Bioquimica De Laguna (4ed)

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PROLOGO DE LA CUARTA EDICION Después de algunos años de haber salido a la luz la tercera edición de este texto de BIOQUI MICA, comprobamos lo razonable de un aserto, anteriormente expresado, de que esta disciplina, a más de sus méritos propios, constituye un "instrumento o lenguaje de las ciencias biológicas"y, de hecho, a la metodología y el enfoque de la bioquímica se pueden atribuir numerosos avances realizados en los campos de la microbiología, la biología molecular, la inmunoquímica, la quí mica fisiológica y la misma química médica. En esta cuarta edición se ha preservado estrictamente el orden de los capítulos de la ante rior; el único cambio importante fue eliminar los apéndices II y III, "Temas seleccionados de química orgánica y defísico-química”y "Los métodos más comunes en bioquímica”, respectiva mente, para dejara criterio de cada profesor la selección y la fuente del material respectivo, que les sirva de base para los estudios de bioquímica propiamente dichos. En todo caso, hemos tratado de cumplir con el objetivo de ofrecer a los estudiantes de las ciencias básicas en el campo de las áreas biológicas, y especialmente de la medicina, un texto útil para obtener la información fundamental sobre la composición química de la materia viviente, las reacciones enzimáticas que presiden los cambios metabólicos y los sistemas que regulan su operación, tanto en la salud como en la enfermedad. La bioquímica moderna constituye un campo de estudio muy organizado y de gran utilidad para analizar y comprender los más diversos problemas de la biología, pero lo que es más impor tante, la bioquímica moderna se sustenta en una serie de principios confuerte estructura lógica, integrados alrededor de unos cuantos conceptos de gran solidez, entre los que destacan el llama do dogma central: el ácido desoxirribonucleico (D N A ) da lugar a la formación de los ácidos ribonucleicos (RN A ) y éstos, a su vez, determinan la constitución de las proteínas, cada una de ellas con funciones determinadas, catalítica, estructurales, de transporte, de defensa, etc. Estos conceptosfundamentales se derivan y, a su vez, dan origen a sucesos de la mayor trascendencia: el uso y la transformación de la energía, la estructuración de los diversos componentes celulares y subcelulares, la regulación de las vías metabólicas y la extraordinaria conjunción entre la estructura o forma de las moléculas y sus variadísimas funciones. De este campo emanaron, entre otros, losfundamentos moleculares de la genética, quizás la idea científica más importante del siglo X X . La cuarta edición de este libro, de la misma manera que sus predecesoras, aborda el conoci miento bioquímico a nivel celular, pues aquí es donde se han realizado la mayor parte de los estudios y hallazgos de la disciplina. Sin embargo, la orientación hacia el campo de la química fisiológica y al terreno biomédico ha sido nuestra preocupación constante para tratar de amalga mar la ciencia básica con el ejercicio de la medicina y la clínica, a través del empleo de diversos VII

VIII PRÓLOGO DE LA CUARTA EDICIÓN

ejemplos, problemas o modeles. Un esfuerzo muy especialfue el de simplificar el libro, disminuir su extensión al grado de ahorrar, sin perder claridad ni integralidad, una quinta parte de la extensión de la edición anterior. Esta laborfue especialmente difícil, pues la enorme y constante aportación de los investigadores tiende a hacer cada vez mayores los libros de texto y hace caer a los autores en la tentación de presentar el material en forma casi enciclopédica, llenos de nume rosos detalles. Esta es una edición "corregida y acortada", dirigida más a la integración concep tual y menos a los aspectos específicos muy concretos, que con facilidad hacen perder la intere sante perspectiva global. La cuarta edición obligó a una revisión completa del contenido de la tercera; se rescribieron muchísimos capítulos, actualizando todo el material y eliminando la información que se consi derópoco relevante para el enfoque señalado, el di poner énfasis en los conceptosfundamentales. Algunos capítulos ameritaron su revisión total, en especial los relacionados con las proteínas, sus funciones, su conformación y sus propiedades alostéricas; las oxidaciones biológicas y la bioener gética, donde ha habido cambios y avances de gran interés, etc. Quizá los capítulos más modifi cados sean los relativos a la información genética, las implicaciones derivadas del mayor conoci miento de los cromosomas eucarióticos, de los genomas de virus y bacterias y de la regulación misma del proceso genético; así como el dedicado a l estudio de las hormonas, sus receptores, sus mensajeros intracelulares y otros. Deseamos citar, para confirmar que el espíritu del libro sigue siendo el mismo, algunas ideas vertidas en el prólogo de la primera edición (1960): "Esta obra es un libro de texto, especialmente escrito para estudiantes de medicina. Es un libro en el que se tiende, por todos los medios posibles, a grabar en la mente del estudiante que la bioquímica es una ciencia básica de la carrera de medicina, que le será de utilidad para alcanzar su más preciado deseo: ser un buen médico. "En esta obra se ha tratado de presentar el estado actual de conocimientos, en forma integral y conceptual, se ha evitado la presentación prolija de experimentos específicos, aun sabiendo que ellos son la base y arranque de toda ciencia; el análisis de los experimentos individuales sólo se ha usado para derivar conceptosy secuencias de significado e implicacio nes generales."

J. L. E. P. G.

KWWSERRNVPHGLFRVRUJ SUMARIO Prólogo a la cuarta edición

VII

1.

G eneralidades

1

2.

Q uím ica de los am inoácidos y de las proteínas

6

Los aminoácidos Los péptidos Las proteínas

6 16 19

Enzimas y coenzimas

31

Partes del sistema enzimàtico Nomenclatura y clasificación de las enzimas Coenzimas La actividad enzimàtica Cinética de las reacciones enzimáticas Importancia de los estudios enzimáticos en la clínica

32 33 36 43 51 63

Actividad biológica de otras proteínas especializadas

67

Proteínas estructurales Proteínas de almacenamiento Proteínas de transporte Proteínas contráctiles Proteínas de defensa Proteínas de la coagulación Anticuerpos

67 71 75 77 82 82 87

M etabolism o de los am inoácidos y las proteínas

96

Digestión de las proteínas Estado dinámico de las proteínas Metabolismo de los aminoácidos Caminos metabólicos comunes Síntesis de los aminoácidos Degradación de los aminoácidos

96 102 105 107 110 113

3.

4.

5.

'

IX

X

SUMARIO

121

Utilización de los aminoácidos Contribución de los aminoácidos al metabolismo de los fragmentos de un carbono

127

M etabolism o energético

129

Metabolismo basal

131

Oxidaciones biológicas y bioenergética

137

Reacciones de óxido-reducdón Sistemas biológicos de óxido-reducdón Bioenergética Cadena respiratoria Fosforiladón oxidativa

139 141 144 149 158

Q uím ica de los carbohidratos

166

Monosacáridos simples Monosacáridos derivados Reacáones de los monosacáridos Disacáridos Polisacáridos

168 172 176 177 178

M etabolism o de los carbohidratos

186

Digestión y absordón de los carbohidratos Vías metabólicas de los carbohidratos Metabolismo del glucógeno Glicólisis Vía colateral de oxidaaón de la glucosa: a d o de las pentosas Regulaaón del metabolismo de los carbohidratos Reguladón de la glucemia

186 187 191 199 214 218 221

Q uím ica de los lípidos

224

Lípidos simples Lípidos compuestos Lipoproteínas Propiedades de los lípidos Sustanaas asodadas a los lípidos

225 228 233 233 239

M etabolism o de los lípidos

248

Metabolismo de los triacilglicéridos Metabolismo de los fosfolípidos Metabolismo del colesterol Movilidad y recambio de los lípidos en el organismo Almacenamiento anormal de lípidos

252 263 265 272 282

XI SUMARIO

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

289

Reacciones del ácio

292

Química de los ácidos nucleicos y sus derivados

300

Componentes de los áddos nucleicos Nucleósidos y nucleótidos libres de importancia biológica Estructura de los áddos nudeicos Algunas propiedades fisicoquímicas de los áddos nudeicos Los áddos nudeicos y las nudeoproteínas

301 307 307 314 319

Metabolismo de los nucleótidos

323

Metabolismo de los ribonudeótidos que contienen bases púricas Metabolismo de los ribonudeótidos con bases pirimidínicas Síntesis de los desoxirribonudeótidos

324 329 330

La organización bioquímica de la célula

335

Membranas y sistemas de transporte El dtoesqueleto Partículas subcelulares El dtosol

335 343 344 352

Biosíntesis de moléculas informacionales y genética bioquímica

353

Duplicaaón del DNA Ingeniería genética La transcripaón del D N A El fenómeno de la traducdón El mecanismo de la síntesis de proteínas Agentes modificadores de la biosíntesis de biopolímeros informativos Control de la expresión genética Los virus Cuadros clínicos de tipo genético: "errores innatos del metabolismo”

358 363 366 (_ 375, 381 383 393 399

Bioquímica de la nutrición

404

Papel de las proteínas en la n u triaó n Las vitaminas Vitaminas liposolubles

408 414 430

Metabolismo del agua y los electrólitos

436

A speaos biológicos de la presión osmótica Metabolismo del agua Los iones extracelulares: el sodio y el d o ru ro Los iones intracelulares

437 440 451 453

XII SUMARIO .-L2;£ ÍW'. í

20.

Bioquímica de la respiración

Metabolismo del calcio

22.

'■ : 8-

■. -- .

-

..-Vi

469 473

• • •••••- • 1 \

-t - V**1-- ¡ :■ ■: ..

El eritrocito y el metabolismo del hierro

.

01 • •

479 481 481 485

- v •■

486

Metabolismo del eritrodto Metabolismo del hierro Alteradones patológicas en reladón con ios eritrodtos

23.

"l

467

•*>?-

tc

Metabolismo del fósforo El hueso Los dientes

'

,1

Transporte del oxígeno Transporte del bióxido de carbono

21.

'■

\i£í- . . i te

Iz

486 488 491

’

Química y metabolismo de las poríirinas y sus derivados

493 .

Química de las porfirinas Metabolismo de las porfirinas

,

494 - 497

*~í"'ÍL.. Las hormonas pancreáticas 1'Clj- • ■ V,; ■ Las hormonas tiroideas u c-;».’ . : Las hormonas hipofisarias ) Las hormonas de la neurohipófisis ' --‘í'' y ■ ' *:■' ; Las hormonas de las glándulas suprarrenales Hormonas de la corteza suprarrenal »'>«*'-'« •• '■ t- > •»' Las hormonas de las glándulas sexuales , ,V( . i; « :

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506 514 516 521 526 535 537 541 550

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Apéndice. Sistema Internacional de Unidades ■ ) ->* Referencias bibliográficas

Índice-Glosario

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Capítulo 1 GENERALIDADES

La bioquímica estudia los seres vivientes, aplicando las técnicas y los princi pios fundamentales de la química al análisis de los fenómenos biológicos. Las bases de la bioquímica son la fisicoquímica y la química, inorgánica y orgáni ca. El estudio de los seres vivos comprende el análisis de su composición y de los mecanismos que permiten sosteny dicha composición relativamente constante, así como de las modificaciones que ocurren en ellos, por razones naturales debidas a sus fundones o desarrollo, o por modificaciones del medio ambiente. La bioquímica, como la biología molecular, postula que todos los fenómenos biológicos pueden explicarse en términos moleculares, pues son la manifestación de sucesos, o cambios químicos, que ocurren en las moléculas presentes en las células o en los tejidos o un órgano. Los fenómenos encontrados en un organismo unicelular son iguales a los observados en ciertas células de los organismos multicelulares; en ambos casos, su estudio se agrupa en el campo de la bioquímica general, que aborda los aspectos comunes a los distintos seres vivos: la oxidación délas sustancias energéticas, muy parecida, sucede en las bacterias, las levaduras o el músculo de los mamíferos; los pigmentos respiratorios de todas las especies partici pan con gran similitud en las oxidaciones biológicas. Los organismos multicelulares muestran diversas y complejas funciones dependientes de estructuras, órganos y sistemas encargados de actividades específicas como la digestión, la circulación, la respiración, la excreción de las sustancias de desecho, la regulación y la coordinación de las distintas activi dades, etc. El estudio del organismo intacto, o de sus tejidos y órganos que lo integran, en sus aspectos químicos, es abordado por la rama denominada quí mica fisiológica.

