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Manual C TO
1.ª edición
Bioquímica Ecuador
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INDICE
BIOQUÍMICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Conceptos fundamentales de la Bioquímica. El metabolismo .................................... Respiración celular .............................................................................................................................................................................. El ciclo de Krebs ....................................................................................................................................................................................... La cadena respiratoria ................................................................................................................................................................... La fosforilación .......................................................................................................................................................................................... Ciclos anaeróbicos ............................................................................................................................................................................... Metabolismo de los carbohidratos ........................................................................................................................... Metabolismo de los lípidos ................................................................................................................................................... Metabolismo de las proteínas ........................................................................................................................................... Metabolismo de los nucleótidos .................................................................................................................................. Conceptos clave ..................................................................................................................................................................................
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4 BIOQUÍMICA 1. Conceptos fundamentales de la Bioquímica. El metabolismo 1.1. Biomoléculas y bioelementos Bioelementos: todos los seres vivos tienen en común el estar formados por una serie de elementos químicos. Así pues, de�nimos los elementos biogénicos o bioelementos como aquéllos que forman parte de los seres vivos. Dependiendo de la proporción en la cual están presentes, se les denomina: •
Elementos primarios. primarios. Constituyen Constituyen el 99,3% de la masa del cuerpo humano. Son imprescindibles para la formación de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estos elementos son: C, H, O y N.
•
Elementos secundarios. Constituyen el 0,7% de la masa del cuerpo humano. Éstos son: S, P, Cl, Na, K, Ca, Fe y Mg. Elementos microconstituyentes u oligoelementos. Se oligoelementos. Se encuentran en proporciones ínfimas. Presentan variaciones entre los distintos seres vivos, pero cuando están, su presencia es imprescindible. Se. Los elementos secundarios y los microconstituyentes son Son, entre otros: I, Mn, Cu, Co, Zn, F, Se. Los considerados OLIGOELEMENTOS o TRAZAS, que son elementos imprescindibles, aunque en pequeñas cantidades.
•
Biomoléculas: los elementos biogénicos se combinan entre sí mediante enlaces, formando las biomoléBiomoléculas: los culas o principios inmediatos. Los inmediatos. Los principios inmediatos se clasi�can en: • Orgánicos: Orgánicos: proteínas, proteínas, glúcidos, lípidos, ácidos nucleicos y metabolitos. • Inorgánicos: Inorgánicos: agua agua (la más abundante), sales minerales inorgánicas y gases (NO, CO 2, O2).
1.2. El metabolismo: anabolismo y catabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas encadenadas, ordenadas y sucesivas, destinadas a la creación y mantenimiento de la vida. Las macromoléculas que forman los alimentos (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.) se transforman en otras más sencillas (monosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos, etc.) debido al efecto hidrolítico de las enzimas digestivas. Este proceso es la DIGESTIÓN. La digestión tiene el objetivo de permitir la absorción intestinal de los nutrientes. Una vez absorbidos los nutrientes, pasan al torrente sanguíneo o linfático (es e l caso de las grasas) y son distribuidos por el organismo. A partir de este momento, ya se puede hablar de METABOLISMO. Consta de dos procesos: Catabolismo. Conjunto • Catabolismo. Conjunto de reacciones químicas por las cuales las células degradan las macromoléculas para transformarlas en moléculas más sencillas. Son reacciones exergónicas en las que la energía desprendida se acumula en forma de ATP. • Anabolismo. Anabolismo. Comprende Comprende los procesos de síntesis a partir de los cuales las células elaboran compuestos más complejos. Son reacciones endergónicas, consumen energía. La energía que se obtiene del
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catabolismo es esencial para el mantenimiento de las funciones vitales (bombeo cardíaco, termorregulación, síntesis de hormonas, etc.). Las vías anabólicas y catabólicas son independientes. Se producen en distintos compartimentos celulares y son reguladas por enzimas diferentes. Metabolismo de la biosfera Los seres vivos requieren un continuo aporte de energía e intercambio de materia con el medio. A nivel macroscópico (biosfera) (biosfera) hay tres grandes ciclos metabólicos que de�nen la relación entre los seres vivos y el e ntorno: • Ciclo del carbono. En carbono. En función del modo en que los organismos consiguen el carbono, se dividen en: - Autótrofos. A partir del CO 2 atmosférico y gracias a la energía luminosa, son capaces de sintetizar moléculas orgánicas carbonadas. Por ejemplo, las bacterias fotosintéticas, vegetales. - Heterótrofos. Su fuente de carbono son las moléculas carbonadas que los autótrofos han sintetizado. No son capaces de utilizar el CO2 atmosférico, ni la energía luminosa con este propósito. La energía la obtienen hidrolizando los enlaces de las macromoléculas que ingieren. Por ejemplo, el hombre. •
Ciclo del oxígeno. En oxígeno. En función de los requerimientos de oxígeno, los organismos se dividen en: - Aerobios. Utilizan el O2 atmosférico para realizar las reacciones oxidativas (exergónicas) de las macromoléculas. Se subdividen en: › Estrictos. En ausencia de O 2 no sobreviven. › Facultativos. Pueden vivir en presencia o ausencia de O2. -
•
Anaerobios. No utilizan el O2 en sus reacciones de oxidación.
Ciclo del nitrógeno. El nitrógeno. El N2 atmosférico es captado y fijado por bacterias fijadoras y convertido en amoníaco (NH 3). Sobre el amoníaco actúan las bacterias nitrificantes de la tierra y lo convierten en nitratos. Los nitratos son absorbidos por las plantas y convertidos en aminoácidos.
