constituida por una mezcla equimolecular de isómeros D y L, simbolizada por DL. Aquellos aminoácidos que posean dos átomos de carbono asimétricos presentan cuatro estereoisómeros. En el caso de la treonina se conocen los cuatro. La forma aislada de los hidrolizados de proteínas se designa como L y su imagen especular como D. Aparte, existen otras dos formas llamadas diasteroisómeros o formas alo. Los diasteroisómeros no son entre sí imágenes especulares uno de los otros, por ejemplo la L-treonina con la L-alo-treonina o con la D-alo-treonina. COOH H 2N
C
H
H
C
OH
CH3 L-treonina
COOH
COOH
COOH
H 2N
C
H
H
C
NH3
H
C
NH2
OH
C
H
OH
C
H
H
C
OH
CH3 L-alo-treonina
CH3 D-treonina
CH3 D-alo-treonina
64
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Siempre que un aminoácido tenga más de un átomo de carbono asimétrico, se toma la posición del carbono alfa como base para asignarle la configuración. La cistina, dos moléculas de cisteína unidas por un puente de sulfuro, puede adoptar una forma en que los pares de átomos de carbono asimétricos sean la imagen en el espejo uno del otro. Cuando eso ocurre, el isómero se halla compensado internamente y se denomina forma meso.
H 2N
COOH
COOH
C
C
C
H H 2N
H
H
S S CH2 L-cistina COOH H 2N
C
COOH
COOH
C
H 2N H
C
C
S S CH2 D-cistina
NH2
COOH
H
H
C
NH2
CH2 S S CH2 Meso-cistina
Propiedades ácido-base de los aminoácidos Un aminoácido simple (con grupo R no polar), a pH neutro, es una molécula eléctricamente neutra. Esta neutralidad no se debe a que no tenga cargas sino a que su grupo carboxilo está cargado negativamente y el grupo amino positivamente, confiriendo al aminoácido una carga global nula: H R
C
COO
NH3 Este tipo de iones dipolares se llama “zwiteriones”. Por su estructura de “zwiterión”, los aminoácidos pueden actuar como ácidos débiles o como bases débiles. Se dice de la sustancia con ese comportamiento que tienen propiedades anfóteras. El grupo carboxílico puede liberar un protón, actuando como ácido: H R
C
H COOH
NH2
R H
C
COO
NH2
El grupo amino puede captar un protón, actuando como una base:
PROTEÍNAS
65
H R
H
H
C
COOH
R
C
NH2
COOH
NH3
Un aminoácido puede, en solución, presentarse de las siguientes formas: H R
C
H COO
R
NH2 forma aniónica (Aa –)
C
H COOH
R
NH3 forma catiónica ( +Aa)
C
COO
NH3 forma dipolar o zwiterión ( +Aa –)
A pH bajo, el aminoácido existe en su forma catiónica y al ir aumentando éste, el aminoácido toma sucesivamente las formas dipolar y aniónica:
Aa
1
2
Aa
Aa
Las constantes de equilibrio de estas dos reacciones son, respectivamente:
K1
Aa
K1 =
Aa H [Aa][H] [catión]
K2
Aa
K2 =
Aa H
[anión][H] [Aa]
Se define como punto isoeléctrico de un aminoácido a aquel valor de pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica, es decir, que el aminoácido no tiene una carga neta. En las circunstancias del punto isoeléctico se verifica: [anión] plicando K1 por K2: [Aa][anión][H]2 [H]2 K1 · K2 [catión][Aa] Tomando logaritmos:
log K1 log K2
2 log [H]
y cambiando de signo: (log K1) (log K2) De donde se deduce:
pK1 pK2 pI =
2 (log [H]) 2pI
1 (pK1 pK2) 2
[catión]. Multi-
66
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Estudiemos, como aplicación, el caso de la Alanina: se trata de un D-aminoácido sencillo, monoamino y monocarboxílico, que puede ceder dos protones durante su valoración completa con una base. A continuación representamos la curva de valoración bifásica de la Alanina. En ella se comprueba cómo los valores de los pKc de las dos etapas de disociación se encuentran lo suficientemente separados para mostrar dos ramas bien distintas. Los valores aparentes de pKc para las dos etapas de disociación pueden extrapolarse a partir de los puntos medios de cada etapa. Son: pKc1 2,34 y pKc2 9,69 (figura 2.1). 14 NH3 R
pH
CH
COO pKc2
6,2
R
R
NH3 CH
9,69
pI
COO
NH3 CH
COOH pKc1
1
2,34
0,5
1
1,5
Eq. de OH
FIGURA 2.1.
Cuando el valor de pH es 2,34, punto medio de la primera etapa, se hallan presentes concentraciones equimolares del dador de protones y del aceptor: (R
CH
COOH)
(R
NH3 Dador
CH
COO)
NH3 Aceptor
A pH 9,69, están presentes concentraciones equimolares de: (R
CH
NH3
COO)
y de
(R
CH NH2
COO)
PROTEÍNAS
67
Cada una de las dos ramas de la curva bifásica puede expresarse matemáticamente, con una buena aproximación, mediante la ecuación de HendersonHasselbalch; esto significa que podemos calcular las relaciones de las especies iónicas a cualquier pH, si se conocen los valores de pKc. Cuando el pH es 6,02, existe un punto de inflexión entre las dos ramas separadas de la curva de valoración de la Alanina. Para este valor de pH la molécula no posee carga eléctrica efectiva, y no se desplazará en un campo eléctrico. Corresponde, pues, tal valor al llamado “punto isoeléctrico”, cuyas característica fueros expuestas con anterioridad.
Aminoácidos no proteicos Además de los aminoácidos citados anteriormente, presentes con mayor o menor frecuencia en las proteínas humanas, se conocen cerca de 150 aminoácidos encontrados en diferentes células en forma libre o combinada. Así es posible encontrar E-, J- y G-aminoácidos, nunca presentes en las proteínas naturales. Otros aminoácidos poseen configuración D, en lugar de la forma L habitual, ejemplo: el ácido D-Glutámico, de la pared celular bacteriana. Citaremos algunos aminoácidos no proteicos de interés especial: a) E-Alanina. Precursor del ácido Pantoténico. El ácido Pantoténico es una vitamina indispensable para el crecimiento de los animales superiores: NH2 CH2
CH2
COOH
En forma de Panteteína (un derivado del ácido Pantoténico) la E-Alanina se incorpora a la estructura del Coenzima A. Se encuentra igualmente este aminoácido no proteico en los seres superiores como producto degradativo de las bases pirimidínicas. b) Citrulina. Intermediario en la síntesis de Arginina y en el ciclo de la Urea, proceso hepático encaminado a eliminar NH 3 (resultado de la degradación de las proteínas) en forma de Urea. O H 2N
C
NH
CH2
CH2
Citrulina
CH2
CH NH 2
COOH
68
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
c) Ornitina. Idéntica función a la anterior: NH 2 H 2N
CH2
CH2 CH2 CH Ornitina
COOH
d) Ácido J-amino butírico (GABA). Agente químico para la transmisión del impulso nervioso. Se encuentra en el cerebro: NH2 CH2
CH2 CH2 COOH J-amino butírico
e) Azaserina. Sustancia con ligera actividad antitumoral (antibiótico derivado de especias de Streptomyces): C 5O 4H 8N 3 NH 2 N
N
CH2 CO O CH2 CH COOH [O - (2) diazo acetilserina]
f) Ácido E-amino-isobutírico. Producto final del metabolismo de las Pirimidínicas. Se encuentra en la orina de pacientes con una enfermedad metabólica hereditaria. H 2N
CH2
CH
COOH
CH2 E-amino-isobutírico g) Taurina. Se conjuga con los ácidos biliares en el hígado. Procede de una descarboxilación y oxidación de la cisteína: CH2
CH2
SO3H
NH2 Taurina
Reacciones químicas características de los aminoácidos Las propiedades químicas de los aminoácidos van asociadas a sus grupos funcionales de manera que existen unas reacciones específicas del grupo carboxilo, otras del grupo amino y otras del grupo R de cada aminoácido. También hay aminoácidos que tienen reacciones específicas propias.
PROTEÍNAS
69
Propiedades del grupo carboxilo 1. Formación de ésteres: Se produce si previamente se ha bloqueado el grupo amino, consiguiendo un ácido: NH3 R
C
NH3Cl
HCl
COO
R
H
C
COOH
H Clorhidrato de aminoácido
OH
NH3Cl
Rc
R
C
C
O O
H
Rc
H 2O
Éster 2. Formación de amidas al reaccionar con el amoniaco: NH3Cl R
Éster NH3
C
C
H Amida
O NH2
Rc
OH
Alcohol
3. Formación de sales: HQHOJUXSRFDUER[LOR NH2 R
C
C
H
O O M
;
M
metal (catión)
HQHOJUXSRDPLQR H R
C
COOH ;
A
ácido (anión)
NH3A 4. Formación de haluros de acilo: NH2 R
C H
C
O X
70
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
donde X puede reemplazarse por cualquier halógeno. 5. Formación de aminas, por decarboxilación: En ese tipo de reacciones actúan unos enzimas denominados genéricamente decarboxilasas. NH2 R
C
COOH
R
CH2
CO2
H
NH2
Amina
Propiedades del grupo amino 6. Desaminación: SRUR[LGDFLyQ GHVDPLQDFLyQR[LGDWLYD H R
[O]
C
COOH
NH2
R
CO
COOH NH3
cetoácido + amoniaco
SRUDFFLyQGHOiFLGRQLWURVR H R
C
H COOH HNO2
NH2
R
C
COOH N2 +H2O
OH Hidroxiácido
Por esta última reacción se pueden determinar volumétricamente los aminoácidos, en función del nitrógeno formado. 7. Reacción de adición con formol: H
H R
C
COOH 2 HCHO
NH2
R
C N
CH2OH CH2OH
El compuesto resultante es un ácido que se puede determinar por adición de sosa (Método de Sorensen). 8. Formación de betaínas: Se producen por metilación del aminoácido por la introducción de uno, dos o tres grupos metilos, obteniéndose las llamadas betaínas mono, di y trisustituidas.
PROTEÍNAS
71
NH3 R
C
NH2
COO ICH3
R
H
C
CH3
COO HI
H Betaína
Ioduro de metilo
9. Reacción con el dinitrofluorobenceno: Reacción de Sanger: El dinitrofluorobenceno (DNFB) se combina con la amina del aminoácido liberándose ácido fluorhídrico y se forma un dinitrofenilaminoácido (DNP-aa): NO2 F
H 2N
CH
O 2N
COOH
R DNFB NO2 NH
CH
COOH
HF
R
O 2N
DNP-aa Esta reacción se puede utilizar para establecer la identidad del aminoácido terminal de una proteína portadora del grupo amino libre y también es muy útil para conocer el número exacto de cadenas que contiene una molécula de proteína puesto que la reacción solo se produce con grupos amino libres. Sin embargo, actualmente este método es muy poco usado, pues el procedimiento con el DNFB no puede repetirse secuencialmente. 10. Reacción con el fenilisotiocianato: Reacción de Edman: El fenilisotiocianato (PITC) reacciona con la amina en un medio alcalino débil: N
C
S H 2N
CH
COOH
[OH] débil
R
PITC S NH
C
NH
CH
COOH
R Feniltiocarbamil-aa (PTC-aa)
ácido calor H 2O
72
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
N
C
OC
S
NH CH R
PTH-aa
Se produce un feniltiocarbamil derivado del aminoácido, que se cicla en medio ácido débil o por acción del calor. El feniltiohidantoin-aminoácido (PTH-aa) producido es característico del aminoácido, ya que su naturaleza depende de la del grupo R, y se puede identificar cromatográficamente. La degradación de Edman es el método actualmente preferido para la identificación de aminoácidos N-terminales, ya que realizándola secuencialmente puede llegar a determinarse hasta una secuencia de 25 aminoácidos. 11. Reacción con la ninhidrina: Esta reacción tiene un gran interés, ya que da lugar a una reacción coloreada de los aminoácidos, ampliamente utilizada para la identificación y sobre todo para su determinación cuantitativa. La ninhidrina decarboxila y desamina al aminoácido gracias a su fuerte poder oxidante. La ninhidrina reducida formada reacciona con una molécula de ninhidrina no reducida y con el amoniaco resultante de la desaminación para formar un compuesto complejo que presenta coloración violeta. De esta forma se pueden determinar cuantitativamente los aminoácidos por espectrofotometría, y también por gasometría, gracias al dióxido de carbono que se forma. La coloración violeta es sensiblemente la misma para todos los aminoácidos. Su espectro de absorción presenta un máximo de 570 nm. Algunos aminoácidos en particular, como la prolina y la hidroxiprolina, dan con la ninhidrina una coloración amarilla, con un máximo de absorción en 440 nm. CO OH C CO OH Nihidrina NH2 R
CH COOH D-aminoácido Ninhidrina
CO OH C CO H Hidrindantina R
C
O H
CO2 NH3 Hidrato de Tricetohidrindeno
PROTEÍNAS
73
Reacciones específicas de algunos aminoácidos La cisteína es capaz, gracias a su grupo sulfhidrilo activo, de dar mercáptidos con el ion plata o mercurio, liberándose un hidrogenión. Así se inactivan los grupos sulfhidrilos. H HS
CH2
C
H
Ag
COOH
NH2 Cisteína
AgS
CH2
C
COOH H
NH2 Mercaptido Argéntico de Cisteína
Los aminoácidos con grupos fenólicos, como la Tirosina, dan una reacción característica al calentarse con nitrato de mercurio, Hg(NO3)2, en ácido nítrico, produciéndose una reacción de coloración roja. Es la llamada reacción de Millon. Los aminoácidos que poseen grupos sulfhidrilos que estén libre, así, por ejemplo, la cisteína, producen una coloración roja en una reacción con nitroprusiato sódico en solución amoniacal diluida. Esta reacción se conoce por el nombre de ensayo con nitroprusiato.
NIVELES DE ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LA MOLÉCULA PROTEICA Cada tipo de molécula proteica posee, en su estado nativo, una forma tridimensional característica que es conocida como su conformación o estructura. El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal funcionamiento de la proteína en cuestión, y una perdida de esta conformación suele implicar una alteración en la misión biológica de la molécula proteica. Esta organización en la estructura de una proteína se realiza a cuatro niveles diferentes, a saber: Nivel primario de organización o estructura primaria: Se refiere a la composición cuantitativa de los aminoácidos integrantes de la cadena, así como a su orden o secuencia y a la disposición de enlace péptico. Nivel secundario de organización o estructura secundaria: Es la referente a la disposición espacial de la cadena proteica, especialmente a la formación de estructuras planas o filamentosas, predominando la dimensión longitudinal. Es decir, describe el plegamiento local de la cadena a través de las unidades estructurales que aparecen en las proteínas. Nivel terciario de organización o estructura terciaria: Es la conformación tridimensional completa de la cadena polipeptídica. Las interac-
74
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
ciones locales entre aminoácidos próximos originan hélices D, hojas E u otras formas de estructura secundaria. Estos subconjuntos se organizan en dominios, que comprenden entre 30 y 150 aminoácidos, y que actúan a modo de unidades más o menos coherentes. La disposición geométrica de los dominios es lo que constituirá la estructura terciaria. Nivel cuaternario de organización o estructura cuaternaria: Solamente poseen este nivel aquellas proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas; se refiere a las diversas interrelaciones que pueden ocurrir entre dichas cadenas.
Estructura primaria Las proteínas están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales posee cien o más restos aminoácidos, unidos entre sí covalentemente por enlaces peptídicos. Todas las proteínas están constituidas por un conjunto básico de 20 aminoácidos, ordenados en diversas secuencias específicas): H 2N
CH
R·1
O
C
OH .
R
H .
N
CH
COOH
N H 2O
R·1
O H 2N
CH
C
N
CH
COOH
R H Formación de un enlace peptídico entre dos aminoácidos Mediante estudios con rayos X se ha comprobado que en una cadena peptídica los átomos están dispuestos en forma de zig-zag con un ángulo de aproximadamente 120º, siendo C D, C y N los átomos que se sitúan en los que podríamos llamar línea principal de la cadena, mientras que los grupos R, el O y el H se extienden hacia los lados de la cadena:
H 2N
O
R1
H
C
CD
N
COOH
CD
N
C
CD
R
H
O
R
Aa1
Aa2
Aa3
Formación de un tripéptido
PROTEÍNAS
75
Así, tendríamos un tripéptido: R
H
O
H
O
N
C
CD
H 2N
C
C
N
CD
R
H CD
COOH
N
CD
O H H H R R H Rotación alrededor de los enlaces en una cadena polipeptídica La unión entre el C del grupo carboxílico y el N del grupo amino, en el enlace de tipo peptídico, se explica mediante la resonancia entre las estructuras: O R
C
N ..
Rc
O
H
R
C
N
Rc H
que le confiere una naturaleza muy semejante a la de la hibridación sp2 del carbono en la formación de eteno (figura 2.2).
H
CD C orbital S
N CD
O sp2
FIGURA 2.2. Carácter parcial de doble enlace de un enlace peptídico.
Por efecto de esta resonancia, los enlaces C N y C O son intermedios entre sencillo y doble. La propiedad fundamental del enlace peptídico es que todos los átomos que lo forman han de estar en un mismo plano, por lo que la cadena proteica sólo puede girar por sus C D, pero nunca por el enlace peptídico. Estudios de modelos peptídicos utilizando el método de difracción de rayos X hicieron posible medir las diversas distancias interatómicas, que resultan ser, para el enlace C O de 1,23 Å, y para el C N de 1,32 Å. Estas dimensiones son intermedias entre el enlace sencillo (C O: 1,43 Å, C N: 1,47 Å) y enlace doble (C O: 1,21 Å, C N: 1,29 Å). Esto indica que la unión peptídica existe en un estado de resonancia entre reuniones dobles y simples (figura 2.3).
76
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
FIGURA 2.3. (A) Longitud (nm) y ángulos de enlace. (B) Estabilización por resonancia del enlace peptídico.
La unión peptídica es plana, esta unidad planar que es rígida, es el resultado de la estabilización por resonancia del enlace peptídico, y es común a las estructuras proteicas. Además, la orientación del oxígeno del carbonilo y del hidrógeno amídico es “trans” con respecto a la unión peptídica, al igual que la de los carbonos alfa. La configuración “cis” no es favorable debido a impedimentos estéricos. Esto hace que los grupos R estén situados alternativamente a uno y otro lado de la columna vertebral polipeptídica. El enlace peptídico impone, por tanto, restricciones significativas FIGURA 2.4. En la configuración trans, la acerca del número de conformaciorepulsión estérica es mínima y la estabilidad mayor. nes que puede adoptar una cadena polipeptídica (figura 2.4). La información necesaria para definir la estructura en tres dimensiones de una proteína reside en su secuencia de aminoácidos. A medida que se construye la cadena en el ribosoma, se pliega en la configuración que minimiza la energía libre; en otras palabras, la cadena adopta la conformación más estable. Los 20 aminoácidos están construidos sobre un plan común. Tienen un grupo amino (NH2) en un extremo y un grupo de ácido carboxílico (COOH) en el otro; ambos grupos están enlazados a un átomo de carbono central, llamado carbono alfa. También están enlazados al carbono alfa un átomo de hidróge-
PROTEÍNAS
77
no y un cuarto grupo, la denominada cadena lateral. Es en la naturaleza de su cadena lateral en lo único que difieren los aminoácidos. El esqueleto de la proteína se construye uniendo, cabeza con cola, los aminoácidos: el grupo amino de una unidad se enlaza al grupo carboxílico de la siguiente. La fusión se logra eliminando una molécula de agua, para forma un enlace carbono-nitrógeno denominado enlace peptídico, y la cadena proteica recibe el nombre de polipéptido. Las propiedades del enlace peptídico imponen ciertas restricciones en el plegamiento de la proteína. Cada unidad de enlace peptídico se encuentra en un plano, con lo que la cadena tiene que plegarse por medio de rotaciones de los enlaces establecidos con carbonos alfa.
Secuenciación de aminoácidos La hidrólisis parcial de las proteínas produce mezclas complejas de péptidos diferentes. Los dos mejores métodos para la separación de los distintos péptidos son: &URPDWRJUDItDGHLQWHUFDPELRLyQLFR (OHFWURIRUHVLVVREUHSDSHO Normalmente, se hace una separación primaria en péptidos ácidos, básicos y neutros mediante electroforesis a pH ligeramente ácido. Los péptidos ácidos () emigran hacia el ánodo, los básicos () hacia el cátodo y los neutros no se mueven. A continuación, cada péptido es separado mediante una segunda etapa de electroforesis a pH adecuado o mediante cromatografía de intercambio iónico. Después que los péptidos han sido aislados, cada uno se hidroliza por completo por calefacción y se determinan los restos aminoácidos presentes por electroforesis o cromatografía. La determinación de los restos N-terminales de los péptidos o las proteínas, se puede hacer por varios métodos: 5HDFFLyQGH6DQJHUTXH\DKDVLGRHVWXGLDGD 5HDFFLyQGHGDQVLODFLyQXWLOL]DQGRFRPRUHDFWLYRHOFORUXURGHGDQVLOR 5HDFFLyQGH(GPDQWDPELpQYLVWDDQWHULRUPHQWH figura 2.5). La identificación de los restos C-terminales puede determinarse selectivamente por medio de unos enzimas, denominados carboxipeptidasas, que rompen hidrolíticamente el enlace del aminoácido C-terminal, liberándolo. Utilizando
78
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
residuo N-terminal O N
C
S H 2N
CH
O
C
N
R1 fenil isotiocianato (OH) medio básico
S NH
N
CH
H R2 H tripéptido
R3
pH
N
CH
C
C
COOH
9
O
C
CH
O N
CH
C
N
CH
COOH
H R1 H R2 H R3 fenil tiocarbamil derivado (PTC-Aa) (H) medio ácido
NH
N
C S
F3C COOH ácido trifluoroacético
R1 CH H N 2 C
O derivado de tiazolinona
O CH
C
N
CH
COOH
R2 H R3 cadena peptídia con (n – 1) residuos (R)
medio ácido en disolución acuosa
(H)
N O
C
C
S
NH CH
R1 feniltiohidantoín derivado del aminoácido N-terminal (PTH-Aa terminal)
La cadena peptídica permanece intacta después de la separación del aminoácido N-terminal. Se repite el ciclo tratando el péptido (R) con el radiactivo en medio básico.
FIGURA 2.5. Identificación de los residuos N-terminal de un péptido. Degradación de Edman.
este enzima obtendremos en primer lugar un aminoácido libre y un péptido que ya tendrá un nuevo aminoácido C-terminal, sobre el que volverá a actuar la carboxipeptidasa. De esta forma se irán liberando todos los aminoácidos de la cadena (figura 2.6). Existen otros enzimas, los aminopéptidos, que tiene especificidad por el enlace del aminoácido N-terminal de las cadenas peptídicas. Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una proteína, se debe observar en primer lugar si la proteína consta de varias cadenas peptídicas y, en caso de que fuera así, si estas cadenas están unidas por enlaces
PROTEÍNAS
79
O H 2N
CH
C
R1
OH
H
C
N
O
N
CH
H
R2
CH
covalentes. En el caso de que no existan enlaces covalentes entre las cadenas, éstas pueden disociarse tratando la proteína con ácidos o bases.