El campo de la bioquímica médica, a más de lo anterior, comprende el estudio de las alteraciones debidas a la enfermedad y la forma en que el orga nismo vuelve a lo normal. En los seres humanos todo fenómeno suele anali zarse desde todos los ángulos, el general, el fisiológico y el médico. El estudio sistematizado de la bioquímica comprende:

i

2

BIOQUÍMICA

1. La composición química de las células, los tejidos, los órganos y los alimentos. Los alimentos de origen vegetal o animal son células o pro ductos de células provenientes de distintas especies biológicas. En los ali mentos existen cantidades variables de los compuestos que forman los seres vivientes: agua, carbohidratos, lípidos, proteínas y, además, sustancias que intervienen en menor proporción, como las vitaminas y los minerales. La interrelación entre los alimentos y la composición de los seres vivos es muy estrecha: los alimentos ingeridos se transforman y organizan en materia viviente. En general, los compuestos ingeridos se degradan a componentes pequeños y a partir de ellos, se vuelven a formar sustancias complejas pareci das a las recibidas del exterior, las cuales, funcionalmente, sirven como mate riales estructurales o de reserva en el organismo que los ha formado. Así, las proteínas ingeridas se absorben como aminoácidos y, en el interior del orga nismo, reconstituyen nuevas proteínas peculiares a cada espede determinada. El análisis químico del organismo humano y, en general, el de los mamí feros demuestra que en él existen diversos elementos químicos, algunos de los cuales, a pesar de estar en cantidades muy pequeñas, son necesarios para la constitución de algunas sustancias; por ejemplo, el cobalto, en cantidades infinitesimales, hace falta para la síntesis de la importante vitamina Bu; el

Cuadro 1-1 humano

Composición elemental aproximada del cuerpo

Elemento

Porciento (peso húmedo)

Porciento (peso seco)

Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno Caldo Fósforo Potasio Azufre Sodio Cloro Magnesio Hierro Cobre Manganeso Yodo Cobalto Cinc Molibdeno

65.0 18.0 10.0 3.0 2.0 1.1 0.35 0.25 0.15 0.15 0.05 0.004 0.00015 0.00013 0.00004 huellas huellas huellas

20.0 50.0 10.0 8.5 5.0 2.5 1.0 0.8 0.4 0.4 0.1 0.01 0.0004 0.0003 0.0001

huellas huellas huellas

GENERALIDADES

3

dnc es indispensable para la formadón de algunas enzimas y la hormona insulina, etc. N o se tiene la certeza del carácter indispensable de algunos ele mentos como el níquel, el molibdeno, el vanadio, el boro y otros, pues su mera presenda no indica, por fuerza, su partidpadón en una fundón vital determinada. En el cuadro 1-1 se muestran los elementos químicos más abundantes en el cuerpo humano; el 96% de la masa corporal, expresada en peso húmedo, está formada por oxígeno (65%), carbono (18%), hidrógeno (10%) y nitró geno (3%); el resto constituye sólo el 4%. Las células y los tejidos están formados por sustancias inorgánicas y orgá nicas, es dedr en las que interviene el carbono. Entre las primeras predomi nan el agua y los minerales, que en general existen en forma de iones: por ejemplo, el ion sodio Na+, el fosfato, en forma de H 2P 0 4~ o de H P 0 42~ y el ion doruro, Cl~, etcétera. Los componentes orgánicos de las células tienen carbono como elemento fundamental, con sus propiedades particulares. Los compuestos formados sólo por C e H son muy inertes y difícilmente reacdonan entre ellos, con el agua y con el propio oxígeno atmosférico. El carbono reacdona con los ele mentos electronegativos —O, N, P, S y C1— y con los electropositivos, como el H, y puede unirse a otros átomos de carbono para formar variadísi mas estructuras de cadenas, anillos y ramificadones; no extraña que sus com puestos, naturales o sintéticos, se cuenten por millones. En los tejidos existe una cantidad importante de agua, cerca de 70%, además de los sólidos, que constituyen 30%; éstos, a su vez, están formados por proteínas, lípidos, carbohidratos y otras sustandas orgánicas y minerales. En el cuadro 1-2 se proporaona la composiaón porcentual de algunos tejidos humanos; la propordón de agua varía con el tipo de tejido; la sangre

Cuadro 1-2

Composición porcentual de algunos tejidos humanos

Componentes

Músculo

Sangre

Hígado

Cerebro

Hueso com pacto

Agua Sólidos Proteínas Lípidos Carbohidratos Sustandas orgánicas extraíbles Sustandas inorgánicas extraíbles

72-78 22-28 18-20 3 0.6

79 21 19 1 0.1

60-80 20-40 15 3-20 1.15

78 22 8 12-15 0.1

20-25 75-80 30 escasos huellas

1.0

0.14

elevadas

1.0-2.0

escasas

1.0

0.9

1.0

45

4

BIOQUÍMICA

o el cerebro tienen cerca de 90% de agua y el hueso sólo de 20 a 25%. Entre los sólidos predominan las proteínas formadas por la unión de C, O, e H, más N y S, integrantes fundamentales del material protoplasmático. Los lípidos agrupan por un lado a las grasas neutras, típico material de reserva energéti ca, constituidas por C, H y O y, por otro lado, a los diversos fosfolípidos que, además, tienen P y N y se ubican en las membranas celulares y subcelu lares. Los carbohidratos, formados por C, H y O, comprenden compuestos como la celulosa, componente estructural de los vegetales, y los almidones y los azúcares,'moléculas propordonadoras de energía. Existen otras sustancias orgánicas en menor cantidad como las vitaminas y las bases púricas y pirimi dínicas. Por fin, el material inorgánico está en menor propordón, excepto en el hueso, que puede tener hasta 45% de fosfatos y carbonatos de caldo. 2. M etabolismo. Las transformadones de las sustandas en el interior del organismo se denominan, genéricamente, metabolismo, dividido en ana bolismo, cuando se invierte energía en procesos de tipo sintético, y catabolismo, cuando se obtiene energía de los alimentos o de las moléculas en las que se transforman los alimentos, con la simultánea degradaaón de tales moléculas, íntimamente asodadas a la obtendón de energía están las fundones de las membranas celulares, reguladoras del paso de sustandas del exterior de las células a su interior, y viceversa. El estudio del metabolismo, y espedalmente el del metabolismo de los áados nudeicos, por su reladón con los aspectos genéticos, constituye un asunto medular de la bioquímica. 3. N utrición. El consumo equilibrado de proteínas, carbohidratos, lípidos, minerales y vitaminas es indispensable para lograr un completo esta do de salud. El valor nutritivo de la dieta depende de la composiaón de los alimentos en reladón con la edad, el sexo y la ocupadón de cada individuo; por lo tanto, la nutridón aborda, por un lado, el estudio analítico de los ali mentos y, por otro, el efecto que su ingestión, adecuada o inadecuada, tiene sobre los seres vivientes. 4. Bioquímica de los órganos, de los tejidos y de los líquidos del organismo. Todos los órganos y tejidos del organismo desempeñan sus fun dones espedfícas en razón de contener las suStandas químicas y las enzimas indispensables; así, el músculo, provisto de proteínas contráctiles, se acorta al redbir una estimuladón que modifica dichas proteínas; el hueso, formado por cristales de minerales acomodados en una malla de proteína, forma las estructuras óseas de sostén del cuerpo humano; etcétera. 5. Coordinación. En los organismos multicelulares, la coordinadón de las actividades de los distintos tejidos y órganos está a cargo de dos grandes sistemas: el de conducaón eléctrica, mediado por los nervios, y el químico, mediado por las hormonas, las cuales constituyen un campo de estudio del mayor interés por sus implicadones en mediana.

GENERALIDADES

5

6. A daptación y homeostasis. Muchas de las funciones de los seres vivientes están encaminadas a ia supervivencia individual o colectiva en dis tintas condiciones de medio ambiente, o sea, en cierta forma, a la adaptación del individuo y de la especie a dicho medio. Por otro lado, muchas de las reacciones de los organismos vivos tienen por objeto contrarrestar las alteraciones del medio ambiente; de esta manera, en el interior del organismo sólo se producen cambios mínimos. Cualquier modificación de temperatura, concentración de sales, de acidez, etc., es com pensada por una serie de mecanismos que tratan de regresar el sistema al estado previo; tal es la esencia del clásico enunciado de Bernard: "la constan cia del medio interior es la condición de la vida libre e independiente”. Estos fenómenos de regulación interna recibieron de Cannon el nombre de homeos tasis, caracterizada no por la ausencia de cambios, sino por la tendencia hada el equilibrio a través del control de los cambios. 7. La bioquím ica en la práctica médica. Independientemente de los intereses académicos del ejerddo de la mediana, en la práctica es indispensa ble conocer las modificaaones presentes en numerosas enfermedades y vigi larlas para seguir la evoludón del padecimiento o para juzgar sobre la eficada de la terapéutica empleada. El campo de acdón de la bioquímica clínica se extiende cada vez más y comprende su aplicadón a muy diversas patologías, induyendo las de origen genético que han cobrado gran importanda por la posible manipuladón de los genes humanos con fines terapéuticos.

Capítulo 2 Q U ÍM ICA D E LOS AM INOÁCIDOS Y DE LAS PRO TEÍN AS

Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos, con la mayor importan cia para la estructura y la fisiología celulares. Las proteínas forman la masa principal de las células y de los tejidos y tienen diversas funciones como enzi mas, factores hormonales, agentes transportadores, contráctiles, estructura les, etc. (véase cuadro 2-1). Todas las proteínas comparten ciertas funciones como su capacidad amortiguadora del pH; la liberación de 4 kcal de energía por gramo; su fuerza oncótica para el equilibrio de presiones osmóticas en los líquidos biológicos y la nutritiva, por constituir una fuente de los ami noácidos indispensables para sintetizar el tejido propio. Los AMINOÁCIDOS Estructura química. Cuando se aislaron los aminoácidos de las proteí nas se consideraba que su fórmula era la de un ácido carboxílico, con un gru po amino en su carbono a: H radical diferente en cada aminoácido-» R —C *—COOH < -grupo carboxilo NH2 «-grupo amino * carbono a

En rigor, la representación real de su fórmula es la siguiente: H R —C—COO- «-grupo carboxilato grupo amonio

ÑHS+

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS Cuadro 2-1

7

Fundón biológica de las proteínas

Tipo

Ejemplos

Función

Enzimas

Hexoquinasa Citocromo c Dcshidrogenasa láctica

Fosforita a la glucosa Traspasa electrones Deshidrogena al lactato

Proteínas de almacenamiento

Ovoalbúmina Caseína Ferritina

Proteína de la clara de huevo Proteína de la leche Almacena hierro en el hígado

Proteínas de transpone

Hemoglobina

Transporta 0 2 en la sangre de los vertebrados Transporta ácidos grasos en la sangre Transporta lípidos en la sangre

Seroalbúmina (Zj-lipoprotcína Proteínas contráctiles

Miosina Actina

Forma los filamentos gruesos de la miofibrilla Forma los filamentos delgados de la miofibrilla

Trombina

Forman complejos con proteínas extrañas Forma complejos con sistemas de antígeno-anticuerpo Componente del mecanismo de coagulación

Toxinas

Toxina diftérica Venenos de serpiente

Toxina bacteriana Enzimas que hidtolizan fosfoglicéridos

Hormonas

Insulina Hormona adrenocorticotrópica Hormona del crecimiento

Regula el metabolismo de la glucosa Regula la síntesis de cor ticos teroides

Glucoproteínas a-queratina Colágena

Paredes celulares Piel, plumas, uñas, cuernos Tejido conjuntivo fibroso (tendones, huesos, cartílago) Tejido conjuntivo elástico (ligamentos) Pasan moléculas o iones a través de membranas Se unen a hormonas o neurotransmisores y generan un mensaje

Proteínas protectoras en la sangre de los vertebrados

Proteínas estructurales

Anticuerpos Complemento

Elastina Translocasas Receptores

Estimula el crecimiento de los tejidos

a pesar de lo cual se sigue usando el nombre de "aminoácido” y se emplea a veces su fórmula incorrecta. Los aminoácidos libres tienen las propiedades de los iones dipolares por poseer los grupos carboxilato y amonio en la mis ma molécula.

8

BIOQUÍMICA

Cuadro 2-2

Clasificación de los aminoácidos presentes en las proteínas

AMINOACIDOS NEUTROS

Alifáticos: Glicina Gli

N H }+

1

CH2c c x r Alanina Ala

NH}+

1

CHjCHCOOValina Val

CH, N H ,+

\ 1

CH} CHCHCOO" Lcucina Leu

CH ,

NH3+

1 1 CH CHCH2CHCOO_ j

Isoleucina

c h

3 n h 3+

1

lie

\ CH j CH j CHCHCOO*

Hidroxiaminoátidos: Scrina Ser

N H ,+

1

HOCH j CHCOOTreonina Tre

HO N H ,+

I 1

CH,CHCHCOO"

Aromáticos:

.