Concepto de oxidación-reducción • Oxidación. Oxidación. Es Es la pérdida de electrones (hidrógeno) por parte de una molécula. Se da en reacciones exergónicas, en que una molécula rica en energía pierde hidrógenos (electrones), oxidándose y liberando energía. Reducción. Es • Reducción. Es la ganancia de electrones que experimenta una molécula. Una molécula aceptora se hace más energética porque capta electrones (cedidos por otra) y se reduce. Se da en reacciones endergónicas. Ciclos energéticos • Ciclo del ATP-ADP. La energía que se libera en las reacciones exergónicas es captada por el ADP, que se convierte en ATP. El ATP es la moneda energética de la economía humana. Se forma en las vías catabólicas y es consumido en las anabólicas. • Ciclo del NADPH-NADP+. NADPH-NADP+. En ciertas situaciones, como el ciclo de Krebs, la energía es captada por el NADP+. En estas ocasiones, el NADP+, al captar el hidrógeno, se reduce a NADPH (que es más energético). El NADPH entrará en la fosforilación oxidativa para rendir energía o actuará como coenzima en alguna reacción metabólica. • Ciclo de la fosfocreatina. Es fosfocreatina. Es un fosfato de energía elevada, al igual que el ATP TP.. Su función es el almacenamiento temporal de grupos fosfato de alta energía en el músculo. Cuando el ATP se consume (se
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convierte en ADP), la fosfocreatina cede su fosfato al ADP, y de esta forma se regenera el ATP. La creatina es un producto de la fosfocreatina muscular, por lo que es un marcador del metabolismo endógeno del músculo (Figura 1).
Figura 1. Ciclo de la fosfocreatina
1.3. El ATP y su importancia en los procesos metabólicos El ATP (trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato) es la molécula fundamental para la obtención de energía para la célula. La capacidad de almacenamiento energético de esta molécula radica en su naturaleza química. Estructuralmente es un nucleótido formado por adenina unida a un azúcar de cinco carbonos (la ribosa). De esta forma, en el metabolismo, los balances energéticos se realizan teniendo en cuenta las moléculas de ATP generadas o gastadas. Los procesos de síntesis o anabolismo “consumen” ATP, mientras que los procesos de degradación de moléculas o catabolismo “producen” ATP. Se dice que el ATP es un intermediario energético, ya que sus enlaces retienen la energía necesaria para la mayor parte de los procesos celulares.
2. Respiración celular El concepto de “respiración”, hace referencia a la fase aeróbica del catabolismo celular. La respiración celular puede dividirse en tres fases principales: • Prod Producci ucción ón del del acetil-C acetil-CoA oA median mediante te la oxid oxidación ación del combu combustible stible orgánico (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos). • Los grup grupos os acetilo acetilo del acetil acetil-Co -CoA A pasan pasan por por el ciclo ciclo del ácido ácido cítri cítrico co o ciclo de Krebs, donde son oxidados hasta la producción de CO 2, liberando energía que se conserva en los transportadores NADH y FADH 2. • Tran Transfer sferencia encia electró electrónica, nica, dond dondee los los electron electrones es transpo transportados rtados por NADH y FADH 2 llegan a la cadena respiratoria (cadena de transportadores electrónicos mitocondriales). Durante este proceso, se libera gran cantidad de energía en forma de ATP, mediante un proceso conocido como fosforilación oxidativa. En los siguientes temas, se desarrollarán cada una de las tres etapas.
2.1. Las mitocondrias, estructura general y función Las mitocondrias son orgánulos rodeados de membrana, variables en forma y número en función del tipo celular.
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BIOQUÍMICA
Estructura: están constituidas por dos membranas: una externa lisa que rodea el orgánulo y una interna con invaginaciones llamadas crestas, que incrementan considerablemente su super�cie total. matriz,, formaEn el interior de la membrana interna se localiza la matriz da por una concentración de enzimas implicadas en el metabolismo energético.
Función: oxidación de metabolitos y obtención de ATP por la fosforilación oxidativa, dependiente de la cadena respiratoria.
6. Ciclos anaeróbicos Los ciclos anaeróbicos son dos: Ciclo de Embder-Meyerhoff y el Ciclo de Cori o del ácido láctico que están desarrollados en el Tema 7.
7. Metabolismo de los carbohidratos
3. El ciclo de Krebs Los glúcidos o carbohidratos son principios inmediatos formados por C, H y O. Son la principal fuente de energía utilizada por las células. El ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica de la respiración celular en las células aeróbicas. En estos organismos aerobios, mediante esta sucesión de reacciones químicas, se produce la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO 2, liberando energía para ser utilizada. Este proceso tiene lugar en las mitocondrias, en el caso de las células eucariotas, y en el citosol citoplasmático en los organismos procariotas.
4. La cadena respiratoria •
•
7.1. Monosacáridos Su función más importante es ser la principal fuente de energía inmediata que tiene la célula. También forman parte de otras moléculas más complejas: ácidos nucleicos, ATP y otros nucleótidos. Los siguientes son los glúcidos más sencillos: • Gl Gluc uco osa (F (Fig igu ura 2) 2).. • Galactosa. • Fructosa.