COOH
H R3
carboxipeptidasa
H 2O
Las cadenas pueden estar unidas entre sí (enlaOH ce intercatenario) por el R1 H R2 R3 puente S S de una cadena peptídica (n – 1) con residuo molécula de cistina, o un nuevo aminoácido C-terminal C-terminal bien una cadena simple puede poseer un enlace FIGURA 2.6. Identificación de restos de aminoácidos S S entre dos de C-terminal (utilizando un enzima proteolítico denosus aminoácidos (enlace minado carboxipeptidasa). intracatenario). En cualquier caso, el primer paso a seguir es la ruptura de estos enlaces disulfuro. Un ejemplo clásico de este tipo de péptidos es la insulina. O
H 2N
CH
C
N
CH
C
O
H 2N
CH
COOH
Los enlaces cruzados S S pueden escindirse por oxidación con ácido perfórmico, transformándose los dos restos de hemicistina en restos de ácido cisteico. Otro método para estudiar la secuencia de aminoácidos de una cadena peptídica es la fragmentación de las cadenas por hidrólisis parcial. Se emplea normalmente la hidrólisis enzimática, ya que la hidrólisis ácida o básica produce normalmente la ruptura de la totalidad de los enlaces peptídicos. Suele utilizarse el enzima Tripsina que escinde solamente aquellos enlaces en los que la función carbonilo es aportada por los aminoácidos lisina o arginina. El número de fragmentos resultantes será igual al número de restos de lisina o arginina que hubiera en la cadena. Algunos de estos fragmentos serán dipéptidos y tripéptidos, cuyos aminoácidos serán fácilmente identificables mediante las reacciones comentadas anteriormente. Igualmente podremos utilizar la pepsina o la quimotripsina, que rompen la cadena peptídica por puntos distintos a los de la tripsina.
Estructura secundaria de proteínas Se refiere a la ordenación regular y periódica en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección. Los enlaces que mantienen esta estructura son no covalentes; lo que se pretende es adoptar conformaciones de menor energía libre y, por tanto, más estables.
80
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Si las rotaciones para cada átomo C D son las mismas, la cadena adopta de forma natural una hélice. Tal hélice de subunidades repetidas puede describirse por el número de unidades o residuos de aminoácidos por vuelta de hélice, n, y por la distancia entre elementos iguales de dos aminoácidos consecutivos medida en la dirección del eje principal de la hélice, d. El producto de ambos es el paso de hélice, p, definido como la distancia entre elementos homólogos medida en la dirección del eje principal de la hélice. Para una cadena polipeptídica de dimensiones conocidas, una vez especificados los ángulos de giro, ) y < (figura 2.7), tanto n como d quedan determinados.
FIGURA 2.7. Estructuras hipotéticas formadas al variar el número (n) de residuos de aminoácido por vuelta de hélice.
Hélices Ver figuras 2.8 y 2.9.
Hélice D La hélice D fue descrita por Pauling en 1951, que hizo estudios de difracción de rayos X de cristales de aminoácidos y pequeños péptidos (figura 2.10). Hélice D:
FIGURA 2.8.
)
120º ;
\
120º
UHVLGXRV GH DPLQRiFLGRV SRU vuelta (n). /D GLVWDQFLD HQWUH HOHPHQWRV LJXDOHV de dos aminoácidos consecutivos medida en la dirección del eje principal, d 1,5 Å.
PROTEÍNAS
81
FIGURA 2.9. Patrones de enlaces de hidrógeno.
FIGURA 2.10. Hélice D.
(O SDVR GH KpOLFH p nd 5,4 Å, se define como la distancia entre elementos homólogos medida en la dirección del eje principal de la hélice. /RVJUXSRV5GHORVDPLQRiFLGRVVH proyectan hacia el exterior de la hélice. /RV SXHQWHV GH KLGUyJHQR VH HVWDblecen entre el CO de un residuo y el NH del tercer residuo que lo sigue; estos enlaces de H son paralelos al eje mayor de la hélice, ya que los grupos CO apuntan casi directos a los NH a los que están unidos. La ordenación D-helicoidal permite participar a cada enlace peptídico de la cadena en el establecimiento de enlaces de H intracatenarios. /DORFDOL]DFLyQKDELWXDOGHODKpOLFH D es a lo largo de la parte externa de la proteína, las cadenas laterales tienden a cambiar de hidrofóbicas a hidrofílicas cada 3 ó 4 residuos. $PLQRiFLGRVTXHSHUPLWHQKpOLFHD estable: Ala, Leu, Met, Phe, Tyr, Cis, His, Asn. – Inestabilizan la hélice D: Ser, Thr, Gly, Lys, Arg. – Rompen la hélice D: Pro, Pro).
82
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Hélice 310 )
120º ;
\
150º
Es la otra especie helicoidal importante en la estructura globular de proteínas. 7LHQHQUHVLGXRVSRUYXHOWD n 3) y un puente de hidrógeno entre CO de un residuo y el NH del segundo residuo que le sigue. (V PXFKR PHQVR IDYRUDEOH TXH OD KpOLFH D para estructuras periódicas largas; sin embargo, pequeños trozos de 310 son frecuentes. /RVJUXSRV&2DSXQWDQIXHUDGHOHMHGHODKpOLFH\SRUORWDQWRHOSXHQWH de H está doblado y no es muy favorable. 3HTXHxRVWUR]RVGH10 se han encontrado en: – Lisozima. – Hemoglobina. – Anhidrasa carbónica.
Hélice levógira Se origina cuando el ángulo \ (C (figura 2.11).
C D)
310º
7LHQH UHVLGXRV GH DPLQRiFLGRV SRU vuelta. /RV JUXSRV &2 \ 1+ HVWiQ RULHQWDGRV casi perpendicularmente al eje de la hélice y no pueden formar puentes de hidrógeno con grupos de la misma cadena. (VWDV FDGHQDV IRUPDQ SXHQWHV GH KLGUygeno intercatenarios perpendiculares a las cadenas. (QHOFROiJHQRGHHVWDVKpOLFHVVHDUURllan una alrededor de otra formando una superhélice dextrógira. /DV VHFXHQFLDV TXH DSDUHFHQ FRQ PD\RU frecuencia son Gly-X-Pro, Gly-Pro-X, GlyX-Hpro, por lo cual esta hélice levógira se conoce como hélice poliprolina.
Estructura E u hoja E Es el otro elemento estructural importante encontrado en proteínas globulares.
FIGURA 2.11. Hélice levógira de poliprolina.
PROTEÍNAS
83
Las hojas E están “plegadas”, con C D, sucesivamente arriba y abajo del plano de la hoja. Hay dos tipos de hojas E: paralelas y antiparalelas, que difieren en el patrón de puentes de H. /DVKRMDVDQWLSDUDOHODVWLHQHQSXHQWHVGHKLGUyJHQRSHUSHQGLFXODUHVDODV hebras, alternando los enlaces próximos con otros más espaciados (figura 2.12a). /DVKRMDVSDUDOHODVWLHQHQHQODFHVGHKLGUyJHQRHVSDFLDGRVUHJXODUPHQWH que forman ángulo respecto a las hebras al enlazarlas (figura 2.12b). /DHVWUXFWXUDE paralela tiene lugar en hojas con un mínimo de 5 hebras. Están siempre completamente ocultas protegidas a ambos lados por hélice D. Es menos estable que la antiparalela. /DHVWUXFWXUDE antiparalela frecuentemente toma la disposición de un cordón torcido de 2 hebras solamente. Tienen un lado expuesto al solvente y el otro oculto, por lo que presentan alternancia de hidrofobicidad.
FIGURA 2.12. Estructura en hoja E plegada. (A) Estructura en hoja plegada de cadenas paralelas. (B) Estructura en hoja plegada de cadenas antiparalelas.
84
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Estructura terciaria La disposición e interelación de las cadenas plegadas de una proteína (estructura secundaria) en una forma específica mantenida por uniones salina, enlaces de hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas, actuando conjuntamente proporcionan gran estabilidad a la proteína y constituyen la estructura terciaria. Los enlaces que mantienen esta estructura son: Enlace covalente: Consiste, como sabemos, en una compartición de electrones, siendo siempre un enlace fuerte, que da lugar a una gran estabilidad de la cadena proteica. El más impotente es el llamado puente disulfuro. Enlace iónico: Es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas de aminoácidos, que según el pH poseerán carga eléctrica positiva o negativa. Estos enlaces no son demasiado numerosos ya que al estar los aminoácidos en disolución, tendrán sus grupos polares saturados por los dipolos moleculares del agua. Enlace por puente de hidrógeno: Se forman entre el C O del grupo carboxílico y un grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy numerosos y son de capital importancia en la estabilización de la molécula, dada su gran cuantía. Enlace por fuerzas de Van der Waals: Se forman entre las cadenas laterales que poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son apolares, tiene interacciones débiles por este tipo de fuerzas. Estas interacciones son debidas a irregularidades en la distribución de los electrones alrededor del núcleo dando lugar a dipolos instantáneos que implican atracciones y repulsiones de tipo electrostático. Enlaces hidrofóbicos: Son interacciones entre las cadenas laterales no polares de aminoácidos como la alanina, valina, etc., dentro de envolturas de agua. Estas interacciones pueden tener lugar entre cadenas laterales de varias moléculas o se pueden presentar entre las cadenas de una misma molécula; ocurren ante la incapacidad de las cadenas laterales no polares de interaccionar con el agua, ya sea iónicamente o a través de enlaces hidrofóbicos. Enlace coordinado: Son estos enlaces de importancia en todas las interacciones entre metales de transición y biomoléculas, por ejemplo Fe 2, en la hemoglobina y citorcromos, el Co3 en la vitamina B12 (figura 2.13).
Estructura cuaternaria La organización de las proteínas producida por ajuste de las estructuras arrollada y plegada, para formar una estructura funcional agregada, se llama es-
PROTEÍNAS
85
tructura cuaternaria. En este nivel de organización las subunidades de proteínas se conservan unidas esencialmente por influjo de fuerzas no covalentes. La asociación de estructuras terciarias se denomina “agregado estable”. Solamente poseen este nivel aquellas proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas y podemos definirla como la asociación de subunidades semejantes o diferentes de la proteína en oligómeros (por ello las proteínas que tiene este tipo de estructura se denominan Oligoméricas). Para realizar su función biológica muchas proteínas requieren más de una subunidad en su estructura, por ejemplo la hemoglobina, la actomiosina, etc. FIGURA 2.13. Distintos tipos de enlaces en proteínas. (A) Covalente (Cys-Cys). (B) Salino o electrostático. (C) Hidrofóbico (Phe-Phe). (D) Polar (Ser-Thr). (E) Enlace de hidrógeno (Tyr-Asp).
En 1976 Levitt y Chothia demostraron que las proteínas cuyas estructuras se asocian hasta ese momento podrían asignarse a una de cinco clases estructurales. Estas clases fueron definidas en función de la presencia y disposición de hélices D y hojas E, elementos estructurales mayoritarios de las proteínas globulares. Estas clases son: 1. CLASE I: Las “proteínas D totales” en la cual sólo están presentes hélices D y se empaquetan juntas en una forma globular. 2. CLASE II: Las “proteínas E totales” en las cuales sólo están presentes estructuras E generalmente como dos hojas E antiparalelas. 3. CLASE III: Las “proteínas D E”, en las cuales están presentes estructuras D y E pero segregadas en la estructura terciaria. 4. CLASE IV: Las “proteínas D/E” en las cuales segmentos estructurales D y E se alternan en la estructura primaria dando una estructura terciaria que se caracteriza por una zona central de hebras E mayormente paralela, flanqueada a ambos lados por hélices D. 5. CLASE V: Las “proteínas en espiral” recubren aquellas moléculas, principalmente pequeñas ricas en puentes disulfuro o asociadas con un cofactor grande, y tienen una estructura secundaria pequeña (figura 2.14).
86
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
(A) Estructura primaria Asp-Thr-Gly-His-Met-Asp hélice D
(B) Estructura secundaria hoja E
(C) Estructura terciaria
(D) Estructura cuaternaria
FIGURA 2.14. Niveles estructurales de las proteínas.
Desnaturalización de proteínas Cada tipo de molécula posee, en su estado nativo, una forma tridimensional característica que es conocida como su conformación o estructura. El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal funcionamiento de la proteína en cuestión, y una pérdida de esta conformación suele implicar una alteración en la misión biológica de la molécula proteica. Esta pérdida de la estructura tridimensional de una proteína, se conoce como Desnaturalización. En la desnaturalización se producen cambios en las propiedades físicas, química y biológicas de una molécula proteica, por ejemplo: 'LVPLQXFLyQGHODVROXELOLGDG 'LVPLQXFLyQHQODVLPHWUtD 'LVPLQXFLyQRSpUGLGDWRWDOGHODDFWLYLGDGELROyJLFDRULJLQDO
PROTEÍNAS
87
$XPHQWR HQ OD UHDFWLYLGDG TXtPLFD HQ SDUWLFXODU GH ORV JUXSRV LRQL]Dbles. $XPHQWR HQ OD VXVFHSWLELOLGDG D OD KLGUyOLVLV SRU PHGLR GH HQ]LPDV SURteolíticos. $OWHUDFLyQ HQ OD HVWUXFWXUD LQWHUQD \ GLVSRVLFLyQ GH ODV FDGHQDV SHSWtGLcas, sin rotura de los enlaces peptídicos. Las principales causas de la desnaturalización son: 8QFDPELRVLJQLILFDWLYRHQHOS+GHODVROXFLyQGHODSURWHtQD &DPELRVGHWHPSHUDWXUDIXQGDPHQWDOPHQWHDWHPSHUDWXUDVDOWDV &RQFHQWUDFLRQHV DOWD GH FRPSXHVWRV SRODUHV QHXWURV FRPR OD XUHD R OD guanidina, ya que esos compuestos rompen los enlaces de hidrógeno formando otros enlaces nuevos. 7UDWDPLHQWRFRQGLVROYHQWHVRUJiQLFRVHWDQRODFHWRQDHWF 5DGLDFLyQXOWUDYLROHWD 9LEUDFLyQXOWUDVyQLFDDJLWDFLyQHQpUJLFDGHODVVROXFLRQHVDFXRVDV Generalmente la desnaturalización es un proceso irreversible, dependiendo éste de la intensidad y duración del tratamiento desnaturalizante. Hay excepciones tales como la desnaturalización de la hemoglobina con ácido y renaturalización por neutralización en condiciones apropiadas. La desnaturalización de la Ribonucleasa pancreática por acción del calor y la renaturalización por enfriamiento (figura 2.15).
FIGURA 2.15. Desnaturalización de una proteína y su inversión.
Puede afirmarse en general que la desnaturalización es reversible si no hay rotura de los enlaces disulfuro presentes en la proteína nativa, es decir, rotura de enlaces covalentes fuertes.
88
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS SOLUCIONES PROTEICAS. SOLUBILIDAD. PRECIPITACIÓN Las proteínas como electrólitos Las proteínas son polielectrólitos anfóteros debido a que contienen los grupos amino y carboxilo. Las propiedades electrolíticas de las proteínas están en función de estos grupos ionizables. Cada cadena abierta de una proteína contiene sólo un grupo D-amino libre y un grupo D-carboxilo libre, por lo cual su influencia es relativamente pequeña en cuanto a las propiedades electrolíticas. Sin embargo, varios de los aminoácidos componentes de proteínas contienen grupos ionizables que no intervienen en la formación del enlace peptídico. Tal es el caso de la lisina, la arginina, la histidina y el ácido glutámico, etc. Análogamente al comportamiento de los aminoácidos en solución, se vio que las proteínas existen como cationes complejos en solución ácida y, cuando se titulan con álcalis (se aumenta el pH), muestran etapas de disociación de ion H , bien sucesivas o superpuestas, con formación de zwiteriones y, finalmente, aniones proteínicos. Aunque en los procesos de disociación de proteínas intervienen muchos grupos ionizables, de los cuales varios pueden entrar en función simultáneamente, el proceso general puede representarse por una ecuación química, la cual, sin indicación de los números de cargas y de los iones hidrógeno que interviene, puede formularse como sigue: proteína (catión)
H proteína zwitterión (ion dipolar)
H proteína (anión)
Las curvas de titulación de proteínas correspondientes a los equilibrios anteriores, son del tipo de la mostrada en la figura 2.16. Éste sería el caso de una curva para una proteína. Las curvas se extienden sobre una amplia gama de pH y no muestran cambios bruscos, lo que se debe al gran número de grupos que se ionizan sucesiva y simultáneamente para la mayor parte del intervalo de pH. Esta característica es lo que hace que las proteínas actúan como tampones o buffers. El pH isoeléctrico de una proteína es aquel en el cual la proteína no emigra en un campo eléctrico. A este pH, la proteína existe en la forma de ion dipolar o zwiterión, en el cual las cargas positivas son iguales a las cargas negativas, y la carga neta es cero. El punto isoiónico de una proteína es el pH al cual el número de iones H disociados de la proteína es igual al número de estos iones que la proteína toma de la solución.
PROTEÍNAS
89
Los valores de pH isoeléctrico e isoiónico son iguales cuando la proteína no se combina con otros iones que el H . En general, en presencia de sales aniones y cationes de la sal se asociarán probablemente en grados algo distintos, con las cargas de la proteína y cambiarán apreciablemente su movilidad en un campo eléctrico y el pH isoeléctrico.
FIGURA 2.16.
Las proteínas actúan como amortiguadores a uno y otro lado del pH isoeléctrico. En definitiva, la capacidad amortiguadora de las proteínas se basa en el sistema proteína/proteinato.
Solubilidad y precipitación La solubilidad de una proteína es función de la composición iónica del medio (Na, K, Ca, Mg), de la fuerza iónica P y del pH. También depende de las proporciones y distribución de los grupos hidrófílicos polares (amigos del agua, gran viscosidad) y de los hidrofóbicos no polares (enemigos del agua, escasa viscosidad), en la molécula, del momento dipolar resultante en la proteína y de la temperatura. Los grupos polares iónicos de las moléculas de proteína entran en interacción electrostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes, con tendencia a formar agregados, lo cual disminuye la solubilidad. Esta interacción entre grupos cargados de la proteínas disminuye en agua pura, con una constante dieléctrica alta; esto es, el grado de interacción es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del disolvente. Las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. La adición de un disolvente orgánico, como acetona o alcohol, a una solución de proteína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza también algunas de las moléculas de agua asociadas con la proteína, y reduce la concentración del agua presente en la solución. Estos efectos tienden a disminuir la solubilidad de la proteína, y por ello se utiliza frecuentemente la adición de estos disolventes para precipitar proteínas de sus soluciones.
90
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Si se agregan a una solución de proteína en agua pura pequeñas cantidades de sal, disminuye el coeficiente de actividad de la proteína y su solubilidad aumenta. Este fenómeno, llamado disolución salina o “salting in”, se debe a las fuerzas de atracción entre los iones de la proteína y los iones de la sal. A concentración de sal baja el aumento en el logaritmo de la solubilidad de la proteína es proporcional a la fuerza iónica del disolvente. El “salting in” se explica porque al añadir una pequeña cantidad de iones extraños se aumenta el desorden molecular, con ello la entropía se hace mayor y no habiendo variación de entalpía, el cambio de energía libre es negativo y esto supone una tendencia espontánea al aumento de la solubilidad. Ahora bien, a concentraciones elevadas de sales muy solubles, como sulfato amónico, se observa precipitación salina o “salting out” de las proteínas, la cual depende de la disminución de la actividad del agua, lo que a su vez disminuye las interacciones solubilizantes entre el agua y los grupos de la proteína. Es decir, que cuando aumenta mucho la cantidad de iones extraños, la interacción proteína-proteína se hace mayor que la interacción proteína-agua, baja la movilidad de las cargas proteicas y las proteínas precipitan. La solubilidad, S, de muchas proteínas a concentraciones altas de sal, disminuye logarítmicamente a medida que aumenta la concentración de sal: log S
E Ks P
Relación de Cohn
Donde: S solubilidad de la proteína en la solución salina; P fuerza iónica de la solución salina; E solubilidad de la proteína en agua pura (en general, hipotética y obtenida por extrapolación de la curva de solubilidad para P 0); Ks constante de precipitación salina. Esta relación se puede presentar gráficamente de la forma que aparece en la figura 2.17. La fuerza iónica de una sal ionizada es igual a la mitad de la suma de la concentración de cada ion multiplicada por el cuadrado de la valencia de este ion: P
1 2
cZ 2
log S (g/litro)
E
Ejemplo: Para una solución 0,1 M de NaCl, la fuerza iónica será: P
1 [(0,1) · 12 (0,1) · 12] 2
0,1
P
FIGURA 2.17.
PROTEÍNAS
91
para una solución de iones monovalentes la concentración molar es igual a la molaridad. Para una solución de Na 2SO4 : P
1 (0,2 · 12 0,1 · 22) 2
0,3
El factor actividad depende de la naturaleza del ion considerado, de su concentración y de su carga o valencia, así como de la formación de otros iones en la disolución: log f 0,5 · Zi2 P El efecto de una sal neutra K2SO4 , sobre la solubilidad de la carbonilhemoglobina, a su pH isoeléctrico se representa en la figura 2.18. Vemos que la fuerza iónica baja hace que la proteína se solubilice, aumenta la solubilidad. Pero cuando se hace elevada, disminuye la solubilidad y la proteína precipita. El pH de la solución también influye en la solubilidad de la proteína. La dependencia se indica en la gráfica que aparece en la figura 2.19 para distintos valores de la concentración de sal. Las proteínas pueden precipitarse de sus soluciones por diversos iones positivos o negativos. Los iones positivos de uso más común para precipitar proteínas son los metales pesados: Zn, Cd, Hg, Fe, ... Estos iones precipitan proteínas de soluciones a pH superior al isoeléctrico de cada proteína, porque a este pH la proteína está disociada como proteína negativa que se combina con el ion metálico positivo para dar un precipitado insoluble de proteinato del metal.
FIGURA 2.18.
FIGURA 2.19.
92
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Los iones negativos se combinan con proteínas en forma de proteína positiva (el pH de la solución es ácido respecto del punto isoeléctrico de la proteína) y forman sales de proteínas. Entre los precipitantes de las proteínas por acción de iones negativos figuran los ácido wolfrámico, pícrico, tánico, trocloroacéitco, etc.