Fcnilalanina

/

\

HO

Triptófano Trp

\

j)

1

CH2CHCOO"

NHj+

Tirosina T ir

Hetmcíclkos:

==\

/

V

J CH?CHCOO-

NH,+

I

CH,CHCOO~

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS Cuadro 2-2

9

Clasificación de los aminoácidos presentes en las proteínas (continuación)

Azufrados: Cisterna Cis

NHi l HSCH2CHCOCT

N H ,+

Metionina Met

1

CH,SCH2CH2CHCOO-

Am

in o á c id o s b á s ic o s :

N H ,+

Lisina Lis

1

+ H j NCH2CH2CH2CH2CHCOO~ Arginina Arg

2+

n h

n h

Il

5+

1

H j NCNHCH j C H ^ H j CHCOO

N H }+

Histidina His

1

H C ~------- C - CH2CCOCT HN

NH +

\

^

CH

A m in o á c id o s a c íd ic o s :

Aspanato Asp

Glutamato Glu

Am

N H ,+ 1 ~OOCCH2CHCOO~ N H ,+ 1 “OOCCH2CH2CHCOO_

id a s d e a m in o á c id o s a c íd ic o s :

Asparragina Asn

Glutamina Gin

IMINOÁCIDO:

Prolina Pro

O

NHj

Il

1 H jN — C—CH2—CH— COO~ O

Il

NH>+

1 H j N - C - C H 2- C H 2- C H - C O O _ H j C — CH2 1 1 H2C CHCOO“ \ n h

/ 2+

10

BIOQUÍMICA

Clasificación de los aminoácidos. Se acostumbra distinguir un grupo de aminoácidos formado por 19 aminoácidos y un iminoáddo, integrantes de prácticamente la totalidad de las proteínas y para los cuales existe de manera exclusiva un proceso de codificación genética en el mecanismo de biosíntesis proteica (cuadro 2-2). Las modificaciones a alguno de los 20 aminoácidos; Cuadro 2-3 Aminoáddos presentes en algunas proteínas; son derivados de alguno de los 20 aminoácidos del cuadro 2-2 y-car boxiglu tamato

COO”

n h

1

3+

1

~o o c - c h - c h 2- c h - c o o ~ Fosfoserina

cr

n h

3+

1 1 " O - P — 0 - C H 2- C H — C O O '

l Hidroxilisina

OH

N H 3+

1 1 H ^ — CH2— CH— CH2—CH2— CH— COO“ Hidroxiprolina

HO - C H ---------CH2 1 H2C

1 CHCOO“ \ n h

/ 2+

anteriores, una vez sintetizada la proteína, da origen a aminoácidos tales como la hidroxilisina (adición de OH a la lisina), la hidroxiprolina, el a-carboxiglutamato, la fosfoserina, etc., incluidos en otro grupo (cuadro 2-3); se han encontrado más de 150 aminoácidos modificados de este tipo. Además, existen aminoácidos que, sin formar parte de alguna proteína, tienen impor tancia fisiológica (cuadro 2-4). Con fines de clasificación, se toman en cuenta las características estructu rales del radical (R) unido a la estructura fija del aminoácido. El grupo más numeroso es el de los aminoácidos con radical R no polar o hidrofóbico. En el grupo se reconocen 4 aminoácidos con residuos alifáticos, la alanina, la leucina, la isoleucina y la valina; dos aminoácidos con anillos aromáticos, la fenilalanina y el triptófano; un aminoácido con azufre, la metionina, y un iminoáddo, la. prolina. Todos ellos son, además, aminoáddos monoaminomonocarboxílicos y no poseen otro grupo ionizable. Son menos solubles en agua que el resto de los aminoáddos. Cuando forman parte de las proteínas, contribuyen a crear regiones hidrofóbicas, comúnmente sepulta das en el interior de la macromolécula, de gran importanaa para dertas fun dones.

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS Cuadro 2-4

Aminoácidos importantes no presentes en las proteínas

Nombre

Fórmula

Función

(3-alanina

+H3NCH2CH2COO~

Forma parte del áddo pantoténico y de la carnosina

y-amino* butírico

11

+H j N CH2CH2CH2COO_

Orni ti na

Cerebro de mamíferos; posible mediador de la actividad cerebral Forma parte del dd o de formadón de la urea

NHj + +H3N CH2CH2CH2CHCOCT

Citrulina

O

N H ,+

h

Forma parte del ddo de la urea

1

Il

2n - c — n h c h 2c h 2c h 2c h c o o ~

Tiroxina

/ ------- S . HO /

/ -------\

/° \ I

Hormona tiroidea N H }+

/ CH,CHCOO“ I

Otro grupo es el de los aminoácidos polares, pero sin carga neta. En tres de ellos, la serina, la treonina y la tirosina, el grupo polar es un OH; en otros dos, la glutamina y la asparragina, el grupo polar es una amida, —C'O NH¡ y, finalmente, en la dsteína, el grupo polar es un tiol, —SH. La glicina, con su R constituido por un hidrógeno, está en una posición intermedia entre los aminoácidos no polares y los polares sin carga. Estos aminoácidos a través de sus grupos polares suelen formar puentes de hidrógeno con el agua. El grupo de los aminoácidos cuyo radical R es básico consta de tres ami noácidos: la lisina con un grupo amino en posición e, la arginina con un gru po guanidino y la histidina con un grupo imidazol. El último grupo es el de los aminoácidos ácidos; lo forman el ácido aspártico y el glutámico, ambos con un segundo grupo carboxilo; al pH de los líquidos biológicos, existen como aspartato y glutamato y así son habi tualmente denominados. Los aminoácidos polares de los tres últimos grupos son más solubles en agua y cuando forman parte de las proteínas tienden a acomodarse en la peri feria de la macromolécula, facilitando su interacción con el agua. Propiedades fisicoquímicas de los aminoácidos. Las propiedades generales de los aminoácidos, comunes a todos ellos, dependen de la estruc tura presente en todos:

12

BIOQUÍMICA

H R -C -C O O -

I NH.+

Las propiedades individuales de cada uno de ellos se derivan del radical R específico de cada aminoácido, las cuales se analizan en textos de bioquímica avanzada. Con excepción de la glicina, al carbono a se unen cuatro radicales distin tos; por lo tanto, se trata de un carbono asimétrico que confiere a los aminoá cidos actividad óptica y por ende la capacidad para desviar la luz polarizada. La disposición espacial de los cuatro radicales alrededor del carbono a da lugar a la existencia de los L- y de los D-aminoácidos; se consideran L-aminoáddos a los derivados del L-gliceraldehído: CHO

l

H -C -O H

l

CH2OH D-giiccraldehído

COOH

CHO

i

l

i

l

H -C -N H j R D-aminoácido

H O -C -H

COOH

i

HaN —C —H

i

CH2OH L-gliceraldehído

R l

aminoácido

En todos los stres vivos los aminoáddos integrantes de las proteínas son de la serie L. Titulación de los aminoácidos. El comportamiento de los aminoáddos al titularlos (neutralizarlos con áddo o álcali y registrar los cambios de pH en reladón con la base o el áddo añadidos) permitió identificarlos como dipo los. Al titular un áddo débil, como el áddo acético, CH5COOH, es dedr al neutralizarlo con la base, la soludón empieza con un pH de 2.7, el cual se ele va al añadir hidróxido de sodio. El pK es el pH en el que la mitad del áddo original se ha convertido en la sal (acetato de sodio); en este caso, el píC es de 4.73; todo el áddo queda convertido en sal a un pH aproximado de 8.7. Por el contrario, si se neutraliza una base como el hidróxido de amonio con áddo, se empieza con un pH de 11.5, el cual disminuye al añadir el áddo; el píC es de 9-26 y, análogamente a los áridos, corresponde al pH en el que coexisten 50% de base y 50% de sal; el 100% de sal se alcanza cuando el pH es de 5.3. Los aminoáddos poseen cargas positivas y negativas; cuando tienen el mismo número de cargas positivas y negativas, están en su punto isoeléctrico; como consecuenda, al pH de su punto isoeléctrico, los aminoáddos no emi-

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEfríAS

mí HQ 2-1

13

mi N»OH

Curva de titulación de una sustancia anfotérica.

gran al colocarlos en un campo eléctrico. La glicina tiene su punto isoeléctri co al pH de 6.1. Si a un volumen de glidna colocada en su punto isoeléctrico se le agrega álcali de la misma concentradón, el pH sube de acuerdo con el volumen del álcali añadido, tal como se presenta en la figura 2-1. Llega un momento cuando 50% de la glidna ha donado su protón y otro 50% está .en posibilidad de donarlo; se alcanza aquí un pH de 9.78 (pK del grupo amo nio): H .

,

H -C -C O O -

H ,

H -C -C O O -

NH,+

NH,

50%

50%

Al continuar la adidón del álcali, a pH de 11.8, 100% de la glidna ha donado su protón y se encuentra como sal de sodio:

14

BIOQUÍMICA

En este caso, la glicina ha reaccionado como ácido, donando protones; el grupo ácido del aminoácido, el que dona los protones, es el amonio, —NH,+. H

H

I

I

H - C - C O O - + N aO H ------------> H - C - C O O “ + Na+ + H20

I

I

NH 2

N H ,+

Ai combinar la glicina con áddo, el aminoáddo fundona como base, aceptando protones: H H I I H -C -C O O - + HC1---------- > H -C -C O O H I I NH,+ NH3+ C lE1 radical básico del aminoácido, el aceptador de los protones, es el car boxilato —COO“. La curva de titulaaón de la glicina con HC1 se presenta en la figura 2-1. De su punto isoeléctrico, a pH de 6.1, alcanza paulatinamente su pK áddo, del carboxilo, al pH de 2.35 cuando 50% de la glidna ha acepta do protones y otro 50% está en disponibilidad de hacerlo. H I H -C -C O O I NH¡¡+ 50%

H I H —C—COOH I n h 3+ 50%

Al pH de 0.4, 100% de la glidna ha aceptado protones al máximo y for ma el clorhidrato de glidna: H I H —C—COOH n h

3+ C l-

En los casos de los aminoáddos con varios grupos ionizables, como el glutamato o el aspartato, se liberan protones en tres sitios, con un píC^ = 2.2 y un pK 2 —4.2, correspondiente a los COOH, el a y el distal, respectivamen-

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

15

te, y, por fin, al seguir agregando álcali, se obtiene otro pfC3 = 9.7, caracterís ticas del grupo —NH3+. El punto isoeléctrico del glutamato se muestra en la figura 2-2, con un solo grupo negativo, el —COO- , y otro positivo, el —NH3+, en equilibrio; el punto isoeléctrico es de aproximadamente 3.2 y resulta intermedio entre el pK, = 2.2 y el pK2 = 4.2 de los grupos COOH ionizados. De modo parecido, la curva de titulación de la lisina, aminoácido diamínico, indica pA^ = 2.2 (COOH); pK2 = 8.9 (a-amino) y pK} = 10.5 (NH3+ del carbono e) con un punto isoeléctrico de 9.7. Los aminoácidos contienen otros grupos ionizables como el imidazol de la histidina, cuya zona de disociación, cerca del pH 6, cae dentro de los lími tes fisiológicos del equilibrio ácido-básico. NH2 I c = n I NH

h

NH2 I 2+ — C = NH + H + I NH

SH SI I CH2 ^:CH 2 + H +

p K = 12.5

pK = 9

grupo guanidino (arginina)

grupo sulfhidrilo (cisteína)

HC = C+ I I HN NH : \ / C H

HC: N ^

= C NH + H+ / C H

pK = 6.0 grupo imidazólico (histidina) Absorción de la luz ultravioleta. Para el estudio de las proteínas se aprove cha la absorción de la luz ultravioleta, con un máximo de 275 nm, de los ami noácidos aromáticos tirosina, fenilalanina y triptófano, alguno de los cuales siempre está presente en ellas.

Los PÉPTID OS Unión peptídica. La condensación de dos o más aminoácidos por medio de sus grupos —COO" y —NH3+, con pérdida de una molécula de agua, forma una unión covalente, la unión peptídica:

16 BIOQUÍMICA

R

H

+H3N - C - C O O - - f ^ H 3N -C -C < á C ^ — i :'

I

I

H

R' '

: -

.

R

'

-

-

’

>•

i . : :>v;?

H20 +

^

,

H

I

H

I I

+H N - C - C - N - C - C O O -

I

•

II

I

K.

H O_____R'

^

unión peptídica

El ejemplo anterior es de un dipéptido con un carboxilato y un amonio en cada extremo, y por lo tanto puede unirse a un tercer aminoácido a través de otra unión peptídica, y a un cuarto aminoácido y así sucesivamente, siem pre conservando un grupo amonio terminal y un grupo carboxilato terminal. + OH+ + H+

coo-

COOH h c n h 3+ {a . ch 2

ch

COOH

COOH

( ) pK = 2.2

2-2

I HCNHg+ I ch2

(

*

coo-

)

I

HCNHj CH2

1ch 2

2

forma isoeléctrica pH = 3.2

coo-

I h c n h 3+

(

2

ch 2

c h

coo-

COO-

n

pK = 4.2

(

:

)

pK = 9.7.

Fórmulas desarrolladas de^glutamaco en el curso de la titulación, al agregar ácido o base.

En el esquema de la figura 2-3 no se muestran ramificaciones en la cadena y los distintos radicales salen a lo largo de una estructura axial. Cuando una proteína está formada por un solo polipéptido, los nombres de polipéptido y proteína son intercambiables.

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

17

2-3 La unidad repetitiva en la cadena principal está dada por 2 carbonos y un nitrógeno, de los cuales un C y un N son los componentes de la unión peptídica, CO-NH; las cadenas laterales dependen del tipo de radical R presente.

Por los estudios con rayos X se sabe que cada unión peptídica es rígida y planar y se conocen exactamente las dimensiones y los ángulos entre cada uno de los átomos participantes (fig. 2-4). El nombre de un péptido se empieza por el residuo de aminoácido con su —NH}+ intacto, y se le considera como radical añadiéndole el sufijo //; el aminoácido con el grupo carboxilo libre, intacto, no altera su nombre; por

2-4 Dimensiones fundamentales de las longitudes y de los ángulos de enlace, de la unión peptídica. Las longitudes están expresadas en nanómetros.