Se encarga encarga de transp transportar ortar electro electrones. nes. Los electro electrones nes se se transpo transportan rtan desde moléculas poco oxidantes hasta el oxígeno que es la molécula más oxidante de la cadena. Las moléculas que inician este transporte de electrones son NADH Y FADH, es decir son las moléculas menos oxidantes de la cadena. Una vez que los electrones son entregados al oxígeno, se forma agua. Debido Debid o a que la caden cadenaa sólo sólo transp transporta orta electron electrones, es, los prot protones ones son bombeados hacia fuera de la mitocondria, lo que crea un gradiente de protones con una carga muy positiva fuera de la mitocondria y una carga muy negativa dentro. Este gradiente obliga a los protones a volver a entrar a la mitocondria y en el paso hacia dentro pasan por una enzima que forma un túnel de protones llamada ATP sintasa que con la fuerza de entrada de los protones, forma ATP. Figura 2. Estructura lineal y cíclica de la glucosa
5. La fosforilaci fosforilación ón La fosforilación oxidativa es un proceso por el cual se produce ATP, ATP, a través de la energía liberada de la oxidación de nutrientes. La mayoría de la producción de ATP se produce mediante esta ruta metabólica. Existen inhibidores de la fosforilación oxidativa que, actuando en diferentes puntos, son capaces de parar el proceso. Algunos de ellos, son: - Cia Cianur nuro: o: inhibi inhibiend endo o la cadena cadena de trans transport portee de electro electrones nes.. - Oli Oligom gomici icina: na: inhi inhibie biendo ndo la la enzima enzima ATPATP-sin sintas tasa. a. - 2,4 dinitro dinitrofeno fenol:l: agente agente desac desacoplan oplante te de de la caden cadenaa de trasnp trasnporte. orte.
7.1.1. Clasificación •
Segú Se gún n su su gru grupo po fu func ncio iona nal:l: - Aldosas: Aldosas: tienen tienen un grupo aldehído (grupo COH en el ex tremode la cadena). - Cetosas: Cetosas: tienen tienen un grupo cetónico (grupo C=O en el interior de la cadena).
•
Según los átomo átomoss de de carbono carbono que tienen: tienen: triosa triosass (3C), (3C), tetrosa tetrosass (4C), (4C), pentosas (5C), hexosas (6C).
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7.1.2. Propiedades químicas • •
›
El grupo grupo aldehí aldehído do y cetón cetónico ico hace hace que que sean muy reducto reductores, res, es decir decir,, que puedan ceder átomos de hidrógeno (en definitiva, energía). Estereoiso Ester eoisomería mería (isom (isomería ería de posici posición ón en en el espaci espacio). o). Viene determ determiiasimétricos. Un carbono asimétrico es aquél nada por los carbonos asimétricos. Un que tiene las 4 valencias compartidas con 4 elementos diferentes. Esto determina que existan moléculas con la misma fórmula empírica, pero con conformación espacial diferente.
Los glúcidos normalmente no se encuentran en la forma de estructura lineal representada hasta ahora, sino que forman estructuras cíclicas: • Las pent pentosa osass forma forman n FURANO FURANOSAS SAS (for (forma ma penta pentagon gonal). al). • Las hex hexosa osass forma forman n PIRANO PIRANOSAS SAS (for (forma ma hexag hexagona onal). l).
-
•
Almidón. Almidó n. Es la la princi principal pal rese reserva rva de los los veget vegetales ales.. El hombr hombree no es capaz de sintetizarlo, pero al ser ingerido en la dieta, puede sacar de él provecho energético, ya que es capaz de degradarlo.
Función estructural: forman parte de las paredes celulares y de los tejidos de sostén de plantas y animales: › Cel Celulo ulosa. sa. no no tiene tiene valor valor energ energétic ético o para para el hombr hombre, e, porqu porquee no tiene la enzima necesaria para su degradación. Tiene la misión de estimular el tránsito intestinal y favorecer la evacuación. › Qui Quitin tina: a: forma forma parte parte del del capar caparazó azón n de los los artrópo artrópodos dos..
Heteropolisacáridos: formados por unidades diferentes de monosacáridos. Algunos ejemplos son: ácido hialurónico, heparina, condritina.
7.2. Disacáridos Están formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glucosídico (covalente glucosídico (covalente fuerte). Principales disacáridos: • Sacarosa = Glucosa + Fructosa. • Lactosa = Glucosa + Galactosa. La lactosa se encuentra en la leche de los mamíferos. •
Maltosa = Glucosa + Glucosa. Se encuentra en los vegetales, pero no libremente, sino formando parte del almidón. La lactosa es degradada por una enzima, dando lugar a sus monosacáridos constituyentes. La galactosa, mediante dos reacciones metabólicas, dará lugar a glucosa, para poder introducirse en las diferentes rutas metabólicas.
La intolerancia a la lactosa es una alteración intestinal producida por el dé�cit de la enzima que rompe la lactosa en los dos monosacáridos constituyentes. Como consecuencia, la lactosa se acumula en la luz intestinal y atrae gran cantidad de agua, debido a su fuerte efecto osmótico. Por este motivo, provoca un cuadro clínico caracterizado por distensión abdominal, náuseas y diarrea acuosa. La galactosemia es una enfermedad hereditaria grave consecuencia de un dé�cit enzimático que impide la transformación de la galactosa en glucosa. Provoca un cuadro clínico caracterizado por vómitos, diarrea, esplenomegalia, ictericia, cataratas y retraso mental. Su tratamiento consiste en la eliminación dietética de alimentos con galactosa.
7.3. Polisacáridos Son polímeros de monosacáridos unidos mediante enlaces glucosídicos. Se clasi�can en: • Homopolisacáridos. Formados por la misma unidad de monosacáridos. Son los más abundantes en la naturaleza. Tienen dos funciones muy importantes: energética: se acumulan en el citoplasma de ciertas cé- Reserva energética: se lulas y el organismo puede utilizarlos cuando los necesite: › Glu Glucó cógen geno. o. Es la la princip principal al reserva reserva glucí glucídic dicaa humana humana.. Se almacena mayoritariamente en las células hepáticas y musculares. Es un polímero de α-glucosa (Figura 3).