CLASIFICACIÓN DE PROTEÍNAS Cuadro sinóptico Albúminas Globulinas Glutelinas Prolaminas Protaminas Histonas
A) Globulares (I) Simples
B) Fibrosas
Proteínas
Escleroproteínas
(II) Conjugadas o compuestas
Colágeno Elastina Queratina
Nucleoproteínas Lipoproteínas Glucoproteínas Fosfoproteínas Cromoproteínas Metaloproteínas Hemoproteínas Flavoproteínas
Por su composición 6LPSOHV &RQMXJDGDV Simples u Holoproteínas: Son aquellas que por hidrólisis total dan sólo aminoácidos: Albúminas. Globulinas. Glutelinas. Prolaminas. Protaminas.
PROTEÍNAS
93
Histonas. Escleroproteínas: – Colágeno – Elastina. – Queratina. Conjugadas o Heteroproteínas: Son aquellas que por hidrólisis producen no solamente aminoácidos sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no aminoácido se denomina grupo prostético. Las proteínas conjugadas se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo prostéticos: Nucleoproteínas: Su grupo prostético son los ácidos nucleicos. Lipoproteínas: Su grupo prostético son fosfolípidos, colesterol, triglicéridos. Glucoproteínas: Cuyo grupo prostético son los carbohidratos. Por hidrólisis dan aminoazúcares y monosacáridos y/o derivados de estos. Fosfoproteínas: Su grupo prostético contiene fósforo, en forma de ácido ortofosfórico. Cromoproteínas: Son proteínas conjugadas con un grupo cromoforo (sustancia coloreada que contiene un metal). Metaloproteínas: Contienen metales dentro de la misma molécula proteica. Hemoproteínas: Cuyo grupo prostético es la ferroprotoporfirina. Flavoproteínas: Cuyo grupo prostético es flavin-nucleótido.
Por sus propiedades físicas y su solubilidad Albúminas: Son solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Coagulan con el calor. Precipitan en disolución con sulfato amónico a saturación. Globulinas: Coagulan por el calor. Precipitan con sulfato amónico por semisaturación. Solubles en soluciones de ácidos y bases fuertes. Glutelinas: Solubles en soluciones de ácidos y bases diluidas. Insolubles en disolventes neutros. Coagulan por el calor. Se encuentran en el trigo. Prolaminas: Solubles en alcohol al 70 a 80%. Insolubles en agua, disolventes neutros y alcohol absoluto. No son coagulables por el calor. Son ricas en Prolina, de ahí su nombre. Protaminas: Solubles en agua y en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son polipéptidos básicos. Histonas: Solubles en agua y ácidos diluidos. Insolubles en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son muy básicas. Escleroproteínas: Insolubles en agua, soluciones salinas, ácidos y bases diluidos y alcohol. Forman parte de los tejidos de sostén y revestimiento.
94
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Por su conformación Conformación de una proteína es la forma tridimensional característica que posee en su estado nativo. Fibrosas: Constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resistentes, insolubles en agua o en disoluciones salinas diluidas. Son elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales superiores: – Colágeno: Tendones y matriz de los huesos. – Elastina: Tejido conjuntivo elástico (ligamentos). – Queratinas: Cabello, cuerno, uñas, plumas, pelos. Globulares: Constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructuralmente de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas. Son solubles en agua. Su función en la célula es dinámica. – Enzimas (la mayor parte). – Anticuerpos. – Proteínas de transporte: Albúmina y hemoglobina. – Proteínas básicas: Protaminas, Histonas.
Por sus grupos prostéticos Son las proteínas conjugadas que se clasifican atendiendo a la naturaleza de su grupo prostético. Son heteroproteínas ya estudiadas anteriormente.
Por su función biológica Enzimas: Son catalizadores biológicos muy específicos. Algunos enzimas son más especializados y además de su actividad catalítica tienen función reguladora, son los enzimas alostéricos. La mayoría son proteínas globulares: – Hexoquinasa: Fosforila la glucosa. – DNA-polimerasa: Replica y repara el DNA. Proteínas de reserva: Almacenan aminoácidos como elementos nutritivo. – Ovoalbúmina (clara de huevo). – Caseína (leche).
PROTEÍNAS
95
Proteínas transportadoras: Son capaces de unirse y transportar tipos específicos de moléculas. – Seroalbúmina: Transporta ácidos grasos libres en la sangre entre el tejido adiposo y otros órganos. – Hemoglobina: Transporta O 2 en la sangre. – Mioglobina: Transporta O 2 en el músculo. – E-Lipoproteína: Transporta lípidos en sangre. Proteínas protectoras: Tienen función de defensa: – Anticuerpos: Forman complejos con proteínas extrañas. – Fibrinógeno: Precursor de la fibrina en la coagulación. – Proteína del complemento: Forman complejos con algunos sistemas extraños (bacterias). Proteínas contráctiles: Actúan como elementos esenciales en sistemas motiles y contráctiles: – Miosina: Filamentos estacionarios de las miofibrilla. – Actina: Filamentos móviles de las miofibrillas. Hormonas: Son moduladoras de las funciones del organismo: – Insulina: Regula el metabolismo de la glucosa. – Hormona del crecimiento: Estimula el crecimiento de los huesos. Proteínas estructurales: Actúan como elementos estructurales, son las Escleroproteínas estudiadas anteriormente: – Colágeno: Tejido conectivo fibroso (tendones, hueso, cartílago). – Elastina: Tejido conectivo elástico (ligamentos) – Queratinas: Piel, plumas, uñas, pezuñas.
96
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
PREGUNTAS TEST 1
2
3
4
5
El grupo hidroxilo fenólico está presente en la molécula de: $ Lisina.
% Prolina.
& Tirosina.
' Treonina.
( Histidina.
El ácido D-amino, E-fenilpropiónico es el aminoácido: $ Treonina.
% Fenilalanina.
' Prolina.
( Triptófano.
& Leucina.
¿Cuál de los siguientes grupos está presente en la estructura de la histidina? $ Guanidínico.
% J-carboxílico.
' Imidazol.
( Sulfhidrilo.
& H-amino.
¿Cuál de los siguientes aminoácidos presenta la fórmula molecular C 6H 15O 2N 4? $ Arginina.
% Histidina.
' Lisina.
( Triptófano.
& Metionina.
Una de las siguientes fórmulas moleculares es correcta: $ Histidina: C6H9O2N2.
% Arginina: C6H12O2N4.
& Metionina: C5H15O2N4.
' Valina: C5H11ON.
( Serina: C3H7O3N. 6
7
Un aminoácido, que en forma no ionizada posee 5 átomos de carbono y uno de azufre, podría ser: $ Glutamina.
% Metionina.
' Valina.
( Cisteina.
& Cisteína.
De los siguientes aminoácidos, ¿cuál es más polar a pH 7? $ Leucina.
% Fenilalanina.
' Valina.
( Metionina.
& Cisteína.
PROTEÍNAS
8
9
97
De los siguientes aminoácidos, ¿cuál tiene sus grupos amino y carboxilo ionizado a pH = 6? $ Lisina.
% Tirosina.
& Asparagina.
' Histidina.
( Ácido Aspartico.
¿Cuál de los siguientes aminoácidos presenta carácter básico? $ Lisina.
% Ácido Glutámico.
' Glutamina.
( Alanina.
& Prolina.
10 ¿Cuál de las siguientes proteínas se clasifica como simple, fibrosa y con función estructural? $ Albúmina.
% Elastina.
& Inmunoglobulinas.
' Insulina.
( Hemoglobina. 11 ¿Cuál de los siguientes enlaces no participa en la estabilización de la estructura cuaternaria de proteínas? $ Enlaces por puente de hidrógeno. % Interacciones iónicas. & Interacciones de Van der Waals. ' Enlaces disulfuro. ( Enlaces electrostáticos. 12 Uno de los siguientes aminoácidos corresponde al ácido alfaamino, beta-hidroxi-butírico. ¿Cuál? $ Alanina.
% Serina.
' Glicocola.
( Histidina.
& Treonina.
13 ¿Cuál de los siguientes aminoácidos no es esencial? $ Metionina.
% Alanina.
' Treonina.
( Isoleucina.
& Lisina.
14 La histidina para el ser humano se clasifica: $ Como aminoácido no esencial. % Como aminoácido esencial. & Como aminoácido esencial aunque sólo para los lactantes.
98
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
' Como aminoácido ácido. ( Todo lo anterior es cierto. 15 Aminoácidos no proteicos: ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera? $ La E-Alanina se incorpora a la estructura del coenzima A. % La Citrulina no interviene en el llamado “ciclo de la urea”. & La Taurina no se conjuga con los ácidos biliares en el hígado. ' El ácido J-aminobutírico posee actividad antitumoral. ( La Azaserina es un agente químico para la transmisión del impulso nervioso. 16 De los siguientes compuestos, ¿cuál pertenece a los denominados aminoácidos no proteicos? $ Hidroxiprolina.
% Hidroxilisina.
' Alanina.
( Azaserina.
& Desmosina.
17 En relación con la actividad óptica de aminoácidos, ¿qué afirmación es cierta? $ Los aminoácidos naturales normalmente son de la familia D. % Sólo hay un aminoácido, la Glicina, que posee dos carbonos asimétricos. & La actividad óptica se debe a la presencia de carbonos asimétricos y a la asimetría molecular de la molécula. ' Todos los aminoácidos son ópticamente activos. ( Nada de lo anterior es cierto. 18 En relación con la isomería de los aminoácidos, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ Los enantiómeros son dos isómeros ópticos. % La glicina no presenta isomería óptica. & Los antípodas ópticos son imágenes especulares uno del otro. ' Los diasteroisómeros no son entre sí imágenes especulares uno de los otros. ( Los diasteroisómeros son entre sí imágenes especulares uno de los otros.
PROTEÍNAS
99
19 Una mezcla racémica es: $ Una aminoácido con dos carbonos asimétricos. % Un aminoácido que presenta una plano de simetría. & Una forma activa de un aminoácido. ' Una mezcla equimolecular de dos antípodas ópticos. ( Dos moléculas de Cisteína. 20 En relación con la isomería de los aminoácidos qué afirmación es cierta: $ La glicina posee átomos de carbono asimétricos. % La treonina posee solo un átomo de carbono asimétrico. & La isoleucina posee dos átomos de carbono asimétricos. ' El racémico o racemato es una forma activa por compensación. ( La alanina no posee átomos de carbono asimétricos. 21 Entre los siguientes pares de aminoácidos hay uno que tiene dos carbonos asimétricos en cada aminoácido: $ Prolina-Isoleucina.
% Usoleucina-Metionina.
& Treonina-Arginina.
' Triptófano-Treonina.
( Treonina-Isoleucina. 22 En los aminoácidos, se ha tomado como patrón de referencia para el estudio de los esteroisómeros: $ El ácido Láctico.
% El ácido Tartárico.
' La Alanina.
( Ninguno de éstos.
& El Gliceraldehído.
23 Se denomina punto isoeléctrico de un aminoácido: $ Aquel valor de pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica. % pI
pK1 pK2.
& Aquel valor del pH en el que el aminoácido se desplazaría al ser sometido a una campo eléctrico. ' Aquel valor del pH en el que el aminoácido existe en forma catiónica. ( Aquel valor del pH en el que el aminoácido está en forma aniónica.
100
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
24 En relación con el punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ El número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas. % El aminoácido no tiene una carga neta. & El aminoácido se desplazaría sometido a la acción de un campo eléctrico. ' Es el valor del pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica. ( El punto isoeléctrico (pI) es la media aritmética de los pKs de los grupos carboxilo y amino [pI (pK1 pK2)/2]. 25 Los pK de un aminoácido resultaron ser: 2,1; 3,9 y 9,8. Se puede indicar que se trata de: $ Lisina.
% Histidina.
' Cisteína.
( Ácido Glutámico.
& Alanina.
26 Los pK de un aminoácido son: 2,2; 9,1 y 12,5. Se puede intuir que se trata de: $ Ácido Aspartico.
% Arginina.
' Glutamina.
( Leucina.
& Valina.
27 El anillo del indol es propio de: $ Tirosina.
% Glicina.
& Triptófano.
' Histidina.
( Fenilalanina.
28 ¿Cuál de los siguientes aminoácidos contiene azufre y no se encuentra en las proteínas? $ Homocisteína.
% Homoserina.
' Cisteína.
( Serina.
& Metionina.
29 En las reacciones de aminoácidos debidas al grupo amino, el dinitrofluorbenceno es el reactivo de: $ La reacción de Edman.
% La reacción de la Ninhidrina.
& La reacción de Sanger.
' La reacción de Millón.
( Reacción de formación de mercáptidos.
PROTEÍNAS
101
30 ¿Cuál de las siguientes propiedades no es específica del grupo carboxilo de un aminoácido? $ Formación de esteres. % Desaminación oxidativa. & Formación de aminas, por decarboxilación. ' Formación de amidas. $ Todas son específicas del grupo carboxilo. 31 En la reacción de Edman, el reactivo es: $ Dinitrofluorobenceno.
% Ioduro de Metilo.
& Nitroprusiato sódico.
' Cloruro de dansilo.
( Fenilisotiocianato. 32 ¿Cuál de las siguientes reacciones es específica del grupo amino de un aminoácido? $ Por oxidación no se produce la desaminación oxidativa. % El fenilisotiocianato (PITC) no reacciona con la amina. & La formación de betainas. ' El dinitrofluorobenceno (DNFB) no se combina con la amina del aminoácido. ( Ninguna es específica del grupo amino de una aminoácido. 33 En relación con los aminoácidos, ¿qué reacción nos permite determinar cuantitativamente los aminoácidos por gasometría? $ Reacción de Sanger.
% Reacción con la ninhidrina.
& Reacción de Edman.
' Reacción del Millón.
( Ensayo con nitroprusiato. 34 En relación a la reacción de los aminoácidos con ninhidrina, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ Permite determinar cuantitativamente los aminoácidos. % La Ninhidrina es reducida. & Se obtiene CO2 en la reacción ' El aminoácido se transforma en un aldehído con dos átomos de carbono menos. ( Se obtiene amoniaco en la reacción.
102
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
35 Reacciones de aminoácidos azufrados: $ La Cisteína, produce una coloración rojo-violácea con nitroprusiato sódico. % La Cisteína, forma un color rojo con nitrato de mercurio. & La Cisteína, produce un color amarillo con Ninhidrina. ' La Cisteína forma mercáptidos con el ion plata. ( La $ y la ' son ciertas. 36 La cisteína es capaz de dar mercáptidos tratándola con: $ El ión hierro.
% Nitroprusiato sódico.
& Nitrato cálcico.
' Los iones plata o mercurio.
( Grupos metilos. 37 La formación de betaínas se produce por: $ Metilación de aminoácido.
% Tratar con ácido perfórmico.
& Con formol.
' Con amoniaco.
( Con cloruro de dansilo. 38 ¿Cuál de estas reacciones es debida al grupo carboxílico? $ Reacción de Sanger. % Reacción de Edman. & Reacción de Millón. ' Reacción de formación de amidas. ( Reacción de formación de betaínas. 39 El reactivo de Edman reacciona en un péptido con: $ Grupos indólicos. % Grupos cisteína. & Grupos amino terminales. ' Grupo D-amino del enlace peptídico. ( Grupos carboxilo terminales. 40 La ninhidrina reacciona con los aminoácidos debido a una: $ Deshidrogenación. % Reducción del grupo amino. & Segmentación de la cadena lateral.
PROTEÍNAS
103
' Descarboxilación oxidativa. ( Nada de lo anterior es cierto. 41 Todas las siguientes son proteínas globulares excepto una que es fibrosa. ¿Cuál es? $ Histona.
% Queratina.
' Albúmina.
( Globulinas.
& Protamina.
42 ¿Cuál de los siguientes aminoácidos es esencial en la dieta humana? $ Alanina.
% Triptófano.
' Aspártico.
( Prolina.
& Glutamina.
43 Se practicó la electroforesis sobre papel a pH próximo a 7, de una mezcla de glicocola, alanina, glutámico, lisina y arginina. ¿Cuál de ellos se mueve hacia el ánodo? $ Glicocola.
% Alanina.
' Lisina.
( Arginina.
& Glutámico.
44 Enlace peptídico: ¿Qué afirmación es cierta? $ No existe libre rotación en el enlace
NH
% No existe libre rotación en el enlace
C
C . CO .
& Existe libre rotación sobre el eje del enlace ' Existe libre rotación en los enlaces
C
NH
C
N . y
C
CO .
( Nada de lo anterior es cierto. 45 Enlace peptídico: $ Todos los átomos de carbono participantes poseen hibridaciones sp2. % La orientación geométrica de los átomos de O y de H en el enlace peptídico es de tipo Cis. & La orientación geométrica de los átomos de O y de H en el enlace peptídico es de tipo Trans. ' La gran estabilidad del enlace peptídico se debe a que presenta una hibridación sp3. ( Todo lo anterior es cierto.
104
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
46 En relación a los enlaces peptídicos, ¿qué afirmación es cierta? $ Los grupos R unidos a los carbonos D, están dispuestos de un modo repetitivo Cis. % Los carbonos D tienen hibridación sp2. & El número de átomos que guardan coplanaridad es cuatro. ' El enlace
C
N
del agrupamiento amídico posee cierto carácter
de doble enlace. ( El enlace
C
O del enlace
peptídico no posee carácter de enlace simple.
47 En relación con el enlace peptídico, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera? $ Presenta una hibridación semejante a la sp3. % La cadena proteica sólo puede girar por sus CD, pero nunca por el enlace peptídico. & La orientación del oxígeno del carbonilo y del hidrógeno amídico es “cis”. ' El enlace C
N es sencillo y el C
O es doble.
( Todas son falsas. 48 Estructura en hoja plegada de proteínas: $ Se estabiliza por puentes de hidrógeno intracatenarios. % Predomina en las proteínas globulares. & No se encuentra en las proteínas fibrosas. ' Se estabiliza por puentes de hidrógeno intercatenarios. ( Nada de lo anterior es cierto. 49 La estructura D-hélice de las proteínas: $ Se estabiliza por puentes de hidrógeno intermoleculares. % Tiene siempre una configuración helicoidal levógira. & Cada vuelta de hélice comprende 3,6 residuos de aminoácidos. ' Es la adoptada por la fibroína de la seda. ( Se estabiliza por la presencia de enlaces disulfuros.
PROTEÍNAS
105
50 En relación con la estructura secundaria de las proteínas, ¿qué afirmación es falsa? $ La hélice levógira de poliprolina tiene tres residuos de aminoácidos por vuelta. % La hélice a se estabiliza por enlaces de hidrógeno intracatenarios. & La hélice 310 tiene tres residuos de aminoácidos por vuelta. ' Las estructuras E tiene enlaces de hidrógeno intracatenarios. ( Las hojas antiparalelas son más estables que las paralelas. 51 Niveles de estructuras en proteínas: $ La cuaternaria hace referencia a la asociación de subunidades semejantes o diferentes de la proteína en oligómeros, estabilizados por fuerzas no covalentes. % La primaria se refiere a la orientación geométrica de la cadena polipeptídica que sirve de esqueleto al polímero. & La secundaria se refiere a la arquitectura tridimensional completa de la proteína, incluyendo la orientación de los posibles grupos prostéticos. ' La terciaria se refiere a la agregación de las cadenas polipeptídicas. ( Todo lo anterior es cierto. 52 Cuando se habla de estructura secundaria y terciaria de una proteína, se hace referencia, principal y respectivamente a: $ Interacciones electrostáticas. % Secuencia de aminoácidos; enlaces por puentes de hidrógeno. & Enlaces por puente de hidrógeno; enlaces hidrofóbicos y otros tipos de enlaces. ' Fuerzas de Van der Waals; fuerzas repulsivas. ( Enlaces disulfuros; enlaces covalentes coordinados. 53 Se denomina oligómera a la proteína que tiene: $ Varios puentes de hidrógeno.
% Estructura de hoja plegada.
& Varios enlaces covalentes.
' Varias cadenas polipeptídicas.
( Pocos aminoácidos. 54 En la estructura cuaternaria, el término protómero indica: $ La secuencia de aminoácidos. % La estructura global de la proteína.
106
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
& El conjunto de las cadenas polipeptídicas. ' Cada una de las cadenas polipeptídicas individuales. ( Nada de lo anterior es cierto. 55 Referente a la estructura en hoja plegada o beta, ¿qué afirmación es cierta? $ La estructura en hojas Beta paralelas tiene lugar con dos hebras solamente. % Las hojas E-antiparalelas necesitan fundamentalmente al menos cinco hebras. & Las hojas E-antiparalelas están generalmente ocultas, protegidas por otra cadena, frecuentemente hélices D. ' Las hojas E-antiparalelas son más estables que las paralelas. ( Las hojas E-paralelas son más estables que las antiparalelas. 56 ¿Qué afirmación es cierta teniendo presente el tipo de enlace característico de las hojas E? $ Las hojas antiparalelas tienen puentes de hidrógeno perpendiculares a las hebras. % Las hojas antiparalelas tienen enlaces de hidrógeno que forman ángulo con respecto a las hebras enlazadas. & Las hojas paralelas y antiparalelas tienen el mismo tipo de enlace, espaciados regularmente. ' Las hojas paralelas tienen enlaces de hidrógeno perpendiculares a las hebras, alternando los próximos con los más espaciados. ( Las hojas paralelas presentan generalmente enlaces intramoleculares. 57 ¿Cuál de las siguientes interacciones contribuye al mantenimiento de la estructura primaria de las proteína? $ Interacciones de Van der Waals.
% Puentes de hidrógeno.
& Fuerzas hidrófobas.
' Enlaces covalentes.
( Interacciones electrostáticas. 58 El ácido perfórmico se usa en el estudio de la conformación de proteínas porque: $ Rompe enlaces disulfuro. % Sirve para conocer el aminoácido NH 2 terminal. & Sirve para conocer el aminoácido COOH.
PROTEÍNAS
107
' Cuantifica los enlaces por puentes de hidrógeno. ( Analiza los aminoácidos básico presentes. 59 La estructura secundaria en alfa-hélice se rompe si en la secuencia de aminoácidos está: $ Tirosina.
% Fenilalanina.
' Prolina.
( Leucina.
& Valina.
60 La desnaturalización de las proteínas: $ Aumenta la solubilidad. % Sólo altera su estructura primaria. & Aumenta su reactividad química. ' Disminuye la resistencia a la hidrólisis por los enzimas proteolíticos. ( Aumenta su estructura helicoidal. 61 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la hélice D es falsa? $ Se estabiliza por enlaces intramoleculares de hidrógeno. % Contiene 3,6 restos de aminoácidos por vuelta de hélice. & Es un tipo de estructura secundaria. ' Se estabiliza por interacciones hidrófobas. ( Los residuos de prolina tienden a modificar la estructura de la hélice. 62 La desnaturalización de las proteínas: $ Aumenta la solubilidad. % Disminuye la solubilidad. & Facilita su cristalización. ' No se produce con concentraciones altas de urea. ( Implica disminución de la entropía. 63 Las curvas de valoración ácido-base de las proteínas: $ No se alteran en presencia de ciertas sales o iones. % Pueden dar una idea cualitativa de los aminoácidos presentes que poseen grupos ionizables. & Indican que el pI es el pH al cual la proteína presenta máxima carga neta.