18

BIOQUÍMICA

ejemplo, la alanilglicina, con el COO“ libre de la glidna; la alanilvalilhistidina, con el COO- libre de la histidina, etc. Los nombres se abrevian reduaéndolos a sus tres primeras letras; cuando se representan radicales se separan por un punto; por ejemplo, Leu. Pro. Ala, es la leucilprolilalanina. La importancia de los péptidos en biología. En todos los seres vivos se han aislado péptidos de interés fisiológico: el glutatión (Y-glutamil-dsteinilglidna) con fundones óxido-reductoras por su grupo —SH; los presentes en las vitaminas áddo pantoténico y áddo fólico; el antibiótico gramiddina, extraído de microorganismos, etc. SH COOH

O

H

CH2 O H

H2N -C H -C H 2 -CH2- C - N - C H - C - Ñ - C H 2-COOH unión unión peptídica peptídica y-glutamil-dsteinil-glicina glutatión

Un grupo importante es el de los péptidos cerebrales con actividad de neurotransmisores o neuromoduladores. Las hormonas o factores "liberadores” del hipotálamo son péptidos muy activos (pág. 506). La oxitodna y la vasopresina son polipéptidos ddicos, con pesos moleculares cercanos a 1 000. Existen varios péptidos de origen pituitario, como la hormona de crecimien to o adrenocorticotrofina (pág. 527), las encefalinas y las endorfinas o pépti dos opioides, llamados así por su capaddad para reprodudr las acaones anal gésicas y hasta el cuadro de abstenaón conductual ocasionado por la morfina (pág-534). Los péptidos gastrointestinales coledstoquinina y gastrina son estudia dos en el capítulo de digestión (pág. 96 ) y otros, como la insulina y el glucagón, en la secdón de hormonas (pág. 516). Propiedades químicas de los péptidos. A partir de tres aminoáddos, todos los péptidos, por tener la unión peptídica, dan la reacdón del biuret, o sea la producdón de un color violeta al reacaonar con iones cúpricos en medio alcalino fuerte; esta reacdón se usa en la determinadón de proteínas. Hay reactivos que se unen con los grupos amino o carboxilo "termina les” de los péptidos y las proteínas, utilizados para estudiar el orden que tie nen los aminoáddos. El primer reactivo, empleado por Sanger, fue el 2,4dinitrofluorobenceno; su empleo permitió conocer la secuenda completa de los aminoáddos de la insulina (pág. 517). En la actualidad es de uso más común el fenilisotioaanato o reactivo de Edman. En general, estos reactivos

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

19

se unen al aminoácido terminal y, a través de ciertos pasos químicos, se des prenden arrancando a dicho aminoácido y dejando al descubierto otro, con el que prosigue la reacción, y así sucesivamente. A medida que es desprendido, se identifica cada aminoácido, unido al reactivo, y se establece el orden de los aminoáddos en el péptido. Otro reactivo se une a los grupos amino de los aminoáddos, péptidos y proteínas y se emplea para la síntesis de péptidos, con la técnica denominada de fase sólida; se trata del cloruro de terbutiloxicarbonilo. Se empieza andando un aminoácido, por medio de su grupo carboxilo, a una partícula sólida; a continuadón se hace reacaonar con otro aminoáddo bloqueado en su grupo amino por el reactivo señalado, con el que forma una unión peptídica. Posteriormente se elimina el reactivo protector del amino, para obtener un dipéptido con su grupo amino Ubre; el proceso se repite hasta tener el péptido deseado. La técnica se ha automatizado y ha permitido sintetizar una diversidad de péptidos naturales o artifidales, e induso proteí nas con actividad enzimàtica, como la ribonudeasa de 124 aminoáddos.

L a s p r o t e ín a s

Propiedades de las proteínas. Las proteínas se caracterizan por su fun dón y el mecanismo que les permite manifestarla (cuadro 2-1), independien temente de sus propiedades generales, como su tamaño y forma, sus carac terísticas de micelas coloidales, su comportamiento como anfolitos, solubili dad, etc. El tamaño de las proteínas es muy variable; las hay pequeñas con pesos moleculares de 6 000, como la insulina, hasta enormes proteínas como la hemodanina de los caracoles, con un peso molecular de 6 700 000. Las más comunes, como la albúmina, la globulina, la hemoglobina, etc., suelen pesar de 60 000 a 180 000. Desde el punto de vista de su forma se pueden distinguir, en general, dos tipos de proteínas, las fibrosas y las globulares. Las proteínas fibrosas o estructurales son moléculas alargadas, insolubles en agua y resistentes a la hidrólisis (cuadro 2-1). Las proteínas globulares son proteínas esferoidales o elipsoidales y solubles en soludones acuosas; corresponden a las proteínas simples como las albúminas y las globulinas. L a s p r o t e í n a s c o m o a n f o l i t o s . Al formarse las uniones peptídicas, la mayor parte de los grupos ionizables de los aminoáddos (—COO- y —NH3+) se neutralizan entre sí. Quedan, en la cadena del polipéptido, las cargas eléc tricas de algunos grupos ionizables presentes en los radicales laterales, R, de los aminoáddos, como el grupo —NH3+ de la lisina, los grupos carboxilato del aspartato y del glutamato, el fenólico de la tirosina, etc. (cuadro 2-2).

20

BIOQUÍMICA

Además, están libres el amonio —NH}+ y el carboxilato —COO' en los extremos de la cadena peptídica. Por ejemplo, la insulina, por cada molécula con peso de 6 000 tiene 6 grupos carboxilato, 2 grupos imidazólicos, 7 gru pos amonio y un grupo guanidino. La conducta de una proteina ante la titu lación o la migración en un campo eléctrico depende del número y la carga de los grupos ionizables netos que tiene a un pH definido. Las proteínas constituyen electrólitos múltiples con capacidad amorti guadora en una gran extensión de la escala de acidez o alcalinidad. El pH de la sangre en estado normal oscila entre 7-3 y 7.5, y estos límites no pueden rebasarse sin graves riesgos; las proteínas de la sangre, la hemoglobina, las seroalbúminas y las seroglobulinas tienen grar. capacidad amortiguadora alrededor de ese pH; el grupo más activo de ellas es el imidazólico de la histi dina, cuyo pK (6.0) es el más cercano al pH normal de la sangre. Por otro lado, las proteínas son macromoléculas con dimensiones de las micelas en el estado coloidal y numerosos y diferentes grupos ionizables en su superficie, lo que les confiere propiedades de adsorción, asociadas a las funciones enzimàtica, inmunológica, de transporte y otras. La solubilidad de las proteínas depende de las características estructura les de la proteina y del medio en que se encuentran. Ciertas proteínas de tipo fibroso como la colágena y la elastina son insolubles en agua y en los medios acuosos comunes en los seres vivos. Sin embargo, la mayoría de las proteínas son solubles en las condiciones habituales de las células. La solubilidad es mínima en el punto isoeléctrico de la proteína. La solubilidad de las proteí nas depende de la fuerza iónica de la solución, hecho utilizado para separar distintas proteínas en el laboratorio. Clasificación de las proteínas. Durante mucho tiempo se dividieron en sim ples y conjugadas, por contener las primeras sólo a-aminoácidos y las segun das por tener, además, otras sustancias; sin embargo, en todas las proteínas, aun las más simples, casi siempre están asociadas otras moléculas llamadas genéricamente grupo prostético; en rigor, en esto se basa ahora la clasifica ción mostrada en el cuadro 2-5. Otra clasificación de las proteínas (cuadro 2-1) depende del tipo de fun ción que realizan. Estructura de las proteínas. El conocimiento de la estructura de las proteínas ha permitido, en gran parte, entender sus funciones, particular mente a nivel molecular. Las proteínas, a pesar de su gran tamaño, mantienen en los organismos vivos una estructura tridimensional precisa, una organización espacial bien definida, conocida como conformación nativa. Se emplea el término conforma ción para referirse al arreglo tridimensional de los átomos en una estructura. Por lo tanto, la conformación nativa de las proteínas es el arreglo espacial propio de cada proteina en su estado natural, la "anatomía” de cada proteína,

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

Cuadro 2-5

21

Clasificación de las proteínas conjugadas Grupos prostéticos

Ejemplos

Fosfoproteínas

Ácido fosfórico

Caseína, vi relina, histonas

Glucopro teínas

Carbohidratos

Albúminas, globulinas, colágena

Nucleoproteínas

Ácidos nucleicos

Ribonucleoproteínas, desoxirribonucleoproteínas

Hemoproteínas

Hierroprotoporfirinas

Mioglobina, hemoglobina, citocromos

Clorofiloproteínas

Magnesioporfirinas

Clorofilas

Metaloproteínas

Metal

Insulina (Zn), anhidrasa carbónica {Zn), hemocianina (Cu), ferritina (Fe)

Lipoproteínas

Lípidos

lipoproteínas séricas

la única compatible con su fundón y, además, la conformadón termodinami camente más estable, con menor requerimiento de energía para adoptarse y menor cantidad de energía almacenada. El primer paso del estudio es la purificadón de la proteina en cantidad adecuada, funaonalmente activa y libre de otras proteínas contaminantes. Es muy importante precisar si está compuesta de una sola cadena polipeptídica, en cuyo caso redbe el nombre de monomérica (el monómero es cada una de las cadenas). Cuando la proteína está formada por varios monómeros, idénticos o no entre sí, se llama oligomérica. Desde el punto de vista fundonal, cada monómero de una proteína oligomérica y la proteína final son distintos. jCE s t r u c t u r a p r im a r ia ü ís el orden o secuencia de los aminoáddos unidos entre sí por uniones peptídicas. En las células el orden queda determi nado por la informaaón contenida en los genes. Al formarse el pépti do se produce una secuencia lineal y repetitiva de los átomos N,C,C,N,C,C,N,C,C,N,C,C, etc (fig. 2-5), donde se suceden las uniones peptídicas; esta secuencia lineal se llama columna vertebral. Sobresalen, de la cadena lineal, los grupos R de los aminoáddos. De la secuencia de los ami noáddos en una proteína se deriva todo el resto de su conformadón. Un ejemplo típico es el de la anemia de glóbulos rojos semilunares (pág. 77) en cuya hemoglobina un aminoáddo glutamato es sustituido por el aminoáddo valina en las cadenas a de la proteina, alterando así la conformadón

.

22

BIOQUÍMICA

2-5 Estructura secundaria de las proteínas. Forma de hélice a de modo que la columna vertebral, for mada por series de 2C y 1N, da vuelta en el sentido de las manecillas del reloj, en su desarrollo de arriba hada abajo. En la figura no están representados los radicales R que salen de uno de los C y que forman un cilindro más ancho alrededor del eje.

de la hemoglobina e induso la forma del glóbulo rojo y su fundón de trans porte de oxígeno. La primera proteína de la que se conodó la estructura primaria fue la insulina, estudiada por Sanger en 1953. Ahora se conoce la secuenaa com pleta de más de 2 000 proteínas. El estudio de una proteína oligomérica implica la separaaón de las cade nas entre sí para proceder al análisis de la secuenda de los aminoáddos por

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

23

medio de los reactivos, señalados atrás, para desprender los aminoácidos ter minales de la cadena; además, se emplean diversas enzimas proteolíticas para fragmentar el polipéptido en estudio y hacer los análisis con los reactivos de grupo terminal. . ^ E s t r u c t u r a s e c u n d a r i a . La e s t r u c t u r a planar del enlace peptídico res tringe las posibilidades del arreglo espacial de la columna vertebral de los polipéptidos. Cada enlace peptídico planar forma un ángulo en relación al siguiente enlace peptídico, también planar, y se desplaza en relación al car bono a de cada uno de los aminoácidos, lo que influye en el plegamiento de la columna vertebral de los polipéptidos. El plegamiento tiende a alcanzar la forma más estable, en la que ocurren menos modificaciones espontáneas. Los tipos de arreglo presentes son los de a-hélice y de "hoja plegada p” antiparalela, formas dominantes de la estructura secundaria de las proteínas, estabilizados, en gran parte, por puentes de hidrógeno entre los nitrógenos y los oxígenos:

R -C H C = 0 ....... H - N

ite -R ' /

\ í - H ....... 0 = C / / H C -R ' En la hélice a, la columna vertebral de la cadena gira sobre un eje, para dar una estructura helicoidal (fig. 2-5). La dimensión de cada segmento CCNC es de cerca de 0.15 nm; el ángulo entre cada uno de los segmentos es de 100° y por la parte externa de cada ángulo salen los radicales R de los aminoácidos; caben 3.6 residuos de aminoáddos en cada vuelta que ocupa 0.54 nm; cuando se forman varias vueltas, la estructura total semeja un cilin dro o tubo del que sobresalen los radicales R de los aminoáddos. La hélice a forma una parte variable en las proteínas; por ejemplo, cons tituye 70% de la cadena polipeptídica de la hemoglobina; en otras, como la quimotripsina, está ausente. La forma es una conformadón simple formada por dos o más cadenas polipeptídicas paralelas (que corren en el mismo sentido) o antiparalelas (que corren en direcdones opuestas) y se adosan estrechamente por medio de puentes de hidrógeno y diversos arreglos entre los radicales libres de los aminoáddos (fig. 2-6). Esta conformadón tiene una estructura laminar y plegada, a la manera de un acordeón. La estabilidad es mayor en la conformadón antiparalela, la más frecuente en las proteínas naturales, induso más frecuente que la a-hélice. Últimamen-

24

BIOQUÍMICA

/ *Í“ H C

I

c

0=0

c

c

: V H

y in ®

1 h

i

•'• o¡=c ¿

-n

c /

o=c

%

c /

‘

¿ *

,^ i N f = 0 /c ]SJ— H

2-6 Configuración fi de las cadenas polipeptídicas en las proteínas fibrosas. El esquema corresponde a la disposición de varias liminas de arreglo paralelo. Debido a los íngulos entre los C y los N de ¿ columna vertebral, la forma real es la de una lámina que se dobla en zig.-zag. La zona punteada corresponde al puente de hidrógeno.

te se representan estos arreglos de las proteínas por medio de "listones” con punta de flecha, para indicar la dirección del polipéptido, donde el grupo amonio libre es el inicial y el carboxilo libre el terminal. ¡r\\ *i li l '•!»

a-hélice

/ Unión disulfuro

\ \ S-S de ásteím

//

lá m i n a

^

2-7 Esquema de la lisozlma en el que la columna vertebral polipeptídica se representa como listón; las líneas punteadas no son ni a-hélice ni lámina* . (Modificada de Richardson.)