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Figura 3. Estructura del glucógeno
7.4. Metabolismo de los glúcidos Los monosacáridos, después de su absorción intestinal, pueden seguir varias rutas: • Ox Oxid idar arse se pa para ra ob obten tener er en ener ergí gía. a. • Con Convertir vertirse se en gluc glucógen ógeno o y almace almacenars narsee en el hígad hígado o o en en el múscu músculo. lo. • Tra rans nsfo form rmar arse se en en lípi lípido doss. Los otros monosacáridos obtenidos en la oxidación de los glúcidos (galactosa, fructosa) han de convertirse en glucosa para poder tener actividad �siológica.
7.5. Catabolismo de la glucosa La �nalidad de este proceso es la obtención de energía o la producción de intermediarios para la síntesis de otras biomoléculas. Se divide en tres etapas:
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BIOQUÍMICA
•
•
Glucólisis (ciclo de Embder-Meyerhoff): proceso de conversión de una molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico. 1 glucosa 2 ác. pirúvico Esta reacción tiene lugar en el citoplasma celular y no requiere la presencia de O2. El ácido pirúvico obtenido puede seguir dos vías: - Vía aerobia: la más habitual. Consiste en la transformación del ácido pirúvico en acetil-CoA. 2 ác. pirúvico 2 acetil-CoA El acetil-CoA es un metabolito muy importante, se genera en el metabolismo de los glúcidos y también de los aminoácidos, ácidos grasos y glicerina, incorporándose al ciclo de K rebs. - Vía anaerobia: ›
Fermentación láctica: paso de ácido pirúvico a ácido láctico. Ocurre en ciertas células del organismo (fibras musculares, principalmente) en situaciones de hipoxia o anoxia.
›
Fermentación alcohólica: paso de ácido pirúvico a etanol. No se da en el organismo humano, sino que es un proceso industrial, aplicado en la elaboración del vino y de la cerveza.
Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos: vía final común para la oxidación de las moléculas combustibles: glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos. El acetil-CoA obtenido en la glucólisis se incorpora a una cadena circular de reacciones, de la que se obtienen algunas moléculas de ATP y muchas moléculas de nucleótidos reducidos. Este ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial y es la vía común del metabolismo.
•
Fosforilación oxidativa (respiración celular): los átomos de hidrógeno (liberados en la glucólisis y el ciclo de Krebs y captados por los nucleótidos) entran en la cadena de transporte electrónico y son transferidos de unas moléculas a las otras. El resultado de este proceso es la obtención de un gran número de moléculas de ATP, CO2 y H 2O (a expensas del O 2). Este proceso ocurre en las crestas mitocondriales. Una molécula de glucosa genera 38 moléculas de ATP. ATP.
Figura 4. Resumen del metabolismo glucídico
7.8. Neoglucogénesis (ciclo de Cori) Consiste en la síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos. Estos precursores son: • Ácido lá láctico. • Aminoácidos. • Glicerol Ocurre sobre todo en el hígado y también en el riñón. Un ejemplo de Cori. Éste es un ciclo en neoglucogénesis está en el denominado ciclo de Cori. Éste el que participan los músculos y el hígado (Figura 5). El músculo degrada la glucosa hasta lactato para obtener energía. A continuación el lactato es vertido al plasma y captado por el hígado. El hígado convierte el lactato de nuevo en glucosa.
7.6. Glucogenogénesis También denominada glucogénesis. Es el proceso de síntesis de glucógeno a partir de glucosa. Se da sobre todo en el hígado en la etapa postprandial, a partir de los monosacáridos absorbidos. El glucógeno es almacenado en forma de gránulos en el citoplasma de los hepatocitos. El músculo esquelético, cardíaco y también el riñón almacenan glucógeno para su propio uso. El cerebro carece de almacenamiento de combustible, por tanto, no puede degradarlo. Figura 5. Ciclo de Cori
El cerebro en condiciones �siológicas utiliza exclusivamente glucosa como sustrato energético.
7.7. Glucogenolisis Es el proceso de obtenc ión de glucosa a partir del glucógeno almacenado. Este proceso tiene lugar en e l ayuno no demasiado prolongado.
7.9. Ruta de las pentosas-fosfato Es una ruta alternativa de la glucosa, de gran importancia porque en ella se forman NADPH (fundamental para la síntesis de ácidos grasos y esteroides) y ribosa-5-P (implicada en la estructura de los ácidos nucleicos).
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8. Metabolismo de los lípidos
nes uterinas durante el parto y de otros músculos lisos (vasos, etc.). También eleva la temperatura corporal y causa in�amación y dolor.
8.1. Introducción El grupo de los lípidos lo con�gura un conjunto muy heterogéneo de macromoléculas que tienen dos características en común: • Son apolares (por tanto, insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos, como el éter o el cloroformo) o anfipáticas. • Son muy poco densos. Están formados por C, O, H; también pueden contener N, S y P.
8.2. Funciones Los lípidos desarrollan varias especializaciones que se citan a continuación: •
Estructural: como componentes de las membranas celulares y de las
membranas de los orgánulos subcelulares. Principalmente están constituidas por fosfolípidos y, en menor cantidad, por glucolípidos y colesterol.