108
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
' Indican que el mayor poder amortiguador de las proteínas existe a pH fisiológicos. ( Nada de lo anterior es cierto. 64 En relación con las propiedades de proteínas es cierto que: $ Las proteínas son muy solubles en disoluciones concentradas de sales. % Siempre el punto isoeléctrico es igual al isoiónico. & A mayor constante dieléctrica del disolvente, las proteínas tienden a aumentar su solubilidad. ' En el punto isoeléctrico es máxima la conductibilidad eléctrica de las proteínas. ( Los electrolitos de alta fuerza iónica aumentan la solubilidad proteica. 65 En relación con la solubilidad y precipitación de una proteína, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ La solubilidad de una proteína es función de la fuerza iónica y del pH del medio. % La adición de un disolvente orgánico precipita proteínas de sus soluciones. & Si disminuye el coeficiente de actividad de la proteína en agua pura, su solubilidad disminuye. ' Las proteínas pueden precipitarse de sus soluciones por diversos iones positivos. ( Todas son ciertas. 66 La fuerza iónica molar de una disolución 0,1 M de sulfato sódico es: $ 0,1.
% 0,3.
& 0,45.
' 0,5.
( 0,6.
67 El método de COHN, se utiliza para precipitar proteínas del plasma. ¿Cuál es el reactivo utilizado? $ Sulfato amónico. % Acetona. & Metales divalentes. ' Ácido fosfórico y fosfato disódico. ( Alcohol a distintos valores del pH.
PROTEÍNAS
109
68 La adición de acetona a una disolución de proteínas hace que: $ La constante dieléctrica del disolvente disminuya. % Aumenten las fuerzas de interacción electrostática entre las moléculas de las proteínas. & Precipiten las proteínas. ' La $, la % y la & son ciertas. ( Nada de lo anterior es cierto. 69 De las siguientes proteínas, cuales no son heteroproteínas: $ Metaloproteínas.
% Fosfoproteínas.
' Nucleoproteínas.
( Lipoproteínas.
& Albúminas.
70 De las siguientes proteínas hay una simple y fibrosa. ¿Cuál? $ Albúmina.
% Protaminas.
' Colágeno.
( Globulinas.
& Glutelinas.
71 En relación con las proteínas de las siguientes afirmaciones, una es falsa. ¿Cuál? $ Las protaminas son proteínas globulares. % Las Albúminas son solubles en agua. & La elastina es una proteína globular. ' El colágeno es una proteína fibrosa. ( Las Glutelinas no son proteínas conjugadas. 72 La función de las proteínas en el organismo es: $ Solamente de tipo estructural. % De tipo funcional únicamente. & No está relacionada con el sistema inmunitario. ' De tipo estructural y funcional. ( Nada de lo anterior es cierto. 73 Las homoproteínas son: $ Proteínas simples. % Proteínas constituidas por aminoácidos y otros compuestos no aminoacídicos. & Son cromoproteínas.
110
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
' Son lipoproteínas. ( Nada de lo anterior es cierto. 74 Las hemoproteínas son proteínas conjugadas cuyo grupo prostético es: $ Un fosfolípido. % Una sustancia coloreada que contiene un metal. & Un flavin-nucleótido. ' La ferroprotoporfirina. ( Un carbohidrato. 75 Proteínas conjugadas: ¿Qué afirmación es cierta? $ Las lipoproteínas se conjugan con esfingosina. % Las cromoproteínas contienen elementos metálicos dentro de la misma molécula proteica. & Las escleroproteínas pertenecen a este grupo. ' Las Glucoproteínas contienen glúcidos. ( Las Histonas son proteínas conjugadas. 76 Entre los siguientes pares de proteínas hay uno en el que las dos proteínas son fibrosas. ¿Cuál es? $ Colágeno-Hexoquinasa. % Elastina-Caseína. & Colágeno-Elastina. $ Queratina-Albúmina. % Albúmina-Elastina. 77 En $ % & ' (
relación a las proteínas, ¿qué afirmación es falsa? Las Glutelinas son insolubles en agua. La Prolaminas son solubles en alcohol de 70-80%. Las Escleroproteínas son proteína fibrosas insolubles. Las Histonas son solubles en agua y ácidos diluidos. Las Lipoproteína son proteínas conjugadas que no contienen colesterol ni fosfolípidos.
78 ¿Cuál de los siguientes pares de proteínas modulan funciones del organismo? $ Hexoquinasa-Elastina. % Caseína-Hormona del crecimiento. & Actina-Queratinas.
PROTEÍNAS
111
' Histona-Insulina. $ Hormona del crecimiento-Insulina. 79 ¿Cuál de las siguientes proteínas pertenece a las denominadas contráctiles? $ Actina.
% Colágeno.
' Caseína.
( Albúmina.
& Mioglobina.
80 ¿Cuál de las siguientes proteínas es conjugada o compuesta? $ Globulinas.
% Escleroproteínas.
& Histonas.
' Lipoproteínas.
( Albúminas. 81 Una de las siguientes proteínas no pertenece a las denominadas transportadoras. ¿Cuál? $ Seroalbúmina.
% Mioglobina.
& Miosina.
' Hemoglobina.
( E-lipoproteína.
RESPUESTAS RAZONADAS 1 & La tirosina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R polares sin carga, su formula estructural es: NH2 HO
CH2
CH
COOH
y su nombre químico es: ácido D-amino, E-hidroxi fenil propiónico. 2 % La fenilalanina pertenece al grupo de los aminoácidos con grupos R no polares, su fórmula estructural es: NH2 CH2
CH
COOH
y su nombre químico es: ácido D-amino, E-fenil propiónico.
112
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
3 ' La histidina pertenece al grupo de los aminoácidos en grupos R cargados positivamente, su formula estructural es: NH2 HC HN
C
CH2
CH
COOH
NH CH
y su nombre químico es: ácido D-amino, E-imidazol propiónico. 4
$ La arginina tiene por formula estructural:
NH2
NH2
C
NH2
NH
CH2
CH2
CH2
CH
COOH
que corresponde a la fórmula molecular C 6H15O2N4. 5
( La fórmula estructural de la serina es: NH2 OH
CH2
CH
COOH
y su nombre químico es: ácido D-amino, E-hidroxipropiónico. 6
% La metionina tiene por formula estructural: NH 2 CH3
S
CH2
CH2
CH
COOH
que corresponde a la fórmula molecular C 5H11O2N5 y al nombre químico de ácido D-amino, J-metil-tio-n-butírico. 7 & La cisteína, que pertenece al grupo de aminoácidos con grupos R polares sin carga, contiene el grupo SH que puede formar enlaces de hidrógeno con el agua. 8 ' Todos los aminoácidos a pH 7 tienen sus grupos amino y carboxilo ionizados, exceptuando la histidina que los tiene a pH 6. 9 $ La lisina, ya que a pH 7 el grupo R posee una carga neta positiva, lo que hace que sea una aminoácido básico. NH 2 H 3N
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
COOH
Ácido D-amino H-amino-caproico
PROTEÍNAS
113
10 % Elastina, pertenece a las escleroproteínas juntamente con el colágeno y queratinas, son proteínas fibrosas, insolubles y con función estructural. 11 ' La estructura cuaternaria se estabiliza por todo tipo de interacciones menos las covalentes, las fuerzas de unión son por ello no covalentes y el enlace disulfuro es una unión covalente. 12 & La función alcohol está presente en la molécula de treonina, su fórmula estructural es: OH NH2 CH3
CH
CH
COOH
que corresponde al nombre químico: ácido D-amino, E-hidroxi-n-butírico. 13 % Corresponde a la alanina, que es un aminoácido que no es necesario adquirirlo necesariamente con la dieta. 14 & Se denominan aminoácidos esenciales para la especie humana aquellos que no pueden ser sintetizados por las células del organismo humano a partir de materiales sencillos, tienen que adquirirse necesariamente con la dieta. La histidina para el ser humano se clasifica como aminoácido esencial aunque sólo para los lactantes. 15 $ La E-alanina es un precursor del ácido pantoténico, vitamina indispensable para el crecimiento de los animales superiores, en forma de pantoteína se incorpora a la estructura del coenzima A. 16 ( La azaserina es una sustancia con actividad antitumoral, su fórmula molecular es C5O4H7N3 y la estructural: NH 2 N
N
CH
C
O
CH2
CH
COOH
O 17 & Carbonos asimétricos son aquellos que están unidos a 4 sustituyentes distintos, pero si no existe asimetría molecular no se produce el giro del plano de la luz polarizada, se forma por ello un isómero inactivo.
114
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
18 ( Aquellos aminoácidos que poseen dos átomos de carbono asimétrico presentan cuatro esteroisómeros. Los diasteroisómeros no son entre sí imágenes especulares uno de los otros, por ejemplo la L-treonina con la L-alo-treonina o con la D-alo-treonina. 19 ' Un racémico es una mezcla equimolecular de dos isómeros D y L, denominados antípodas ópticos, se representa por DL y es un isómero inactivo por compensación. 20 & Todos los aminoácidos, a excepción de la glicina, poseen átomos de carbono asimétricos, por tanto, presentan actividad óptica. La treonina y la isoleucina presentan dos átomos de carbono asimétricos, los restantes aminoácidos un átomo de carbono asimétrico. 21 ( La treonina y la isoleucina presentan ambos dos carbonos asimétricos en su molécula, como podemos ver en sus fórmulas estructurales: NH 2 CH3
CH2
*CH
CH *
CH3 Isoleucina
COOH
OH CH3
NH3
CH CH COOH * * Treonina
22 & En los aminoácidos se toma como patrón de referencia para el estudio de los esteroisómeros el gliceraldehído. Cualquier aminoácido puede relacionar el grupo NH2 estéricamente con el grupo hidroxilo del átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído, el grupo carboxilo con el grupo aldehído y el grupo R a su vez con el grupo CH2OH del gliceraldehído. 23 $ Se denomina pI de un aminoácido el valor del pH para el cual el número de cargas negativas es igual al número de cargas positivas, es decir: [anión] [catión] y el aminoácido no se desplaza al ser sometido a un campo eléctrico. 24 & El punto isoeléctrico (pI) de un aminoácido es aquel valor del pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica, es decir, que el amino, y, por lo tanto, no se desplazaría sometido a la acción de un campo eléctrico. pI (pK1 pK2)/2. 25 ( El ácido glutámico es el único aminoácido de los propuestos que en su grupo R posee carga negativa, luego es ácido como nos indica su pKa.
PROTEÍNAS
115
26 % La arginina es el único aminoácido de los propuestos con un grupo R cargado positivamente, y por ello aminoácido básico. Su pI será: pI
pK1 pK2 (9,1 12,5) = 10,8 = 2 2
27 & El triptófano tiene por fórmula estructural: C
CH2 CH
N
CH
COOH
NH2
H y su fórmula química es: ácido D-amino, E-3-indol propiónico. 28 $ La homocisteína es un intermediario en la síntesis de cisteína, además de ser un precursor en el ciclo de los metilos activados. Su fórmula estructural es: NH2 HOOC
CH
CH2
CH2
SH
29 & Reacción de Sanger determina cuantitativamente grupos amino terminales, utiliza como reactivo el dinitrofluorobenceno, formándose dinitrofenil-aminoácido y se libera ácido fluorhídrico. 30 % La desaminación oxidativa es una propiedad del grupo amino, tiene lugar por oxidación y da lugar un cetoácido y amoniaco. 31 ( El reactivo utilizado en la reacción de Edman es el fenilisotiocianato, que reacciona con la amina en un medio alcalino débil, formando un compuesto que se cicla en un medio ácido débil con pérdida de una molécula de agua dando feniltiohidantoína. Este método permite identificar en una proteína los aminoácidos con grupo amino libre. 32 & Las betainas se producen por metilación del grupo amino del aminoácido por la introducción de uno, dos o tres grupos metilos, obteniéndose las llamadas betainas mono, di y trisustituidas. NH2
NH3 R
C H
COO ICH3
Ioduro de metilo
R
C
CH3
COO HI
H Betaína
116
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
33 % Esta reacción tiene gran interés, ya que da lugar a una reacción coloreada de los aminoácidos; utilizada para la identificación y sobre todo para su determinación cuantitativa. La ninhidrina decarboxila y desamina al aminoácido gracias a su fuerte poder oxidante, de esta forma se puede determinar cuantitativamente los aminoácidos por espectrofotometría y también por gasometría, gracias al dióxido de carbono que se forma. 34 ' La ninhidrina decarboxila, desamina y reduce al aminoácido gracias a su poder oxidante. Se utiliza esta reacción para determinar cuantitativamente los aminoácidos de una proteína. 35 ( La cisteína por poseer un grupo sulfhídrilo activo produce una coloración rojo-violácea con nitroprusiato sódico y forma mercáptidos, por la misma razón, con los iones plata o mercurio. 36 ' La cisteína es capaz, gracias a su grupo sulfihidrilo activo, de dar mercáptidos con el ión plata o mercurio, liberándose un hidrogenión. Así se inactivan los grupos sulfhidrilos. NH2 HS
CH2
CH
NH2
Ag
COOH
AgS
CH2
CH
COOH H
37 $ Las betaínas se producen por metilación del aminoácido en el grupo amino, pueden ser mono, di o trisustituidas según tengan uno, dos o tres metilo, respectivamente. 38 ' El grupo carboxilo de un aminoácido forma por reacción con un alcohol un éster; si el éster formado se hace reaccionar con amoniaco se forma una amida. 39 & El reactivo de Edman, el fenilisotiocianato, permite identificar en una proteína los aminoácidos cuyo grupo amino esta libre, es decir, los grupos amino terminales. 40 ' La ninhidrina decarboxila oxidativamente al aminoácido debido a su gran poder oxidante. 41 % La queratina pertenece a las escleroproteínas, que son proteínas fibrosas.
PROTEÍNAS
117
42 % Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen aminoácidos que tienen que adquirirse necesariamente con la dieta, se denominan aminoácidos esenciales, y son: valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, triptófano y lisina. 43 & El ánodo es el polo positivo, luego se moverá hacia él aquel aminoácido que tenga, a ese pH, carga neta negativa. Los aminoácidos que tienen dicha carga son: el ácido aspártico y el ácido glutámico. 44 ' Todos los átomos que forman el enlace peptídico están en el mismo plano, razón por la cual la cadena proteica sólo puede girar por los C D. La rotación es alrededor del enlace simple CD N y alrededor del eje C D C. 45 & Los átomos de O y de H en el enlace peptídico distan 4,04 Å en la disposición trans y solamente 2,8 Å en las cis; las fuerzas de interacción e impedimentos estéricos están reducidos al mínimo en la configuración trans, que está por ello favorecida. 46 ' El hecho de que los átomos participantes en el enlace peptídico están en un mismo plano le confiere una gran estabilidad. Esta estabilidad se explica mediante la resonancia entre las estructuras que los forman: O CD
C
N
CD
O
H
CD
Por efecto de esta resonancia los enlaces C sencillo y doble.
C
NyC
N
CD H
O son intermedios entre
47 % La propiedad fundamental del enlace peptídico es que todos los átomos que lo forman han de estar en un mismo plano, por lo que la cadena proteica solo puede girar por sus CD, pero nunca por el enlace peptídico. 48 ' A diferencia de la hélices D, en las que los enlaces tienen lugar intracadena, las estructuras planas se relacionan entre sí por puentes de hidrógeno intercadena. 49 & Una hélice queda definida por tres parámetros: n número de aminoácidos por vuelta de hélice, d distancia entre elementos iguales de dos aminoácidos consecutivos medida en la dirección del eje principal, y p paso de hélice, que es la distancia entre elementos homólogos medida en la dirección del eje principal de la hélice. Para la hélice D, n 3,6.
118
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
50 ' Las estructuras E tienen enlaces de hidrógeno intercatenartios. Las antiparalelas tienen puentes de hidrógenos perpendiculares a las hebras, alternando los próximos con otros más alejados. Las paralelas tienen enlaces de hidrógeno espaciados regularmente que forman ángulo respecto a las hebras enlazadas. 51 $ La estructura cuaternaria de proteínas hace referencia a la asociación de subunidades semejantes o diferentes en oligómeros, estabilizados por fuerzas no covalentes. 52 & La estructura secundaria de proteínas se estabiliza por puentes de hidrógeno, mientras que la estructura terciaria se mantiene por uniones salinas, enlaces de hidrógeno, puentes S S, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrófobas y otros tipos de enlace. 53 ' Se denomina oligómera la proteína que está formada por varias cadenas polipeptídicas, son estas proteínas las que poseen el nivel cuaternario o estructura cuaternaria. 54 ' El término protómero equivale a cada una de las cadenas polipeptídicas individuales que forman la proteína oligomérica. 55 ' La estructura E-paralela casi nunca tiene lugar en hojas de menos de cinco hebras, las hojas E-paralelas están casi siempre ocultas, protegidas por otras cadenas polipeptídica, mientras que las hojas E-antiparalelas frecuentemente toman la disposición de un cordón de dos hebras solamente; las hojas antiparalelas generalmente tienen un lado expuesto al solvente y el otro lado oculto, por lo tanto presentan una alternancia de hidrofobidicidad. Estos tres requerimientos de las hojas paralelas (regularidad, tamaño y protección), sugieren que la estructura paralela es menos estable que la antiparalela. 56 $ Las hojas E pueden interactuar en orientación paralela o antiparalela, y cada una de ellas tiene un tipo característico de puentes de hidrógeno. Las hojas antiparalelas tienen los puentes de hidrógeno perpendiculares a las hebras. 57 ' La estructura primaria se refiere a la disposición de los aminoácidos integrantes de la cadena, así como su orden o secuencia y disposición de enlace peptídico. Un péptido se forma uniendo, cabeza con cola, los aminoácidos. El grupo amino de una unidad se une al grupo carboxilo de la siguiente, eliminando una molécula de agua y formando un enlace peptídico, que es un enlace covalente.
PROTEÍNAS
119
58 $ Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una proteína, se debe observar si esta consta de varias cadenas polipeptídicas y, en caso de que fuera así, y estas estén unidas por enlaces covalentes, el primer paso a seguir es la ruptura de estos enlace. Los enlaces cruzados covalentes S S , pueden escindirse por oxidación con ácido perfórmico. 59 ' Hay aminoácidos que permiten hélice D estable. Otros que la inestabilizan y rompen, estos son la prolina y la hidroxiprolina. 60 & La desnaturalización produce cambios en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de una molécula proteica: altera la estructura interna y disposición de las cadenas peptídicas, disminuye la simetría (pérdida helicoidal), por ello aumenta la reactividad química, en particular en grupos ionizables y sulfhidrilo. 61 ' Las proposiciones $, %, & y ( son correctas, la ' es falsa ya que la hélice D se estabiliza por enlaces intramoleculares de hidrógeno. 62 % La desnaturalización de las proteínas disminuye la solubilidad, ya que aumenta la reactividad y las interacciones proteicas son mayores que las interacciones con el agua, por ello la proteína precipita. 63 % Pueden dar una idea cualitativa de los aminoácidos presentes que poseen grupos ionizables, ya que representamos pH frente a equivalentes de OH añadidos, y sabemos que los aminoácidos en soluciones ácidas existen en forma de catión, y cuando titulamos con álcalis (aumentando el pH) muestran etapas de disociación de ion H, bien sucesivas o superpuestas con formación de zwiteriones y, finalmente, aniones proteínicos. 64 & Los grupos iónicos de las molecular de proteína entran en interacción electrostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes con tendencia a formar agregados y oposición a la solubilidad. Esta interacción entre grupos cargados de las proteínas disminuye en agua pura con una constante dieléctrica alta, las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. 65 & Si se agregan a una solución de proteína en agua pura pequeñas cantidades de sal, disminuye el coeficiente de actividad de la proteína, y su solubilidad aumenta. Este fenómeno es llamado disolución salina o salting in.
120
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
66 % La fuerza iónica viene dada por la expresión siguiente: 1 cZ 2 2 carga o valencia. u
donde c
concentración y Z
Na2SO4 u
2 Na SO4
1 (0,2) (12) (0,1) (22) 2
0,2 0,4 = 0,3 2
67 ( Para la obtención de las distintas proteínas a partir de grandes cantidades de plasma sanguíneo se utiliza el denominado método de COHN de fraccionamiento. Consiste en variar el pH y la concentración de alcohol y nos precipitan distintas fracciones conteniendo distintas proteínas. 68 ' La adición de un disolvente orgánico, como acetona, a una solución de proteína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza algunas de las moléculas de agua asociadas con la proteína y reduce la concentración de agua presente en la solución, luego aumenta las fuerzas de interacción electrostática entre las moléculas de las proteínas y éstas tienden a precipitar. 69 & Las albúminas son homoproteínas, proteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 70 ' El colágeno es una escleroproteína, que son proteínas fibrosas, simples e insolubles en agua y soluciones acuosas. 71 & La elastina es una proteína fibrosa, es una escleroproteína. 72 ' Las proteínas son componentes esenciales de todas las células vivas. Su misión en el organismo es de dos tipos: una de tipo estructural, formando parte del propio organismo (escleroproteínas) y otra de tipo funcional (ej: la hemoglobina transporta O2 en la sangre). 73 $ Las homoproteínas simples constituidas sólo por aminoácidos. 74 ' Las Hemoproteínas son proteínas conjugadas, cuyo grupo prostético (porción no aminoacídica) es la ferroprotoporfirina. 75 ' Las glucoproteínas son proteínas conjugadas, son heteroproteínas constituidas por aminoácidos y glúcidos como grupo prostético.
PROTEÍNAS
121
76 & El colágeno y la elastina son proteínas fibrosas. Son los elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales superiores: así, el colágeno, en el tejido conectivo fibroso (tendones, hueso, cartílago, ...), la elastina, tejido conectivo elástico (ligamentos). 77 ( Las lipoproteínas son proteínas conjugadas que contienen triacilglicéridos u otros lípidos como el colesterol los fosfolípidos. 78 ( La Insulina regula el metabolismo de la glucosa. La Hormona del Crecimiento estimula el crecimiento de los huesos. Ambas son hormonas, y las hormonas son moduladoras o reguladoras de las funciones del organismo. 79 $ La actina actúa como elemento esencial en los sistemas móviles y contráctiles, concretamente en los filamentos móviles de las miofibrillas. 80 ' Las lipoproteínas son proteínas conjugadas, su grupo prostético es un lípido, generalmente fosfolípidos, colesterol y triacilglicéridos. 81 & La miosina no es una proteína transportadora sino contráctil, se encuentra en los filamentos estacionarios de las miofibrillas.