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

25

2 -8 Tipo de uniones que estabilizan d plegamiento de las proteínas. L interacción electrostática; 2. puentes de hidrógeno, entre treonina y scrina; 3. interacción dipolo-dipolo entre dos serinas; 4. unión de disulfuro, covalente, entre dos cisternas, y 5. interacción hidrofóbica entre ku ána e isokudna.

E s t r u c t u r a t e r c i a r i a . Se trata del arreglo tridimensional de las proteí nas, formando diversos repliegues específicos y fijos para un determinado orden de aminoáddos. La seroalbúmina de bovino, con peso de 68 000, contiene cerca de 590 aminoáddos y está constituida por una sola cadena; si estuviera estirada, como hélice a, su longitud sería de 88.5 nm y su espesor de LO nm; en la rea lidad mide 20 por 3.5 nm, lo que implica el plegamiento de la cadena; ios 17 puentes disulfuro en su molécula también señalan la presencia de los plegamientos. La disposiaón final de las proteínas depende, en rigor; de los distintos residuos de aminoáddos vinculados entre sí por dertas uniones,de las cuales predominan las siguientes (fig. 2-8): L Uniones dt tipo de atracción electrostática. Se trata de la formadón de una unión de tipo sal por la presencia de un grupo —COO“ y otro —NH,+ de los

26

BIOQUÍMICA

residuos correspondientes, tipo glutamato o aspartato, y lisina o arginina, respectivamente. 2. Puentes de hidrógeno. Se establecen entre grupos carboxilato, grupos oxhidrilo o los propios —HC = O de las uniones peptídicas; por ser tan numerosos constituyen en conjunto una fuerza de unión importante. 3- Interacción de cadenas no polares. En este caso ocurre el acercamiento de residuos no polares parecidos, como los grupos aromáticos de la fenilalanina, o los no aromáticos de la alanina, y la isoleudna, etc. Espedalmente en este tipo de interacciones debe tomarse en cuenta el papel del agua como solven te natural de las proteínas. Dada la estructura química del agua, al quedar exduida de los residuos no polares se favorece la interacdón de estos resi duos entre los segmentos polipeptídicos de las proteínas disueltas en agua. 4. Fuerzas de Van der Waals. Cuando los residuos son idénticos, ocurre la atracdón de especies moleculares iguales a través de las llamadas fuerzas intermoleculares o de Van der Waals; dos residuos similares, metilos de la alanina, hidroximetilos de la serina, etc., producen el efecto. 5. Puentes de disulfuro. Son uniones covalentes entre dos partes de la cadena. Tal es el caso de los tres puentes de la insulina, dos entre las cadenas A y B, y otro en la propia cadena A (fig. 24-5)- La unión se hace entre dos asteínas (grupo activo —SH) para formar los puentes disulfuro (—S—S—) establedendo firmes uniones entre cadenas vednas. El resultado de las distintas uniones descritas es una estructura terdaria de gran estabilidad. Quedan algunos pasos importantes para produdr la con formadón final entre los que destacan: a. las interacdones hidrofóbicas, la fuerza de unión más importante en el plegamiento de las cadenas; b. los resi duos de aminoáddos polares con tendenaa a quedar en la periferia de la molécula en interacdón con el agua, en oposidón a los residuos de los ami noáddos no polares situados preferentemente en el seno de la molécula. Las estructuras terdarias de las proteínas permiten agruparlas en familias y subfamilias; por ejemplo, proteínas fibrosas de forma alargada y proteínas globulares de forma esferoidal. La mioglobina, proteína globular de los músculos de mamíferos, fue la pri mera proteína cuya estructura terdaria se conoaó por análisis con rayos X (fig. 2-9). Alrededor de 70% de sus aminoáddos se disponen en 8 segmentos lineales de hélice a de longitud variable desde 7 hasta 23 aminoáddos. Aun que su estructura parece irregular y asimétrica, no se establece al azar; todas las moléculas de mioglobina son iguales y tan compactas que sólo pueden penetrar a su interior cuatro moléculas de agua que se adosan a aminoáddos polares internos. E s t r u c t u r a c u a t e r n a r i a . Por estructura cuaternaria se entiende el agrupamiento de varias cadenas polipeptídicas, iguales o diferentes, para for mar estructuras más complejas (fig. 2-10).

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

27

2 -9 Esquema de la estructura de una molécula de mioglobina de acuerdo con ios datos cristalográficos (Kendrew). Se incluye el sitio donde se acomoda el grupo hem; los segmentos de la cadena con disposi ción de hélice a se muestran con trazos gruesos.

-^La estructura cuaternaria estudiada por primera vez fue la de ia hemo globina del ser humano adulto, como resultado de más de 25 años de investi gación en el laboratorio de Perutz. Cada cadena polipeptídica posee un gru po hem que reacciona directamente con el oxígeno para transportarlo.

2-10 Estructura cuaternaria de las proteínas. Esquema de la disposición de cuatro subunidades de una molécula de hemoglobina, formada por dos cadenas a en la parte inferior de la figura y dos cadenas (i en la parte superior.

28

BIOQUÍMICA

La estructura cuaternaria de algunas enzimas puede ser muy compleja; por ejemplo, la aspartato transcarbamilasa está integrada por 12 cadenas polipeptídicas. E s t r u c t u r a s s u p r a m o l e c u l a r e s . En ocasiones, las proteínas asociadas a otras moléculas se ensamblan formando estructuras más complejas denomi nadas supramoleculares, con las ventajas de constituir una unidad funcional, con una complejidad intermedia entre la conformación cuaternaria de las proteínas oligoméricas, por un lado, y los organelos subcelulares como los lisosomas o las mitocondrias por otro. Ejemplos típicos son el complejo de la sintetasa de los ácidos grasos (pág. 256), los virus y los ribosomas. Las estructuras supramoleculares habitualxnente se ensamblan por un fenómeno de cooperatividad estructural: dos macromoléculas unidas ofre cen mayor superficie y favorecen el ensamble de una tercera macromolécula y estas tres, a su vez, facilitan el de una cuarta, y así sucesivamente. Desnaturalización. La desnaturalización de las proteínas implica modifi caciones, en grado variable, de su estructura original o nativa, con la consi guiente alteración o desaparición de sus fundones (fig. 2-11). El fenómeno

2-11 Esquema de la desnaturalización de una proteína, en este caso la ribonucleasa- El rompimiento de los enlaces disulfuro, y su transformación a grupos -SH reducidos, y el de los puenres de hidrógeno per miten el estiramiento de la cadena; en situaciones extremas, se puede llegar a romper la cadena en frag mentos de tamaño variable.

puede producirse por una diversidad de agentes, físicos —calor, radiaaones ultravioleta, tensioactividad, altas presiones— o químicos, como los áddos, los álcalis, la urea y las sustancias con actividad detergente. Las uniones disul furo también son sensibles a los agentes desnaturalizantes; en ocasiones esta alteraaón es reversible, cuando se elimina el agente agresivo. La ruptura de los puentes de hidrógeno puede causar la desnaturalizadón y un menor plegamiento de la cadena peptídica. En las proteínas desna turalizadas están disminuidas la solubilidad, la viscosidad, la veloddad de difusión y la facilidad con que se cristalizan. Los cambios físicos coinaden

QUÍMICA DE LOS AMINOÁCIDOS Y DE LAS PROTEÍNAS

29

con modificaciones químicas: cuando se rompen los puentes disulfuro se ponen en libertad grupos —SH con sus propiedades características; al desple garse las cadenas pueden aparecer otros grupos activos o funcionales. Siendo la conformación de la molécula proteínica la base principal de su actividad fisiológica, al desnaturalizarse se pueden desarreglar los grupos que determi nan su actividad funcional y, de esta manera, se alteran sus características fisiológicas. Por ejemplo, las globulinas del suero humano desnaturalizadas pierden sus funciones de anticuerpos. Reversibilidad de la desnaturalización. Si se colocan algunas proteínas desna turalizadas en las condiciones previas a su desnaturalización, recuperan las características de la proteína nativa; esto se denomina reversibilidad de la desnaturalización. El fenómeno se ha estudiado con detalle en la enzima ribonucleasa que tiene 4 puentes disulfuro unidos como se muestra en la figura 2-11. La enzima nativa se desnaturaliza con urea y mercaptoetanol que rompen los puentes de hidrógeno y los disulfuro. Al eliminar la urea y el mercaptoetanol, la enzima se renaturaliza y retorna su actividad, es decir regresa a su forma nativa estable, al recuperar el orden y las uniones origina les de sus aminoácidos. Hidrólisis de las proteínas. La hidrólisis de las proteínas termina por frag mentarlas hasta obtener a-aminoácidos libres; al introducir OH y H a nivel de las uniones peptídicas se reconstituyen las funciones químicas originales amino y carboxilato: HO — H + : Rj O : H R2 Rí O I I! i i ! ¡ I I -C H -C — N -C H ------------»- C H - C - C r + unión peptídica

+H 5N

R2 I -C H -

grupo . grupo carboxilato amino

La hidrólisis àcida se lleva a cabo por la ebullición prolongada de la pro teina en soluciones acidas fuertes. Es un método relativamente rápido y efi caz, pues convierte a toda la proteina en aminoáddos; sin embargo, destruye completamente el triptófano y parte de la serina y la treonina. La hidrólisis alcalina puede destruir algunos aminoáddos como la arginina, la dsteína y la astina y muestra tendenda a formar racematos. En la hidrólisis enzimàtica se utilizan enzimas proteolíticas cuya actividad es lenra y a menudo incompleta; sin embargo, no se produce racemizadón ni se destruyen los aminoáddos; tiene la ventaja de ser muy espedfica. Existen exopeptidasas y endopeptidasas; las primeras hidrolizan las proteínas única

30

BIOQUÍMICA

mente por los extremos de la cadena y tienen comúnmente especificidad de grupo, llamándose aminopeptidasas y carboxipeptidasas cuando separan el último aminoácido con grupo amino o grupo carboxilato, respectivamente: O

R O +H .N -C -C -N H

•*

C—N —C -.C O O I ' H H

••

H

CARBOX1PEPTIDASA

EXOPEPT1DASAS: AMINOPEPTIDASA

Las endopeptidasas actúan en el interior de la cadena de aminoácidos y algunas sólo atacan uniones peptídicas en las que participa un aminoácido determinado, como es el caso de la enzima pancreática tripsina, activa sólo cuando uno de los radicales es de arginina o lisina, o de la enzima gástrica pepsina, activa sólo cuando existe fenilalanina, tirosina o triptófano: >r. HO +HJSI-

I N

R' O

I II

••C -N -C -C -N -C -C I I I I H R H H ENDOPEPTIDASA

coo-

Capítulo 3 ENZIM AS Y CO EN ZIM AS

En todas las células ocurre continua y simultáneamente una multitud de reacciones que se llevan a cabo a un pH cercano a la neutralidad, a tempera turas moderadas, con una concentración casi constante de todos sus compo nentes, a gran velocidad y sin liberaciones bruscas de energía. Un grupo muy especializado de proteínas, las enzimas, son las principales responsables de la situación. Las enzimas funcionan como catalizadores, es decir, modifican la velocidad de una reacción sin ser consumidas durante ella; las enzimas se definen como catalizadores biológicos de naturaleza proteínica.

3-1 Energía de activación en una reacción no catalizada, A ; energía de activación de la misma reacción catalizada por una enzima, B ; obsérvese que la disminución en energía libre E’ es idéntica en ambos casos, A y B, independientemente de que la reacción sea o no catalizada.

31

32

BIOQUÍMICA

C aracterísticas generales de las reacciones enzim áticas. Entre los varios miles de sustancias presentes en una célula (se calculan 100 000 sus tancias distintas en el ser humano), las enzimas constituyen la mayor parte de las proteínas celulares. Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones, pero sólo modifican reacciones que ocurren en forma espontánea, o sea reac ciones termodinamicamente posibles. Las enzimas no modifican el equilibrio de la reacción, no desplazan la reacción hacia ninguno de los lados, ni de las sustancias reaccionantes, ni de los productos; sólo acortan el tiempo para alcanzar el equilibrio. Muchas reacciones se llevan a cabo espontáneamente y con liberación de energía, pero a una velocidad muy lenta debido a la existencia de una barrera energética, llamada energía de activación. El efecto acelerador de las enzimas se debe a su capacidad para disminuir la energía de activación (fig. 3-1) y facili tar la unión de las sustancias reaccionantes en la posición adecuada para lle var a cabo la reacción.