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•
Energética: son las moléculas con mayor poder energético, ya que 1 g de lípido genera aproximadamente el doble de calorías que 1 g de glúcido. Aun así, la combustión de los lípidos es mucho más lenta que la de los glúcidos, y por e ste motivo suponen la principal reserva energética (triglicéridos). Transportadora: forman parte del principal sistema de transporte de sustancias apolares a través de los fluidos biológicos polares, en forma de lipoproteínas. Biocatalizadora: facilitan las reacciones celulares en los seres vivos (vitaminas liposolubles y hormonas esteroideas).
8.3. Clasificación En función de su composición y estructura, los lípidos se pueden clasi�car en tres grupos: • Ácidos grasos (Figura 6): existen saturados e insaturados. Son ácidos orgánicos con un elevado número de átomos de carbono en su cadena hidrocarbonada (esta cadena es casi siempre par y tiene entre 14 y 22 carbonos). Los ácidos grasos son moléculas anfipáticas. Tienen una zona hidrófila (constituida por el grupo -COOH, que es la cabeza polar) y una zona hidrófoba (o cola apolar) debido a la cadena carbonada. Algunos son esenciales para los mamíferos: linoleico y linolénico (ambos insaturados). • Lípidos con ácidos grasos: se agrupan en: - Simples: son los triglicéridos y las ceras. - Compuestos: son los fosfolípidos y los glucolípidos. •
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Lípidos sin ácidos graso: graso : se reúnen en tres grupos: - Esteroides (colesterol): son las hormonas sexuales, las hormonas de la corteza adrenal, las sales biliares y la vitamina D. liposolubles: no provienen del colesterol. Necesitan - Vitaminas liposolubles: no a las sales biliares para ser absorbidas en el intestino (p. ej.: vitaminas K, A y E). - Hormonas liposolubles (prostaglandinas): esta familia aparece en una gran variedad de tejidos y está implicada en una amplia gama de funciones celulares y tisulares, como inducir contraccio-
Figura 6. Ácido graso: molécula an�pática
8.4. Lipoproteínas Son macromoléculas formadas por una porción lipídica y una proteica, unidas covalentemente. La porción lipídica está constituida sobre todo por triglicéridos y, en menor cantidad, por fosfolípidos y colesterol. La porción proteica la constituyen un grupo de proteínas llamadas Apo. Según su densidad las lipoproteínas se dividen en ( Tabla 1): • Quilomicrones: son las de menor densidad. Contienen en su mayoría lípidos (triglicéridos), de aquí que sean tan poco densos. Los productos resultantes de la hidrólisis intestinal de los lí pidos son absorbidos por los enterocitos. En el interior de éstos se combinan con proteínas específicas formando los quilomicrones, los cuales, debido a su gran tamaño, no pueden pasar al torrente sanguíneo sino a la linfa. A través de la linfa llegan a la circulación sanguínea y de aquí al tejido adiposo o muscular, donde las lipasas los hidrolizan para extraer la porción lipídica y almacenarla. • LDMB o VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad): tienen una elevada cantidad de lípidos (triglicéridos). Se sintetizan en el hígado. Los hepatocitos pueden sintetizar triglicéridos a partir de acetil-CoA. Son vertidas al torrente sanguíneo para llegar a los tejidos periféricos y someterse al mismo proceso que los quilomicrones. • LDB o LDL (lipoproteínas de baja densidad): cuando se encuentran en exceso, depositan el colesterol en las paredes de las arterias, favoreciendo la ateromatosis (acúmulo de grasa). Por este motivo, son popularmente conocidas como colesterol malo. • LDA o HDL (lipoproteínas de alta densidad): se dirigen desde los te jidos periféricos hacia el hígado. Transportan hacia el hígado el colesterol acumulado en las paredes de los vasos. Por eso también son conocidas como colesterol bueno. Debido a la elevada complejidad de los lípidos, se tratará únicamente el metabolismo de los triglicéridos. Las grasas de la dieta son en su mayoría triglicéridos, colesterol y fosfolípidos. Durante la digestión, los lípidos son emulsionados por las sales biliares y transformados en micelas, sobre las cuales pueden actuar las enzimas del jugo pancreático. Como resultado de la oxidación, se obtienen productos más sencillos, que son absorbidos por simple difusión y en el interior de los enterocitos dan lugar a los quilomicrones.
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QM
DENSIDAD VLDL
+
+ LDL
% LÍPIDOS
HDL
-
9. Metabolismo de las proteínas 9.1. Introducción
Tabla 1. Lipoproteínas
8.5. Lipolisis Los triglicéridos son los lípidos de reserva por excelencia y se almacenan en los adipocitos. Se movilizan ante los requerimientos energéticos del ayuno. Las lipasas son enzimas que hidrolizan los triglicéridos en sus constituyentes, glicerol y ácidos grasos, los cuales se degradan por distintas vías metabólicas para aportar energía: • Glicerol: alcohol que se degrada hasta acetil-CoA, el cual se incorpora al ciclo de Krebs para dar energía en forma de ATP. ATP. • Ácidos grasos: se degradan por una vía catabólica que recibe el nombre de -oxidación y ocurre en las mitocondrias. El resultado es la obtención de moléculas de acetil-CoA, que pueden oxidarse por el ciclo de Krebs, dando lugar a un gran número de moléculas de ATP (muy superior al rendimiento de una molécula de glucosa). La cantidad de ATP dependerá del número de C y del tipo de enlace (saturado o insaturado) de cada ácido graso.
8.6. Cetogénesis Las células, ante situaciones de dé�cit de hidratos de carbono, como sustratos energéticos, realizan un hipercatabolismo lipídico. La degradación de los lípidos rinde un gran número de moléculas de acetil-CoA, muchas de las cuales entran al ciclo de Krebs para producir energía. El excedente de acetil-CoA es derivado para la síntesis de cuerpos cetónicos, que tiene lugar en el hígado. A partir de ellos, varios tejidos pueden obtener energía. El cerebro puede utilizarlos en ausencia de glucosa.