Bloque temático 3
Proteínas funcionales PROTEÍNAS PLASMÁTICAS La sangre está formada por plasma y elementos formes. El plasma sanguíneo es la parte líquida que queda después de sedimentar los elementos formes de la sangre no coagulada; contiene en solución una gran cantidad de proteínas cuya concentración oscila entre 5 y 8 g / dl, según la edad del individuo. Hay diferentes tipos de proteínas en el plasma, cada una de ellas tiene una función específica, pero todas comparten una serie de funciones generales: a) Mantenimiento de la presión oncótica de la sangre. b) Transporte de macromoléculas biológicas. c) Contribución al equilibrio electrolítico. d) Tomar parte en el sistema de taponamiento de la sangre con 15 mmol/ l de protones. e) Intervenir en el recambio de proteínas tisulares. Mediante una separación electroforética de las proteínas del plasma se obtienen varias fracciones: albúmina, D-globulinas, E-globulinas, fibrinógeno y J-globulinas. Esta clasificación sólo se refiere al comportamiento electroforético y no indica nada acerca de la forma o estructura de las proteínas (figura 3.1).
Albúmina La albúmina es una proteína simple formada por una sola cadena, su aminoácido N-terminal es el ácido aspártico y el C-terminal la leucina en la especie humana, su peso molecular es de 66.000, tiene forma de elipsoide con unas dimensiones de 141 Å de eje mayor y 41 Å de eje menor. Por titulación se comprueba que tiene 180 grupos funcionales con actividad iónica, de lo que resulta con 18 cargas negativas libres en las condiciones habituales de pH y fuerza iónica. Debido a la existencia en su molécula de puentes S S y un
124
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
grupo SH libre, las moléculas de albúmina pueden unirse formando dímeros. Su pequeño tamaño y el gran número de cargas hace que se desplace en primer lugar en el patrón electroforético, su pH I es de 4,7. Es la fracción principal de las proteínas del plasma de las que constituye entre el 60 y 70%, su concentración varía entre 4 y 5 g/dl en individuos normales. Tiene tres funciones importantes: 1. Transporta sustancias fisiológicas y no fisiológicas, insolubles en agua, estableciendo uniones de tipo iónico. Entre estas sustancias están: ácidos grasos, bilirrubina, hormonas como corticoides y tiroxina, vitaminas como la B 12 , diversos fármacos y cationes como Ca 2 y Mg 2. 2. Es la proteína más importante en el mantenimiento de la presión oncótica e la sangre; al fijar agua en su molécula impide que escape de los vasos sanguíneos. 3. Contribuye a la capacidad tampón de la sangre. Se sintetiza en el hígado, 12 g/día, a través de un precursor más grande, la proalbúmina. Se degrada proteolíticamente y tiene una vida media de 20 días.
FIGURA 3.1. Esquema del patrón electroforético del suero humano normal a pH 8,6. (A) Bandas de las proteínas plasmáticas separadas por electroforesis, tras su tinción. (B) Picos característicos de proteínas plasmáticasdeterminados por lectura densitométrica de la tira de electroforesis.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
125
Globulinas Proteína
D-globulinas
(Suero) g / dl
Síntesis
Función
Lesiones
0,8
* Protrombina
Hígado
Coagulación sanguínea.
* Transcortina
Hígado
Transporta cortisol p En enfermedades y corticosterona. hepáticas.
* Haptoglobina
Hígado
Transporta hemoglobina de los eritrocitos lisados.
* Ceruloplasmina
Transporta cobre por la sangre.
* D-lipoproteína (HDL)
Transporta lípidos.
E-globulinas
p En enfermedades hepáticas.
p En enfermedades hepáticas. Está implicada en la enfermedad de Wilson, acúmulo de cobre en sistema nervioso central.
0,9
* Transferrina
Hígado
Transporta hierro. p En el embarazo y en enfermedades hepáticas.
* Plasminógeno
Hígado
Fibrinolisis.
* Factor C3 del complemento
Defensa biológica.
* Lecitín-colesterol actil-transferasa (LCAT)
Hígado
* E-lipoproteína (LDL)
J-globulinas
Esterifica colesterol.
p En enfermedades hepáticas.
Transporta lípidos.
* Fibrinógeno
* Inmunoglobulinas
p En enfermedades hepáticas.
Hígado
Coagulación sanguínea.
p En enfermedades hepáticas.
0,9 Células Anticuerpos. plasmáticas
* C6, C7, C8
Factores del complemento.
* Properdina
Activación no específica del complemento.
n En infecciones.
126
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Fibrinógeno Es una proteína plasmática de peso molecular 340.000 que corresponde a unos 3.000 aminoácidos. Está formado por 6 cadenas polipeptídicas: 2D, 2E y 2J. El peso molecular de la cadena D es 67.000, el de la E 56.000 y el de la J 47.000. La molécula es un dímero, las cadenas están unidas por 29 puentes S S , 13 de ellos en cada mitad del dímero y 3 estableciendo la conexión de las dos mitades. Si se considera la mitad del dímero de fibrinógeno, se observa que, en su mayor parte, las tres cadenas forman una hélice D superenrrollada, que une dos anillos disulfuro formados por tres uniones S S . En las regiones N-terminales de las cadenas D y E (zona central del dímero) hay unos pequeños péptidos, fribrinopéptido A y B, respectivamente. La trombina rompe los enlaces peptídicos arginina-glicina para liberar el fribrinopéptido A de 18 residuos de la cadena D, y el fibrinopéptido B de 20 residuos de la cadena E, de esta forma transforma la molécula de fribinógeno en un monómero de fibrina, que se asocian para formar una red de fibrina. Los fibrinopéptidos poseen una elevada carga neta negativa ya que en ellos abundan residuos de aspartato y glutamato, y en el fibrinopéptido B hay residuos de tirosín-O-sulfato que está cargado negativamente. La existencia de esta carga negativa en los fibrinopéptidos es lo que hace que las moléculas de fibrinógeno se mantengan separadas. Cuando los fibrinopéptidos se liberan por acción de la trombina, la carga neta de la zona central cambia desde 8 a 5, y como cada uno de los dominios terminales posee una carga neta negativa de 4, se establecen interacciones electrostáticas entre el dominio central y uno terminal, con lo que durante la polimerización se solapan los monómeros de fibrina. La red de fibrina así formada se estabiliza mediante la formación de enlaces cruzados covalentes entre las cadenas laterales de diferentes moléculas en la fibra de fibrina. Realmente se forman enlaces peptídicos entre cadenas laterales específicas de glutamina y lisina, reacción que está catalizada por el Factor XIIIa (figura 3.2).
Inmunoglobulinas Las inmunoglobulinas o anticuerpos son glicoproteínas que se detectan en la electroforesis del suero en la facción de las J-globulinas. Los animales las sintetizan en respuesta a una sustancia extraña o antígeno. Son sintetizadas por las células plasmáticas, que derivan de los linfocitos B. Se unen específicamente al antígeno que produjo su síntesis. Un anticuerpo no es específico de la molécula completa de antígeno sino de una zona concreta de la misma que se denomina determinante antigénico o epitopo. Una molécula de inmunoglobulina, en general, está formada por dos cadenas L (ligeras) idénticas y dos cadenas H (pesadas), también idénticas, que
PROTEÍNAS FUNCIONALES
127
FIGURA 3.2. Esquema de la interacción de los monómenos de fibrina para formar el coágulo.
se mantienen unidas por puentes disulfuro y uniones no covalentes, asimismo existen puentes disulfuro intracatenarios. Las cadenas L pueden ser de dos tipos: O ó N, para una inmunoglobulina las dos cadenas pueden ser O ó N pero no una de cada tipo. Las cadenas H pueden ser de cinco tipos: J, D, P, G y H, cada una define una clase de inmunoglobulinas, así tendremos: IgG, IgA, IgM, IgD e IgE, respectivamente. Una clase de inmunoglobulinas es aquella que tiene propiedades antigénicas únicas, cada clase tiene diferencias estructurales que producen distintos determinantes antigénicos. Dentro de cada clase de inmunoglobulinas hay subclases, según los tipos de cadena pesada; cada subclase tiene distintos determinantes antigénicos, así por ejemplo hay cuatro subclases de IgG, según que su cadena pesada sea J 1, J 2, J 3 ó J 4. En una inmunoglobulina hay varios tipos de determinantes antigénicos: ,VRWtSLFRV HVWiQHQWRGRVORVLQGLYLGXRVGHXQDHVSHFLH $ORWtSLFRV HVWiQHQDOJXQDV]RQDVGHODSREODFLyQ ,GLRWtSLFRV VRQSURSLRVGHFDGDLQGLYLGXR La cadena L se divide en dos regiones, una región variable, V L, desde el residuo amino terminal hasta la mitad de la cadena (residuos 1 a 108), y una región constante, C L desde la mitad de la cadena al residuo C-terminal (residuos 109 a 214). En la cadena H también hay dos regiones, una variable, VH, en el
128
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
extremo amino terminal, de igual longitud que V L, y una región constante, CH, que es tres veces más larga que C L (figura 3.3).
FIGURA 3.3. Esquema de uan inmunoglobulina G.
Las regiones variables de las cadenas L y H no son variables de manera uniforme. Hay tres segmentos de la cadena L y cuatro de la cadena H que presentan muchísima más variabilidad que el resto de la región variable. Estas zonas hipervariables de las dos cadenas L y H forman el centro de unión del antígeno. Estas zonas hipervariables se denominan también regiones determinantes de la complementación (CDRs), porque determinan la especificidad del anticuerpo. La región constante de cadena pesada, CH, toma parte en funciones efectoras, como por ejemplo la unión al complemento y la trasferencia de los anticuerpos a través de la membrana placentaria. Así pues, distintas clases de anticuerpos pueden tener la misma especificidad y viceversa. Cada clase de inmunoglobulinas tiene actividades biológicas distintas. La inmunoglobulina M (IgM) es la primera clase que aparece en el suero después de una infección; es un pentámero donde la unión de los monómeros se debe a la proteína J; su función más importante es la de aglutinación, que se produce cuando el antígeno no es soluble. La inmunoglobulina G (IgG) es el anticuerpo principal del suero; es capaz de atravesar la membrana placentaria y pasar a la circulación fetal. La inmunoglobulina A (IgA) puede formar dímeros y trímeros, donde los monómeros están unidos por la proteína J; es el principal anticuerpo de las secreciones externas (lágrimas, saliva, moco bronquial y moco intestinal), por lo cual es la primera línea de defensa frente a los antígenos bacterianos y víricos; en dichas secreciones se encuentra unida a una proteína llamada componente secretor (S). La inmunoglobulina D (IgD) aparece en la superficie de linfocitos actuando como receptor. La inmunoglobulina E (IgE) actúa contra parásitos, es la responsable de las alergias, interviniendo en las reacciones de hipersensibilidad anafiláctica.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
129
IgG
IgM
IgA
IgD
IgE
Peso molecular
150.000
900.000
160.000 (monómero)
185.000
200.000
Nº monómeros
1
5
1, 2 ó 3
1
1
Nº subclases
4
2
2
1
1
Estructura molecular
J 2N 2 J 2O 2
(P2N2)5 (P2O2)5
(D2N2)1-3 (D2O2)1-3 (D2N2)2 S (D2O2)2 S
G 2N 2 G 2O 2
e2k2 e2l2
% en suero
80
6
13
1
Trazas
% azúcares
3
12
8
12
12
Propiedades biológicas
Atraviesa placenta. Fija Fija complemento. complemento. Lisa macrófagos.
Características principales
En fluidos corporales combate microorganismos y toxinas.
Aglutina. Primero en la respuesta inmune.
Fijación a leucocitos basófilos. En En secreciones superficie seromucosas. de linfocitos.
Contra parásitos.
Respuesta inmune El sistema inmune es un mecanismo de defensa muy específico y complejo, en el que intervienen un elevado número de células sanguíneas. Su función es la de eliminar microorganismos, eliminar las células que éstos infectan, destruir células malignas y eliminar sus restos. La repuesta inmune varía según el tipo de antígeno de que se trate. Las células del sistema inmune pueden reconocer millones de antígenos y responder a ellos, puesto que hay millones de clones diferentes, compuestos por una o más células especializadas. Las células que forman parte del sistema inmune son: linfocitos B, linfocitos T, células presentadoras de antígeno y células asesinas naturales (“natural killer”). Los linfocitos B proceden de la médula ósea. Cuando una célula B reconoce un antígeno se activa y se divide para aumentar el clon de células B que portan receptores de membrana (anticuerpos) específicos para ese antígeno. La mayoría de los linfocitos B se transforma en células plasmáticas, que son las que sintetizan los anticuerpos específicos; una parte de las células B permanecen en el organismo como células de memoria.
130
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Los linfocitos T, en general, sólo pueden responder a un antígeno situado en la superficie de una célula, siempre que éste esté asociado a una proteína del Complejo Mayor de Histocompatibilidad (MHC). Pueden ser de dos clases, en función de sus marcadores bioquímicos de superficie: /LQIRFLWRV &', que pueden actuar como inductores o coadyuvantes (helper). Las células T inductoras desencadenan el proceso de maduración de los linfocitos T hasta células funcionalmente distintas, a partir de células precursoras. Las células T coadyuvantes son imprescindibles para el funcionamiento de otra células T y de los linfocitos B. Las células CD4 responden a los antígenos asociados a proteínas MHC de la clase II, que se encuentran fundamentalmente sobre la superficie de las células presentadoras de antígenos. /LQIRFLWRV &', tienen funciones supresoras y citotóxicas. Las células T citotóxicas defienden al organismo de una forma activa destruyendo las células infectadas, foráneas o malignas, mediante lisis. Los linfocitos T supresores reprimen la respuesta inmunitaria de las células B y T, produciendo su cese varias semanas después de que se produzca la infección; su efecto sobre las células citotóxicas es opuesto al que ejercen las coadyuvantes. Los linfocitos CD8 reconocen el antígeno en el contexto de las proteínas MHC de la clase I, que se encuentran en la superficie de todas las células nucleadas. Las células presentadoras de antígenos son fundamentalmente macrófagos, aunque también desempeñan esta función las células de los islotes de Langehans, de la piel, y las células dendríticas de la sangre, de los nódulos linfáticos y del bazo. Los macrófagos actúan englobando el elemento extraño, degradan enzimáticamente sus proteínas de forma muy específica y exhiben los fragmentos de proteína del antígeno sobre la membrana celular junto con proteínas MHC de la clase II. De esta forma, los macrófagos preparan el reconocimiento del antígeno por parte de la células CD4. Las células asesinas naturales (NK) son linfocitos que guardan un estrecho parentesco con las células T citotóxicas. Se cree que sus objetivos principales son las tumorales y células infectadas por agentes no víricos. Su mecanismo de acción no es tan selectivo como el de las T citotóxicas, sus receptores no necesitan reconocer proteínas del MHC. En la respuesta inmune las células CD4 son decisivas, ya que intervienen tanto en la respuesta celular como en la humoral. Si suponemos una infección vírica, la respuesta inmune comenzaría con la ingestión del virus por una célula presentadora de antígeno (macrófago), que lo destruye y exhibe las proteínas víricas antigénicas sobre su membrana junto con una molécula de MHC II propia del macrófago. Las células CD4 se activan al unirse simultáneamente al antígeno y a la proteína MHC, a lo cual también contribuye la
PROTEÍNAS FUNCIONALES
131
interleuquina-1 (IL-1) segregada por el macrófago. La célula CD4 segrega entonces interleuquina-2 (IL-2), que induce la proliferación de las células CD8 que también han reconocido al antígeno, presentado por un macrófago en el contexto de MHC I. Algunas de las células CD8 matan a las células infectadas que exhiben el antígeno vírico. Posteriormente, otras células CD8 se encargan de suprimir esta respuesta citotóxica, desconectando la defensa inmunitaria una vez cumplida su misión. Tras la supresión persiste una población de células T de memoria, que probablemente se mantengan toda la vida (figura 3.4).
FIGURA 3.4. Respuesta inmune celular.
En la respuesta inmune humoral, una célula CD4 se activa, como en el caso anterior tras reconocer el antígeno presentado por un macrófago en el contexto de MHC II y por acción de la IL-1 que éste segrega. La célula CD4 se une entonces a una célula B que haya reconocido también el antígeno sobre una célula que lo exhiba. El contacto de la célula CD4 estimula la maduración, multiplicación y diferenciación de la célula B en un clon de células plasmáticas que secretan anticuerpos, que se unen al virus rodeándolo e inactivándolo. Las linfoquinas secretadas por la célula CD4 colaboran en la maduración de los linfocitos B. Las células B pueden reconocer también antígeno libre en so-
132
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
lución sangre o linfa, pero también necesitan la ayuda de las células CD4 (figura 3.5).
FIGURA 3.5. Respuesta inmune humoral.
Sistema del complemento El sistema del complemento está formado por nueve glicoproteínas plasmáticas que, colaborando con los anticuerpos u otros factores, intervienen como mediadores en las reacciones inmunes. Se activa por dos vías distintas: la clásica y la alternativa o de la properdina. En la vía clásica hay una activación específica que presupone una respuesta humoral, ya que está mediada por complejos antígeno-anticuerpo, donde el anticuerpo es IgG o IgM, hacen falta dos moléculas de IgG o una de IgM. La vía alternativa es una activación inespecífica del sistema del complemento; no necesita la intervención de anticuerpos, se produce directamente por polisacáridos y liposacáridos de la pared celular bacteriana; comienza con la activación de la properdina, proteína plasmática, que activa el sistema del complemento. En la activación específica por la vía clásica, las proteínas que intervienen se aúnan en tres grupos: *UXSR GH UHFRQRFLPLHQWR IRUPDGR SRU &O SURWHtQD TXH HVWi IRUPDGD por varias subunidades: una molécula de Clq, dos de Clr y dos de Cls.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
133
*UXSRGHDFWLYDFLyQIRUPDGDSRU&&\& *UXSRGHDWDTXHDPHPEUDQDIRUPDGRSRU&&&&\& Cuando las moléculas de anticuerpo (2 IgG ó 1 IgM) se combinan con el antígeno, sufren un cambio conformacional que permite la fijación de Clq, activándose el enzima, cuyo sitio activo está en la subunidad C1s (la barra significa activación). La subunidad Clr sirve de intermediario entre Clq y Cls en la activación. El enzima C1s actúa sobre C4 y lo divide en C4b y C4a; el fragmento C4b se une a un receptor de la membrana plasmática. A continuación, la proteína C2 es escindida por el enzima C1s en C2a y C2b, el fragmento C2a se une a C4b; así se forma el complejo C4b2a, que es un enzima denominado convertasa de C3, puesto que C3 es su sustrato. Cuando se combinan, el enzima escinde a C3 en dos fragmentos. Uno de los fragmentos, C3a, es liberado a la fase líquida y desempeña el papel de mediador de la inflamación, es una anfilotoxina que produce la liberación de histamina por las células que la almacenan, y tiene efectos quimiotácticos para ciertos leucocitos. El otro fragmento, C3b, se une a un receptor de la superficie celular, junto a C4b2a, formando el enzima C4b2a3b que es el convertasa de C5, al cual divide en C5a y C5b. El fragmento C5a pasa a la fase líquida y desempeña las mismas funciones que C3a. El fragmento C5b se une a C6 y C7, formando el complejo C5b67, que se une a la superficie celular en un sitio diferente del sitio de la convertasa de C5, y también puede trasladarse a otras células que carezcan de dicho enzima. A continuación, C8 se combina con la subunidad C5 del complejo C5b67, y luego varias moléculas de C9 se combinan con C8. La lisis comienza con la unión de C8, y aumenta su velocidad con la unión de C9. El resultado final de la cascada del complemento es la formación de agujeros, con un diámetro interior de unos 10 nanómetros, en la membrana celular, debidos a la polimerización de las proteínas terminales de la cascada (C5 a C9), que se introducen en la bicapa lipídica. Estos agujeros producen un hinchamiento celular, debido al efecto Donnan, por lo cual la célula se rompe explosivamente. La vía inespecífica de la propedina conduce a la formación de C3b, que se origina bien a partir del complejo C4b2a o bien de plasmina, tripsina o trombina en el suero. El C3b generado puede unirse a la superficie celular microbiana, donde provoca fagocitosis, o bien puede unirse al factor B y al factor D, proteínas de esta vía, para formar un complejo enzimático, en la superficie celular, con capacidad de escindir C3 en C3a y C3b. El C5 también se divide en C5a y C5b mediante un enzima de esta vía que podría estar formado por varios fragmentos C3b y el factor B activo. Las siguientes reacciones siguen en la misma secuencia que en la vía clásica.
134
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
HEMOGLOBINA Y MIOGLOBINA Actúan como transportadores de oxígeno en los vertebrados, dada la baja solubilidad de éste en el agua. La hemoglobina (Hb), contenida en los eritrocitos, sirve como transportador de oxígeno, de dióxido de carbono y del ion hidrógeno en la sangre; mientras que la mioglobina (Mb) sirve como reserva de oxígeno y facilita su desplazamiento en el músculo, donde está localizada. La presencia del grupo hemo en la Hb y en la Mb, les permite enlazar oxígeno y les confiere su color característico. El grupo hemo consta de una parte orgánica, la protoporfirina IX (M-V-M-V-M-P-P-M) y un átomo de hierro. El átomo de hierro en el hemo está ligado a los cuatro nitrógenos en el centro del anillo de la protoporfirina; este átomo de hierro puede estar en estado de oxidación ferroso (2) o férrico (3), dando lugar a la ferrohemoglobina y ferromioglobina, y a la ferrihemoglobina o metahemoglobina y a la ferrimioglobina, respectivamente. Sólo la forma correspondiente al estado de oxidación 2 puede captar oxígeno. El átomo de hierro tiene otras dos posiciones de coordinación, la quinta y la sexta (figura 3.6).
FIGURA 3.6. Estructura del grupo hemo.
En la Mb el grupo hemo está localizado en una oquedad de la molécula, rodeado por residuos apolares excepto por dos histidinas. El átomo de hierro está directamente unido a una de estas histidinas por su quinta posición de coordinación, ésta es la His F8 o His proximal. El otro residuo de histidina, el E7 ó His distal queda próximo al sexto lugar de coordinación del hierro, que es donde se une el oxígeno. Hay tres formas fisiológicamente importantes de mioglobina, cuya conformación se diferencia en la sexta posición de coordinación: desoximioglobina, que tiene vacía la sexta posición de coordinación; oximioglobina, donde esta posición está ocupada por el oxígeno; y ferrimioglobina, la sexta posición está ocupada por agua.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
135
La Mb está constituida por una única cadena de 153 aminoácidos con un grupo hemo. Es muy compacta, sus dimensiones son 45 u 35 u 25 Å. El 75% de la cadena presenta una conformación D-helicoidal dextrógira, hay ocho segmentos helicoidales (figura 3.7). La Hb de los vertebrados está formada por 4 cadenas polipeptídicas, dos de un tipo y dos de otro. Cada cadena contiene un grupo hemo, por lo que hay cuatro lugares de unión para el oxígeno en una molécula Hb. Las cuatro cadenas están unidas por interacciones no covalentes.
FIGURA 3.7. Los seis enaleces del átomo del hierro.