Pa r

t e s d e l s is t e m a e n z i m à t i c o

El sistema enzimàtico consta de los siguientes componentes: Sustrato y productos. El sustrato es la molécula sobre la que actúa la en zima y cuya transformación está condicionada por ella. El producto es la molécula resultante de la acción de la enzima sobre el o los sustratos; a menudo se obtienen varios productos como resultado de las reacciones cata lizadas por las enzimas. H oloenzim a, apoenzima y coenzim a. La estructura formada por la apoenzima y la coenzima es la holoenzima. La apoenzima es la enzima propia mente dicha, de naturaleza proteica, peso molecular elevado, no dializable y termolábil; las hay desde peso molecular bajo, 12 000 a 24 000, con una sola cadena polipeptídica (ribonucleasa, papaína, tripsina, pepsina, etc.), hasta proteínas oligoméricas de gran complejidad. Existe otra parte del sistema enzimàtico, con peso molecular bajo (por lo tanto dializable), termostable y no proteica, adherida de manera más o menos laxa a la apoenzima, llamada grupo prostético, si está muy íntimamente ligada a la apoenzima, o coenzima cuando la unión es débil y se separan fácilmente. Los grupos prostéticos o las coenzimas actúan cediendo y reci biendo alternativamente parte de los productos de la reacción, como sucede de manera típica con los hidrógenos en las reacciones de óxido-reducción. La mayoría de las coenzimas son formas modificadas de las vitaminas. Proenzimas. Ciertas enzimas son sintetizadas como precursores no fun cionales, denominados proenzimas o zimógenos, y suelen activarse a través de la eliminación de un fragmento peptídico de su molécula, como el caso

ENZIMAS Y COENZIMAS

33

del pepsinógeno gástrico, convertible en la enzima pepsina al perder un frag mento peptídico de 44 aminoácidos. Isoenzim as. En muchos tejidos existen diversas y múltiples formas moleculares (estructuralmente distintas) de una enzima, denominadas isoen zimas, responsables de catalizar la misma reacción. Las isoenzimas difieren en su composición de aminoácidos, es decir, sus diferencias están determinadas genéticamente. Dichas diferencias se reconocen en el laboratorio por la res puesta a inhibidores, la velocidad de migración electroforética, etc. Activadores, inhibidores y moduladores. Los tres tipos modifican la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Los activadores son iones que aceleran la velocidad de una reacción, y a menudo son indispensables para realizar la acción enzimàtica. Con frecuencia son cationes, especialmente M g2+, M n2+, Ca2+, K +. En ocasiones los iones activadores se unen a la apoenzima, pero es más común su combinación con el sustrato o la coenzima. Los inhibidores son sustancias que disminuyen la velocidad de las reaccio nes catalizadas por enzimas. Su estudio se hace en la sección de cinética enzi màtica (pág. 59). Los moduladores son moléculas que actúan sobre enzimas oligoméricas con características de cooperatividad funcional, que influyen sobre la veloci dad de las reacciones enzimáticas; son positivos si estimulan la velocidad de la reacción y negativos si la inhiben. Se analizan con más detalle en "cinética de las enzimas” (pág. 57).

N

o m e n c l a t u r a y c l a s if ic a c ió n d e l a s e n z im a s

Algunas enzimas se denominaron según el sitio de su procedencia anatómica, como la ptialina de la saliva y la pepsina gástrica. Actualmente su clasificación se basa en el nombre del sustrato atacado, o en el tipo general de sustrato o en la reacción catalizada, y se ha añadido, convencionalmente, la terminación asa. Por ejemplo, las que actúan sobre la unión éster son las esterasas; si la esterasa es específica de los ésteres de colesterol, se denomina colesterol esterasa. En el año de 1961, la Unión Internacional de Bioquímica adoptó el siste ma de clasificación y nomenclatura propuesto por su Comisión de Enzimas, basado en la reacción química catalizada, o sea la propiedad específica de cada enzima; los diversos tipos se agrupan en clases, por catalizar procesos seme jantes, y en subclases, especificadoras, con mayor exactitud, de la reacción particular considerada. Según las recomendaciones de la Comisión de Enzimas (cuadro 3-1), el nombre de cada enzima tiene dos partes: la primera es el nombre del sustrato

34

BIOQUÍMICA

Cuadro 3-1 Ejemplos de enzimas dentro de algunos subgrupos, de los 6 grupos de enzimas, de acuerdo con la Comisión de Enzimas Número Nombre sistemático 1

Nombre común

Reacción

Deshidrogenasa alcohólica

Alcohol + NAD+ = aldehido o cetona + NADH

Citocromo oxidasa

4 fcrrocitocromo c + 0 2 = 4 ferrodtocromo f + H ?0

Acetil transfería Tiolasa

Acetil CoA + acetil CoA = CoA + acetoacetil CoA

Hexocjumasa

ATP + D-hexosa = ADP + D-hexosa-6-fosfato

Lipasa

Triacilglicerol + H 20 = diacilglicerol + un ion de ácido graso

ATPasa

ATP + H20 = ADP + ortofosfato

Aldolasa

D-fructosa 1,6-bisfosfato = dihidroxiacctona fosfato + D-gliceraldehído-3-fosfato

Fumarasa

L-malato = fumarato + H ,0

Ribulosa fosfato epimerasa

D-ribulosa-5-fosfato = D-xilulosa-5-fosfato

Glucosa fosfato isomcrasa

D-glucosa-6-fosfato = D*fructosa-6-fosfato

Acetil CoA sintetasa

ATP + acetato + CoA = AMP + pírofosfato 4acetil CoA

Piruvato carboxilasa

ATP + piruvato + C 0 2 + H20 = ADP + ortofosfato + oxalacetato

óxido-reductasas

11

Actúan sobre donadores con grupos CH-OH 1.1.1.1

1.9

Alcohol: NAD+ óxidoreductasa

Actúan sobre donadores con grupos hem 1.9.3.1 Citocromo c oxidasa

Transferasas

2.3

Transferasas de acilos 2.3.1.9

2.7

Acetil coenzima A: acetil CoA C-acetil transferasa

Traspasan grupos confosfato 2.7.1.1

ATP: D-hexosa

Pi + PPiCH3 adenina-ribosa- S+ I CH, I " CH. í H - C - N H 3+

coo-

TH F

N ' metil TH I;

vit. B,

S -ribosa- adenina I _______ CH, I ‘ CH., I " H - C - N H 3+

coo-

S-adenosil metionina

S-adenosil homocisteína

aceptor de metilos

aceptor metilado

5-21 Metabolismo de los grupos metilo por intermedio de la S-adenosil metionina. Obsérvese el papel de la betaína, producto de oxidación de la colina, como un importante donador de metilos.

E l C 0 2 c o m o f r a g m e n t o d e i C. La reacción inicial de fijación de C 0 2 en la fotosíntesis es el mejor ejemplo de fijación de fragmentos de 1*C, como C 0 2, a los carbohidratos; es una reacción no presente en los mamíferos. En éstos, los casos mejor conocidos de fijación de fragmentos de 1 C, en forma de C 0 2, son los de la formación de oxalacetato a partir de fosfoenolpiruvato (véase reversibilidad de la vía glucolítica, pág. 210); la transformación de la acetil coenzima A en malonil coenzima A (pág. 257) ; y la reacción de carboxilación del piruvato y su conversión a malato (pág. 260) y la formación de los anillos de purina y pirimidina en los que tanto el C6 del anillo purínico como el C 2, del pirimidínico provienen del C 0 2>siendo en el primer caso una incorporación directa a partir del H C O ,' presente en el medio, y en el segundo caso, la síntesis del carbamilfosfato (pág. 118 ) a partir del C 0 2 más N H / que, de esa manera, podrá ser incorporado en numerosos compuestos.

Capítulo 6 METABOLISM© ENERGETIC©

Las fundones de los seres vivos (movimiento, respiración, crecimiento, reproducción, etc.) requieren energía para realizarse y para ello dependen de: 1. la liberación de la energía de los compuestos que la contienen, y 2. de un mecanismo de "transducción” de la energía, es decir un sistema que pue da recibir la energía y almacenarla o bien utilizarla convirtiéndola en trabajo mecánico, osmótico, etc. Gran parte del metabolismo consiste en el aprove chamiento de la energía proveniente de los alimentos. La energía contenida en una sustancia se desprende como calor o se convierte en diversas formas de trabajo mecánico, eléctrico, etc. Estas formas, a su vez, al ser aprovecha das, terminan por convertirse en calor (ver fig. 7-2, pág. 138). Los estudios de calorimetría permiten valorar tanto la capacidad calorífica de los alimentos como los requerimientos de energía del organismo en distintas condiciones. La unidad calorimétrica es la caloría grande, kcal, cantidad de calor que permi te elevar en 1 "C la temperatura de un kilogramo de agua, de 15 a 16 °C. Valor caló rico de los alim entos. La cantidad de calor producida por un alimento cuando se quema en un aparato, como la bomba calorimétrica, es el equivalente de la energía potencial de dicho alimento; en general, los valores encontrados con la bomba son muy parecidos a los obtenidos en los organis mos vivos. Así, la combustión de una mezcla de carbohidratos (mono y P o li sacáridos), parecida a la ingerida con la dieta, arroja cifras de 4.1 kcal por gra mo de carbohidrato. En la bomba, un gramo de grasa natural proporciona 9.3 kcal, y 1 g de proteína da un promedio de 5.6 kcal; sin embargo, las pro teínas, cuando son oxidadas en el organismo animal, sólo liberan 4.1 kcal por gramo, pues en condiciones fisiológicas no se queman por completo, y parte de ellas se excreta en forma de urea (N H 2) 2CO, producto no completamente oxidado. En la práctica, se redondean las cifras y se acepta, en fisiología, como valor calórico de las grasas 9 kcal por gramo, de los carbohidratos 4 kcal por gramo y de las proteínas 4 kcal por gramo. 129

130

BIOQUÍMICA

Es interesante que el alcohol, a veces consumido en grandes cantidades (más del 50% de las necesidades calóricas), produce 7 kcal por gramo. C ociente respiratorio. Se entiende por cociente respiratorio la relación numérica obtenida al dividir el volumen de bióxido de carbono producido en una reacción, entre el volumen de oxígeno empleado para llevarla a cabo. El cociente respiratorio varía con cada uno de los principios alimenticios fundamentales. Los carbohidratos se oxidan de acuerdo con la ecuación ge neral: C6H 120 6 + 6 0 2

6 C 0 2 + 6H 20

y dan un cociente respiratorio, o sea la relación C O / O j, de 6/6 = 1. Cuando se oxida una grasa, como la trioleína, la reacción general es: C „H 1M0 6 + 8 0 0 2 -

57CO, + 52H 20

con un cociente respiratorio de 57/80, o sea 0.71. De la misma manera, el cociente respiratorio para la proteína es de 0.80. Cuando el individuo ingiere una dieta mixta, el cociente respiratorio es 0.82. Valor calórico del oxígeno. Al oxidar carbohidratos hasta C 0 2 y H 20 , se producen aproximadamente 5.0 kcal por cada litro de oxígeno utilizado. Cuando se oxidan grasas, 1 1 de 0 2 sirve para la producción de 4.68 kcal y, cuando se trata de la combustión de la proteína, el valor calórico del 0 2 es de 4.48 kcal por litro. En una dieta mixta tipo, formada por cantidades equilibradas de proteí na, grasa y carbohidrato, experimentalmente se ha obtenido un cociente res piratorio de 0.82, con un valor calórico, por litro de oxígeno, de 4.825 kcal. Cuando el animal está sintetizando grasa a partir de carbohidratos, se consu me muy poco 0 2, puesto que, a partir de un producto muy oxigenado como es el carbohidrato, se pasa a tina sustancia menos oxigenada, los ácidos gra sos; predomina así la producción de C 0 2 sobre el consumo de 0 2 y el cocien te respiratorio se vuelve mayor de la unidad; experimentalmente se han obtenido valores de 2.0 y más. Por el contrario, cuando el animal está que mando su propia grasa y no utiliza carbohidratos, la situación se invierte y el cociente respiratorio puede descender a menos de 0.7; en animales invernan tes son comunes los valores entre 0.6 y 0.7. Calorim etría. Usando métodos de calorimetría directa o indirecta se puede estimar la producción de energía en un organismo viviente midiendo la cantidad de calor disipada en un lapso determinado. El aparato de calorimetría directa se emplea sólo con fines de investiga ción; se trata de una cámara aislada en cuyo interior puede colocarse un indi viduo o un animal. El calor producido por el sujeto experimental se absorbe en una camisa de agua que rodea la cámara; se mide además el oxígeno con-

METABOLISMO ENERGÉTICO

131

sumido y el bióxido de carbono producido. Se pueden pasar alimentos al interior de la cámara y retirar las excreciones. E l método se ha usado en diversas condiciones, reposo, ejercicio, trabajo mental intenso, etc. Los métodos indirectos para el estudio de la producción energética de un organismo se basan en las determinaciones del consumo de 0 2 y de la emi sión de C 0 2, muy relacionados con la producción de calor. La medida de los gases se realiza en circuitos cerrados o abiertos. En el método de circuito cerrado>el aire expelido por los pulmones pasa a través de reactivos adecua dos que fijan el H20 y el C 0 2 y se mide la cantidad de 0 2 consumida durante el experimento. Los cálculos para determinar la producción energética se hacen en fun ción del valor calórico de un litro de oxígeno (véase atrás) en condiciones de consumo de una dieta mixta. En la práctica, para medir el calor producido o utilizado, se estudia la cantidad de oxígeno consumido en un tiempo determinado, en condiciones de reposo y de ayuno, o sea, basales, sobre la base de que el cociente respira torio en una dieta mixta es de 0.82, correspondiente a un valor calórico para el oxígeno de 4.825 kcal por litro. M e t a b o l is m o b a s a l

El término metabolismo basal representa la cantidad de calor producida por un organismo en una unidad de tiempo, en condiciones específicas denominadas basales, o sea el reposo físico y mental absolutos y ayuno de por lo menos 14 horas; en estas condiciones, el calor desprendido constituye la casi totalidad de la energía liberada por el consumo de las reservas acumuladas en el orga nismo, e incluye sólo las funciones orgánicas básicas, la respiración, la circula ción de la sangre y el metabolismo intermedio de los tejidos. En general, el metabolismo basal, o su equivalente en calorías, es cerca de la mitad del gasto calórico normal para un individuo adulto sano, en condiciones normales. La medida del metabolismo basal, en la práctica, se hace calculando, a partir del consumo de oxígeno, la cantidad de calorías producidas, habitual mente en el lapso de una hora (cuadro 6-1). Las cifras obtenidas se expresan en fundón de un factor muy constante, la superfide corporal, y se expre san las calorías produadas por metro cuadrado y por hora. Por fin, es común la práctica de dar los resultados en el tanto por dentó por arriba o por abajo de los valores fijados como normales, de manera experimental, para una espede biológica determinada. En estado normal, para hombres jóvenes adultos de 20 a 30 años de edad, las afras normales de metabolismo basal son de 40 kcal por metro cuadrado por hora, equivalentes a 8.3 1 de oxígeno por metro cuadrado por hora. En las mujeres se registran afras 6 a 10% inferiores a las de los hombre-.