Cuando los cuerpos cetónicos se acumulan en exceso en la sangre, producen una alteración del pH, una cetoacidosis metabólica. Las causas principales de cetogénesis son: • Hipog Hipoglucem lucemias ias secun secundaria dariass a estado estadoss de de inanició inanición n prolon prolongados gados.. • Hiperg Hiperglucem lucemias ias de de los diabé diabéticos ticos por déficit déficit de insulin insulina. a. En este caso, caso, aun habiendo gran cantidad de glucosa, no puede ser utilizada por las células.
8.7. Síntesis de ácidos grasos A excepción de los ácidos grasos esenciales, que deben ser aportados por la dieta, la célula tiene capacidad para sintetizarlos. La síntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citoplasma celular a partir del acetil-CoA, procedente en su mayoría de la -oxidación o de la glucólisis. La insulina es una hormona que estimula la glucólisis (produciendo acetil-CoA) y secundariamente, la lipogénesis; por tanto, es hipoglucemiante y lipogénica.
Las proteínas son macromoléculas que contienen los elementos biogénicos C, H, O, N, S y P. Estos elementos se agrupan conformando los aminoácidos (aa) o componentes esenciales de las proteínas. Los aminoácidos se caracterizan por tener un grupo amino (-NH 2) y un grupo ácido (-COOH). Existen 20 aminoácidos diferentes que se combinan para constituir proteínas, uniéndose entre sí mediante enlaces covalentes (fuertes) denominados enlaces peptídicos. La unión de dos o más aa constituye un péptido.
9.2. Clasificación Las proteínas pueden ser clasi�cadas conforme diferentes criterios: • Según el número de aminoácidos: la cantidad de aminoácidos de la proteína determina varios tipos: - Oligopéptidos: menos de 30 aa. - Polipéptidos: entre 30 y 100 aa. - Proteínas: más de 100 aa. •
Presencia de grupos prostéticos: dependiendo de si contienen, además de aminoácidos, los denominados grupos prostéticos (glúcidos, lípidos, metales, etc.) que contribuyen a la actividad funcional, se diferencian los siguientes tipos de proteínas: - Holoproteínas: contienen aminoácidos solamente. - Heteroproteínas: incluyen además grupos prostéticos.
•
Síntesis biológica de aminoácidos: dependiendo de si el organismo humano puede sintetizarlos o no. Los aminoácidos esenciales no son sintetizados y deben obtenerse a través de la dieta. Una dieta tiene un alto valor biológico cuando muestra un elevado contenido en aminoácidos esenciales. Los aminoácidos no esenciales pueden ser sintetizados por el organismo.
9.3. Funciones Las proteínas desarrollan las siguientes especializaciones: • Estructural: forman parte de las estructuras biológicas: membranas celulares, cartílagos y huesos (colágeno, la principal), uñas y cabello (queratina). • Catalítica: las enzimas son proteínas que aceleran las reacciones químicas. • Contráctil: actina, miosina, tropomiosina. • Protectora: anticuerpos (Ig), proteínas que intervienen en la hemostasis sanguínea (fibrinógeno, plasminógeno, factores de la coagulación, etc.). • Transportadora: a través de las membranas celulares o por la sangre (albúmina, lipoproteínas, hemoglobina, etc.). • De reserva: ferritina (reserva de Fe celular). • Hormonal: algunas hormonas son de naturaleza proteica (insulina, hormona paratiroidea).
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• •
De receptor: proteínas situadas en las membranas celulares que actúan como receptores de hormonas, factores de creci miento, fármacos. Toxina: proteínas sintetizadas por algunas bacterias (difteria, tétanos, Vibrio cholerae ).
9.4. Estructura
reacciones químicas, es decir, aceleran las reacciones que tien en lugar en el organismo. Las enzimas disminuyen la energía de activación o ener-
gía necesaria para que se produzca una reacción. Una enzima proporciona un ambiente específico, el centro activo, donde una reacción puede transcurrir a mayor velocidad. Las enzimas alteran velocidades de reacción pero no modifican equilibrios de reacción.
Las proteínas pueden adoptar varios niveles de estructura: • Primaria: secuencia (orden y tipos) de aminoácidos que constituye el esqueleto covalente. Viene determinada por la información genética del ADN. • Secundaria: ordenamiento espacial de los aminoácidos próximos entre sí. Los puentes de hidrógeno son los enlaces que estabilizan mayormente esta estructura, que puede ser de dos tipos: - Lámina plegada β: dos o más dominios de la proteína se sitúan formando un zigzag en sentido paralelo o antiparalelo (p. ej.: la �brina). - Hélice α: la cadena se enrolla alrededor de un cilindro imaginario. (p. ej.: la queratina).
Entre las características de las enzimas pueden citarse las siguientes: • Catalizadores de reacciones biológicas: es decir, aumentan su velocidad. • Elevada especificidad: se unen de forma específica a un sustrato o ligando. • Unión del ligando: se une al centro activo de la enzima.
•
•
Terciaria: hace referencia al ordenamiento espacial de aminoácidos alejados entre sí. Estos plegamientos requieren diferentes tipos de enlaces (mencionados más abajo). Existen dos tipos de estructura terciaria: - Estructura �brosa: las proteínas que adoptan esta estructura se denominan �brosas. Suelen tener las siguientes características: › So Son n mu muy res resis iste tent ntes es.. › So Son n in inso solu lubl bles es en ag agua ua.. › Ti Tien enen en fun funci ción ón est estru ruct ctur ural al..