Hay varios tipos de hemoglobinas humanas según sea su estructura subunitaria: Hbs adultas Hb A o D2E2 o mayoritaria Hb A2 o D2G2 o 2% de la Hb total Hb fetal o Hb F o D2J2 Hbs adultas Hb 1 o [2H2 Hb 2 o D2H2 La molécula de Hb es casi esférica, con un diámetro de 55 Å. Las cadenas D y [ contienen 141 aminoácidos y las E J y G 146. Las cuatro cadenas de la molécula presentan una disposición tetraédrica. Los grupos hemo están localizados en unas oquedades cercanas al exterior de la molécula. Cada cadena D está en contacto con las dos E, pero hay pocas interacciones entre las dos D o las dos E entre sí. La estructura tridimensional de las cadenas D y E de la Hb y la cadena de Mb es muy similar a pesar de las diferencias en la secuencia de aminoácidos, lo cual indica que este tipo de plegamiento es el ideal para un transportados de oxígeno, puesto que sitúa al hemo en un ambiente que le permite transportar oxígeno de forma reversible. La Hb es una proteína alostérica, mientras que la Mb no lo es (figura 3.8). El alosterismo de la Hb se manifiesta en que la unión del O 2 a la proteína está regulada por la unión de H , CO 2 y BPG a sitios distintos del centro de unión del O 2. Además, la unión del O 2 presenta carácter cooperativo: la unión del O 2 a un centro de la molécula favorece su unión a otros centros de la misma;
136
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
FIGURA 3.8. Curvas de la unión del O2 de mioglobina y hemoglobina.
lo que se manifiesta en que la cinética de saturación por O 2 es sigmoidea. Por otra parte, la acidificación del medio, que conlleva a un aumento de [H], y el incremento de CO 2, promueve la liberación de oxígeno de la Hb, situación que se da en tejidos metabólicamente activos como el músculo. Recíprocamente, el oxígeno promueve la liberación de H y CO 2, lo cual se produce en los capilares de los alvéolos pulmonares. Las relaciones entre la unión de O 2, H y CO 2 se conoce como efecto Bohr (figuras 3.9). Otro efecto alostérico de la Hb se manifiesta en que su afinidad por el oxígeno queda disminuida por el BPG (bisfosfoglicerato), puesto que se une a la desoxihemoglobina pero no a la oxihemoglobina; esto es esencial para favorecer la liberación de O 2 de la Hb en los capilares de los tejidos. La Hb F se une al BPG con menor fuerza que la Hb A, por lo cual tiene mayor afinidad por el O 2, lo que favorece la trasferencia de O 2 desde la circulación materna a la fetal.
FIGURA 3.9. Efecto del pH sobre la curva de saturación de oxígeno de la hemoglobina.
La Mb presenta una curva de disociación del O2 de tipo hiperbólico, y su afinidad por el O2 no se ve afectada por la variación del pH ni del CO 2, dentro de los límites fisiológicos.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
137
La estructura cuaternaria de la oxihemogobina difiere de la que tiene la desoxihemoglobina. La estructura cuaternaria de la desoxihemoglobina se denomina T (tensa), es menos contraída que la de la oxihemoglobina debido a la presencia de enlaces salinos en los que participan los residuos C-terminales de las cuarto cadenas, así como los C-terminales de las cadenas laterales, los cuales no existen en la oxihemoglobina, cuya estructura cuaternaria se denomina R (relajada). La forma T es la de menor afinidad por el sustrato. En la oxigenación, el átomo de hierro se introduce en el plano de la porfirina y arrastra a la His proximal (F8), lo cual produce una alteración en la estructura que origina la ruptura de los enlaces salinos intercatenarios, con lo que el equilibrio se desplaza desde la forma T a la forma R. El BPG estabiliza la estructura cuaternaria de la desoxihemoglobina al establecer enlaces cruzados en seis residuos cargados positivamente, tres en cada cadena E, situados en la cavidad central de la molécula Hb. De esta forma el BPG disminuye la afinidad de la Hb por el O 2 desplazando el equilibrio hacia la forma T. El CO2 se una a la Hb en los grupos D-amino, de forma reversible, formando carbamatos que establecen puentes salinos, los cuales estabilizan la forma T, por lo tanto el CO2 disminuye la afinidad de la Hb por el O2 desplazando el equilibrio hacia la forma T. El Hb absorbe H al liberar O2, es decir, la desoxigenación incrementa la afinidad de las histidinas 146E y 122D y del grupo D-amino de la cadena D por el H, debido a que el entorno de los mismos se vuelve más negativo en la desoxigenación, por los cambios de la estructura cuaternaria. Estos grupos protonados forman enlaces salinos que estabilizan la forma T.
PROTEÍNAS MUSCULARES El músculo estriado de los vertebrados está formado por células multinucleadas que contienen muchas miofibrillas paralelas de 1 Pm de diámetro. Cuando se observa una sección longitudinal de una miofibrilla al microscopio electrónico, se aprecia que presenta una unidad funcional, el sarcómero, que se repite cada 2,3 Pm a lo largo del eje de la misma. El sarcómero está formado por filamentos gruesos (150 Å de diámetro), que contienen miosina, y filamentos delgados (70 Å de diámetro), que contienen actina, tropomiosina y troponina, y presenta un perfil de bandas característico debido a la distribución de los filamentos, en que se distinguen: %DQGD$RVFXUDHQHOFHQWURSUHVHQWDXQD]RQDPHQRVGHQVDTXHHVOD zona H, en la mitad de la cual se encuentra una línea oscura llamada línea M. En la zona H sólo hay filamentos gruesos, mientras que en el
138
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
resto de la banda A hay de los dos tipos. En la línea M está localizada la proteína M. %DQGD,FODUDTXHDOWHUQDUHJXODUPHQWHFRQODDQWHULRUHQVXFHQWURKD\ una línea muy densa, la línea Z. La banda I consta solamente de filamentos delgados. En la línea Z hay D-actinina. En una sección transversal de una miofibrilla, se observa que cada filamento grueso está rodeado por seis delgados, y cada filamento delgado por tres gruesos (figura 3.10).
Miosina Es una proteína formada por seis cadena polipeptídica: dos cadenas pesadas idénticas de 230.000 daltons cada una, y cuatro cadenas ligeras, iguales dos a dos, de 20.000 daltons cada una. La molécula de miosina tiene un peso molecular de 540.000, consta de una cabeza globular doble unida a una región D-helicoidal de dos hebras que se enrollan sobre sí mismas formando un D-helicoide enrollado. En cada cabeza globular hay dos cadenas ligeras, una de cada tipo, unidas a la pesada (figura 3.11). Cada cadena pesada consta de dos regiones: una cabeza globular en la zona N-terminal, de unos 820 residuos, y una cola C-terminal de unos 1.300 residuos. En la cabeza globular hay tres aminoácidos poco corriente, la H-Nmonometil-lisina y la H-N-trimetil-lisina. La miosina es una ATPasa, cuyo centro activo presenta la secuencia: Gly-Glu-Ser-Gly-Ala-Gly-Lys-Thr, al igual que otros enzimas de este tipo. La estructura D-helicoidal de cada hebra está favorecida por la ausencia de prolina y la presencia de aminoácidos estabilizadores de D-hélice (Leu, Ala, Glu). La formación del D-helicoide enrollado se favorece porque cada una de las hebras presenta una secuencia repetida de siete residuos de aminoácidos (abcdefg), de los que a y d son hidrofógicos, mientras que b, c y f están cargados eléctricamente. Los residuos a y d de las dos hebras quedan enfrentados formando un núcleo hidrofóbico, mientras que los residuos b, c, y f están en el exterior del helicoide enrollado. Existen otras dos unidades repetitivas, una cada 28 residuos, que hace que haya bandas de cadenas laterales cargadas positiva y negativamente de forma alternativa; y otra unidad cada 196 residuos, que toma parte en el empaquetamiento de las moléculas de miosina en el filamento grueso, y le proporciona una estructura repetitiva cada 143 Å. Por acción de la tripsina se divide en dos fragmentos: meromiosina ligera (LMM) y meromiosina pesada (HMM). La LMM forma filamentos de dos hebras D-helicoidales, corresponde al extremo C-terminal, carece de actividad ATPasa y no se combina con la actina. La HMM está formada por las
PROTEÍNAS FUNCIONALES
139
cabezas globulares unidas a un pequeño vástago, tiene actividad ATPasa, se une a la actina (un centro de unión por cada cabeza globular) y no forma filamentos.
FIGURA 3.10. Micrografía óptica y electrónica del músculo esquelético. Estructura del sarcómero.
140
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
FIGURA 3.11. Esquema de una molécula de miosina.
Actina Es la proteína mayoritaria de los filamentos delgados. Se presenta en dos formas: la actina-G o globular que es un monómero de peso molecular 42.000, tiene dos dominios globulares y unas dimensiones de 30 u 40 u 70 Å, contienen 3-metil-histidina, un aminoácido poco frecuente, y gran cantidad de restos de prolina y cisteína; y la actina-F o fibrosa, que procede de la polimerización de la actina-G. La actina-F es un polímero lineal de actina-G, que contiene 13 moléculas de actina-G dispuestas en 6 vueltas que se repiten cada 36 nm. La disposición de los monómeros le confiere el aspecto de una doble hebra, su morfología es la de dos hélices entrelazadas.
Tropomiosina y troponina Son proteínas que forman parte de los filamentos delgados, de los que constituyen un tercio de su masa. Ejercen una función reguladora ya que actúan como mediadores de los efectos del Ca 2 sobre la interacción de la actina y la miosina. La tropomiosina es una molécula alargada de peso molecular 70.000, formada por dos cadenas prolipeptídicas D-helicoidales que forman una hélice de dos hebras de unos 40 nm de longitud, que se orienta casi paralela al eje longitudinal del filamento delgado. Cada molécula de tropomiosina se extiende a lo largo de 7 monómeros de actina-G. Las moléculas de tropomiosina pueden moverse a lo largo de las ranuras que hay entre la hebra de actina-F. La troponina es un complejo proteico formado por tres cadenas polipeptídicas: 7Q& HVODVXEXQLGDGILMDGRUDGH&D2, de peso molecular 18.000; consta de dos dominios homólogos, uno N-terminal y otro C-terminal, unidos
PROTEÍNAS FUNCIONALES
141
por una D-hélice de nueve vueltas. Cada dominio tiene dos centros de unión para el Ca2, los del C-terminal son de elevada afinidad. 7Q, HV OD VXEXQLGDG LQKLELGRUD GH SHVR PROHFXODU VH XQH D OD actina, impidiendo su interacción con los puentes cruzados de la cabeza de la miosina. 7Q7 VHXQHDODWURSRPLRVLQD VXSHVRPROHFXODUHVGH El complejo de la troponina se encuentra en los filamentos delgados cada 400 Å, que es la longitud de la molécula de tropomiosina, así hay una molécula de troponina y otra de tropomiosina por cada siete monómero de actina.
ESCLEROPROTEÍNAS Son proteínas simples que forman parte de las estructuras tisulares, poseen una estructura fibrosa, son insolubles en agua y disolventes orgánicos. Constituyen un grupo muy variado de proteínas que muestran propiedades físicas y químicas muy diferenciadas. Son todas proteínas animales, constituyen los tejidos de sostén del organismo de los vertebrados. Las escleroproteínas más características son: colágeno, elastina y queratinas.
Colágeno Es la más abundante de las escleroproteínas y, en general, de las proteínas del organismo. Se encuentra en la piel, huesos, tendones, cartílagos, vasos sanguíneos, dientes, etc. Se sintetiza en los fibroblastos y es exclusivamente extracelular, forma parte del la matriz extracelular del tejido conectivo. Constituye el 6% del peso total del cuerpo humano y el 25-30% de la proteínas del organismo. El colágeno está formado por moléculas de tropocolágeno, que constituyen su unidad fundamental. El tropocolágeno tiene una masa molecular de 285.000 daltons, es una molécula con forma de fibra de 3.000 Å de longitud y 15 Å de diámetro. La molécula de tropocolágeno está formada por tres cadenas polipeptídicas de igual tamaño, cada una de las cuales es una hélice levógira, y las tres se arrollan para formar una superhélice dextrógira. El tipo de cadenas que forman el tropocolágeno determina el tipo de colágeno. El colágeno de tipo I es el más abundante y consta de dos cadenas D1 (I) y una D2 (I), el tipo II consta de dos cadena idénticas D2 (II). En cuanto a la composición de aminoácidos, es la siguiente: glicina 33%, prolina 12-20%, 4-hidroxiprolina 10% y 5-hidoxilisina en menor proporción, así como otro tipo de aminoácidos en muy poca proporción, a excepción de triptófano y cisteína, de los que carece. La secuencia de aminoácidos es muy re-
142
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
gular y periódica, uno de cada tres residuos es glicina, además la secuencia glicina-prolina-hidroxiprolina se repite con frecuencia. La fibra de colágeno está formada por moléculas de tropocolágeno dispuestas de forma ordenada; las moléculas de tropocolágeno se disponen, cabeza-cola, en filas separadas por brechas de unos 300 a 400 Å; y las filas contiguas están desplazadas respeto a la precedente unos 640 a 680 Å. Esta disposición escalonada produce el aspecto característico en bandas de la fibra de colágeno. La función del colágeno es fundamentalmente mecánica. La dureza del colágeno se debe a sus enlaces covalentes cruzados tanto intramoleculares como intermoleculares, en los que participan residuos de lisina e hidroxilisina, bien como tales residuos o bien como derivados aldehídicos (al-lisina y al-hidroxilisina). Entre estos enlaces cruzados están: a) enlace cruzado aldólico (figura 3.12), en el que participan dos residuos de al-lisina, que sufren una condensación aldólica; y b) enlace cruzado de hidroxipiridino o piridinolina, formados por la unión de tres residuos, una al-lisina, una al-hidroxilisina y una hidroxilisina. O O
C
H
C
D
HN
H H
C E
CH2
J
CH2
G
CH2
H
C
G
C
C J
CH2
E
CH2
H
D
C
O H
NH
FIGURA 3.12. Enlace cruzado aldólico.
La hidroxilación de los residuos de lisina y prolina está catalizada enzimáticamente y depende de la presencia de ácido ascórbico o vitamina C. EL colágeno posee carbohidratos unidos covalentemente a los residuos de hidroxilisina; generalmente se encuentra un disacárido formado por glucosa y galactosa, dando lugar a la 2-D-D-glucopiranosil-galactopiranosil-5-hidroxilisina.
Elastina Forma parte de la matriz extracelular de muchos tejidos conectivos, se encuentra en los vasos sanguíneos y en los ligamentos. La molécula de elastina es una única cadena polipeptídica de masa molecular 72.000 daltons. Su composición en aminoácidos es similar a la del colágeno, es rica en glicina (33%), prolina (17%) y aminoácidos apolares como alanina, tiene algo de 4-hidroxiprolina y carece de 5-hidroxilisina. Posee poca estructura secundaria, aunque la molécula presenta giros-E, que pueden agruparse para formar espirales-E.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
143
Es el componente principal del las fibras elásticas. La principal característica de la fibra de elastina es que puede estirarse varias veces su longitud y volver a su tamaño y forma originales cuando cesa la tensión. La fibra de elastina tiene forma de red, está formada por moléculas de elastina unidas por enlaces covalentes cruzados entre cadenas laterales de lisina y/o de al-lisina. Destacan dos tipos de estos enlaces: a) enlace cruzado de lisinonorleucina, entre una cadena lateral de lisina y otra de allisina; y b) enlace cruzado de desmosina o en H de Patridge, formado por tres al-lisinas y una lisina (figura 3.13).
FIGURA 3.13. Enlace cruzado de desmosina.
Las regiones de elastina situadas entre enlaces cruzados son ricas en glicina, prolina y valina, que se disponen en secuencias regulares que forman giros-E.
Queratinas Son las escleroproteínas más duras, forman parte del pelo, unas, pezuñas, cuernos, piel, escamas y plumas. Hay dos clases de queratinas: D-queratinas y E-queratinas. Las D-queratinas, son la proteínas más importantes del pelo, las uñas y la piel animal. Están formadas por cadenas polipeptídicas D-helicoidales muy ricas en cisteína, y que presentan secuencias definidas en las que se disponen aminoácidos hidrófobos e hidrófilos. Estas cadenas polipeptídicas tienen una gran longitud (más de 300 residuos de aminoácidos), y se arrollan por pares para formar una superhélice levógira. Pares de estas superhélices pueden arrollarse para formar una protofibrilla de cuatro moléculas, como sucede en el pelo; en el cual ocho de estas protofibrillas forman una microfibrilla. Las hélices se estabilizan por interacciones hidrofóbicas y puentes salinos, pero además su dureza y resistencia depende del número de enlaces cruzados disulfuro entre las distintas cadenas polipeptídicas. Los distintos tipos de D-queratinas se diferencias en su contenido en cisteína.
144
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Las E-queratinas se encuentran en las fibras de la seda, escamas, plumas, garras y picos de los reptiles y los pájaros. Tiene estructura de lámina plegada en conformación E, y poseen aminoácidos con cadenas laterales relativamente pequeñas, por lo que son ricas en glicina, alanina y serina, lo que permite que las láminas se sitúen próximas. Estas láminas E permanecen unidas por enlaces intracatenarios por puente de hidrógeno y por interacciones de van der Waals. La proteína más característica de esta grupo es la fibroína de la seda, que posee largas regiones de lámina E antiparalela (figura 3.14).
FIGURA 3.14. Dominios de los a-queratinas tipo I y II. Interacción de las cadenas polipeptídicas para formar filamentos.
PROTEÍNAS NUCLEARES Son proteínas simples de carácter básico que se encuentran en el núcleo de las células eucarióticas asociadas con el ácido desoxirribonucleico (DNA) formando la cromatina. Hay dos tipos: histonas y protaminas.
Histonas Son proteínas simples básicas, tienen un elevado contenido de arginina y lisina (20-30%), no contienen triptófano y relativamente pocos aminoácidos azu-
PROTEÍNAS FUNCIONALES
145
frados. Son solubles en agua y no se coagulan con el calor; se hidrolizan por acción de tripsina y pepsina. Su peso molecular oscila entre 11.000 y 21.000. En las células eucarióticas el DNA está unido fuertemente a las histonas, que constituyen la mitad de la masa de los cromosomas. La cromatina, que indica la organización molecular del cromosoma, es la asociación del DNA y las histonas formando una estructura molecular definida, los nucleosomas. Las histonas que componen la cromatina son de cinco clases: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Pueden sufrir modificaciones post-traducionales, presentándose acetiladas, metiladas, ADP-ribosiladas y fosforiladas en determinadas cadenas laterales de los aminoácidos, lo cual es importante para regular la capacidad del DNA para la replicación y la transcripción. Su conservadurismo evolutivo es enorme, especialmente el de las fracciones H3 y H4 en las que las velocidades de cambio evolutivo (número de cambios ocurridos en 100 aminoácidos cada 100 millones de años) son 1,1 y 0,06, respectivamente (tabla 3.1). TABLA 3.1. Características de los 5 tipos de histonas. Número de copias y Localización en el Nucleosona
Tipo de Histona
Residuos de aminoácidos
Masa molecular (Da)
Relación Lys / Arg
H1
216
21.000
59/30
1 - No en el núcleo
H2A
129
14.500
13/13
2 - En el núcleo
H2B
125
13.800
20/80
2 - En el núcleo
H3
135
15.300
13/17
2 - En el núcleo
H4
102
11.300
11/14
2 - En el núcleo
Un nucleosoma está formado por un complejo proteico esférico o cilíndrico constituido por el octámero (H2A, H2B, H3, H4) 2, alrededor del cual se arrolla la doble hélice del DNA; 140 pares de bases (BP) están directamente unidos la núcleo (“core”) de histonas, dando una vuelta y tres cuartos, y hay de 20 a 100 BP entre los nucleosomas contiguos, es el DNA enlazante (“linker”). El tetrámero formado por dos histonas H3 y dos H4 ocupa el centro del nucleosoma, flanqueado a ambos extremos por un dímero H2A-H2B. Por lo tanto, una fibra de cromatina está formada por una cadena de nucleosomas flexiblemente enlazados. La histona H1 contribuye a compactar la estructura mediante un proceso de fosforilación-defosforilación, se fosforila al comenzar la mitosis y se defosforila cuando ésta ha terminado, está localizada en la parte exterior del nucleosoma, interaccionando con las histonas H2A del núcleo y el DNA enlazante; hay sólo una histona H1 por nucleosoma (figura 3.15).
146
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
FIGURA 3.15. Esquema del octámero de histonas (A) y nucleosoma formado por el octámero proteico rodeado por una vuelta y tres cuartos (140 pares de bases) de superhélice levógira de ADN (B).
Protaminas Son proteínas simples de bajo peso molecular (5.000) que contienen aminoácidos básicos, principalmente arginina, aunque también algo de lisina; no contienen ni tirosina ni triptófano. Son solubles en agua y no se coagulan por el calor. Su pHI está comprendido entre 10 y 12. Se hidrolizan por acción de la tripsina. Se combinan fácilmente con los grupos aniónicos del DNA para formar nucleoproteínas. Se localizan en la cabeza de los espermatozoides, donde se asocian al DNA sustituyendo a las histonas, adoptan una disposición predominantemente D-helicoidal y se cree que se unen al surco mayor del DNA, consiguiendo que el DNA adquiera su mayor grado de compactación.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
147
PREGUNTAS TEST 1
En relación a las funciones fisiológicas de la albúmina. ¿Qué afirmación es falsa? $ Posee la capacidad de transportar una amplia variedad de materiales biológicos. % Transporta ácidos grasos de cadena larga. & Los ácidos grasos aumentan su estabilidad induciendo una cambio conformacional en la proteína. ' La unión de la bilirrubina se ve favorecida por la unión previa de dos ácidos grasos. ( Posee sitios de unión para el transporte de cationes, a excepción del cobre.
2
Una de las siguientes afirmaciones no se corresponde con la estructura y función del fibrinógeno: $ Es una proteína formada por tres tipos distintos de cadenas polipeptídicas. % La molécula tiene una elevada carga negativa, concentrada tanto en la región central como en los extremos. & Sus cadenas polipeptídicas están unidas unas a otras únicamente mediante enlaces no covalentes, tipo puente de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. ' Se transforma en un monómero de fibrina por acción de la trombina. ( El monómero de fibrina carece de fibrinopéptidos.
3
4
¿Cuál de las siguientes proteínas forma complejos con la hemoglobina, impidiendo así la pérdida de hierro del grupo hemo? $ Transferrina.
% Albúmina.
' Haptoglobina.
( Ceruloplasmina.
& Transcortina.
Indicar la afirmación falsa en relación con las siguientes proteínas plasmáticas: $ La albúmina no interviene en el mantenimiento de la presión oncótica de la sangre. % El fibrinógeno está formado por 6 cadenas polipeptídicas. & La mioglobina está constituida por una única cadena de 153 aminoácidos con un grupo hemo.