132

BIOQUÍMICA

Cuadro 6-1

Requerimientos calóricos

Adultos Sedentarios Moderadamente activos Muy activos

kcal por hora Hombres Mujeres

kcal por día Hombres Mujeres

100 125 187

3 000 4 500

84 100 125

2 400

2 000 2 400 3 000

Embarazo (segunda mitad)

100

2 400

Lactancia

125

3 000

Niños 13 a 15 años 7 a 9 años 1 a 3 años Menos de un año

133 84 50

4.6/kg

108 84 50

4.6/kg

3 200 2 000 1 200 llOAg

2 600 2 000 1 200 llOAg

La producción de 40 kcal por hora por metro cuadrado para el hombre representa valores de 1 300 a 1 600 kcal diarias, suponiendo una superficie de 1.70 m2 y un peso de 70 kg. Las variaciones normales son de ± 10% alre dedor del promedio en casi el 90% de los sujetos. A más de la actividad mus cular, la ingestión de alimentos, las emociones y las temperaturas ambientales extremosas, existen otros factores que modifican el metabolismo basal, como son la edad, el sexo, el peso y la estatura, el estado de nutrición, etc. En el cuadro 6-2 se muestra la disminución del metabolismo basal conforme aumenta la edad, en ambos sexos. En patología, se modifica el metabolismo basal por las alteraciones de las glándulas de secreción interna y, especialmente, de la glándula tiroides. En general, un metabolismo basal dentro de ± 10% o, si se es más estricto, den tro de ± 15%, excluye a la glándula tiroides como causa de la sintomatología. En los cuadros de hiperfuncionamiento hipofisario (acromegalia, síndrome de Cushing, etc.), se eleva el metabolismo basal. La fiebre es una de las causas más frecuentes del metabolismo basal ele vado, así como el embarazo, debido al aumento en la cantidad de tejido fetal activo que se suma al consumo energético del organismo materno. Se observa metabolismo basal bajo en el hipotiroidismo, cuando suelen encontrarse cifras hasta de —35%. En la desnutrición, el metabolismo basal baja, en parte por la menor actividad del sistema endocrino característica de la desnutrición y quizá también por la carencia de proteínas. Metabolismo to tal. En estado de equilibrio, la producción de energía en el organismo iguala a la energía dispersada en forma de calor. E l gasto de energía depende de los factores constantes relacionados con el metabolis-

METABOLISMO ENERGÉTICO

Cuadro 6-2

133

Producción calórica en relación con la edad y sexo kcal/hora/m2

Edad (años)

Hombres

Mujeres

5 10 15 20 30 40 50 60 70

53 49 45 41 40 38 37 36 34

52 46 39 37 36 35 34 34 32

mo basal y de los variables, dependientes de la actividad muscular o del consu mo alimenticio. Entre estos últimos destaca la acción dinámica específica o efec to termogénico de los alimentos, fenómeno caracterizado por un aumento en el metabolismo basal después de la ingestión de alimentos, es decir, el metabolismo de los alimentos produce una cantidad de calor que se disipa y desperdicia. E l efecto es muy discreto para los carbohidratos, intermedio para las grasas y muy elevado (20 a 40%) para las proteínas. Muchos aminoá cidos individuales muestran el fenómeno, aun inyectados, por lo que dicha acción parece relacionarse con los procesos de desaminación o degradación de metabolitos. En la práctica, bajo dietas mixtas, se calcula 5% de calorías adicionales para compensar la pérdida por la acción dinámica específica. E fecto del trabajo. El trabajo muscular representa la actividad aislada más importante para determinar la producción de calor en los seres huma-

Cuadro 6 -3

Gasto calórico y actividad

Ocupaciones Sedentarias Escribir a mano Escribir a máquina Coser a máquina

kcal/hora

20 30 45

Moderadamente activas Manufactura de zapatos Carpintería

90 140

Activas Herrería Cantería

300 300

Muy activas Minería Aserradero

320 380

134

BIOQUÍMICA

nos. En el cuadro 6-3 se agrupan las actividades, de acuerdo con su intensi dad, en sedentarias, moderadamente activas, activas y muy activas. Las activi dades ligeras, como escribir a máquina, consumen unas 30 kcal por hora, en comparación con aserrar madera, cuyo consumo se calcula en 380 kcal por hora; una carrera de alta velocidad consume 650 kcal por hora, etc. Los siguientes ejemplos son típicos: Empleado de oficina 24 hs de "procesos fisiológicos” 8 hs de actividades habituales 8 hs de escribir a máquina y hacer apuntes

kcal I 900 400 240

Requerimiento diario total

2 540

Herrero 24 hs de "procesos fisiológicos” 8 hs de actividades habituales 8 hs de trabajo de herrería

kcal 1 900 400 2 400

Requerimiento diario total

4 700

En los dos casos citados en el cuadro, el de un empleado de oficina y el de un herrero, se unifican las actividades del metabolismo basal y la acción dinámica comprendidas en el término de "procesos fisiológicos”, más las actividades habituales como las de levantarse, caminar, vestirse, bañarse, etc., calculadas en unas 50 kcal por hora. A esto se añade el trabajo especial del individuo, dejando margen para situaciones inesperadas. Por lo tanto, el requerimiento calórico depende de las tres fuentes de gasto, o sea: el metabolismo basal, la acción dinámica específica de los ali mentos y el ejercicio. Las lesiones y las enfermedades aumentan el requerimiento energético del individuo; por ejemplo, en los enfermos operados o con fracturas su requerimiento calórico aumenta en un 30% y más de 100% en los casos de quemaduras graves. En el cuadro 6-4, se encuentran las recomendaciones dietéticas del Con sejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos de América para dis tintas edades y para ambos sexos, en sujetos moderadamente activos, en el que se incluyen los datos relativos al consumo calórico. Los niños tienen requerimientos mayores que los adultos, pues gastan mucha energía en las actividades habituales y, además, requieren mayor acopio de energía para fines de crecimiento.

METABOLISMO ENERGÉTICO

135

Cuadro 6 -4 Cantidades recomendadas en la dieta: aportes diarios de determinadas vitaminas y minerales en la dieta que se consideran adecuados e inocuos* Vitamioas Vitamina

Edad (años) Lactantes

K-(Mg)

0-0.5 0.5-1.0

Biotina

Acido pantoténico

(pg)

(®g)

12 10-20

35 50

2 3

Niños

1-3 4-6

15-30 20-40

65 85

3 3-4

Adolescentes

7-10 11 +

30-60 50-100

no 100-200

4-5 4-7

70-140

100-200

4-7

Adultos

Manganeso (mg)

Flúor (mg)

01igoelementosb Cromo Selenio (mg) (mg)

0.5-0.7 0.7-1.0

0 .5-0.7

0.1-0.5 0.2-1.0

0.01-0.04 0.02-0.06

0.01-0.04 0.02-0.06

0.03-0.06 0.04-0.06

1-} 4-6

1.0-1.5 1.5-2.0

1.0-1.5 1.5-2.0

0.5-1.5 1.0-2.5

0.02-0.08 0.03-0.12

0.02-0.08 0.03-0.12

0.05-0.10 0.06-0.15

7-10 11 +

2.0-2.5 2.0-3.0

2.0-3.0 2.5-5.0

1.5-2.5 1.5-2.5

0.05-0.20 0.05-0.20

0.05-0.20 0.05-0.20

0.1-0.3 0.15-0.50

2.0-3.0

2.5-5.0

1.5-4.0

0.05-0.20

0.05-0.00

0.15-0.50

Edad (años)

Cobre

0-0.5 0.5-1.0

Niños Adolescentes

Lactantes

Adultos

(™g)

M olibdeno (“ g)

Edad (años)

Sodio

Electrólitos Potasio

Ira«)

(m«)

Lactantes

0-0.5 0.5-1.0

115-350 250-750

350-925 425-1.275

275-700 400-1.200

Niños

1*3 4-6

325-975 450-1.350

550-1.650 775-2.325

500-1.500 700-2.100

Adolescentes

7-10 11 +

600-1.800 900-2.700

1.000-3.000 1.525-4.575

925-2.775 1.400-4.200

1.100-3-300

1.875-5.625

1.700-5.100

Adultos

Cloro (^ g )

2 Debido a que hay menos información en apoyo de las cantidades recomendadas, aquí se presentan en forma de límites inferior y superior de las cantidades recomendadas. b Puesto que los niveles tóxicos de muchos oligoelementos pueden ser sólo varias veces superiores al aporte normal, no deben superarse de forma habitual los límites superiores de los valores dado§ en este cuadro. Food and Nutrition Board. National Academy o f Sciences-National Research Counál. Washington. 1980.

136

BIOQUÍMICA

Los requerimientos energéticos son proporcionados por los alimentos: los carbohidratos, las grasas y las proteínas. En forma ideal, las proteínas deben proveer un 12% de las necesidades calóricas, las grasas no más del 30% y el resto, 58%, los carbohidratos. E l problem a de la obesidad. La obesidad consiste en la acumulación de calorías, en forma de grasas, en los depósitos del organismo; se trata, en rigor, de un desequilibrio entre la ingestión y el consumo de energía, pues se ingiere más alimento que el necesario para sostener los gastos calóricos, pro bablemente a consecuencia de una alteración del apetito. N o existen indivi duos que digieran o utilicen más eficazmente los alimentos y, por lo tanto, la causa de obesidad no es un mayor aprovechamiento de los alimentos. Desde el punto de vista del equilibrio calórico, la acumulación de tejido adiposo crea una sobrecarga física y para mover la mayor masa de tejido adiposo se necesita hacer más trabajo muscular y gastar más energía; además, existe una mayor utilización y movilización de triglicéridos y de ácidos gra sos en el tejido adiposo. En consecuencia, conforme aumenta la cantidad de grasa acumulada, se elevan las necesidades de energía para los movimientos de esa persona y para el metabolismo del tejido adicionado. El proceso no sigue indefinidamente, pues se alcanza un equilibrio entre lo ingerido y lo gastado, o sea la suma del metabolismo basal más el esfuerzo muscular, más la acción dinámica específica. En estas condiciones, el peso elevado suele sos tenerse con ingestiones iguales a las que permitieron lograr ese aumento ini cialmente, hecho que, en las personas obesas, se traduce por la observación de que, incluso una ingestión muy moderada, coincide con la persistencia de la obesidad.

Capítulo 7

OXIDACIONES BIOLÓGICAS Y BIOENERGÉTICA

i
dt q ---------

sustrato:

cit c --------- *

SITIO 2

ATP

cit a(a}) SITIO 3

•ATP flavinas

SITIO 1

NAD+

sustrato: ej. malato, a-cetoglutarato, piruvato, etc. 7-13

Esquema de U cadena del transporte de electrones y de los sirios donde se sintetiza el ATP.

162

BIOQUÍMICA

C ontrol respiratorio. El flujo de elcctroncs se encuentra tan ligado al proceso de la fosforilación que los electrones no fluyen por la cadena hacia el oxígeno, si no existe ADP disponible para fosforilarse; este fenómeno se denomina control respiratorio (fig. 7-14). El ADP se forma a medida que se consume el ATP: de hecho, el gasto de ATP en las funciones celulares es el factor más importante para regenerar ADP, el cual desencadena el flujo de electrones.

t

tiempo en segundos

7-14 Control respiratorio ejercido por el ADP. Las mitocondrias se incuban con un sustrato y, en con diciones adecuadas, el consumo de oxígeno (línea continua) se observa al añadir el ADP y se suspende al agotarse el ADP, que se transforma en ATP (línea discontinua).