-
El colágeno es una proteína �brosa. Es la base del tejido conjuntivo. Estructura globulosa: las proteínas que adoptan esta estructura se denominan globulosas. Se caracterizan por: › Se Serr so solu lubl bles es en ag agu ua. ›
Tener func funcione ioness dinámica dinámicas: s: enzimát enzimática, ica, de de transpo transporte, rte, hormo hormonal. nal.
Son proteínas globulosas la mayoría de enzimas, los anticuerpos, la albúmina, la hemoglobina, etc. •
Cuaternaria: define la relación entre las diferentes cadenas de una proteína polimérica (formada por más de una subunidad). Las estructuras terciaria y cuaternaria son posibles gracias al establecimiento de diferentes tipos de enlaces: puente de azufre (enlace covalente), uniones electrostáticas, puentes de hidrógeno, etc. La desnaturalización consiste en la rotura de los enlaces intermoleculares de las proteínas que configuran la estructura secundaria y terciaria. Como consecuencia éstas pierden su función. Hay diferentes
causas de desnaturalización: aumento de la temperatura, variaciones de pH.
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Enzimas actúan n como catali zadore s de diver sas Las enzimas son prote ínas que actúa
•
Existencia de cofactores: algunas enzimas requieren un cofactor para ser funcionales. Es posible diferenciar dos tipos de cofactores:
-
Inorgánicos: Fe2+, Mn2+, Zn2+. Orgánicos: proceden de vitaminas. Por ejemplo, NAD+, FAD+, también denominados coenzimas.
Termolabilidad: factores como el pH y la temperatura afectan a la velocidad de la reacción.
9.6. Introducción Una dieta de�ciente en proteínas puede tener repercusiones importantes para el organismo, ya que los aminoácidos obtenidos de la hidrólisis de las proteínas son imprescindibles para la síntesis de proteínas endógenas y también actúan como precursores de ciertas moléculas nitrogenadas, como por ejemplo, ácidos nucleicos, aminas (neurotransmisores), etc. Las proteínas son moléculas de las que se obtiene energía en situaciones de inanición muy prolongadas. Aun así, su función n o es la de ser útiles como fuente de energía. Por acción de las enzimas proteolíticas digestivas, las proteínas alimentarias se hidrolizan y se transforman en los correspondientes aminoácidos. Estos aminoácidos son absorbidos por transporte activo y pueden tener diferentes destinos metabólicos:
• • • •
Síntes Sínt esis is de de prot proteín eínas as end endóg ógen enas as.. Gluc Gl uco one neog ogén énes esis is.. Síntesis Sínt esis de de compues compuestos tos nitro nitrogenad genados os no pro proteic teicos os (neuro (neurotrans transmimisores). Oxidación.
9.7. Anabolismo proteico
9.5. Péptidos de importancia biológica
De los 20 aminoácidos existentes, hay diez que el organismo humano puede sintetizar y diez que deben ser aportados por la dieta. Los aminoácidos no sintetizables se denominan aminoácidos esenciales.
Algunos péptidos de importancia para el organismo son la vasopresina, la oxitocina, la MSH, la ACTH, las encefalinas y el glutatión.
La síntesis de los aminoácidos no esenciales es un proceso complejo y cada uno de ellos tiene su propia vía de síntesis.
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BIOQUÍMICA
9.8. Catabolismo proteico
• •
La degradación de las proteínas empieza con la hidrólisis, que conduce a la obtención de los l os aminoácidos correspondientes. correspondientes. La posterior degradación de éstos sucede de forma diferente según cada una de sus partes constituyentes: • Grupo amino: altamente tóxico y, por tanto, debe ser eliminado del organismo. Se realiza mediante un proceso denominado ciclo de la urea, que ocurre en el hígado y consiste en la síntesis de urea a partir de amoníaco y CO 2. NH4+ + CO2 + ATP Urea La urea se elimina por la orina y es un marcador del catabolismo proteico. Este proceso consume ATP. Cualquier alteración de este ciclo puede provocar un aumento en los niveles sanguíneos de amoníaco, hecho que recibe el nombre de hiperamoniemia. de hiperamoniemia. • Oxidación del esqueleto carbonado: todos los aminoácidos (aunque por distintas vías) finalmente producen metabolitos que se incorporan al ciclo de Krebs y se oxidan completamente.
•
Son los los constit constituye uyentes ntes de los los ácidos ácidos nuclei nucleicos: cos: ácid ácido o desoxir desoxirriboribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN), que son los depositarios moleculares de la información genética. La estructura de cada una de las proteínas y, en último término, de todas las biomoléculas y de cada uno de los componentes celulares, producto de la información programada en la secuencia de nucleótidos de la célula. La capacidad de almacenar y de transmitir información genética de una generación a la siguiente es un requisito básico de la vida.
Los ácidos nucleicos son polímeros de unas unidades básicas denominadas nucleótidos, los cuales están formados por tres moléculas diferentes: • Pentosa: cada ácido nucleico contiene una pentosa característica. - Ribosa (ARN). - Desoxirribosa (ADN). •
9.9. Catabolismo de las nucleoproteínas
Actúan como señal señales es químicas químicas en los los sistemas sistemas celula celulares, res, en respue respuessta a hormonas y otros estímulos ex tracelulares. Son comp component onentes es estructu estructurales rales de alguno algunoss cofactor cofactores es enzimáti enzimáticos cos e intermediarios metabólicos.