148
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
' La hemoglobina es una proteína alostérica mientras que la mioglobina no lo es. ( Todas son ciertas. 5
¿Cuál de las siguientes globulinas transporta cortisol y cobre, respectivamente? $ Haptoglobina y Ceruloplasmina. % Plasminógeno y Haptoglobina. & Transferrina y Protrombina. ' Transcortina y Ceruloplasmina. ( Transferrina y Transcortina.
6
¿Cuál de los siguientes pares de proteínas son el principal transportador de hemoglobina y hierro en el plasma? $ Transferrina y albúmina. % Haptoglobina y transferrina. & Ceruloplasmina y transferrina. ' Albúmina y fibrinógeno. ( Transcortina y ceruloplasmina.
7
En relación con el fibrinógeno que afirmación no es correcta: $ Es una glicoproteína. % Es un dímero de tres cadenas distintas. & Los fibrinopéptidos están en la región carboxi-terminal de las cadenas D y E. ' Presenta anillos disulfuro que unen las tres cadenas peptídicas. ( Las dos mitades del dímero están unidas por puentes disulfuro.
8
La albúmina es una proteína plasmática que se caracteriza por: $ Está formada por tres cadenas polipeptídicas unidas por puentes disulfuro que forman tres dominios homólogos. % Su carga neta es altamente positiva en el dominio N-terminal a pH fisiológico. & Las albúminas que poseen His en la tercera posición de una de las cadenas polipeptídicas poseen un centro específico para la unión a Ca2. ' La unión de dos ácidos grasos de cadena larga induce un cambio conformacional en la proteína que favorece la unión de bilirrubina. ( Sólo transporta compuestos hidrosolubles con elevada carga positiva.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
9
149
La molécula de fibrina: $ Se forma al liberarse los fibrinopéptidos A y B del fibrinógeno por acción del factor XIIIa. % Su polimerización se debe a interacciones electrostáticas. & Su fibra se estabiliza por enlaces covalentes entre cadenas laterales de ácido glutámico. ' Su fibra se estabiliza por enlaces covalentes cruzados, cuya formación cataliza la trombina. ( Todas las anteriores son ciertas.
10 Indicar la afirmación cierta en relación con las siguientes proteínas plasmáticas: $ La transferrina permite la entrada de cobre al interior celular mediante internalización por endocitosis tras unirse a un receptor de membrana específico. % La albúmina no transporta ácidos grasos en sangre. & La transcortina transporta cortisol hasta los tejidos diana mediante internalización por unión a receptores específicos. ' La ceruloplasmina transporta hierro por la sangre. ( Todas son falsas. 11 La $ % & ' (
inmunoglobulina G: Puede formar dímeros. Puede formar tetrámeros. Posee cadena lambda pero no kappa. A y B son ciertas. Ninguna de las anteriores es cierta.
12 La $ % & ' (
especificidad de las Inmunoglobulinas radica en: La región constante de las cadenas pesadas. La región constante de las cadenas pesadas y ligeras. La región hipervariable de las cadenas pesadas. Las regiones hipervariables de las cadenas pesadas y ligeras. En la región carboxílica de la cadena ligera.
13 Respecto a las inmunoglobulinas, señalar la afirmación falsa: $ Poseen enlaces disulfuro intercatenarios. % Las regiones de las cadenas situadas entre enlaces disulfuro intracatenarios tiene una estructura secundaria característica.
150
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
& Las regiones constantes de las inmunoglobulinas se encuentran sólo en las cadenas pesadas. ' La región variable de las cadenas está en la zona amino-terminal. ( Las cadenas pesadas determinan la clase de las inmunoglobulinas. 14 La estructura molecular de la Inmunoglobulina A es: % (D2k2)2S. & (D2O2)2. $ (J2k2)2S. ( b y c son ciertas. ' (P2k2)2. 15 ¿Cuál de las siguientes Inmunoglobulinas tiene función de aglutinación? $ IgA. % IgG. & IgE. ' IgM. ( IgD. 16 ¿Cuáles proteína $ IgM e ' IgM e
de las siguientes Inmunoglobulinas están unidas a la J? IgG. % IgG e IgA. & IgA e IgM. IgD. ( IgD e IgE.
17 Las inmunoglobulinas que fijan complemento son: $ IgA e IgM. % IgM e IgG. & IgG e IgE. ' IgE e IgD. ( IgD e IgA. 18 Respecto a las Inmunoglobulinas, que afirmación es falsa: $ Las zonas hipervariables determinan la especificidad del anticuerpo. % Las funciones efectoras de cada clase de Inmunoglobulinas residen en la región constante de cadena pesada. & Distintas clases de Inmunoglobulinas pueden tener la misma especificidad. ' Una clase de Inmunoglobulina sólo puede tener una especificidad. ( Cada clase de Inmunoglobulina tiene actividades biológicas distintas. 19 En una inmunoglobulina hay varios tipos de determinantes antigénicos, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta? $ Isotípicos, están en algunos individuos de una especie. % Alotípicos, están en todos los individuos de una especie. & Neotípicos, están en algunas zonas de la población. ' Idiotípicos, son propios de cada individuo. ( Todas son falsas.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
151
20 ¿Cuál de las siguientes células sintetiza anticuerpos? $ Linfocitos T coadyuvantes.
% Linfocitos T citotóxicos.
& Macrófagos.
' Células plasmáticas.
( A y B son ciertas. 21 Respecto a los linfocitos CD4 +, ¿Qué afirmación es falsa? $ Son células T coadyuvantes. % Son células T inductoras. & Responden a los antígenos asociados a proteínas MHC I. ' Segregan interleuquina-2. ( Son necesarios en la respuesta inmune humoral. 22 Respecto a los linfocitos T, ¿qué afirmación es cierta? $ La células T coadyuvantes no son necesarias para el funcionamiento de los linfocitos B. % Los linfocitos T citotóxicos reconocen el antígeno en el contexto de las proteínas MHC II. & Las células CD4 se activan mediante interleuquina-2 segregada por macrófagos. ' Las células CD8 que han reconocido al antígeno inducen la proliferación de las células CD4 mediante la interleuquina-1. ( Ninguna de las anteriores es cierta. 23 ¿Cuál de las siguientes células segrega interleuquina-2? $ Asesinas naturales.
% Linfocitos T coadyuvantes.
& Linfocitos B.
' Células plasmáticas.
( Macrófagos. 24 Respecto a la activación de la vía clásica de complemento, ¿qué afirmación es cierta? $ Es una activación inespecífica. % La activación está mediada por complejos antígeno-anticuerpo. & Son necesarias 2 moléculas de IgM para la activación de la vía. ' La activación se produce directamente por polisacáridos de la pared bacteriana. ( Puede activarse por cualquier clase de inmunoglobulina.
152
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
25 Indicar la afirmación falsa en relación con las siguientes proteínas plasmáticas: $ La albúmina es la proteína mayoritaria del plasma. % El fibrinógeno es una glicoproteína que forma parte de la etapa final de la cascada de coagulación. & La coagulación sanguínea se produce por dos vías idénticas formadas por una serie de zimógenos. ' La ceruloplasmina es el vehículo de transporte del cobre por la sangre, y participa en su homeostasis. ( En el proceso de coagulación sanguínea es esencial la presencia del ión Ca2. 26 De las siguientes proteínas y complejos del sistema del complemento, ¿cuáles tiene actividad enzimática? $ C1s y C4b2a.
% C5b67 y C4b2a.
& C4b2a y C3a.
' C4b2a y C4b2a3b.
( A y D son ciertas.
27 ¿Cuál de los siguientes fragmentos es una anafiltoxina? $ C2b.
% C5b.
& C4a.
' C3a.
( C2a.
28 ¿Cuál de los siguientes complejos es la convertasa de C5? $ C4b2a.
% C5b67.
' C4a2b3a.
( C4b2a.
& C4b2a3b.
29 La lisis celular producida por el complemento ¿cuándo comienza? $ Con la formación de C4b2a.
% Al fijarse Clq al anticuerpo.
& Por acción de C5b67.
' Cuando se une C8 a C5b67.
( Con la rotura de C3 en C3a y C3b. 30 Respecto a la vía de la properdina, ¿qué afirmación es cierta? $ Es una vía específica. % Necesita una respuesta humoral. & Se escinde C3 por acción enzimática. ' No existe un enzima que escinda C5. ( Carece de las proteínas C6 a C9.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
153
31 En relación con las proteínas plasmáticas y la coagulación sanguínea, ¿qué afirmación es cierta? $ El plasma sanguíneo no contiene enzimas. % La albúmina está formada por 2 cadenas polipeptídicas unidas por puentes disulfuro. & Las haptoglobinas no forman complejos estables con la hemoglobina. ' El fibrinógeno está formado por una cadena polipeptídica, con 17 puentes disulfuro. ( En el proceso de coagulación sanguínea se necesita la vitamina K como cofactor de una carboxilasa. 32 La Hemoglobina: $ Está formada por una cadena polipeptídica. % Presenta cuatro grupos hemo. & Facilita el movimiento del O2 en el músculo. ' Su estructura es D2E. ( A y B son ciertas. 33 La protofirina IX tiene los 8 sustituyentes colocados de la manera siguiente: $ M-V-M-V-M-P-M-P.
% M-V-M-V-M-P-P-M.
& V-M-V-M-M-P-P-M.
' M-P-M-P-M-V-V-M.
( M-M-M-M-V-V-P-P. 34 La Hemoglobina F está formada por: $ D 2J 2.
% D 2E 2.
& J 2.
' D 2H 2.
( H 4.
35 Respecto a la Hemoglobina (Hb), cuál de las siguientes afirmaciones es falsa: $ Su curva de disociación del O2 es hiperbólica. % La unión del O2 a la Hb es cooperativa. & La afinidad del Hb por el O 2 depende del pH, cuando éste es más ácido se libera más O2. ' El bisfosfoglicerato (BPG) reduce la afinidad de la Hb por el O 2. ( El incremento de CO2 promueve la liberación de O2 de Hb.
154
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
36 El centro de unión del oxígeno en la mioglobina se localiza en: $ Una leucina de la cadena polipeptídica. % La sexta posición de coordinación del hierro del grupo hemo. & La histidina E7 o distal de la cadena peptídica. ' La histidina F8 o proximal de la cadena peptídica. ( Uno de los residuos de propionato del grupo hemo. 37 ¿Cuál es el aminoácido funcionalmente más importante en la cadena polipeptídica de la Hb? $ Triptófano.
% Lisina.
' Histidina.
( Arginina.
& Valina.
38 En relación a la estructura cuaternaria de la hemoglobina (Hb), ¿cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ Es la que le proporciona sus propiedades alostéricas. % Se encuentra en dos formas alternativas (T y R). & La forma T corresponde a la estructura cuaternaria de la desoxiHb. ' La forma R se estabiliza mediante enlaces salinos. ( La unión del O2 cataliza el paso de la forma T a la forma R. 39 En la oxigenación de la Hemoglobina: $ Se forman enlaces salinos intercatenarios. % La estructura cuaternaria de la Hb pasa de la forma R a la T. & El átomo de hierro se introduce en el plano de la porfirina y arrastra a la His proximinal. ' A y C son ciertas. ( Nada de lo anterior es cierto. 40 El bisfosfoglicerato (BPG): $ Disminuye la afinidad de la Mb por el O 2. % Aumenta la afinidad de la Hb por el O2. & Disminuye la liberación de O 2 de la Mb en los capilares de los tejidos. ' Estabiliza la estructura cuaternaria de la oxihemoglobina. ( Se une a la desoxihemoglobina.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
155
41 El dióxido de carbono (CO 2): $ Aumenta la afinidad de la Mb por el O2. % Aumenta la afinidad de la Hb por el O2. & Se une a la Hb en los grupos C-terminales. ' Se une a la Hb en los grupos D-amino. ( Estabiliza la forma R de la Hb. 42 La banda A del sarcómero: $ Contiene la zona H. % Está formada sólo por filamentos gruesos. & Contiene la línea M. ' Contiene la línea Z. ( B y D son falsas. 43 Respecto a la miosina, ¿qué afirmación es cierta? $ Está formada por cuatro cadenas polipeptídicas. % Tiene un peso molecular de 230.000 daltons. & Cada cadena pesada tiene una cabeza globular doble. ' En la cabeza globular hay H-N-trimetil-lisina. ( Todas las anteriores son falsas. 44 El D-helicoide enrollado de las cadenas pesadas de miosina: $ Contiene prolina. % Cada hebra contiene una secuencia de siete residuos (abcdefg) hidrofóbicos. & Hay una zona de 28 residuos en cada cadena en la que se alternan los residuos con carga positiva y negativa. ' Contiene los aminoácidos N-terminales de las dos cadenas. ( Todas las anteriores son falsas. 45 La miosina se divide en dos fragmentos: meromiosina ligera y meromiosina pesada, por acción de: $ Pepsina.
% Tripsina.
' Pepsinógeno.
( Quimiotripsina.
& Papaína.
156
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
46 Con relación a las proteínas musculares, ¿qué afirmación es falsa? $ La actina es la proteína mayoritaria de los filamentos delgados. % La miosina es una proteína formada por seis cadenas polipeptídicas, dos pesadas y cuatro ligeras. & La troponina es un complejo proteico formado por tres cadenas polipeptídicas. ' La tropomiosina es una molécula alargada formada por dos cadenas polipeptídicas. ( La tropomiosina y la troponina forman parte de los filamentos gruesos y no ejercen función reguladora. 47 En relación a la banda I del sarcómero, ¿cuál es la afirmación falsa? $ Es la banda clara del sarcómero. % En el centro de la banda I se sitúa la línea Z. & Está formada sólo por filamentos gruesos. ' La proteína mayoritaria en esta banda es la actina. ( Durante la contracción muscular completa desaparece la banda I. 48 La Troponina C: $ Es la subunidad de troponina que se une a la actina. % Se une a la tropomiosina. & Tiene cuatro centros de unión para la Ca2. ' Consta de cuatro dominios homólogos unidos por una D-hélice. ( Forma parte de los filamentos gruesos. 49 La proteína más abundante en el cuerpo humano es: $ Miosina.
% D-queratina.
' Hemoglobina.
( Colágeno.
& E-queratina.
50 En relación con el colágeno que afirmación es falsa: $ Forma parte de la matriz extracelular del tejido conectivo. % Un tercio de sus aminoácidos son prolina. & La fibra de colágeno se estabiliza por enlaces covalentes cruzados. ' Los carbohidratos están unidos a residuos de 5-hidroxilisina. ( La hidroxilación de algunos residuos de prolina y de lisina se produce en el interior del fibroblasto.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
157
51 Respecto a las escleroproteínas, ¿qué afirmación es cierta? $ El colágeno tiene elevado contenido de glicina y triptófano. % El tropocolágeno está formado por dos cadenas polipeptídicas enroscadas entre sí en un doble cordón. & El colágeno posee restos de azúcares en su molécula. ' Para el estudio de la elastina es necesario transformarla por ebullición en gelatina. ( A y B son ciertas. 52 El colágeno: ¿qué afirmación es cierta? $ Contiene mucha glicina.
% Es una proteína globular.
& Es un coenzima.
' Contiene triptófano.
( No contiene hidroxilisina. 53 Respecto al colágeno ¿qué afirmación es cierta? $ Es soluble en agua. % Su función es fundamentalmente mecánica. & Contiene triptófano. ' Forma parte del tejido nervioso. ( Tiene estructura de hoja plegada. 54 Las D-queratinas: $ Son las escleroproteínas más blandas. % Son solubles en agua. & Se clasifican según el contenido de lisina. ' Están formadas por cadenas polipeptídicas muy ricas en cisteína. ( Presentan enlaces de hidrógeno que son los responsables de la resistencia de esta proteína. 55 Respecto al tropocolágeno, ¿qué afirmación es falsa? $ Es la unidad estructural del colágeno. % Está formado por tres cadenas polipeptídica. & Es muy abundante en glicina y carece de 5-hidroxilisina. ' La secuencia Gly-Pro-Hyp es muy frecuente. ( Presenta carbohidratos unidos covalentemente.
158
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
56 El enlace cruzado aldólico es el responsable de: $ La dureza de las queratinas.
% La estabilidad del colágeno.
& La elasticidad de la elastina.
' La solubilidad de la elastina.
( La estructura de la fibroína. 57 Se denomina desmosina al enlace formado por: $ Dos moléculas de H-lisilal y una lisina. % Dos moléculas de H-lisilal y dos de lisina. & Una molécula de leucina y otra de lisina. ' Tres moléculas de H-lisilal y una de lisina. ( Cuatro moléculas de H-lisilal. 58 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? $ La elastina se desnaturaliza por acción de la elastasa. % El colágeno no se desnaturaliza por acción de la elastasa. & La elastina contiene glicina. ' El colágeno contiene prolina. ( La elasticidad de la elastina se debe a los enlaces por puente disulfuro. 59 Con relación al nucleosoma, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es cierta? $ Está localizado en las células procarióticas. % Se encuentra en el citoplasma de las células eucarióticas. & Está formado por un octámero proteico sobre el que se arrolla la doble hélice del DNA. ' Hay 140 pares de bases entre nucleosas contiguos. ( B y C son ciertas. 60 Las histonas eucariotas: $ Son proteínas nucleares muy ácidas. % Contienen grandes cantidades de metionina. & Son proteínas muy poco o nada conservadas a lo largo de la evolución. ' Todas ellas poseen una zona no globular próxima a su carboxilo terminal. ( Son altamente policatiónicas e interaccionan con los grupos fosfato del DNA para formar nucleoproteínas neutras.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
159
61 El aminoácido más abundante en las histonas es: $ Aspártico.
% Histidina.
' Tirosina.
( Arginina.
& Alanina.
62 ¿Cuál de las siguientes histonas se encarga de compactar la cadena de nucleosomas de la cromatina? $ H2A.
% H2B.
& H3.
' H1.
( H4.
63 Las histonas que forman parte del octámero proteico del nucleosoma son: $ H3, H2A, H1, H4.
% H3, H4, H1, H2B.
& H3, H4, H2A, H2B.
' H2A, H2B, H3, H1.
( H2A, H2B, H1, H4. 64 Respecto a las proteínas nucleares, señalar la afirmación falsa: $ Son proteínas simples de carácter básico que se encuentran en el núcleo de las células eucarióticas. % Las histonas tienen un elevado contenido de arginina y lisina, y no contienen triptófano. & Las protaminas tienen un elevado contenido de triptófano y tirosina. ' Las histonas son proteínas simples de carácter básico, se hidrolizan por acción de la tripsina y pepsina. ( Las protaminas son solubles en agua y se hidrolizan por acción de la tripsina. 65 Las protaminas: $ Su aminoácido más abundante es tirosina. % Su peso molecular es del orden de 50.000. & Están junto a las histonas en el DNA. ' Se localizan en la cabeza de los espermatozoides ( Flexibilizan el DNA al unirse a su surco mayor. 66 La enfermedad de Wilson se produce por la ausencia o disminución significativa de una de las siguientes proteínas: $ Hemoglobina.
% Fibrinógeno.
' Protrombina.
( Ceruloplasmina.
& Plasminógeno.
160
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
67 ¿Cuál de los siguientes tipos de células actúan como presentadoras de antígeno en la respuesta inmune? $ Linfocitos B.
% Linfocitos CD4.
' Macrófagos.
( Células plasmáticas.
& Células NK.
68 La anemia falciforme: $ Es una enfermedad molecular asociada con la hemoglobina. % La hemoglobina falciforme (HbS) contiene valina en vez de glutamato en la posición 6 de la cadena E. & La desoxiHb falciforme tiene una solubilidad muy baja y forma un precipitado fibroso. ' El precipitado fibroso deforma el eritrocito, que adopta una forma de hoz o media luna. ( Todas las afirmaciones son ciertas. 69 ¿Qué son las talasemias? $ Enfermedades moleculares relativas a la síntesis de las cadenas de las inmunoglobulinas. % Patologías asociadas a las cadenas de tropocolágeno que producen debilidad muscular. & Anomalías genéticas relacionadas con la síntesis de las cadenas de la hemoglobina. ' Enfermedades producidas por deficiencias en la síntesis de la albúmina, que disminuye su concentración plasmática. ( Deficiencias en la coagulación sanguínea como consecuencia de la síntesis deficiente de alguno de los factores de coagulación. 70 ¿Cuál es la proporción de las proteínas que forman los filamentos delgados del músculo estriado? $ Un complejo troponina y una molécula de tropomiosina por cada filamento fino. % Tres moléculas del complejo troponina y tres tropomiosinas por cada filamento delgado. & Un complejo troponina y tres tropomiosinas por cada filamento de actina F. ' Un complejo troponina y una tropomiosina por cada siete monómeros de actina G. ( Tres complejos troponina y una tropomiosina por cada siete moléculas de actina F.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
161
RESPUESTAS RAZONADAS 1 ( La albúmina transporta cationes en la zona amino-terminal, que posee una carga neta negativa, tal es el caso del calcio, así como otros cationes. Además, en las albúminas de especies como la humana, el tercer aminoácido de la cadena es una histidina, lo que origina un sitio de unión específico para cobre y níquel, que consiste en un anillo de coordinación cuadrático plano con cuatro nitrógenos del tripéptido amino-terminal. 2 & La molécula de fibrinógeno es un dímero de tres cadenas peptídicas distintas conectadas por puentes disulfuro. 3 ' Las haptaglobinas forman complejos específicos y estables 1:1 con la hemoglobina, una vez que los eritrocitos han sido hemolizados en el bazo. Debido a sus elevados pesos moleculares, estos complejos no pueden ser excretados por el riñón, lo que evita la excreción de hierro por la orina y protege al riñón de daño por hemoglobina. 4 $ Las funciones de la albúmina son de dos tipos: a) Contribuir a la presión osmótica del plasma, la cual proporciona una fuerza que mantiene los fluidos en el interior vascular. b) Unir y transportar diferentes ligandos. 5 ' La proteína encargada del transporte del cortisol por la sangre es la Transcortina, mientras que del transporte de cobre se encarga la Ceruloplasmina. 6 % Las haptoglobinas transportan hemoglobina de los eritrocitos lisados, se unen a ella y evitan su pérdida, y la transferrina transporta hierro. 7 & En la molécula de fibrinógeno las zonas amino-terminales de las cadenas D E y J se sitúan en la zona central del dímero, enfrentadas las regiones amino-terminales de ambas mitades de dicho dímero. Es en el extremo N-terminal de las cadenas D y E dónde se localizan los fibrinopéptidos A y B respectivamente. 8 ' La albúmina tiene un sitio de alta afinidad para la bilirrubina. Una de sus funciones es la de unir los ácidos grasos de cadena larga, como el oleico. La unión de los dos primeros ácidos grasos a la albúmina induce una modificación estructural en la proteína y hace que aumente su afinidad por la bilirrubina.