M ecanism o de la fosforilación oxidativa. La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico de Mitchcll establece el principio universal para la transferencia de energía liberada por el despeño de elcctroncs para la síntesis del ATP Ctl las diversas membranas de mamíferos, bacterias y cloroplastos. La hipótesis propone que la cadena respiratoria da lugar a un estado de alta energía, no a un compuesto de alta energía, y reconoce que el flujo de electrones por la cadena respiratoria se engrana al desplazamiento unidirec cional de protones, los cuales se acumulan en la cara externa de la membrana interna de la mitocondria. Es necesaria la integridad de la membrana m ito condrial para sostener la mayor concentración de H+ fuera de la m ito co n d ria ( f ig . 7 -1 5 ).

La desigual distribución de protones y otros iones a los lados de la mem brana interna da origen a un potencial eléctrico; esta situación de desequili brio genera un poderoso impulso para igualar la concentración de iones a ambos lados de la membrana y volver al equilibrio; en el caso de los proto-

OXIDACIONES BIOLÓGICAS Y BIOENERGÉTICA

165

7-15 Representación simplificada de la hipótesis del acoplamiento quimiosmótico. El flujo de electrones por la cadena respiratoria promueve la salida unidireccional de protones. Los protones, más concen trados afuera que adentro, al penetrar a la mitocondria a través del canal establecido poi las subunidades F0 y F t (ATP sintetasa), dan lugar a la síntesis de ATP. Los desacopladores colapsan el gradiente de pro tones, así como los ionóforos colapsan el gradiente eléctrico. La oligomidna, al unirse a la subunidad F q, inhibe la síntesis de ATP.

nes, constituye la fuerza motriz de protones, la cual, junto con la fuerza pa ra igualar el potencial eléctrico, genera la energía necesaria para la síntesis de ATP. En este fenómeno es crucial el papel de la C oQ H 2 por su capacidad de ceder, por un lado, los electrones a los citocromos, y por el otro, de pasar los protones al exterior de la mitocondria. El mecanismo íntimo de la síntesis de ATP es un tópico de debate; los protones, más concentrados en el exterior de la membrana interna, penetran a la matriz mitocondrial, precisamente a través de un "canal” de la subunidad

164

BIOQUÍMICA

Fo y después por la subunidad F„ donde se realiza la síntesis de ATP, única y estrictamente en función de la entrada de protones (fig. 7-15). Agentes m odificadores de la fosforilación oxidativa. Existen diversos compuestos modificadores específicos de alguna etapa del proceso: Los desacopladores impiden la esterificación del A D P para dar ATP, pero permiten el flujo de electrones por la cadena respiratoria, es decir, impiden el almacenamiento de la energía (en forma de ATP) liberada por el despeño de electrones y aumentan la disipación de la energía en forma de calor en los procesos celulares. En este caso, la célula consume gran cantidad de sustrato y de oxígeno, hecho favorecido por la abundancia de AD P que trata, sin resultado, de regenerar suficiente ATP para las diversas funciones. E l dinitrofenol (tóxico usado alguna vez para el manejo de la obesidad) es un típico desacoplante que actúa colapsando el gradiente de protones a ambos lados de la membrana (fig. 7-15) y baja las relaciones P/O normales de tres a dos y aun a uno; el resultado neto es la baja de peso del individuo al quemarse, ine ficientemente, los sustratos disponibles. Los inhibidores de la fosforilación oxidativa impiden tanto la estimulación de la fosforilación oxidativa por el ADP como la formación de ATP a partir de A D P; así, los inhibidores provocan una pérdida del control respiratorio. La oligomicina, uno de los inhibidores clásicos de la fosforilación oxidativa, se une a la subunidad Fo e impide la entrada de protones a través de "su canal”, bloqueando la función de la ATP sintetasa (fig. 7-15). Los ionóforos o transportadores de iones, cuyo prototipo es la valinomicina, sólo actúan en presencia de un catión, a menudo muy selectivo; la valinomicma tiene alta selectividad para el potasio. Los ionóforos actúan haciendo reacciones luminosas

movimiento de flagelos

calor

síntesis de ATP

GRADIENTE ELECTROQUÍMICO

transporte de ' ATP y de ADP

transporte de iones (ej- CaJ+)

7-16 El gradiente electroquímico establecido en las membranas celulares especializadas es una fuente de energía para diversas fundones en la naturaleza.

OXIDACIONES BIOLÓGICAS Y BIOENERGÉTICA

165

verdaderos "agujeros” funcionales en la membrana de la mitocondria que permiten el paso del catión afín: la membrana se hace permeable, el gradien te electroquímico se colapsa y baja la síntesis del ATP. O t r o s u so s d e l a e n e r g ía g e n e r a d a p o r e l g r a d ie n te d e p ro to n e s .

Además de usarse en la síntesis de ATP, la energía generada por el gradiente de protones y otros iones en la membrana mitocondrial, puede aprovecharse para la producción de calor en ciertos tejidos adiposos (grasa densa) del recién nacido (fig. 7-16), donde los protones no pasan por Fo y F„ no se sintetiza ATP y la energía se libera en forma de calor, lo que ayuda a mantener la tem peratura corporal; otro ejemplo es el del transporte acoplado de iones, como el del Ca2+ del citosol a la matriz mitocondrial para regular la concentración de calcio libre en el citosol, en la contracción muscular o la glucogenólisis.

Capítulo 8 QUÍMICA DE LOS CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos (hidratos de carbono o azúcares) son compuestos orgáni cos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; en algunos tipos intervie nen también el azufre y el nitrógeno. En el cuadro 8-1 se incluye una visión general de la importancia de los carbohidratos en el hombre. A pesar de la gran cantidad de ellos presentes en la dieta, sólo forman una parte reducida de la composición del organismo, índice de su constante y enorme recambio. Los carbohidratos tienen diversas funciones: desde el punto de vista ener gético, la glucosa es el combustible más común para satisfacer las necesidades de la mayoría de los organismos; además, actúan como materiales de reserva energética, por ejemplo en forma de almidones en los vegetales, sobre todo las gramíneas, las leguminosas y numerosos tubérculos muy comunes en la dieta del ser humano. La sacarosa, o azúcar de caña, es otro carbohidrato de reserva presente en otros productos como la remolacha. Finalmente, en los animales el glucógeno tiene fundones de reserva energética. Los carbohidratos integran la estructura fibrosa y leñosa de los vegetales, formada principalmente por celulosa, el compuesto orgánico más abundan te en la naturaleza. En los animales, ciertos carbohidratos de gran peso mo Cuadro 8-1

Composición porcentual del cuerpo humano y de una dieta balanceada

Componente

Porcentaje en el organismo

Ingestión dietética diaria

kcal proporcionadas

Agua Proteínas Lípidos Carbohidratos Otras sustancias orgánicas (vitaminas, etc.) Sustancias inorgánicas

70 16 8.5 0.3 0.2

2 litros 80 gramos 90 gramos 390 gramos huellas

—

10 gramos

—

la

5

320 I 810 2 650 1 520 | —

QUÍMICA DE LOS CARBOHIDRATOS

167

lecular conrribuyen a la formación de sustancias como el ácido condroitín sulfúrico y el .\ido hialurónico que constituyen parte del cemento y soporte intercelular de varios tejidos. Los carbohidratos son precursores de ciertos lípidos y de dos factores vitamínicos, el ácido ascórbico y el inositol. C lasificación. Los carbohidratos se definen como los derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihídricos, o sea, con varios grupos OH. Cuando ya no es posible fragmentar, por hidrólisis, una molécula en la que se encuentran una función reductora, aldehido o cetona, y varias fundo nes alcohol, el compuesto recibe el nombre de azúcar simple o monosacárido, calificándose habitualmente con ¡a terminación osa. De acuerdo con el grupo

Cuadro 8 -2 Clasificación de los carbohidratos. Los nombres en letra cursiva se refieren a ejemplos comunes de cada grupo I. Monosacáridos simples Aldosas

---

Triosas Te trosas Pentosas Hexosas Heptosas

eritrosa ribosa glucosa

II. Monosacáridos derivados A. B. C. D.

Azúcares ami nados Azúcares alcoholes Azúcares ácidos Ésteres

glucosamina glicerol ácido glucurónico glucosa-6-fosfato

III. Oligosacáridos A. Disacáridos B. Trisacáridos, etc. IV. V.

VI.

sacarosa

Polímeros (de un monosacárido). Almidones, glucógenos, celulosas Glicosaminoglicanos A. Áddo hialurónico B. Condroitín 4 -sulfato C. Condroitín 6 sulfato D. Dermatán» sulfato E. Heparán' sulfato F. Heparina G. Queratán sulfato Carbohidratos con proteínas Glicoproteínas. Receptores de hormonas Proteoglicanos

Cetosas dihidroxiacetona ribulosa fructosa sedorxptulosa

168

BIOQUÍMICA

carbonita presente (aldehido o cetona) en los monosacáridos, estos se divi den en aidosas y cerosas y, en razón del número de átomos de carbono de la molécula, se distinguen las triosas, las terrosas, las pentosas, las hexosas y las heptosas (cuadro 8-2). La fórmula general de los monosacáridos simples es c „h 2„o „. Si en la molécula de un monosacárido simple se sustituye uno de sus gru pos funcionales, el carbonilo o alguno de los alcoholes, por otro grupo fun cional como una amina o un carboxilo, se obtienen los monosacáridos deriva dos. Los ésteres se originan a consecuencia de la reacción de un ácido con cualesquiera de los grupos alcohólicos de los monosacáridos simples; los más importantes en fisiología son los ésteres del ácido fosfórico, como la glucosa-6-fosfato. Cuando el carbohidrato se hidroliza produciendo dos moléculas de azú cares simples se denomina disacárido, siendo su fórmula general C„(H20 ) nl. Ejemplos de ellos son la sacarosa y la lactosa, el azúcar de la leche. Se denominan oligosacáridos los compuestos que se liberan dos o más (hasta 10) azúcares simples al ser sujetados a hidrólisis; cuando el número de éstos es muy grande, se usa el nombre de Polisacáridos, como los almidones, los glucógenos y las celulosas. Los glicosaminoglicanos son Polisacáridos complejos; contienen aminoazúcares y azúcares ácidos; al unirse covalentementc con proteínas dan lugar a los proteoglicanos; otra variedad de ellos, también unidas a proteínas, son las glicoproteínas (cuadro 8-2).

M o n o s a c á r id o s

s im pl e s

Estructura. Las triosas de interés en biología son el D-gliceraldehído y la dihidroxiacetona:

H I H -C-O H I C=0 I H -C -O H

H —C = 0 I H -C-O H I H -C-O H I H

H —C = 0 I H O -C -H I H -C-O H H

H

D-gliceraldchído

L-gliceraldchído

dihidroxiacetona

!

i

Nótese que el carbono central del gliceraldehído es asimétrico, es decir, tiene sus 4 valencias saturadas por distintos átomos o radicales (H —C = 0 , H, OH y H2=C ~O H ). Esta estructura le permite tener dos estereoisómeros, el

QUÍMICA DE LOS CARBOHIDRATOS

169

D y el L, de acuerdo con la posición del H y el OH vecinos al alcohol prima rio, —CH2OH. En las células predominan los azúcares derivados del D-gliceraldchído. La dihidroxiacetona no tiene carbono asimétrico.

El estudio de la estructura y las propiedades generales de los carbohidra tos se basa en la hexosa más importante y común, la glucosa. La fórmula desarrollada más simple de la glucosa muestra una molécula de cadena recta, con cinco carbonos ocupados por funciones alcohólicas y uno con una función aldehido: 1 2

3 4 5 6

CHO | CHOH j CHOH | CHOH

aldehido

4 alcoholes secundarios

i

CHOH | CH2OH

1 alcohol primario

Los carbonos 2, 3, 4, y 5, de acuerdo con esta fórmula, son asimétricos; el número de posibles isómeros es de 2", donde n representa el número de car bonos asimétricos en el compuesto, es decir, hay 16 sustancias que pueden tener esa estructura; de ellas, tres son muy comunes en la naturaleza, la D-glucosa, la D-galactosa y la D-manosa, cada una con su arreglo espacial característico. Los tres monosacáridos mencionados se derivan del D-gliceraldehído; la orientación espacial del OH en el carbono asimétrico más aleja do del carbonilo (el 5), es idéntica a la del carbono asimétrico del D-gliceraldehído: H —C = 0 I H -C -O H I H O -C -H I H O -C -H

H —C = 0 I H -C -O H l H O -C -H I H -C -O H

H —C = 0 I H O -C -H X H O -C -H I H -C -O H

H - CI- O H I H -C -O H

H - Cl- O H I H -C -O H

H - C -1O H I H -C -O H

D-glucosa

D-manosa

¿

D-galaaosa

A

¿

170

BIOQUÍMICA

Existe otra hexosa abundante en la naturaleza; es la cerosa (carbonilo con estructura cetónica, C = 0 ) D-fructosa, derivada también del D-gliceraldehído: H I H -C -O H I

c=o

I H O -C -H I H -C -O H I H -C -O H I H -C -O H I H D-fructosa

Configuración espacial de los monosacáridos. La fórmula lineal de la glucosa no explica algunas de sus propiedades que sí se explican cuando se la repre senta como una estructura lineal pero transformable en una forma cíclica, a través de la formación de un hemiacetal interno, entre el carbonilo del car bono 1 y el alcohol del carbono 5. De esta manera, el carbono 1 se convierte H

OH

H I

\ /

c=o

CH.OH

HCOH I HOCH I HCOH I .... HCCXHj I CH,OH

a-D-glucosa

forma lineal

HCOH HO