•
Base nitrogenada: las derivadas de la purina son adenina y guanina; las que derivan de la pirimidina son timina, uracilo y citosina. Ácido fosfórico.
La molécula de nucleótido sin el grupo fosfato se denomina nucleósido. Las nucleoproteínas procedentes de la alimentación están formadas por diferentes elementos estructurales, que son degradados siguiendo una vía metabólica especí�ca: • Ácidos nucleicos: se degradan en: - Pentosas: se oxidan por el catabolismo general. - Ácido fosfórico. - Bases nitrogenadas: ›
Pirimidínicas: son transformadas en urea y se eliminan por
la orina.
›
•
Púricas: se transforman en ácido úrico y se eliminan por la orina. Las personas que tienen en sangre un elevado nivel de productos de la degradación de las purinas (uratos) presentan una hiperuricemia.
Porción proteica: sigue proteica: sigue las posibles vías metabólicas mencionadas más arriba. RECUERDA
10.1. ADN En 1953, Watson y Crick postularon un modelo tridimensional para la estructura del ADN que tenía en cuenta todos los datos disponibles. Este modelo consiste en dos cadenas helicoidales enrolladas alrededor del mismo eje, formando una doble hélice dextrógira. Ambas cadenas son complementarias y antiparalelas y se unen mediante puentes de hidrógeno, que se establecen especí�camente entre bases complementarias (adenina y timina, citosina y guanina). La estructura de Watson y Crick se conoce también como forma B del ADN. La forma B es la estructura e structura más estable que puede adoptar un ADN de secuencia al azar en condiciones �siológicas, y es el punto de referencia estándar en los estudios sobre las propiedades del ADN. Las formas A y Z del ADN son dos variantes estructurales (Tabla 2). Características
ADN
ARN
Pentosa
Desoxirribosa
Ribosa
Base nitrogenada
No tiene uracilo
No tiene timina
Longitud
Larga
Corta
Tipo de molécula
Doble cadena
Cadena sencilla
Localización celular
Núc úcle leo o (cr (crom omos osom omas as))
Núcl Nú cleeo y ci cito top pla lasm smaa
Estabilidad
Mayo Ma yorr (2º a la dobl doblee hélic hélice) e) Men Menor or Tabla 2. Comparación entre ADN y ARN
10. Metabolismo de los nucleótidos
El ADN contiene la información genética, que tiene que pasar de una generación a otra. Por ello tiene que duplicarse. Este proceso es denominado replicación (Figura 8).
Los nucleótidos desempeñan una amplia variedad de funciones en el metabolismo celular: • Ga Gara rant ntiz izan an lo loss in inte terc rcam ambi bios os..
La replicación semiconservativa, según el modelo de Watson y Crick, es el proceso de duplicación del material genético que tiene lugar durante la división celular. Este modelo postula que el ADN se separa en sus dos
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Manual CTO 1.ª Edición
cadenas constituyentes y cada una de éstas sirve como molde para la síntesis de una cadena complementaria. El resultado es la obtención de dos moléculas de ADN bicatenarias (formada cada una de dos cadenas). La información del ADN es expresada en forma de proteínas. El proceso de expresión genética consta de las dos etapas siguientes: • Transcripción: paso de ADN a ARN mensajero. Ocurre en el núcleo (Figura 7) • Traducción: el ARN mensajero sale del núcleo y da lugar a una proteína.
Figura 7. Transcripción
Existen tres clases principales de ARN: • El ARN mensajero (ARNm): codifica la secuencia de aminoácidos de uno o más polipéptidos especificados por un gen o por un conjunto de genes. • El ARN de transferencia (ARNt): lee la información codificada en el ARNm y transfiere el aminoácido adecuado a la cadena polipeptídica en crecimiento durante la síntesis proteica. •
Las moléculas de ARN ribosómico (ARNr): forman parte de los ribosomas, las complejas maquinarias celulares que sintetizan las proteínas.
•
Muchoss otros Mucho otros ARN especi especializad alizados os tienen tienen funci funciones ones regula reguladora dorass o catalíticas o son precursores de las tres clases principales de ARN.
10.2. Nucleótidos en forma libre con capacidad funcional Existen también nucleótidos que no son componentes de los ácidos nucleicos. • Mensajeros intracelular intracelulares: es: AMPc, GMPc. • Transportadores de energía química de una reacción a otra: ATP, GTP. • Coenzimas: NADPH, FADH2.
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Figura 8. Estructura del ADN (una de las dos cadenas)
BIOQUÍMICA
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Conceptos clave • Los seres vivos están formados por un conjunto de elementos químicos o bioelementos en distintas proporciones. Estos forman en un nivel mayor de organización las biomoléculas.
• Las proteínas son macromoléculas cuyos elementos estructurales o monómeros son los aminoácidos. Entre sus funciones más importantes están la estructural y la catalítica.
• Las enzimas son proteínas capaces de acelerar determinadas reacciones del organismo. Se unen de forma específica a un sustrato a través del centro activo para llevar a cabo su actividad.
• Los glúcidos desempeñan distintas funciones en el organismo. Los mas sencillos son los monosacáridos, que pueden unirse para formar disacáridos o glúcidos más complejos. Su función principal es la de ser la principal fuente de energía para la célula.
• Los lípidos constituyen un grupo de macromoléculas que pueden desempeñar funciones diversas: estructural , energética, etc.
• Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos, que son los monómeros o unidades básicas. Cada nucleótido está formado por una pentosa, una base nitrogenada y el acido fosfórico. Existen dos tipos principalmente que son el ADN y el ARN.
• El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas encadenadas.
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