162
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
9 % La polimerización de la fibrina se produce por interacciones electrostáticas entre la zona central de la molécula, que queda con una carga de 5 al liberarse los fibrinopéptidos, y cada uno de los dominios terminales que poseen una carga neta de 4. 10 & La transcortina transporta cortisol hasta los tejidos diana, mediante internalización por unión a receptores específicos. Se sintetiza en el hígado y disminuye en enfermedades hepáticas. También transporta corticosterona. 11 ( La inmunoglobulina G sólo se encuentra en forma de monómero y puede tener tanto cadena kappa como lambda. 12 ' La especificidad de las Inmunoglobulinas radica en las regiones hipervariables de las cadenas pesadas y ligeras, que son zonas de máxima variabilidad dentro de la región variable, hay 3 segmentos en la cadena L y 4 en la H; estas zonas forman el centro de unión del antígeno. 13 & Tanto las cadenas pesadas (H) como las ligeras (L) tiene una zona variable y una región constante. La región constante de las cadenas pesadas es de mayor tamaño que la de cadenas ligeras, en el caso de la IgG la región constante de cadena pesada tiene tres dominios, denominados C H1, CH2 y CH3. Las regiones constantes de ambos tipos de cadenas se localizan en el extremo carboxi-terminal de las cadenas peptídicas. 14 ( Ambas estructuras son ciertas porque IgA cuando está en las secreciones exocrinas se encuentra unida al componente secretor. 15 ' IgM lleva a cabo reacciones de aglutinación dado que su estructura pentamérica hace que tenga 5 sitios de fijación para el antígeno. 16 & La proteína J se encarga de unir los monómeros en aquellas Inmunoglobulinas que están formadas por más de uno, que son IgM, que es un pentámero, e IgA que puede formar dímeros y trímeros. 17 % Las Inmunoglobulinas que fijan complemento son IgM e IgG; hacen falta dos moléculas de IgG o una de IgM para desencadenar la reacción. 18 ' Una clase de Inmunoglobulinas puede tener tantas especificidades como determinantes antigénicos distintos frente a los que se sintetiza, con los cuales reacciona.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
163
19 ' En las inmunoglobulinas hay varios tipos de determinantes antigénicos: a) Isotópicos: están en todos los individuos de una especie. b) Alotípicos: están en algunas zonas de la población. c) Idiotípicos: son propios de cada individuo. 20 ' Las células plasmáticas proceden de la transformación de los linfocitos B que han tenido contacto con el antígeno específico, y son las que sintetizan anticuerpos específicos frente a ese antígeno. 21 & Los linfocitos CD4 se activan al unirse al antígeno en la superficie de una célula presentadora del antígeno (Ej: macrófago) en el contexto de una proteína MHC de la clase II, a esta activación también contribuye la interleuquina-1 secretada por el macrófago. 22 ( Los linfocitos T coadyuvantes son imprescindibles para el funcionamiento de los linfocitos B y de otros linfocitos T. Los linfocitos T citotóxicos reconocen el antígeno en el contexto de las proteínas MHC I, que se encuentran en la superficie de todas las células con núcleo. Las células CD4 se activan al unirse simultáneamente al antígeno y a la proteína MHC II, presentadas por el macrófago, a esto contribuye la interleuquina-1 segregada por el macrófago. Las células CD4 que han reconocido al antígeno, es decir están activadas, segregan interleuquina-2, que induce la proliferación de las células CD8 que también han reconocido el antígeno. 23 % Las células que segregan interleuquina-2 son linfocitos CD8 y CD4, dentro de estos últimos se incluyen los linfocitos T coadyuvantes. 24 % Es una activación específica que presupone una respuesta humoral ya que está mediada por complejos antígeno-anticuerpo, hacen falta 2 IgG o 1 IgM. 25 & La coagulación sanguínea se produce por dos vías distintas: vía intrínseca y vía extrínseca. Ambas vías son cascadas enzimáticas formadas por una serie de zimógenos. Ambas se desencadenan de forma diferente. 26 ( Tiene actividad enzimática: C1s, que actúa sobre C4 y C2; C4b2a que es la convertasa de C3; C4b2a3b que es la convertasa de C5.
164
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
27 ' Los fragmentos que tienen función de anafilotoxinas son C3a y C5a, producen liberación de histamina de las células que la contiene y tienen efecto quimiotácticos para ciertos leucocitos. 28 & La Convertasa de C5, que escinde la proteína C5 en C5a y C5b, está formada por C4b2a3b. 29 ' La lisis celular comienza con la unión de C8 a la subunidad C5 del complejo C5b67, y aumenta su velocidad con la unión a C8 de varias moléculas de C9 hasta formarse un poro. 30 & La ruptura de C3 en C3a y C3b puede producirse por acción de C4b2a, plasmina, trombina y tripsina, así como por la formación de un complejo enzimático propio de la vía, constituido por C3b, el factor B y el factor D. 31 ( Si no está presente la vitamina K, se producen proteínas sin residuos de J-carboxiglutamato, por lo que no pueden unir Ca 2 y, por lo tanto, no pueden participar en el proceso de coagulación. Proceso catalizado por acción de una carboxilasa que necesita como cofactor imprescindible para su acción a la vitamina K. 32 % La hemoglobina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas y cada una de ellas tiene un grupo hemo. Los grupos hemo están localizados en unas oquedades cercanas al exterior de la molécula. 33 % El orden de los sustituyentes de la protoporfirina IX es M-V-M-V-M-PP-M, como puede verse en la figura 4. 34 $ La hemoglobina F está formada por dos cadena D y dos cadenas J, lo cual le confiere más afinidad por el O2 que la hemoglobina A. 35 $ La curva de disociación del O 2 de la hemoglobina es sigmoidea, es decir presenta carácter cooperativo. 36 % El centro de unión del oxígeno en la mioglobina, al igual que en la hemoglobina, es la sexta posición de coordinación del átomo de hierro del grupo hemo. La unión entre el hemo y la cadena polipeptídica es a través de la histidina F8 o proximal y la quinta posición de coordinación del hierro del hemo.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
165
37 ' El más importante es la histidina porque hay dos His próximas al grupo hemo, la His F8 está unida al hierro del hemo y la His E7 que queda próxima a la sexta posición de coordinación del hierro. 38 ' La estructura cuaternaria T es la de la desoxiHb y está estabilizada mediante enlaces salinos, en los que participan los residuos C-terminales de las cuatro cadenas polipeptídica y los C-terminales de las cadena laterales. Los reguladores alostéricos (H , CO2, y BPG) estabilizan la forma T aumentando el número de enlaces salinos. La forma R es la estructura cuaternaria de la oxiHb, que carece de enlaces salinos, los cuales se han roto por la unión del O 2. 39 & En la oxigenación el átomo de hierro se introduce en el plano de la porfirina y arrastra a la His proximal, lo cual origina la ruptura de los enlaces salinos intercatenarios y el equilibrio se desplaza de la forma T a la forma R. 40 ( El BPG se une a la desoxihemoglobina, estabilizando su estructura cuaternaria, mediante enlaces cruzados con 6 residuos cargados positivamente, tres en cada cadena E, situados en la cavidad central de la molécula de Hb. 41 ' El CO2 se une a la Hb en los grupos D-amino reversiblemente, formando carbamatos que establecen puentes salinos, estabilizando la forma T, con lo que disminuye la afinidad de la Hb por el oxígeno. 42 ( La banda A está formada por filamentos gruesos y delgados, contiene la zona H, formada solamente por filamentos gruesos, en el centro de la cual está la línea M. 43 ' La molécula de miosina, de peso molecular 540.000, consta de 6 cadenas, dos de ellas pesadas. Cada cadena tiene una cabeza globular, en la que existen aminoácidos poco frecuentes como la H-N-trimetil-lisina, y una cola en D-hélice. 44 ( El D-helicoide enrollado carece de prolina, tiene aminoácidos formadores de D-hélice, cada una de las dos cadenas que lo forman presenta una secuencia repetida de 7 residuos de los que dos son hidrofóbicos y se enfrentan entre sí para formar un núcleo hidrofóbico. Hay una unidad repetitiva cada 28 residuos que hace que haya bandas de cadenas laterales cargadas positiva y negativamente de forma alternativa. Corresponde a la zona C-terminal de ambas cadenas pesadas.
166
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
45 % El enzima que escinde la miosina en meromiosina pesada y ligera es la tripsina. 46 ( La tropomiosina y la troponina son proteínas que forman parte de los filamentos delgados. Ejercen una función reguladora ya que actúan como mediadores de los efectos del Ca2 sobre la interacción de la actina y la miosina. 47 & La banda I del sarcómero está formada exclusivamente por filamentos finos, los cuales están constituidos mayoritariamente por actina, aunque también presentan troponinas y tropomiosina. Esta banda es la región clara del sarcómero, que desaparece, al igual que la zona H, cuando se produce una contracción muscular completa, ya que el sarcómero se acorta hasta una longitud aproximada de 1 Pm. 48 & La Troponina C es una de las subunidades de la Troponina, está formada por una cadena polipeptídica con dos dominios homólogos unidos por una D-hélice, cada dominio tiene dos centros de unión para el calcio, es decir hay 4 centro de unión para el Ca2 por molécula. 49 ( El colágeno es la más abundante de las escleroproteínas y en general de las proteínas del organismo, constituye el 6% del peso total del cuerpo humano y el 25-30% de las proteínas orgánica totales. 50 % Un tercio de los aminoácidos del colágeno son glicina, ya que su cadena lateral es muy pequeña (un H) y es el único aminoácido que puede situarse en el interior de la triple hélice de la molécula de tropocolágeno, que tiene un paso de hélice de 3, por lo que uno de cada tres aminoácidos en cada cadena polipeptídica es glicina. También abunda la prolina, y posee 4-hidroxipolina y 5-hidroxilisina. Tanto la hidroxilación de los residuos como la unión de carbohidratos se produce en el interior del fibroblasto, antes de que el procolágeno sea excretado a la matriz extracelular, donde se transforma en tropocolágeno, moléculas que forman la fibra de colágeno. 51 & El colágeno posee en sus cadenas polipeptídicas restos de mono y disacáridos, como por ejemplo 2-D-D-glucopiranosil-galactopiranosilhidroxilisina. 52 $ Al estudiar la secuencia de aminoácidos del colágeno se observó que la mayor proporción corresponde a la glicina, cifrándose en 33%.
PROTEÍNAS FUNCIONALES
167
53 % La función del colágeno es fundamentalmente mecánica debido a la existencia en el mismo de enlaces cruzados covalentes, que pueden ser inter e intramoleculares. 54 ' Las queratinas son las escleroproteínas más duras, están formadas por cadenas polipeptídicas muy ricas en cisteína, que se unen entre sí por puentes disulfuro, los cuales están dispuestos en las tres dimensiones del espacio y son responsables de la resistencia de estas proteínas. 55 & El tropocolágeno muy abundante en glicina (33% de sus aminoácidos) y presenta 5-hidroxilisina y 4-hidroxiprolina. La 5-hidroxilisina es esencial en la molécula de colágeno, ya que este aminoácido es el sitio de unión de los carbohidratos, y además participa decisivamente en la formación de enlaces covalentes cruzados del colágeno. Es la molécula de elastina la que carece de 5-hidroxilisina. 56 % Los enlaces cruzados aldólicos del colágeno son enlaces covalentes, pueden ser inter o intramoleculares, los primeros se establecen entre lisina e hidroxilisina, ambas en forma adehídica; y los segundos entre cadenas laterales de lisina en forma de H-lisilal, situadas en la zona no helicoidal próxima al extremo N-terminal de la cadena. Estos enlaces de carácter fuerte son los que estabilizan el colágeno. 57 ' Se denomina desmosina al enlace complejo que resulta de la unión de tres moléculas de H-lisilal con una molécula de lisina, es el enlace característico de la elastina. 58 ( La elasticidad de la elastina se debe a los enlaces H de Patridge, mientras que los puentes disulfuro son característicos de las D-queratinas. 59 & Un nucleosoma esta formado por un complejo proteico esférico o cilíndrico constituido por el octámero (H2A, H2B, H3, H4)2 alrededor del cual se arrolla la doble hélice del DNA, 140 pares de bases están directamente unidos al núcleo de histonas y hay de 20 a 100 pares de bases entre nucleosomas contiguos. 60 ( Las histonas son proteínas de carácter básico, contienen muchos residuos de arginina y lisina, y su carga neta es positiva, lo que hace que interaccionan con las cargas negativas del esqueleto fosfodiéster del DNA. Son proteínas muy conservadas a lo largo de la evolución, con una gran similitud en su estructura primaria, y por tanto en su estructura terciaria y su función. Su región carboxi-terminal posee una zona globular, mientras que, como sucede
168
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
con al histona H4, su extremo amino-terminal puede acetilizarse y fosforilarse reversiblemente, lo que puede tener un papel regulador en procesos de transcripción y replicación de DNA. 61 ( El aminoácido más abundante en las histonas es la arginina, que junto con la lisina constituye el 20-30% de los aminoácidos. 62 ' La histona H1 contribuye a compactar la cadena de nucleosomas que forman la fibra de cromatina mediante un proceso de fosforilación-defosforilación. 63 & El octámero del complejo proteico del nucleosoma está formado por dos moléculas de cada una de las siguientes histonas: H3, H4, H2B y H2A. 64 & Las protaminas son proteínas simples, que contienen aminoácidos básicos, principalmente arginina. No contienen ni tirosina ni triptófano. 65 ' Las protaminas se localizan en la cabeza de los espermatozoides, unidas al DNA en lugar de las histonas, contribuyen a compactar al máximo el DNA. 66 ( En la enfermedad de Wilson, que es rara y hereditaria, la ceruloplasmina del plasma cae a niveles muy bajos, lo que conduce a un aumento importante de cobre en cerebro e hígado, lo que provoca importantes daños neurológicos y hepáticos. La ceruloplasmina une ocho iones Cu o Cu2, por lo que ayuda a mantener la homeostasis del Cu 2 y sirve como transportador de este catión. 67 ' Las células presentadoras de antígeno son macrófagos, aunque también desempeñan esta función las células de los islotes de Langerhans, las dendríticas de la sangre, células del bazo y de los nódulos linfáticos y también células de la piel. 68 ( La anemia falciforme es una enfermedad molecular asociada con la hemoglobina. Esta patología se caracteriza por la presencia de eritrocitos en forma de hoz o media luna, que quedan atrapados en los vasos sanguíneos pequeños y producen lesiones en múltiples órganos. Además las células falciformes son más frágiles y se hemolizan más fácilmente, lo que produce anemia. La deformación de los eritrocitos falciformes se debe a la hemoglobina falciforme (HbS), en la cual la posición 6 de la cadena E tiene valina, en vez de glutamato que es el aminoácido normal. Esta modificación hace que la
PROTEÍNAS FUNCIONALES
169
desoxi-HbS forme un precipitado fibroso, las fibras de desoxi-HbS tienen un diámetro de 21,5 nm, y están formadas por una hélice de 14 hebras, cada una de las hebras es una asociación de siete parejas de moléculas de HbS. La modificación falciforme apenas afecta a la afinidad por el oxígeno ni las propiedades alostéricas de la hemoglobina. 69 & Las talasemias son enfermedades genéticas caracterizadas por una síntesis defectuosa de una o más cadenas de la hemoglobina. Se producen por mutaciones que conducen a la ausencia o deficiencia en una cadena D o E de la globina. Pueden originarse por la carencia del gen que codifica la cadena polipeptídica; por deficiencias en la transcripción o traducción del gen, debido, por ejemplo, a mutaciones en el promotor o en los intrones; y también por la producción de un mensajero en cantidad normal aunque mutado que codifica una proteína anormal. 70 ' El complejo de la troponina (TnC, TnI y TnT) se encuentra en los filamentos delgados cada 40 nm, que es la longitud de la molécula de tropomiosina, por lo tanto, hay un complejo troponina y una molécula de tropomiosina por cada siete monómeros de actina G de la fibra de actina F.
Bloque temático 4
Ácidos nucleicos ÁCIDOS NUCLEICOS. COMPOSICIÓN. BASES NITROGENADAS. NUCLEÓSIDOS. NUCLEÓTIDOS. DNA: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES. RNA: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES. NUCLEASAS La información genética es almacenada y transmitida por los ácidos nucleicos DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico), que son macromoléculas resultantes de la polimerización de un número elevado de nucleótidos. Los nucleótidos están formados por tres unidades fundamentales: bases nitrogenadas, una osa y ácido fosfórico. La unión de una osa (ribosa o 2-desoxirribosa) y una base nitrogenada (púrica o pirimidínica) por un enlace N-glucosídico se denomina nucleósido. El compuesto formado por la esterificación de un nucleósido por ácido fosfórico es un nucleótido. ÁCIDO NUCLEICO (polinucleótido)
NUCLEÓTIDOS
NUCLEÓSIDOS
ÁCIDO FOSFÓRICO
BASES PÚRICAS PENTOSA O PIRIMIDÍNICAS (D-Ribosa o D-2-desoxirribosa)
172
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
BASES NITROGENADAS Las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos: púricas y pirimidínicas, que derivan, respectivamente, de la purina y de la pirimidina.
Bases púricas La purina es un heterociclo del que derivan numerosos compuestos por sustitución de los átomos de hidrógeno de los grupos CH por diversos radicales; todos se caracterizan por su carácter aromático y por absorber intensamente la luz ultravioleta (figura 4.1). Las bases púricas presentes en los ácidos nucleicos, tanto en el DNA como en el RNA, son:
FIGURA 4.1. Estructura de la purina.
$GHQLQD $ yDPLQRSXULQD *XDQLQD * yDPLQRKLGUR[LSXULQD figura 4.2).
FIGURA 4.2. Bases púricas presentes en los ácidos nucleicos.
Otras bases púricas, derivadas de las anteriores son la hipoxantina (6-oxipurina) y la xantina (2,6-dioxi-purina) (figura 4.3).
FIGURA 4.3. Bases púricas infrecuentes en los ácidos nucleicos.
Una modificación común de estas bases en los ácidos nucleicos es la metilación, así tenemos la 6-metil-adenina, la 2-metil-guanina y la 7-metil-guanina.
ÁCIDOS NUCLEICOS
173
Bases pirimidínicas Derivan del núcleo de pirimidina por sustitución de los hidrógenos de los grupos CH por diversos radicales. Absorben intensamente en el ultravioleta (figura 4.4).
FIGURA 4.4. Estructura de la pirimidina.
Hay tres bases pirimidínicas en los ácidos nucleicos: &LWRVLQD & yKLGUR[LDPLQRSLULPLGLQDSUHVHQWHHQWRGRVORViFLGRV nucleicos. Algunos derivados suyos, presentes en pequeña cantidad de algunos DNA son la 5-metil-citosina y la 5-hidroximetil-citosina. 8UDFLOR 8 y GLKLGUR[LSLULPLGLQD HVWi SUHVHQWH HQ WRGRV ORV 51$V pero no en el DNA. 7LPLQD 7 y GLKLGUR[LPHWLOSLULPLGLQD VH HQFXHQWUD HQ HO '1$ pero no en los RNAs (figura 4.5).
FIGURA 4.5. Bases piramídínicas presentes en los ácidos nucleicos.
Tanto las bases púricas como las pirimidínicas pueden tener varias configuraciones tautoméricas. La tautomería puede ser: a) Ceto-enólica (figura 4.6)
FIGURA 4.6. Tautomería ceto-enólica.
174
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
b) Amino-imino (figura 4.7)
FIGURA 4.7. Tautomería amino-imino.
OSAS Las osas que forman parte de los ácidos nucleicos son pentosas, estables en su forma furanósica (figura 4.8): 'ULERVDSUHVHQWHHQORV51$V 'GHVR[LUULERVDHQHO'1$
FIGURA 4.8. Estructura de la D-ribosa y de la D-2-dexosirribosa.
NUCLEÓSIDOS Ribonucleósidos Se encuentran en los RNAs. RIBONUCLEÓSIDO
RIBOSA BASE NITROGENADA
Los presentes en los RNAs son: $GHQRVLQD (OHQODFHE-N-glucosídico se establece entre el C1c de la ribosa y el N9 de la adenina. *XDQRVLQD (OHQODFHE-N-glucosídico es entre el C1c de la ribosa y el N9 de la guanina.
ÁCIDOS NUCLEICOS
175
8ULGLQD (OHQODFHE-N-glucosídico es entre el C1c de la ribosa y el N1 del uracilo. &LWLGLQD (OHQODFHE-N-glucosídico es entre el C1c de la ribosa y el N1 de la citosina. 6HXGRXULGLQD (O HQODFH &JOXFRVtGLFR HV HQWUH HO &c de la ribosa y el C5 del uracilo (figura 4.9 y tabla 4.1).
FIGURA 4.9. Ribonucleósidos.
TABLA 4.1. Ribonucleósidos y Desoxirribonucleósidos. RIBONUCLEÓSIDOS Nombre
Base nitrogenada
OSA
Adenosina Guanosina Citidina Uridina
Adenina Guanina Citosina Uracilo
D-ribosa
DESOXIRRIBONUCLEÓSIDOS Desoxiadenosina Desoxiguanosina Desoxicitidina Desoxitimidina o timidina
Adenina Guanina Citosina Timina
D-2-desoxirribosa
Desoxirribonucleósidos Se encuentran en el DNA. DESOXIRRIBONUCLEÓSIDOS 2-DESOXI-RIBOSA BASE NITROGENADA
176
BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS Y TESTS
Los que se encuentran en el DNA son: 'HVR[LDGHQRVLQD (QODFHE-N-glucosídico entre C1c del azúcar y N9 de adenina. 'HVR[LJXDQRVLQD (QODFH E-N-glucosídico entre C1c de la osa y N9 de guanina. 'HVR[LFLWLGLQD (QODFH E-N-glucosídico entre C1c del azúcar y N1 de citosina. 'HVR[LWLPLGLQD (QODFH E-N-glucosídico entre C1c del azúcar y N1 de timidina (figura 4.10).
la la la la
FIGURA 4.10. Desoxirribonucleósidos.
NUCLEÓTIDOS Son los ésteres fosfóricos de los nucleósidos. El grupo fosfórico puede estar esterificando uno cualquiera de los hidroxilos libres del azúcar, pero en los ácidos nucleicos, tanto RNAs como DNA, hay nucleótidos en 5c, es decir, nucleósidos-5c-monofosfato.
Ribonucleótidos Se encuentran formando los RNAs (figura 4.11). ÉFLGR DGHQtOLFR R DGHQRVLQD c-monofosfato (AMP). ÉFLGR JXDQtOLFR R JXDQRVLQD c-monofosfato (GMP).
FIGURA 4.11. Ejemplo de ribonucleótido.
ÁCIDOS NUCLEICOS
177
ÉFLGRFLWLGtOLFRRFLWLGLQDc-monofosfato (CMP). ÉFLGRXULGtOLFRRXULGLQDc-monofosfato (UMP). ÉFLGRVHXGRXULGtOLFRRVHXGRXULGLQDc-monofosfato (
